Mecânica Da Fractura-capítulo I

Teresa Morgado

Mecnica da FracturaCaptulo 1

Estas cpias dos acetatos apresentados nas aulas no devem ser considerados como textos adoptados pela disciplina, mas sim como uma orientao para o estudo da matria dada. Os alunos devero estudar pela bibliografia adoptada.

Todas as figuras e frmulas desta apresentao foram retiradas do livro Mechanical Behaviour of Materials Engineering Methods for Deformation, Fracture and Fatigue, Norman E. Dowling, Prentice Hall, 2 ed..

Captulo1 - Introduo Mecnica da Fractura

2

Introduo Mecnica da Fractura

A mecnica da fractura estuda as fendas em slidos.

Dever ter-se em ateno os seguintes factores na anlise das falhas:

As tenses actuam muitas vezes em mais do que uma direco, isto o estado de tenses biaxial ou triaxial.

Componentes reais podem conter defeitos ou mesmo fendas que devem ser considerados.

Tenses podem ser aplicadas para longos perodos de tempo.

Tenses podem ser aplicadas e removidas repetidamente, ou a direco das tenses repetidamente reversveis.


3

Tipos de falhas em materiais

Conceitos:Deformation failure Falha por deformao, mudana de dimenses fsicas ou da forma dos componentes, suficiente para que as suas funes sejam perdidas ou diminudas.

Fracture Fractura, fraccionamento at ao ponto do componente ser separado em duas ou mais peas.

Corrosion Corroso, a perda de material devido aco qumica.

Wear Desgaste, a remoo da superfcie devido abraso ou aderncia entre duas superfcies em contacto.

Se o desgaste provocado por um fludo (gs ou lquido) o fenmeno designa-se erosion eroso.


4

Classificao de tipos de deformao e fractura


5

Deformao elstica e plstica reviso de conceitos

Deformao elstica recuperada imediatamente aps retirada a carga.

Para uma carga axial a constante de proporcionalidade o mdulo de elasticidade, E.

Deformao plstica no recupervel aps retirada a carga, portanto permanente -conceito de tenso de cedncia (yield strength).

Materiais capazes de suportarem grandes quantidades de deformao plstica, apresentam um comportamento dctil (ductile).

Materiais que fracturam sem muita deformao plstica so ditos, materiais com comportamento frgil (brittle).


6


Ultimate tensile strength -Tenso de rotura, u=r, a tenso mais alta antes da fractura.

Strain of fracture deformao de fractura, f, a medida da ductilidade e normalmente expressa em percentagem, da ser chamada percentagem de alongamento.

Materiais que apresentam valores de u e de f elevados, so ditos tenazes (tough).


7


Buckling Encurvadura, a deformao devido a tenses de compresso que causam desalinhamentos em colunas ou placas.

Creep deslocamento, uma deformao que aumenta com o tempo.


8


Carregamentos que no variam com o tempo, ou cujas variaes so muito lentas, designam-se por carregamentos estticos.

Carregamento aplicado muito rapidamente designado por impacto (impact loading).

Resistncia fractura frgil designada por tenacidade fractura (fracture toughness), KIc


9

Fadiga

A causa mais comum de fractura a fadiga, que a falha devido a carregamentos repetidos. Normalmente, uma ou mais minsculas fendas aparecem no material, e vo crescendo at ocorrer a fractura.

A preveno da fractura por fadiga um aspecto vital na concepo de mquinas, veculos e estruturas que esto sujeitas a carregamentos repetidos.

Se o nmero de repeties (ciclos) de cargas elevado, na ordem dos milhes, ento designa-se fadiga de elevado n. de ciclos (high-cycle fatigue).

Low-cycle fatigue - fadiga para baixo n. de ciclos, causada por um nmero de ciclos na ordem das dezenas, centenas ou milhares.


10

Fadiga

Repetidas variaes de calor, frio podem causar tenses cclicas devido ao diferencial trmico expanso, contraco, resultando na fadiga trmica(thermal fatigue).

Synergistic effect - Efeito sinergtico, quando dois ou mais tipos de falhas actuam em conjunto, provocando um efeito maior do que aquele que seria esperado se actuassem separadamente.

Desgaste devido ao movimento de pequenas partculas combinado com carregamento cclico, produz danificao da superfcie seguida de fractura, o qual designado por fadiga de frico (fretting fatigue).

Corrosion fatigue fadiga de corroso, a combinao de carregamento cclico com a corroso.


