Analise de Falhas -Parte II

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Anlise de falhasParte II

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Tipos de fraturaFratura Dctil

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Modos de fratura Fratura DctilO modo de fratura dctil sempre preferido por duas razes: A presena de deformao plstica na fratura dctil fornece um alerta de que a fratura eminente, permitindo tomar uma ao para diminuir o carregamento.

As fraturas dcteis consomem muita energia para a nucleao e a propagao.Anlise de falhas - Modos de fraturas 3

Modos de fratura Fratura Dctil

Aspecto da fratura dctil por trao em Fe-3%Si monocristalino mostrando linhas de escorregamento e estrico.Fractography, Derek Hull Cambridge University Press.Anlise de falhas - Modos de fraturas 4

Modos de fratura Fratura Dctil Todos os modos de fratura envolvem duas etapas: nucleao e crescimento de uma trinca. Na fratura dctil este processo relativamente lento e a trinca se comporta de forma estvel, ou seja, no h o crescimento da trinca sem um aumento na tenso aplicada.

As fraturas dcteis apresentam caractersticas macro e microscpicas marcantes. A mais relevante a formao de alvolos (dimples).Anlise de falhas - Modos de fraturas 5

Modos de fratura Fratura DctilNo ponto de mximo da curva (tenso de resistncia), inicia-se o processo de reduo de rea. Microscopicamente, a floresta de discordncias interage com as partculas de 2 fase da microestrutura, nucleando os alvolos da fratura dctil.Deformao plstica [%]6

[Mpa] r

E

Anlise de falhas - Modos de fraturas

Modos de fratura Fratura DctilFloresta de discordncias. Micrografia obtida por transmisso eletrnica de uma liga de titnio em que as linhas escuras so discordncias. 51450 X. (Cortesia de M. R. Plichta, Michigan Universidade Tecnolgica).

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Modos de fratura Fratura Dctil

As discordncias atingem as partculas nucleando trincas microscpicas na interface entre a matriz e a partcula de 2 fase.Anlise de falhas - Modos de fraturas 8

Modos de fratura Fratura Dctil

As trincas entre as partculas coalescem formando uma trinca macroscpica (fratura).Anlise de falhas - Modos de fraturas 9

Modos de fratura Fratura Dctil

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Modos de fratura Fratura DctilA superfcie de fratura formada pela abertura da trinca macroscpica, que por sua vez formada por unio das micro trincas formadas ao redor das partculas de 2 fase.

Efeito das partculas de segunda fase na fratura dctil em metal policristalino mostrando formao de alvolos. Fractography Derek Hull Cambridge University Press.

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Modos de fratura Fratura DctilInfluncia da direo da tenso principal na morfologia dos alvolos

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Modos de fratura Fratura Dctil

15 x

700 x

Superfcie de fratura de corpo-de-prova de trao. Liga de alumnio 6152F.Anlise de falhas - Modos de fraturas 13

Modos de fratura Fratura Dctil

15 x

700 x

Superfcie de fratura de corpo-de-prova de trao. Ao carbono. SAE 1045.Anlise de falhas - Modos de fraturas 14

Modos de fratura Fratura Dctil

Intergranular dimple rupture in a steel specimen resulting from microvoid coalescence at grain boundaries.

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Modos de fratura Fratura Dctil

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Tipos de fraturaFratura Frgil

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Modos de fratura Fratura FrgilIlustrao de ferramentas de pedra da pr-histria mostrando sucesso de superfcies de fratura de aspecto conchoidal, decorrentes do processo de fabricao (flaking process). Lucile R. Addington, Lithic illustration, 1986, University of Chicago in Fractography, Derek Hull, Cambridge Press.Anlise de falhas - Modos de fraturas 18

Modos de fratura Fratura FrgilNa fratura frgil, a trinca nucleia e propaga-se de maneira rpida com pequena ou nenhuma deformao plstica. As trincas frgeis so consideradas instveis, pois uma vez iniciadas, propagamse espontaneamente, sem qualquer alterao na magnitude da tenso aplicada.[Mpa] r

E

Deformao plstica [%]19

Anlise de falhas - Modos de fraturas

Modos de fratura Fratura Frgil

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Modos de fratura Fratura FrgilMacroscopicamente, a fratura frgil apresenta marcas em V denominadas chevron marks (marcas de sargento). As marcas de sargento apontam para o ponto de nucleao da trinca.

