curso_analise_de_falhas_v2_[modo_de_compatibilidade]

8/8/2019 Curso_Analise_de_Falhas_V2_[Modo_de_Compatibilidade]

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SMM - 0177Princpios de Anlise de FalhasPrincpios de Anlise de Falhas

em omponen esem omponen esProf. Dr. Cassius Ruc her t


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SumriodaAulaSumriodaAula

Introduo AnlisedeFalhas

Etapasda

Anlise

de

Falhas

EMM EESC USP Prof.Dr.CassiusRuchert 2/69


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(Metalrgico)(Metalrgico)OutrosOutros

a r ca oa r ca o

Por que umPor que um

c om ponent e fa lha?c om ponent e fa lha?

ProjetoProjetoErros deErros deanu en oanu en o

InadequadaInadequada



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Se uran a doSe uran a doPrevenodePrevenode

EquipamentoEquipamentoRecorr mciaRecorr mcia

Razo de um aRazo de um a

Anal ise de fa lhas?Anal ise de fa lhas?

Cul as eCul as eReinvindicaesReinvindicaesRelativos a SadeRelativos a Sade



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orqueuma

n se

e

a asorqueuma

n se

e

a asan se e a as reve a um ou ma s os segu n es ens:

Deficincia no projeto Imperfeio do material

Erros em processamento do material

Erros de montagem Anormalidades em servio

Manuteno inadequada ou imprpria

Fatores no intensionais ou inadivertidos



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Etapasda

Anlise

de

Falhas



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nves ga o

cn canves ga o

cn ca

Coleta de evidncias Estabelecimento dos Fatos

Dar opnies quanto ao mecanismo, sequncia e causa daa a

Relatrio e concluses

No deve conter:

Fixar obrigaes



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n se

e

a an se

e

a a

Necessitam ser descobertasinformaes importantes aodiscernimento do que pode

ter ocasionado a falha

pode ser aplicado quando um equipamento ou

atingida



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n se

e

a an se

e

a apermitir que o analista previna falhas futuras, sugerindo

medidas corretivas, a seleo do material ou projeto maisapropriado para a sua aplicao

Neste curso sero abordados algumas anlises de falha real do

setor automobilstico e aeroespacial A anlise de falha requer:

Profissionais competentes

Metodologia sistemtica



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n se

e

a an se

e

a agarantia de sorte (caso tivesse, eu certamente estaria em Las Vegas e

no na Universidade!), esta apresentao ser focada em umaMetodologia Sistemtica para anlise de falha

Devemos no somente saber como diagnosticar uma falha, mas

tambm determinar o melhor caminho para esclarecla

A seguir esto listados os principais passos para uma nalise defalha. A sequncia a variaes a depender da natureza da falha



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n se

e

a an se

e

a aergun as que um ana sa or e a as n o po e esquecer e

avaliar:

O problema realmente existe?

Qual a frequncia da ocorrncia?

A falha ocorreu de forma abrupta ou gradual? A falha comeou a acontecer aps alguma mudana de

projeto, material ou mudana no processo de abricao?

Ocorreu a falha em um produto especfico?



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A investigao da falha envolve normalmente algumas das

Passo 1. Coleta de dados, informaesde campo e seleo das amostras;

Passo 2. Considerees de segurana;

Exame preliminar da falha (exame visuale registro da imagem)

Passo 3. Inspeo no destrutivos (END)Passo 4. Ensaios mecnicos



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n se

e

a an se

e

a anves ga o a a a envo ve norma men e a gumas as

seguintes etapas:

(exame visual, registroto o rfico da fratura e dos

detalhes importantes, etc...) Estudos microscpicos

(metalografia, MEV, etc...)

Determinao domecanismo de falha

Anlise qumica do


componente alhado


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e

a an se

e

a anves ga o a a a envo ve norma men e a gumas as

seguintes etapas:

Anlise da mecnica da fratura

Ensaios por elementos finitos

Anlise e sintese de todas asevidncias, formulaes e concluses

Confeco de um relatrio tcnico



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1. Dados erais: 2. Ob etivos:

Ttulo Descrever claramente

qu pamen o

Setor industrial da anlise

mpresa

Certificado

ata e entra a e sa a

Outros



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3. Condies de operao: 4. Propriedades do material:

Carregamento (Segundo o fabricante)

Atmosfera Rota de fabricao

Tempo de operao Acabamento superficial

Lubrificao Propriedades mecnicas

Relatrio de qualidade

u ras n orma es



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5. Amostras enviadas para anlise:

Descrio

Desenho da pea/equipamento

Fotos



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6. Procedimentos realizados:

Anlise de lquido penetrante

Anlise qumica

Anlise microscpica

Ensaio de trao, impacto, tenacidade fratura e fadiga



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7. Resultados da investigao:

Anlise macrogrfica

Propriedades mecnicas

Outras informaes

8. Concluses

9. Recomenda es



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Falhas Mecnicas:

Falhas frgil e/ou dctil

Falhas por fadiga

Falhas devido ao meioambiente:

a as por tor o

Falhas por desgaste

Falhas por fluncia

a as por corros o

Falhas corrosoeroso

Falhas Ambiente/Mecnicas:

Corroso sob tenso

Fragilizao por hidrognio

Fra iliza o or metallquido

Corroso/Fadiga

Fadiga/Fretting



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PASSO1. COLETADEINFORMAESESELEODEPASSO1. COLETADEINFORMAESESELEODE

CORPOSDE

PROVA

CORPOS

DE

PROVA

ConhecimentoConhecimento dosdos detalhesdetalhes relacionadosrelacionados aa falhafalha

anu a uraanu a ura;;

ProcessamentoProcessamento;;

InformaesInformaesst r ast r a ee serv oserv o;;

ReconstruoReconstruo dosdos eventoseventos

..



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carregamentocarregamentonormal ounormal ou

Passo1Passo1

cargascargasanormalanormal

sobrecar assobrecar asc c icasc c icasacidentaisacidentais

de

variaes navariaes nagradientes degradientes de

um ambienteum ambientecorrosivocorrosivo


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Passo1Passo1

Re istroRe istro Foto r icoFoto r ico:: A falha ue em um estudo reliminarparece quase inconsequente pode apresentar posteriormente

maiores dificuldades, nese caso, o registro fotogrfico seressencial



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Passo1Passo1

Amostras:

sejam apropriadas para a proposta de anlise,

re resentando ade uadamente as caractersticas da falha. Comparar os componentes em estudo com similares que

no falharam para determinar se a falha foi devido s

condies de servio ou foi o resultado de um erro namanufatura

Em falhas envolvendo corroso, corroso sob tenso oucorroso sob fadiga, uma amostra do fludo que estava em

,formado, deve ser requerida para anlise



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Passo1Passo1

Consideraes de segurana:

Frequentemente a falha envolve materiais que foram

expostos ou entraram em contato a produtos qumicosperigoso;

Cuidado deve ser tomado para identificar estes produtosqu m cos e pro eger as pessoas que en rar o em con a o comeles.



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apas

a

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e

a a Inspeo Visual: O exame preliminar deve comear com uma inspeo

visual a olho nu Ateno especial deve ser dispensada s superfcies de

fratura e ao caminho das trincas.

Qualquer indcio de condies anormais ou abuso emservio deve ser observado e avaliado, e uma avaliao

feita.

, ,devem ser registrados.



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e

a a Estudo da fratura: O prximo passo no exame preliminardeve ser a fotografia das partes fraturadas e o registro das

suas dimenses e condies. Segue

se ento um cuidadosoexame a ra ura. s an o es a ava a o comp e a,apropriado prosseguir com a fotografia da fratura registrando

relacionada com as demais fotografias



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e

a a Inspeo no destrutiva: Vrios testes no destrutivos soextremamente teis na investigao e anlise de falhas

Inspeo por partculasmagnticas

Inspeo por lquidopenetrante

Inspeo ultra-snica Inspeo radiogrfica



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e

a a Ensaios Mecnicos: O ensaio de dureza/microdureza o maissimples dos ensaios mecnicos e a ferramenta mais verstil

para a anlise de falhas Na avaliao de TT

Fornecer resistncia a trao

Para detectar encruamento

Paradetectarendurecimentoou

amolecimentocausadoporsuper

aquecimentooudescarbonetao,

oupeloaprisionamentode

carbonoounitrognio



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a

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e

a a Ensaios Mecnicos: Outros ensaios mecnicos so teis para a confirmao de

que o componente falhou conforme a especificao oupara avaliar os efeitos das condies superficiais naspropriedades mecnicas

exam na or eve er cu a o na ava a o os

resultados dos ensaios mecnicos. Se um material tem,

significa que esta foi a causa principal da falha em servio

O ensaio de tra o em anlises de falhas no forneceinformaes muito relevantes pois relativamente poucasfalhas resultam de deficincia na resistncia trao domaterial