11

Fadiga


12

Fadiga


13

Fadiga


14

Principais modos de runa ou rotura de equipamentos mecnicos

Deformao elstica excessivaDeformao plsticaFractura dctilFractura frgilCednciaEndurecimentoFadiga

Fadiga super-cclicaFadiga oligocclicaFadiga trmicaFadiga superficialFadiga por impactoFadiga com corrosoFadiga de contacto


15


DesgasteDesgaste abrasivoDesgaste adesivoDesgaste corrosivoDesgaste com fadiga superficialDesgaste de deformaoDesgaste de impactoDesgaste de contacto

CorrosoAtaque qumico directoCorroso galvnicaCorroso de picadaCorroso intergranularCorroso-erosoCavitaoFragilizao pelo hidrognioCorroso biolgicaCorroso sob tensoDesgaste de contacto


16


ImpactoFractura de impactoDeformao de impactoDesgaste de impactoFretagem com impactoFadiga de impacto

FretagemFadiga de fretagemDesgaste de fretagemFretagem com corroso

SulcagemPicagemAbrasoFlunciaChoque trmicoRelaxao trmicaRotura a alta temperaturaEncurvadura (flambagem)Encurvadura com flunciaOxidaoRotura de colagem (adeso)DelaminaoEroso


17

Causas de runa

Deficincias de projectoDesconhecimento de concentrao de tensesInformao insuficiente sobe as cargas de servio (ausncia de anlise experimental de tenses)Anlise de tenses pouco exacta ou insuficientemente desenvolvidaProttipo no existente ou deficientemente concebido

Deficincias na seleco de materiais

Dados inadequados para a escolha dos materiaisQualidade insuficienteFraca concordncia entre as condies de servio e os critrios de seleco


18

Causas de runa

Imperfeies (defeitos) no materialDefeitos de fabrico quer provenientes das matrias primas quer criados durante os processos de fabrico dos equipamentosDefeitos introduzidos em servio

Sobrecargas introduzidas em servio

Procedimentos inadequados de manuteno e reparao

Factores ambientaisAltas e (ou) baixas temperaturas: gradientes trmicosDeteriorao das propriedades por aco corrosivaAumento inesperado de agressividade do meio


19

Tipos de equipamentos e modos de runa


20

Runa dos Materiais e estruturas

Custo potencial de runa por fracturaPerda de vidas humanasImpacto ecolgicoProblemas jurdicosReposio da estruturaParagem da produoDanos em equipamentos vizinhosPerda de imagem, de confiana, contratos futuros, etc.

Controle de fracturaAnlise de tolerncia de danoTestes e inspecesEnsaios peridicos de sobrecargaReparao e substituioDe componentes


21

Custos anuais da runa de materiais e equipamentos

Fractura 4,0% do PIBCorroso 4,5% do PIBDesgaste 2,0% do PIB

10,5% (do PIB de cada pais)

A totalidade destes custos no pode ser, evidentemente eliminada. No entanto se conseguisse reduzi-los para 50% isso representaria uma economia enorme!


22

Projecto para evitar a runa

Projecto para evitar a runaAnlise da distribuio de tenses e concentrao de tenses (de clculo e em servio).Escolha adequada dos materiais.Anlise da integridade estrutural na presena de defeitos.Anlise probabilstica da geometria e distribuio de defeitos.Detectabilidade e fiabilidade da tcnica de IND (inspeces no destrutveis).Definio da inspectabilidade da estrutura ou do componente se for aplicvel.

Parmetros a obterGeometria das localizaes crticasIntervalos de inspeco (tolerncia de dano)Dimenses de defeitos admissveisCaractersticas dos materiaisNveis de resistncia residualProcedimentos de inspeco


23

Projecto para evitar a runa

Anlise de vida de equipamentos em servio (vida residual)Projecto feito com mtodos tradicionais. No admitia existncia de defeitos.Inspeco para avaliar futuro desempenho.Detectabilidade da IND maior.Reavaliao do Projecto.Previses da influncia dos defeitos so muito mais frequentes.

Prejuzos da no (ou m) avaliao da influncia dos defeitosRetirada desnecessria de servio.Reparao desnecessria.Runa catastrfica.

TendnciasAumentar o tempo de utilizao e a eficincia dos equipamentos.Evitar a retirada prematura (alcanar a vida de projecto terica com procedimentos conservativos).


24

Tipos de descontinuidades ou defeitos concentradores de tenso encontrados em materiais e estruturas

Defeitos que podem ser introduzidos durante o processamento das matrias primas ou em operaes de vazamento

Incluses (de escrias, naturais, acidentais....).

Segregaes.

Porosidades gasosas (bolsas de gs).

Defeitos devido contraco (porosidade, fissuras).

Defeitos de maquinagem que podem ser introduzidos durante a fabricao das peasDefeitos de maquinagem , de forjagem, de extruso, de trefilagem, de laminagem, etc..

Defeitos de soldadura (faltas de fuso, faltas de penetrao, fendas, escrias, porosidades......).

Defeitos com origem em tratamentos trmicos, em tratamentos superficiais e em operaes de revestimento.

Fendas devido a tenses residuais.