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Modos de fratura Fratura FrgilPara a maioria dos materiais cristalinos a propagao de trincas frgeis ocorre por repetidas e sucessivas quebras de ligaes metlicas ao longo de planos cristalinos, denominados planos de clivagem. A clivagem transgranular e microscopicamente a fratura exibe uma srie de facetas, como resultado dos diferentes planos de clivagem.22

A fratura atravessa os gros.

Anlise de falhas - Modos de fraturas

Modos de fratura Fratura Frgil

100 x

400 x

Fratura frgil evidenciando facetas de clivagem.Anlise de falhas - Modos de fraturas 23

Modos de fratura Fratura Frgil

Marcas de sargento apontam para regio de incio de fratura. ASM Handbook. FAILURE ANALYSIS ANDPREVENTION v. 11Anlise de falhas - Modos de fraturas 24

Modos de fratura Fratura Frgil

Detalhe de uma roda trincada

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Modos de fratura Fratura Frgil

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Modos de fratura Fratura FrgilGrelhas fundidos em ao baixa liga e submetidas tmpera integral.

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Modos de fratura Fratura Frgil

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Tipos de fraturaFratura Intergranular

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Modos de fratura Fratura IntergranularA fratura passa ao longo dos contornos dos gros.

As fraturas intergranulares decorrem da decoeso dos contornos de gro.Anlise de falhas - Modos de fraturas 30

Modos de fratura Fratura Intergranular

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Modos de fratura Fratura Intergranular

Fratura intergranularOs seguintes fenmenos produzem fraturas intergranulares: Trincas de tmpera; Fragilizao por revenido, Rock candy e Fragilizao por hidrognio.Anlise de falhas - Modos de fraturas 32

Trincas de tmpera

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Modos de fratura Trincas de temperaSusceptibilidadeA variao volumtrica resultante da transformao martenstica depende, predominantemente, do teor de C contido no ao.

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Modos de fratura Fratura FrgilSusceptibilidade

Camada inicial de martensitaAnlise de falhas - Modos de fraturas

Camada sub superficial austentica35

Modos de fratura Fratura FrgilIncio

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Modos de fratura Fratura FrgilGnese A gnese das trincas de tmpera pode ser resumida em: forma-se uma camada inicial de martensita; com a resfriamento, as camadas de austenita sub-superficiais sofrem a transformao martenstica com um atraso em relao a camada inicial; estas transformaes posteriores (com expanso volumtrica) impem tenses de trao sobre acamada inicial, que pode resultar em trincas, se estas tenses ultrapassarem o limite de resistncia.Anlise de falhas - Modos de fraturas 37

Modos de fratura Fratura FrgilExemplos

Engrenagem temperada Superficialmente (tmpera por induo).Anlise de falhas - Modos de fraturas 38

Modos de fratura Fratura FrgilTrincas de tmpera Exemplos

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Modos de fratura Fratura FrgilTrincas de tmpera Exemplos

Martelos fundidos em ao 5140 e submetidos tmpera integralAnlise de falhas - Modos de fraturas 40

Modos de fratura Fratura FrgilTrincas de tmpera ExemplosAspecto intergranular em superfcie de fratura.

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Fragilidade ao revenido

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Modos de fratura Fratura FrgilFragilidade ao revenido (500C) Quando aos ao carbono e baixa-liga so revenidos por longos perodos ou resfriados lentamente atravs entre 375C e 575C, estes apresentam uma tenacidade inferior obtida para temperaturas de revenimento mais baixas. Este fenmeno chamado de fragilidade ao revenido reversvel ou fragilidade dos 700F.

