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Curso de análise de falhas 1 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiaisaula 4aula 4

curso de análise de curso de análise de falhas:falhas:

fratura fratura ductilductil x frágil ex frágil efratura por fadigafratura por fadiga

Curso de análise de falhas 2 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiaisconteúdo da aula 4 conteúdo da aula 4

• Pontos principais das aulas passadas:

• fraturas dúctil e frágil;

• propagação da trinca – modelos;

• fatores que afetam o comportamento dúctil-frágil.

• Fratura por fadiga.

Curso de análise de falhas 3 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiaisfatores que afetam o comportamento dúctilfatores que afetam o comportamento dúctil--frágilfrágil

• Estrutura cristalina do material;

• Temperatura;

• Microestrutura;

• Relação de orientação cristal / tensão;

• Meio (fragilização por H; corrosão sob tensão);

• Estado de tensões (entalhe, espessura, carregamento, propagação)

Curso de análise de falhas 4 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiaispropagação da trincapropagação da trinca

• Razões para discrepâncias entre valores teórico e experimental da tensão crítica de clivagem:

– Presença de concentradores de tensão: defeitos, trincas;

– Fator termodinâmico: propagação só ocorre se o crescimento da trinca reduz a energia total do sistema;

– Presença de fatores ambientais: segregação, corrosão;

– Presença de deformação plástica.

Curso de análise de falhas 5 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiaismodos competitivos de propagação da trincamodos competitivos de propagação da trinca

a) Quebra das ligações inter-atômicas sem deformação plástica – clivagem;

b) Deformação plástica na ponta da trinca – cisalhamento ou maclação;

c) Nucleação de pequenas trincas à frente da trinca principal.

Definem a topografia de fratura f(T, taxa carreg, material, microestrutura, orientação ...)

Dimensões e formatos das zonas dependem do material e condições do ensaio

Curso de análise de falhas 6 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiaispropagação da trinca com def. plásticapropagação da trinca com def. plástica

Limite de

escoamento

Distribuição de tensões em material “elástico”

Distribuição de tensões em material “elásto-plástico”

Curso de análise de falhas 7 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiaisestado de tensõesestado de tensões

Limite de

escoamento

uniaxial

Limite de

escoamento

triaxial

Triaxial Uniaxial

Deformação antes da fratura

Curso de análise de falhas 8 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiaisestado de tensõesestado de tensões

Mudança de estado de tensões na propagação da trinca e seu efeito no aspecto macrofractográfico

triaxial biaxial

Espessura 1

Espessura 2 > 1

Curso de análise de falhas 9 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiaisestado de tensões e critérios de escoamentoestado de tensões e critérios de escoamento

Curso de análise de falhas 10 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiaisvon Mises

estado de tensões: uniaxialestado de tensões: uniaxial

Critério de deformação plástica

Curso de análise de falhas 11 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiaisvon Mises

estado de tensões: biaxial (plano de tensões)estado de tensões: biaxial (plano de tensões)


Curso de análise de falhas 12 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiaisσσσσ3 de tração(mesmo sinal): redução da tensão de cisalhamento a 45°: dificulta deformação plástica => fratura frágil

σσσσ3 de compressão(sinal dif.): aumento da tensão de cisalhamento a 45°: facilita deformação plástica

estado de tensões: triaxialestado de tensões: triaxial

τmax: Quanto maior este valor maior facilidade dedeformação plástica comparando vários estados detensão para o mesmo material

Curso de análise de falhas 13 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiaisσ1=σ2=σ3 = > τmax = 0

fratura frágil

estado de tensões: hidrostáticoestado de tensões: hidrostático


Curso de análise de falhas 14 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisTenacidade à fratura versus temperatura e estrutura Tenacidade à fratura versus temperatura e estrutura

cristalinacristalina

Curso de análise de falhas 15 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisDeformação plástica: monocristalDeformação plástica: monocristal

Curso de análise de falhas 16 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisDeformação plástica: Deformação plástica: policristalpolicristal (alvéolos)(alvéolos)

Curso de análise de falhas 17 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisLinhas de escorregamento na superfície livre, fratura Linhas de escorregamento na superfície livre, fratura

dúctildúctil

Curso de análise de falhas 18 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiaisconteúdo da aula 4 conteúdo da aula 4

• Pontos principais da aula passada:

• fraturas dúctil e frágil;

• propagação da trinca – modelos;

• fatores que afetam o comportamento dúctil-frágil.

• Fratura por fadiga.

