01 introducao a fadiga.unlocked

1Marco Luersen / UTFPR

O FENMENO DA FADIGA Introduo

Prof. Marco Antnio Luersen

DAMEC - UTFPR

Marco Luersen / UTFPR

Fadiga

um tipo de falha mecnica, causada primariamente pela aplicao repetida de

carregamentos variveis, a qual caracterizada

pela gerao e/ou pela propagao paulatina de

uma trinca, at a eventual fratura da pea

Falha mais comum em componentes mecnicos (50 a 90% das falhas)

A tenso flutuante ou repetida a que o material est submetido quando da ruptura muito inferior

aquela necessria para ocasionar a fratura devido

uma carga esttica


Fadiga

As cargas variveis fazem com que, em alguns pontos, tenhamos deformaes plsticas que

levam o material a uma deteriorao, dando

origem a uma trinca

A trinca cresce at atingir um tamanho suficiente para a ruptura final, geralmente brusca, com

caractersticas de uma ruptura frgil

Falha inesperada e repentina


Exemplos de falhas catastrficas por fadiga (1)

O avio, um B-737-200, vou

89.680 vos, uma mdia de 13 por dia,

nos 19 anos de vida til

28 de abril de 1988

Aloha Airlines - Vo 243

25 mm

Pequenas trincas iniciaram prximas

dos furos de rebites

e formaram uma trinca longa



DC-9 fraturado durante um pouso normal (notar que os pneus no esto furados nem os trens de pouso esto quebrados, logo a falha no pode ser debitada ao piloto)



Fratura similar de um EMB-145 (em 1999)



Navio quebrado em guas calmas



Mais um exemplo de

um navio

quebrado em

guas calmas

Todas estas falhas foram

resultado da

propagao

de pequenas

trincas



Ponte sobre o rio Ohio, em Point Pleasant, W.Virginia, USA (similar ponte Herclio Luz em Florianpolis, SC)


Exemplos de falhas catastrficas por fadiga (6b)

Restos da ponte aps a falha (com 46 mortes) causada por uma pequena trinca que levou ~50 anos para ficar instvel



Gasoduto siberiano que fraturou por vrios km


Diferentes tipos de carregamento de fadiga

(exemplos fonte: Da Rosa, UFSC):

(liga-desliga)

Implemento agrcola

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Tenso de trao suficientemente alta (fadiga estrutural fadiga de contato)

Variao ou flutuao na tenso aplicada (carga cclica) suficientemente alta

Um nmero de ciclos de aplicao da tenso suficientemente grande (nmero que depende

da situao)

Fatores bsicos necessrios para causar

falha por fadiga:


Concentrao de tenses

Corroso

Temperatura

Estrutura metalrgica

Tenses residuais

Tenses combinadas

Variveis que tendem a alterar as condies

de ocorrncia da fadiga:

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Estgios do mecanismo de fadiga

Nucleao da trinca: geralmente na superfcie, onde tem-se as mximas tenses e onde se

verificam deterioraes devido ao do meio

ambiente

Estgio I da propagao: aprofundamento da trinca inicial nos planos de alta tenso cisalhante

Estgio II da propagao: crescimento de uma trinca bem definida, em direo normal tenso de

trao mxima (estrias macroscpicas linhas de praia ou de repouso)

Ruptura final: a seo transversal restante no suporta a carga


Estgios de propagao de uma trinca de fadiga

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Em componentes lisos, sem entalhes, como no caso de corpos de prova, mais de 70% da

vida usada para a Nucleao e Estgio I

reduzir imperfeies superficiais e concentradores de tenso aumentam

consideravelmente a vida do componente


Crescimento paulatino de uma trinca de fadiga

direo do carregamento

(ciclos)

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Aspecto macroscpico de uma superfcie de

ruptura por fadiga

Similar uma fratura frgil

(ruptura catastrfica)

(superfcie rugosa)

(propagao da trinca)


Marcas de praia e marcas de rio

marcas de praia(concntricas, partindo do incio da

trinca)

marcas de rio (radiais, apontam para o incio da trinca)

1mm

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Esquema das superfcies de fratura por fadiga


Superfcie de fratura por fadiga (1)

Pela forma das marcas de praia pode-se concluir que o eixo

trabalhou em flexo alternada, com

baixa tenso nominal

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(a): eixo de ao 1040 com rasgo de chaveta e falha sob flexo rotativa

(b): virabrequim de motor a diesel com solicitao combinada de flexo e toro

Origem

(a) (b)



Falha por fadiga em uma biela de pisto (200mm de dimetro) de uma martelo utilizado para forjamento

Sem concentrao de tenses, devido um defeito interno: note que no existe propagao de trinca na parte externa

Trao pura

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Falha por fadiga em uma barra conectora forjada de ao AISI 8640 (200mm de dimetro) de uma martelo utilizado para forjamento

OrigemRegio da

ruptura final

Regio de

cisalhamento

final



Ruptura na pedivela de um sistema de pedal de bicicleta

Regio da

ruptura final

Marcas de praia

Origem

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Graus de sofisticao em ensaios de fadiga

Ideal, mas alto custo

Compromisso: resultado realstico X custo


cargas cclicas

entalhes (regies de concentrao

de tenses)

A Mquina de Fadiga de Woehler

Historicamente a anlise

de fenmenos de fadiga

comeou no sculo XIX

(1858-1870), com os

trabalhos de Woehler

sobre falhas repetidas

nos eixos dos vages de

estradas de ferro:

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Esquema da mquina de ensaios de flexo rotativa

utilizada por Whler

Corpos de Prova


Atualmente, os ensaios de fadiga so realizados com

auxlio de mquinas servohidrulicas modernas, sendo

mais comuns os ensaios de trao-compresso

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Modelos de falha por fadiga

Tenso X Nmero de ciclos s-N ou S-N (mais usado, fadiga a alto ciclo)

Deformao X Nmero de ciclos e-N ou E-N (fadiga a baixo ciclo)

Propagao de trincas de fadiga (da/dN-DK) (trinca inicial j existente)


Curva Tenso-Vida (s-N ou S-N) Tpica de um Ao

nvel de amplitude de tenso abaixo do qual no ocorre falha por fadiga vlido para corpos de prova ensaiados a amplitude constante

Limite de Fadiga (fatigue limit, endurance limit)

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Curva Tenso-Vida Tpica de uma Liga de Alumnio

Curva s-N tpica para ensaio de flexo rotativa em corpos de provas de liga de alumnio

A representao do nmero de ciclos em escala logartmica mais

conveniente para uma melhor anlise dos dados


Curva Tenso-Vida de Aos

Representao da curva em funo da razo

Tenso Alternante / Tenso Limite de Resistncia (Sf / Sut)

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Curva Deformao-Vida (e-N ou E-N) Tpica de um Ao


Curva de Propao de Trincas: da/dN-DK (uma trinca inicial j existente)

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