25

Tipos de descontinuidades ou defeitos concentradores de tenso encontrados em materiais e estruturas

Defeitos que podem ser introduzidos durante as operaes de transporte, manuseamento e montagem de peas e estruturasDefeitos de superfcie.Montagens incorrectas, desalinhamentos, tenses residuais....Falta de componentes.

Defeitos gerados durante o servio ou utilizaoDefeitos devidos a alteraes metalrgicas.Defeitos com origem em fenmenos de fractura, de fadiga, de fluncia, de desgaste, etc..Defeitos com origem em fenmenos de corroso, de corroso sob tenso.


26

Dimenses habituais de defeitos iniciais

Causas do defeito Dimenses em mmOperaes de fabrico

Martensite localizada sobretemperadaMartensite localizada subtemperadaFissurao no crmio

Defeitos no materialInclusesDefeitos de forjamento

Danos mecnicosFissuras em aoFissuras em alumnioRiscos de maquinagem

Corrosopicadas em alumniopicadas em aopicadas para inicio de fissuras de fadiga


27

Avaliao da resistncia operacional de componentes mecnicos - Dados fundamentais

Conhecimento das cargas e das condies de serviomateriaisgeometriameio ambientefabricotemperaturaprocedimentos de inspecofrequnciaespectro de cargas e (ou) tenses

Conhecimentos das especificaes e das condies de servio e de projectovida tilperfil do utilizadornvel de fiabilidade requeridacustos associadoscaractersticas da manutenoinspectabilidademodos mais provveis de runa


28

Controle de fractura

Controle de fractura o conjunto de medidas para evitar a ocorrncia de fracturas devido existncia de fendas, durante o tempo til de servio do componente ou sistema.

Causas da fracturaSobrecarga no prevista (raramente).Progresso de uma fenda pr-existente.

Tolerncia de dano a capacidade duma estrutura suportar a presena de defeitos ou fendas, em segurana at que se possam desenvolver aces para eliminar o defeito.


29


A eliminao do defeito feita por:ReparaoSubstituio do componente

Medidas a tomar:Anlise da tolerncia de danosSeleco de materialMelhoria do projectoEnsaio da estrutura (se possvel)Planeamento: inspeco e substituio

O alcance dessas medidas depende de:Criticalidade do componenteCusto da paragem de produoOutros danos (inclui perdas de vida)


30


A ferramenta matemtica para a anlise de tolerncia de danos a Mecnica da Fractura que fornece conceitos e equaes que permitam determinar:Como as fendas crescem (em funo do tempo).

Como as fendas afectam a resistncia dos componentes.

Filosofias de projecto

Durao garantida.

Rotura controlada (fail safe)

Avaliao critica do defeito.

Anlise da tolerncia do defeitos.


31

Objectivos da Mecnica da Fractura

Determinar as relaes entre:Dimenses de defeitos a.Solicitaes aplicadas - .Propriedades dos materiais kc.

Proceder :Avaliao da importncia e significado de defeitos.Comparao da tenacidade dos materiais.


32

Mtodos para garantir a fiabilidade e segurana dos sistemas mecnicos

Na fase de projecto, melhorar a resistncia do sistema ou qualidade do material de modo a assegurar que os defeitos eventuais no se tornem perigosos durante a vida em servio prevista para o sistema.

Ou, alternativamente

Proceder, durante o tempo de servio, a inspeces peridicas para reparar ou substituir os componentes em que as fendas sejam detectadas. Os intervalos de inspeco devem depender do crescimento da fenda, calculada na anlise de tolerncia de dano.
Mecnica da FracturaCaptulo 1Introduo Mecnica da FracturaTipos de falhas em materiaisClassificao de tipos de deformao e fracturaDeformao elstica e plstica reviso de conceitosDeformao elstica e plstica reviso de conceitosDeformao elstica e plstica reviso de conceitosDeformao elstica e plstica reviso de conceitosFadigaFadigaFadigaFadigaFadigaPrincipais modos de runa ou rotura de equipamentos mecnicosPrincipais modos de runa ou rotura de equipamentos mecnicosPrincipais modos de runa ou rotura de equipamentos mecnicosCausas de runaCausas de runaTipos de equipamentos e modos de runaRuna dos Materiais e estruturasCustos anuais da runa de materiais e equipamentosProjecto para evitar a runaProjecto para evitar a runaTipos de descontinuidades ou defeitos concentradores de tenso encontrados em materiais e estruturasTipos de descontinuidades ou defeitos concentradores de tenso encontrados em materiais e estruturasDimenses habituais de defeitos iniciaisAvaliao da resistncia operacional de componentes mecnicos - Dados fundamentaisControle de fracturaControle de fracturaControle de fracturaObjectivos da Mecnica da FracturaMtodos para garantir a fiabilidade e segurana dos sistemas mecnicos

Documents

Mecânica Da Fractura-capítulo I