UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA

CENTRO DE CINCIAS TECNOLGICAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

FALHA

CMA CINCIA DOS MATERIAIS 2 Semestre de 2014

Prof. Jlio Csar Giubilei Milan

FADIGA

uma forma de falha que ocorre em estruturas que esto sujeitas a tenses dinmicas e oscilantes.

Falha a um nvel de tenso inferior ao limite de resistncia a trao ou ao limite de escoamento para carga esttica.

Ocorre normalmente aps longo perodo de tenso repetitiva ou ciclo de deformao.

Maior causa individual de falha em metais ( 90 %).

Polmeros e cermicos tambm esto sujeitos.

Ocorre repentinamente e sem avisos.

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FADIGA

de natureza frgil, pouco ou nenhuma deformao plstica.

o processo ocorre pela iniciao e propagao de trincas, em geral a superfcie da fratura perpendicular direo de uma tenso de trao aplicada.

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A falha por fadiga ocorre normalmente em trs estgios:

Uma pequena trinca surge na superfcie aps um longo perodo de aplicao de carga;

Descontinuidades superficiais como entalhes, poros, cantos vivos (projeto), contornos de gros, regies com elevada densidade de discordncia;

Trinca se propaga um pouco a cada ciclo de carregamento;

Fratura sbita do material, quando a seo muito reduzida para suportar a carga aplicada.

Para que a fadiga ocorra, pelo menos parte do ciclo deve ser de trao

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Fcil identificao

Superfcie junto a origem tende a ser lisa;

Torna-se mais irregular com o aumento do tamanho da trinca;

Fibrosa na parte final de propagao da trinca.

Superfcie possui marcas de praia e estrias

Marcas de praia se formam quando a carga varia de modo irregular ou quando intermitente.

estrias so bem menores (microscpio) e mostram a posio da ponta da trinca aps cada ciclo.

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(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under

license. Representao de uma superfcie de fratura por fadiga em um eixo de ao,

mostrando a regio de incio, a regio de propagao com marcas de praia e

ruptura final quando o tamanho da trinca ultrapassa um valor crtico para tenso

aplicada.

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Fig. Superfcie de fratura de um eixo

rotativo de ao que experimentou

falha por fadiga. Os ressaltos de

marcas de praia esto visveis na foto.

Fig. Fractografia eletrnica de

transmisso mostrando estrias de fadiga no

alumnio.

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Fig. Superfcie de falha por

fadiga. Uma trinca se formou na

aresta superior.

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Ensaio de fadiga rotativa

Fig. Configurao do teste de fadiga rotativa

(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.

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A tenso em qualquer ponto da amostra passa por um ciclo senoidal completo, da tenso mxima de trao tenso mxima de compresso

A tenso mxima que atua na amostra dada por:

3

32

d

M

M momento de flexo

d dimetro do corpo de prova

O momento de flexo M = F(L/2)

3309,5

16

d

FL

d

FL

L distncia entre o ponto de aplicao de carga e o mandril

F carga

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O corpo de prova fratura aps um nmero de ciclos.

A curva S-N mostra os valores de tenso (S) em funo do nmero de ciclos (N) para ruptura da amostra.

Fig. Curvas S-N que relacionam a tenso mxima com o nmero de ciclos at a

fratura para um ao ferramenta e uma liga de alumnio

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Ensaio de fadiga indica o n de ciclos que uma pea pode sobreviver com aquele carregamento antes de fraturar.

Limite de fadiga tenso abaixo da qual h 50 % de probabilidade de que a falha por fadiga nunca ocorra (importante no projeto)

Vida em fadiga indica quanto tempo um componente resiste sob uma tenso especfica

Resistncia fadiga a tenso mxima na qual a fratura por fadiga no ocorrer para um dado nmero de ciclos

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A curva Tenso-Nmero de ciclos um grfico que relaciona o nmero de ciclos at a fratura com a tenso aplicada

Nmero de ciclos at a fratura, N

Limite de fadiga

(35 a 60%) do

limite de

resistncia (T.S.)

Quanto menor a tenso, maior o nmero de

ciclos que o material tolera. Ligas ferrosas

normalmente possuem um limite de fadiga.

Para tenses abaixo deste valor o material

no apresenta fadiga.

Ligas no ferrosas no possuem um

limite de fadiga. A fadiga sempre

ocorre mesmo para tenses baixas e

grande nmero de ciclos. Vida de fadiga a

uma tenso S1

S1

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Nvel mdio de tenso

Quanto maior o valor mdio da tenso, menor a vida.