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Modos de fratura Fratura FrgilFragilidade ao revenido (500C) A fragilidade ao revenido provoca decoeso dos antigos contornos austenticos (fratura intergranular). A causa deste fenmeno creditada a segregao de compostos contendo impurezas como P, Sb, As, Sn.

O intensidade da fragilizao aumenta com a presena dos elementos de liga Mn, Cr e Ni.

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Modos de fratura Fratura FrgilFragilidade ao revenido (500C) A cintica de fragilizao obedece uma curva em C com o cotovelo entre 500C e 550C. Abaixo dos 370C, a difuso destas impurezas baixa e no ocorre a fragilizao. Acima dos 565C, estas difundem-se e retornam condio no-fragilizante.

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Modos de fratura Fratura FrgilFragilidade ao revenido (500C) Obviamente, quanto menor a concentrao destas impurezas menores os efeitos na tenacidade. Aos submetidos a fragilizao pelo revenido podem ter sua tenacidade restaurada pelo aquecimento at aproximadamente 600C, manuteno por alguns minutos e resfriamento rpido. O tempo para a restaurao da tenacidade depende do teor de elementos de liga e da temperatura do reaquecimento.Anlise de falhas - Modos de fraturas 46

Fragilidade ao hidrognio

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Modos de fratura Fratura FrgilFragilizao por hidrognio A maioria dos processos galvnicos de recobrimento apresentam quantidades significativas de hidrognio no estado inico que difunde-se para o interior do metal pela diferena de concentrao de H. A difuso de hidrognio apresenta diversos efeitos deletrios, que incluem: gerao de tenses internas, fragilizao e/ou a precipitao de hidretos.

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Modos de fratura Fratura FrgilFragilizao por hidrognio A fragilizao por hidrognio produz fraturas intergranulares. Provar que a fratura foi resultado do hidrognio quase sempre impossvel devido a sada gradativa do hidrognio da estrutura cristalina (intervalo de tempo entre a fratura e a anlise de H).

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Modos de fratura Fratura FrgilFragilizao por hidrognioDESIDROGENIZAO O tratamento de desidrogenizao (tambm chamado de baking ) tem a funo de remover o hidrognio do metal. realizado em estufa, em temperaturas da ordem de 150C a 250C imediatamente aps o processo de recobrimento. Os tempos variam entre 1 h e 5 h de tratamento.

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Rock candy

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Modos de fratura Fratura FrgilRock candy O Rock candy uma fragilizao dos contornos de gro austenticos provocada pela precipitao de AlN (nitreto de alumnio).

Este fenmeno caracterstico em aos fundidos contendo teores de Al acima de 0,05%.

Fratura intergranular (rock candy) em ao fundido.52

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Modos de fratura Fratura Frgil

Quanto maior a dimenso do fundido, menor a sua velocidade de resfriamento, produzindo microestruturas frgeis com menor teor de Al.Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Modos de fratura Fratura FrgilRock candyAs fraturas resultantes de rock candy so intergranulares (gros austenticos). Na superfcie dos gros observa-se o aspecto dendrtico dos nitretos.

Macrografia evidenciando a precipitao de AlN em contornos de gro austenticos em ao fundido.Anlise de falhas - Modos de fraturas 54

Modos de fratura Fratura FrgilRock candy

Precipitao de AlN em contornos de gro austenticos em ao fundido.Anlise de falhas - Modos de fraturas 55

Modos de fratura Fratura FrgilRock candy

Precipitao de AlN em contornos de gro austenticos em ao fundido.Anlise de falhas - Modos de fraturas 56

Fratura por fadiga

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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Fadiga

Fadiga dos metais As falhas mecnicas decorrentes de CARREGAMENTOS CCLICOS que APRESENTEM TENSES DE TRAO so denominadas de falhas por FADIGA, em virtude de serem observadas, geralmente, aps um perodo de servio considervel. 90% das falhas de componentes mecnicos so decorrentes de fadiga.