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e

a a Seleo e preservao da superfcie fraturada: A devida seleo, preservao e limpeza da superfcie de

fratura vital para prevenir que importantes evidnciassejam perdidas ou obscurecidas

A superfcie de fratura pode ser protegida durante oranspor e co r n oa com eo ou um p s co

Tocar ou friccionar a superfcie de fratura com os dedos

Evitar encaixar as partes fraturadas, o que nada acrescenta

fratura



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e

a a Seleo e preservao da superfcie fraturada: Secar a fratura, preferivelmente com jato de ar quente

ajuda a prevenir danos por corroso qumica Quando possvel, lavar a superfcie de fratura com gua

deve ser evitado

Corpos de prova contaminados com gua do mar oufluidos de extintores de fogo, requerem lavagem



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e

a a Limpeza: A limpeza da superfcie deve ser evitada, quandopossvel. No entanto, pode ser necessria para a remoo oueliminao de fragmentos ou sujeira, para preparar asuper c e e ra ura para exame por m croscop a e e r n ca.procedimento de limpeza inclui o uso de jato de ar quente;

por jato; tratamento em meio cido ou com solues alcalinas(dependendo do metal); limpeza por ultrasom; e aplicao derplicas plsticas



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e

a a Corte: Algumas anlises impem limitaes para o tamanhoda amostra a ser analisada, sendo necessrio remover docomponente fraturado em estudo uma seo de tamanhoa equa o para as an ses. sase pre erenc a men e scosfinos de diamante, serra de fita, disco de corte abrasivo, ou

leo solveis para manter o metal resfriado e livre de corroso



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e

a a Trincas Secundrias: Quando a fraturaprincipal foi danificada ou corroda detal forma que a maior parte dasn orma es oram es ru as,

desejvel abrir trincas secundrias e

exame e estudo. O processo de aberturadestas trincas deve ser cuidadoso paraevitar danos na nova superfcie defratura. Normalmente, a abertura feita

movidas em direes opostas, normalao lano da trinca



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e

a a Exame macroscpio da superfcie de fratura: Geralmente a parte mais importante de qualquer anlise

de falha o exame macroscpico da superfcie de fratura.Pode ser conduzido a olho nu ou com ajuda de lentes,lupa, microscpio estereoscpico ou ainda em um

,

A orientao da superfcie de fratura d uma indicao do

Quando a superfcie de fratura apresenta ambas as

estruturas lanas e obl uas odese eralmente concluir

que a fratura plana ocorreu primeiro



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e

a a Exame macroscpio dasuperfcie de fratura:

Exames em baixa ampliaogeralmente revelam regiesque apresentam uma

da fratura final

geralmente permite

determinar a direo docrescimento da trinca edesta forma a origem daa a



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e

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e

a a Exame microscpio da superfcie defratura:

O microscpio tico estereoscpicopode ser utilizado para o examemicroscpico das superfcies de

,

limitada (aproximadamente 0,5microns) e imponha restries profundidade de campo

O uso de rplicas plsticas



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e

a a Exame microscpio da superfcie de fratura: Uma ferramenta muito importante tem sido o uso do MEV,

pois permite o exame direto da superfcie de fratura Embora a interpretao de fratografias requeira prtica e

conhecimento dos mecanismos de fratura, h apenas umpequeno n mero e carac er s cas s cas que s o

claramente identificveis e indicativas de um modo de



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apas

a

n se

e

a aapas

a

n se

e


Estas seguintes so: Coalescncia de microvazios

tpica de falhas por sobretensoe me a s e gas c e s

Facetas de clivagem, tpicas defratura frgil transgranular, demetais e ligas com estrutura

centrado (CCC) e hexagonal (HC).