Efeitos de superfcie

A maior parte das trincas que iniciam o processo de falha se origina na superfcie do material. Isto implica que as condies da superfcie afetam fortemente a vida de fadiga.

Projeto da superfcie: evitando cantos vivos.

Tratamento da superfcie: Eliminar arranhes ou marcas atravs de polimento.

Tratar a superfcie para gerar camadas mais duras (carbonetao / nitretao / deposio de filmes finos) e que geram tenses compressivas que compensam parcialmente a tenso externa.

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FLUNCIA

Componentes em servio a temperaturas elevadas tenses mecnicas estticas Deformao conhecida por Fluncia

Def.: deformao permanente e dependente do tempo de materiais quando estes esto submetidos a uma carga ou tenso constante

Indesejvel;

Fator de limitao de vida til;

Ocorre em todos materiais;

Metais importante a temperaturas superiores a aproximadamente 0,4 Tf;

Polmeros amorfos (plsticos e borracha) especialmente sensveis deformao por fluncia.

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Esboo do aparelho utilizado para anlise de fluncia

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Ensaio (ASTM E 139) corpo de prova a uma carga ou tenso constante, mantendo a temperatura constante.

Fig. Curva tpica de fluncia para deformao em funo do tempo a um nvel constante de

tenso e a temperaturas elevadas constantes. A taxa de fluncia mnima /t corresponde inclinao do segmento linear na regio secundria. O tempo de vida at a ruptura tr

corresponde ao tempo total necessrio at a ocorrncia da ruptura.

Tempo, t

Defo

rmao p

or

fluncia

,

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Inicialmente ocorre uma deformao instantnea

Curva de fluncia (3 regies)

Fluncia primria ou transiente

Taxa de fluncia continuamente decrescente aumento da resistncia a fluncia ou encruamento

Fluncia secundria ou regime estacionrio

Taxa constante linear (longa durao) equilbrio entre encruamento e recuperao

Fluncia terciria

Acelerao na taxa de fluncia e fratura alteraes microestruturais e metalrgicas. Separao do contorno de gro, formao de trincas, cavidades e vazios internos.

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Para metais corpos de prova iguais ao do ensaio de trao

Materiais frgeis compresso uniaxial

cilindros retos ou paraleleppedos

L/D 2 4

Parmetro mais importante inclinao da poro secundria /t Taxa de fluncia em regime estacionrio r

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Temperatura e nvel de tenso influenciam a fluncia

Fig. Influncia da tenso e da temperatura T sobre o comportamento a fluncia.

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Abaixo de 0,4 Tf aps a deformao inicial, a deformao independente do tempo;

Aumentando T ou

1. Deformao instantnea aumenta;

2. Taxa de fluncia no regime estacionrio aumenta;

3. Tempo de vida at a ruptura diminudo.

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Outra forma de apresentar os resultados log x log tempo

Fig. Tenso (escala logartmica) em funo do tempo de vida at a ruptura (escala

logartmica) para uma liga carbono nquel com baixo teor de liga a trs temperaturas

diferentes.

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Relao emprica

taxa de fluncia no regime estacionrio

K1 e n constantes para o material

nk 1

FALHA - FLUNCIA

Fig. Tenso (escala logartmica) em funo da taxa de fluncia em regime

estacionrio (escala logartmica) para uma liga carbono nquel com baixo teor de

liga a trs temperaturas diferentes.

n inclinao da curva

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Quando a influncia da temperatura includa

taxa de fluncia no regime estacionrio

K2 e Qf constantes

K2 energia de ativao para fluncia

RT

Q

n

r

f

ek 2

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Fatores que afetam a fluncia

Tamanho de Gro, TG (gros menores permitem maior escorregamento em aplicaes que envolvem a fluncia)

Mdulo de elasticidade, E

Temperatura de fuso, Tf

Quanto maior estes

fatores, maior a

resistncia

fluncia

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Materiais comumente empregados em aplicaes que envolvem fluncia

Aos inoxidveis;

Metais refratrios;

Superligas (Co Ni)

Formao de soluo slida e fase dispersa insolvel na matriz

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Tcnicas de processamento

Fig. (a) palheta de turbina policristalina tcnica convencional de fundio

(b) Estrutura de gros orientada em colunas solidificao direcional

(c) Palheta monocristalina.

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