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FadigaFadiga de um material A fadiga um processo de reduo da capacidade de carga de componentes estruturais pela ruptura lenta do material, atravs do avano quase infinitesimal da trinca a cada ciclo de carregamento. A fadiga ocorre pela presena de tenses que variam com o tempo, que provocam deformaes plsticas cclicas localizadas nos pontos mais crticos. Estas deformaes levam a uma deteriorao do material que d origem a uma trinca de fadiga que, com o prosseguimento do carregamento varivel, vai crescendo, at atingir um tamanho suficiente para provocar a ruptura final.Anlise de falhas - Modos de fraturas 59

FadigaFadiga dos metais Histrico Falhas por fadiga so relatadas desde 1828. O termo fadiga foi empregado por Poncelet em 1839. August Whler estudou fraturas por fadiga em eixos ferrovirios em 1860. As fraturas por fadiga representam custos da ordem de 3% do PIB americano (90 bilhes de dlares em 1983).

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FadigaFadiga dos metais Histrico

Caso dos Comets - 1955

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Fadiga

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Fadiga

Vista geral de uma fratura por fadiga evidenciando as marcas de praia.Anlise de falhas - Modos de fraturas 63

Fadiga Em componentes estruturais, a falha se inicia sempre nos pontos mais solicitados. Quando a solicitao dinmica, esta falha comea na forma de pequenas trincas de fadiga, que vo crescendo e reduzindo a seo resistente, at que uma sobrecarga faz com que ocorra a ruptura final, por uma propagao brusca da trinca.

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FadigaFadiga de alto ciclo Fadiga de alto ciclo refere-se a ocorrncia de fadiga em componentes submetidos a um nmero de ciclos superior a 104. Est associada a pequenas deformaes, nominalmente elsticas. o tipo mais importante e, assim, o objeto de maior interesse

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Fadiga

Fadiga de baixo ciclo Fadiga de baixo ciclo manifestao de uma ou mais trincas de fadiga decorrentes de tenses cclicas com durao de at 104 ciclos. A fadiga de baixo ciclo acompanhada por deformaes plsticas significativas.

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FadigaFadiga trmica Fadiga trmica o processo de fadiga em que as tenses cclicas so causadas por expanso ou contrao decorrentes de ciclos trmicos de aquecimentos e resfriamentos.

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FadigaFadiga de contato Fadiga de contato (freeting ) refere-se aos processos de fadiga em componentes submetidos ao rolamento entre duas superfcies. um fenmeno comum em engrenagens e rolamentos. O processo envolve a ocorrncia de tenses cclicas sub superficiais que promovem a nucleao de trincas sub superficias. Com o crescimento destas trincas at a superfcie de contato, ocorre a fratura de pequenos fragmentos metlicos na forma de segmentos semiesfricos.

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FadigaCorroso-fadigaFadiga associada corroso (corroso fadiga) refere-se s fraturas causadas pela ao conjunta de fadiga e corroso.

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FadigaCarregamentos e tenses cclicasCICLO DE TENSES REVERSO: Possui forma senoidal. As tenses mximas e mnimas so iguais em mdulo, porm, de sinais opostos. o ciclo artificial mais comum em mquinas de fadiga. Entretanto, existem ciclos reais como aqueles desenvolvidos por eixos rotativos operando a velocidade constante e sem sobrecargas.

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FadigaCarregamentos e tenses cclicasCICLO DE TENSO FLUTUANTE: Tenso mxima (max.) e a tenso mnima (min.) so diferentes e assimtricas em relao ao zero.

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FadigaCarregamentos e tenses cclicasCICLO DE TENSES COMPLEXAS: As tenses e a freqncia variam aleatoriamente. o tipo mais comum se tenso cclica. Exemplo: asa de avio, que est sujeita a sobrecargas peridicas. Nos ensaios de fadiga so empregadas simulaes com verses simplificadas destes ciclos.