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apas

a

n se

e

a aapas

a

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e


Estas seguintes so: Fratura intergranular devido ao

revenido de aos temperados ouao r ncamen o por corros o so

tenso ou ainda devido



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a

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e

a aapas

a

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e


Estas seguintes so: Marcas de praias e estrias do

estgio 2, tpicas de falha pora ga



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e

a aapas

a

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e

a a Exame metalogrfico: O exame metalogrfico de sees das amostras por

microscopia tica e microscopia eletrnica de varredura vital na anlise de falhas e deve ser um procedimento derotina



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a

n se

e

a aapas

a

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e

a a Exame metalogrfico: O exame metalogrfico fornece:

Indicao da classe do material e de suamicroestrutura

Anormalidades presentes referentes a comp. Oumicroestrutural (envelhecimento)

Informaes relativas manufatura do componenteem estu o e ao tratamento t rm co ao qua osubmetido



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n se

e

a aapas

a

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e

a a Exame metalogrfico: O exame metalogrfico fornece:

Outros efeitos de servio, tais como, corroso,oxidao e severo encruamento de superfcies,tambm so reveladas e podem ser investigadas

As caractersticas das trincas presentes nas seesanalisadas, particularmente o seu modo de

,responsveis pela sua iniciao e propagao



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apas

a

n se

e

a aapas

a

n se

e

a a Modos de falha: Como o primeiro passo na anlise de uma fratura envolve

a observao visual, as primeiras impresses devem serbaseadas nas evidncias visuais bvias. A mais simples emais importante observao diz respeito deformao: O

Se sim, escoamento e fratura ocorreram devido a umaou ma s so recarga. pre om nantemente umafratura dctil ou uma fratura por fadiga de baixo ciclo

.



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apas

a

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e

a aapas

a

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e

a a Modos de falha: Como o primeiro passo na anlise de uma fratura envolve

a observao visual, as primeiras impresses devem serbaseadas nas evidncias visuais bvias. A mais simples emais importante observao diz respeito deformao: O

Se no, indica que a mesma predominantementer g ocorr o ev o a uma so recarga ou ev o a

fadiga de alto ciclo



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apas

a

n se

e

a aapas

a

n se

e

a a Modos de falha: Para as fraturas que ocorrem devido sobrecarga os

possveis fatores causadores da fratura incluem: concentrao de tenses;

baixas temperaturas;

altas taxas de carregamento; metais de alta resistncia e dureza;

trincamento por corroso;

fragilizao por hidrognio;

fragilizao por tmpera e outros;



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apas

a

n se

e

a aapas

a

n se

e

a a Modos de falha: Para fraturas que ocorrem por fadiga, os fatores de causa

incluem: Concentrao de tenses

Tenses residuais trativas

Tenses de alta amplitude

Ambiente corrosivo

Alta temperatura

Metais de baixa resistncia e dureza

Desgaste e outros



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apas

a

n se

e

a aapas

a

n se

e

a a Anlise qumica: Na investigao de uma falha, a anlise qumica do

material uma ao de rotina; geralmente feita ao final dainvestigao pois envolve a destruio de uma certaquantidade de material

a ma or a os casos, pequenos esv os a compos o

especificada no so de grande importncia na

Certos elementos gasosos ou intersticiais, geralmente no

indicados nas anlises umicas odem ter um forte efeitonas propriedades mecnicas dos metais. Nos aos, o efeitodo oxignio, nitrognio e hidrognio so os de maiorimportncia



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apas

a

n se

e

a aapas

a

n se

e

a a Anlise qumica: Vrias tcnicas podem ser utilizadas, dentre elas

Espectrometria de emisso tica



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a

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a aapas

a

n se

e

a a Mecnica da fratura aplicada a anlise de falhas: A aplicao dos conceitos da Mecnica da Fratura para o

projeto e predio de vida de partes e componentes bastante pertinente investigao de falhas e formulao de medidas preventivas

s conce os a ec n ca a ra ura s o e s na

determinao da tenacidade fratura e outros parmetros

avaliar confiabilidade do componente



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apas

a

n se

e

a aapas

a

n se

e

a a Testes de simulao das condiesde servio:

No estgio de concluso de umainvestigao pode ser necessrioconduzir testes com simulao

.

no um procedimento simplespois exige equipamentoselaborados e o conhecimentopreciso de todas as condies de

servio. Na pr tica, nem todasas condies de servio so



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apas

a

n se

e

a aapas

a

n se

e

a a Consideraes finais e elaborao do relatrio: Frequentemente subestimado

Muitas vezes para no especialistas/no tcnicos Claro, lgico, preciso, conciso e completo

Apresentar os fatos, dedues e opinies

Apresentar as concluses Ponto importante: Posso defender cada afirmao no

tribunal?