• Macro e micromecanismo;

Curso de análise de falhas 19 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisFadigaFadiga

1954: 'Metal fatigue' caused Comet aircrafts to

crash. The public inquiry into these indicated that

metal fatigue was the most likely cause of two

recent crashes. σ < σy

Comet was

designed and built

in the UK. It was

the

world’s first

commercial jet

airliner!

Curso de análise de falhas 20 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisFadigaFadiga

A research team subjected models, full-size aircraft and replicas to

elaborate and searching tests ever carried out on an airliner. One

fragment collected from the scene of the crash showed that a crack had

developed due to metal fatigue near the aerial window, situated in the

front of the cabin roof. Stress was concentrated on the corners of the

aircraft's windows.

Curso de análise de falhas 21 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisFadiga: ciclagemFadiga: ciclagem

- Definição (ASTM E1150):

“A fadiga é um processo de mudança estrutural

permanente, localizada e progressiva, que ocorre em um material submetido a

condições que produzem tensões e deformações

flutuantes em algum ponto (ou pontos), e que pode culminar em trincas ou

fratura completa após um número suficiente de

flutuações”.

σ < σLR ou σ < σLE.

Curso de análise de falhas 22 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisFadiga: aspecto Fadiga: aspecto macrofractográficomacrofractográfico

Não há marcas de praia!

Curso de análise de falhas 23 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisFadiga: aspecto Fadiga: aspecto macrofractográficomacrofractográfico, marcas de praia, marcas de praia

Há marcas de praia!

Curso de análise de falhas 24 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais Asm handbook Asm handbook –– vol. 11vol. 11

Fadiga: aspecto macrofractográficoFadiga: aspecto macrofractográfico

TraçãoTração--tração ou tração ou

traçãotração--compressãocompressão

ou flexão unidirecionalou flexão unidirecional

Proporção de zona

de arrancamento

final (fratura instável)

Pontos de nucleação de

fratura por fadiga



Flexão reversaFlexão reversa



torçãotorção

Curso de análise de falhas 27 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisFinal fracture occurs when the crack has grown to the critical sizefor overload failure.

The size of the final-fracture zone depends on the magnitude of the loads, and its shape depends on the geometry, size, and direction of loading of the fractured part.

Fadiga:Fadiga:aspecto aspecto macrofractográficomacrofractográfico

The final-fracture zone is often fibrous, resembling the fracture surfaces of impact or fracture-toughness test specimens of the same material.

Curso de análise de falhas 28 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisFadiga: aspecto macrofractográficoFadiga: aspecto macrofractográfico

Asm handbook Asm handbook –– vol. 11vol. 11

Marcas de praia em fratura por corrosão sob tensão. 4×

Curso de análise de falhas 29 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisEstágios de propagação da trinca de fadigaEstágios de propagação da trinca de fadiga

MITMIT

Curso de análise de falhas 30 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais MITMIT

Curso de análise de falhas 31 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisFadiga: aspecto microfractográficoFadiga: aspecto microfractográfico


Início no plano máximo de cisalhamento: Estágio I dura alguns Início no plano máximo de cisalhamento: Estágio I dura alguns

grãosgrãos

Curso de análise de falhas 33 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisFadiga: aspecto Fadiga: aspecto microfractográficomicrofractográfico do estágio Bdo estágio B


Com estrias de fadiga Sem estrias de fadiga

Curso de análise de falhas 37 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisPropagação da trincaPropagação da trinca

Marcas de estrias em liga de Al. Cada estria é causada por um ciclo

Curso de análise de falhas 40 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisWith uniform loading, fatigue striations generally increase in spacing as they progress from the origin of fatigue.

Each striation is the result of a single cycle of stress, but every stress cycle does not necessarily produce a striation;

Striation spacing depends strongly on the level of applied loading.

Fadiga: aspecto microfractográficoFadiga: aspecto microfractográfico

Curso de análise de falhas 41 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisThe clarity of the striations depends on the ductility of the material.

Striations are more visible at stress levels higher than the fatigue limit, and they are more readily visible in ductile materials.

Fatigue striations in high-strength steel are less visible than in an aluminum alloy.



Fatigue in Titanium alloy: maclação

Curso de análise de falhas 44 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisFadiga: limite de fadigaFadiga: limite de fadiga

Curso de análise de falhas 45 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisFadiga: limite de fadigaFadiga: limite de fadiga

Curso de análise de falhas 47 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisCurva SCurva S--NN

Curso de análise de falhas 48 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisCurva SCurva S--NN

Curso de análise de falhas 51 Cesar R. F. Azevedo – aula 04 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisFadiga: efeitos da tensão residual na superfície e do Fadiga: efeitos da tensão residual na superfície e do

acabamento superficialacabamento superficial

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