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FadigaCarregamentos e tenses cclicas

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Fadiga

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FadigaParmetros aplicveis aos ciclos de tenses

TENSO MDIA (m)

a mdia algbrica das tenses mxima e mnima no ciclo

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FadigaParmetros aplicveis aos ciclos de tenses AMPLITUDE DE TENSO (a)

Corresponde a metade do intervalo de tenses

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FadigaParmetros aplicveis aos ciclos de tenses RELAO DE TENSES (R) ou (A) Corresponde a relao entre as amplitudes de tenso mnima e mxima.

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FadigaEnsaios de fadigaOs ensaios de fadiga podem ser realizados: em corpos-de-prova usinados, visando a obteno de curvas S-N de materiais metlicos, polimricos e cermicos e em componentes ou estruturas em seu estado acabado. Nestes casos, os componentes so submetidos a simulaes de condies de servio ou ensaios acelerados.

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Ensaio de fadiga em corpos-de-prova

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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FadigaEnsaios de fadiga em corpos de prova Construo de curva S-n para corpos-de-prova usinados de ao SAE 1045 por meio de flexo rotativa em dois estados de acabamento: usinado e polido Parte dos pontos j foram determinados e devero ser lanados em curva S x n e

Observao macroscpica de fraturas por fadiga.

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FadigaEnsaios de fadiga em corpos de prova

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FadigaEnsaios de fadiga em corpos de prova

Mquina de fadiga por flexo rotativaAnlise de falhas - Modos de fraturas 82

FadigaEnsaios de fadiga em corpos de prova

Mquina de fadiga por flexo rotativaAnlise de falhas - Modos de fraturas 83

FadigaEnsaios de fadiga em corpos de prova

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FadigaCurvas S-n ferrosos x noferrososMetais ferrosos e ligas de Ti apresentam limite de fadiga. Metais no-ferrosos so dimensionados pela vida fadiga (108 ou 109 ciclos)

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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FadigaCurvas S-n Natureza estatstica das curvas

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Fadiga

Aspectos macroscpico e microscpico das fraturas por fadiga

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FadigaAspectos da fratura por fadigaAs fraturas decorrentes dos processos de fadiga apresentam caractersticas macro e microfractogrficas particulares.

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FadigaAspectos macrofractogrficos da fadiga Marcas de praia: So observadas olho n ou com at 10 vezes de aumento. As marcas de praia so encontradas em componentes que so sujeitos a interrupes (ou alteraes bruscas no ciclo de tenso) durante a propagao da trinca no estgio II. Por exemplo: Um componente que trabalha um determinado n de horas no dia.

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FadigaAspectos macrofractogrficos da fadiga

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Fadiga

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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FadigaAspectos macrofractogrficos da fadiga

B- pontos de origem da trinca; C- ruptura final (estgio III)

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FadigaAspectos macrofractogrficos da fadiga

Marcas de praia

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FadigaAspectos macrofractogrficos da fadigaOrigem da trinca Origem da trinca

Marcas de praia em pisto de alumnio fundido em liga Al12Si-3Cu.Anlise de falhas - Modos de fraturas 94

FadigaAspectos macrofractogrficos da fadiga

Articulao de nibus em ferro fundido nodular

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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FadigaAspectos macrofractogrficos da fadiga

Fratura por fadiga originada no fundo do rasgo de chaveta.Origem da trincaAnlise de falhas - Modos de fraturas 96

FadigaAspectos macrofractogrficos da fadiga

Equipamento e localizao do parafuso retirado de servio no equipamento.

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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FadigaAspectos macrofractogrficos da fadiga

Marcas de praia

Marcas de dente

Vista geral da regio de origem da trinca de fadiga evidenciando marcas de praia e marcas de dente. As marcas de dente indicam que a trinca nucleou de forma independente em vrios pontos na superfcie. Com o crescimento destas trincas ocorreu a interseco formando uma nica trinca de fadiga.Anlise de falhas - Modos de fraturas 98

FadigaAspectos macrofractogrficos da fadiga

Origem

Marcas de praia em roda automotiva fundida em liga Al-11Si.