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Etapasda

Anlise

de

Falhas



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n se

e

a an se

e

a a Desta discusso deve ficar claro que a anlise de falhas, emalguns casos, pode ser excessivamente complexa, requerendoconsidervel conhecimento, exame, questionamento e

re er nc as a ou ras on es e n orma o na era ura

Assim, os principais tipos de fraturas so:

ra ura c

Fratura Frgil

ratura por a ga

Corroso por fadiga

Flu ncia



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e or

ucroa coo e roe or

ucroa coo e ro A indstria sucroalcooleira bem particular pelo fato destaapresentar um perodo onde a quebra de qualquerequipamento pode ser desastrosa, PERODO DE SAFRA. Num

ou ro per o o, o o os equ pamen os passam por umamanuteno ou so substitudos

,

eventualmente acontecer durante o primeiro perodo, existeuma possibilidade impar de se aplicar uma metodologiasistemtica de anlise de falha destes equipamentos, ondeprincipalmente o projeto e os materiais podem ser

melhorados para o aumento de uma vida completa



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s u o

o

asos u o

o

aso Flange de redutor acionador de moenda:



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s u o

o

asos u o

o

aso



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s u o

o

asos u o

o

aso Tenso Max., sMAX, desenvolvido na flange sMAX = T / (0.208 * b)

Onde T = momento torsor dado pelo torque operacional(aprox. 1.5 MN.m)

b =0.43 m

A trinca abre sobre, sOP

, desenvolvida na flange:

sOP = sMAX * cos 45

sC = KIC * f / 1.122 * (p*a)1/2

Onde KIC

a tenacidade fratura do material, f o fatorgeometria, igual a 1,25 para a trinca em questo e a aprofundidade da trinca

=


ChIC


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s u o

o

asos u o

o

aso350300

(

MPa)

K

max

c

IC

200

250

(MPa),c

150

.m1/2),

ma

"DESIGN" CHARPY

IMPACT ENERGY

50KIC

(MPa

CHARPY OIL WATER

0

0 10 20 30 40CHARPY IMPACT ENERGY (JOULES)

CHARPY WORST

CASE

AVERAGE

VALUE

QUENCHEDFLANGE

QUENCHEDFLANGE



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s u o

o

asos u o

o

aso O ao de alta resistncia empregado para fabricao da flangeapresentou uma valor de tenacidade fratura muito baixodevido a grande quantidade de incluses no metlicas, que

avoreceu o aparec men o e cresc men o e r ncas por a gaque causaram a falha catastrfica do eixo



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s u o

o

asos u o

o

aso6 TORQUE, T5

4

N.m

)

RUPTURE OF SAFETY PINS

"DESIGN" CHARPY

IMPACT ENERGY

2

T(

1

NORMAL OPERATIONAL LEVEL

CHARPY WORST

CHARPY

AVERAGE

OIL

QUENCHED

WATER

QUENCHED

0

0 10 20 30 40

CHARPY IMPACT ENERGY (JOULES)

CASE VALUE FLANGE FLANGE

EMM EESC

USP

Prof.

Dr.

Cassius

Ruchert

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xemp os

r cos

e

a asxemp os

r cos

e

a as

Pitting

corrosionobservedon

cu cross

sectionof

a

tubefromaturbinelub

oilcooler

EMM EESC

USP

Prof.

Dr.

Cassius

Ruchert

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xemp os

r cos

e

a asxemp os

r cos

e

a as

Stress

cracking

in

Stainlesssteel

Transgranular mode Intergranular mode

EMM EESC

USP

Prof.

Dr.

Cassius

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xemp os

r cos

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a asxemp os

r cos

e

a as

examinationonthefailedstainlesssteeldishedend

TGSCConthedishedendduetopresenceofresidualstressand

EMM EESC

USP

Prof.

Dr.

Cassius

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xemp os

r cos

e

a asxemp os

r cos

e

a as

Photomicrostructure ofthefailedturbinebladeshowingcreepcavities

EMM EESC

USP

Prof.

Dr.

Cassius

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andgrainboundarycarbideprecipitation


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BROOKS,C.R.;CHONCHURY,A.Metallurgicalfailureanalysis.ISBN007008078XMacGrawHill.1993.

Failureanalysis

case

studies.

Edited

by.,

D.R.H.

Jones,

vol.

1,2,

Pergamon 1998and2001.

Principlesof

Failures

analysis

vdeocourse

Produced

by

ASM

International.

Understanding How ComponentesFail.DonaldJ.Wulpi.ASM

http://www.eesc.usp.br/smm/materiais/

EMM EESC

USP

Prof.

Dr.

Cassius

Ruchert

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