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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FadigaAspectos macrofractogrficos da fadigaOrigem

Marcas de praia em eixo submetido a flexo simples.

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FadigaAspectos macrofractogrficos da fadiga

Marcas de praia em eixo submetido a flexo bilateral.

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FadigaAspectos macrofractogrficos da fadiga

Marcas de praia em eixo submetido a flexo rotativa.

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FadigaAspectos macrofractogrficos da fadiga

Fratura por fadiga em engates ferrovirios fundidos em ao.Anlise de falhas - Modos de fraturas 103

FadigaAspectos macrofractogrficos da fadiga

Marcas de praia em chapa de ao SAE 1010

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Aspectos microfractogrficos da fadiga

Fadiga

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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FadigaAspectos microfractogrficos da fadiga

Estrias de fadiga: As estrias de fadiga possuem dimenses microscpicas e somente so observadas em microscpio eletrnico de varredura (MEV) com ampliaes entre 500 e 5000 x. Cada estria representa o avano da trinca em um nico ciclo de tenso.

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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FadigaAspectos microfractogrficos da fadigaEstrias de fadiga

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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FadigaAspectos microfractogrficos da fadiga

Estrias em palheta de rotor fundido em alumnio

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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FadigaAspectos microfractogrficos da fadigaEstrias em cabeote de motor diesel fundido em liga de alumnio A357

50 xAnlise de falhas - Modos de fraturas

500 x109

FadigaAspectos microfractogrficos da fadiga

10 x

25 x

Eixo fraturado por fadiga, submetido a flexo rotativaAnlise de falhas - Modos de fraturas 110

FadigaAspectos microfractogrficos da fadiga

Estrias

500 x

2000 x

Eixo fraturado por fadiga, submetido a flexo rotativaAnlise de falhas - Modos de fraturas 111

FadigaAspectos da fratura por fadigaCada alterao no ciclo provoca uma marca de praia

Cada ciclo provoca uma estria

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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FadigaNucleao e propagao da trinca de fadiga Nucleao de uma ou mais trincas de fadiga em regies prximas superfcie.

Crescimento da trinca em banda de escorregamento crescimento da trinca em planos de alta tenso de cisalhamento. Este estgio freqentemente chamado de estgio I.

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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FadigaNucleao e propagao da trinca de fadiga Ruptura final esttica Tambm chamado de estgio III. Ocorre quando a trinca do estgio II atinge um tamanho crtico tal, que a seo transversal residual no resiste ao carregamento. Este estgio pode ocorrer de modo dctil ou frgil, dependendo das propriedades mecnicas do material.

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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FadigaNucleao e propagao da trinca de fadigaA nucleao sempre ocorrer em uma descontinuidade superficial ou sub-superficial (incluso, porosidade, pite de corroso).

Incluso de xido em pisto diesel atuou como origem de trinca de fadigaAnlise de falhas - Modos de fraturas 115

FadigaNucleao e propagao da trinca de fadiga

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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FadigaNucleao e propagao da trinca de fadiga

Crescimento da trinca nos planos de alta tenso de trao - envolve o crescimento de uma trinca bem definida na direo normal tenso de trao mxima. Este estgio geralmente tratado como estgio II.

Anlise de falhas - Modos de fraturas

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FadigaCrescimento da trinca no estgio IIExistem dois modelos para a explicao

de estrias de fadiga no estgio II: Arredondamento por deformao plstica da ponta trinca Escorregamento na ponta da trinca

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FadigaCrescimento da trinca no estgio IIModelo mais aceito

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FadigaFratura instvel O estgio III (fratura instvel) ocorre quando a trinca do estgio II atinge um tamanho crtico, que leva a fratura final.

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Referncias1. ASM Handbook v. 11 Failure analysis and prevention 2. ASM Handbook v. 12 Fractography 3. Fractography, D. Hull 4. In Failure Analysis of Engineering Materials, Charles R. Brooks, Ashok Choudhury 5. In Wulpi, D. J. Understanding How Components Fail ASM 1985 6. Acervo tcnico IPT

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