Tipos de Falhas
Instituto Tecnológico de AeronáuticaDivisão de Engenharia Mecânica
MT-717: Introdução a materiais e processos de fabricação
Dr. Ronnie RegoDr. Alfredo R. de Faria
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Fechamentos5.Fratura4.Deformação Excessiva3.Classificação das Falhas2.Introdução1.
Agenda
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[Aula#1] Processos de Conformação Mecânica
Esforço no materialMovimento da ferramenta
Movimento do material
Forjamento ExtrusãoLaminação Trefilação
Dobramento Cisalhamento
Alteração de forma com volume e massa conservados
EstiramentoEmbutimento(Estampagem profunda)
Calandragem
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Principais Propriedades[Aula#2] Comportamento dos Materiais: Curva Tensão-Deformação
σ (Tensão)
ε (Deformação)
L0
A0 L0+δLF
F
σ = F/A0
ε = δL/L0
E (Módulo de Young ou Módulo de Elasticidade Longitudinal)
0,2%
σe ou σyLimite de EscoamentoE
σr ou σuLimite de Resistência
A ou εfAlongamento
5
Tensão-Deformação de Engenharia x Tensão-Deformação Verdadeira Resumo Visual
[Aula#2] Comportamento dos Materiais: Curva Tensão-Deformação
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Diferentes modelos para representação da região plástica Aproximações mais precisas para diferentes materiais
[Aula#2] Comportamento dos Materiais: Comportamento Plástico
Aço inoxidável austenítico 304
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εa
[Aula#2] Comportamento dos Materiais: Efeitos Particulares
A
E
EfeitoBauschinger
Histerese Elástica
ComportamentoAnelástico
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Custos com falhas mecânicas EUA: US$ 119 bi [1982]
– 4% do PIB Chega a 10% do PIB quando inclusas falhas for corrosão e desgaste
Motivação Econômica
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Processos de Fabricação: Estrutura do CursoPlasticidade Fundamentos da Conformação Tecnologias de Conformação Processos Não-Convencionais
Comportamento mecânico Tipos de Falhas Análise de tensão e deformação Relações plásticas Escoamento plástico
Classificação Modelos preditivos Influências: atrito, temperatura; taxa de deformação e anisotropia. Ensaios de conformabilidade
Trefilação Laminação Forjamento Extrusão Estampagem Estiramento Repuxamento
Soldagem a Ponto Metalurgia do Pó
Fdx
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Caracterização dos tipos de falha mais associados aos processos de fabricação de conformação mecânica
Objetivos Específicos1. Apresentar conceitos de deformação plástica e elástica excessiva, incluindo fenômenos de fluência e instabilidade plástica2. Sumarizar tipos de falha de fratura, entre modos de fratura frágil e fadiga
Objetivo da aula
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1. DIETER, G. E. Mechanical Metallurgy - SI Metric Edition. Mc Graw-Hill Book Co., Singapore, 1988. 2. CETLIN, P.R.; HELMAN, H. Fundamentos da conformação mecânica dos metais. 2.ed. Artliber editora, São Paulo, 2015.3. DOWLING, N.E. Mechanical Behavior of Materials: Engineering Methods for Deformation, Fracture and Fatigue. 4.ed. Pearson Education Limited, Essex, 2013.4. WULPI, D.J. Understanding how components fail. 2.ed. Metals Park: ASM International, 2000.5. ANDERSON, T.L. Fracture Mechanics: Fundamentals and Applications. Boca Raton: CRC Press, 2005. 610p
Processos de Fabricação I (MT-717): Literatura de Referência
1 2 3 4 5
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Fechamentos5.Fratura4.Deformação Excessiva3.Classificação das Falhas2.Introdução1.
Agenda
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Classificação das Falhas
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Deformação Excessiva Fratura
Estática Dinâmica
Elástica Plástica Fluência
Carregamento Estático Cíclico (Fadiga)
Frágil DúctilRuptura por Fluência Ambiental
Alto CicloBaixo Ciclo
Crescimento de trincaCorrosão sob tensão
Classificação das Falhas
MT-717Foco em falhas dos processos de conformação
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Falha por Deformação Mudança do formato ou de dimensões físicas de um componente, que causem a perda parcial/total de sua(s) função(ões)
Falha por Fratura Separação do componente em duas ou mais partes
Falha por Corrosão Perda de material em função de ação química
Falha por Desgaste Perda de material da superfície devido à abrasão ou adesão entre superfícies em contato
Classificação das Falhas
MT-717Foco em falhas dos processos de conformação
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Fechamentos5.Fratura4.Deformação Excessiva3.Classificação das Falhas2.Introdução1.
Agenda
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Deformação Elástica Excessiva Deformação excessiva em equilíbrio
– Eixo demasiadamente flexível: desgaste em rolamentos e interferência no engrenamento
Flambagem ou deflexão repentina– Coluna delgada: carregamento axial excede a carga crítica de Euler– Tubo de parede fina: pressão externa ultrapassa valor crítico
Deformação Excessiva
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Adição de elementos de liga: Modificação da resistência ao escoamento, Sem alteração significativa do módulo de elasticidade
Deformação Excessiva
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Deformação Plástica Excessiva Escoamento: material ultrapassa o limite elástico Deformação gerada irreversível (permanente)
Deformação Excessiva
Tensão
Deformação
L0
A0 L0+δLF
F
0,2%
σe ou σyLimite de Escoamento
Alongamento
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Tensão de Cisalhamento Crítica ResolvidaDeformação Excessiva: Deformação Plástica
Direção de escorregamento Plano de escorregamento
Limite para a tensão de cisalhamento – no plano de escorregamento – ao longo da direção de escorregamento
Para um cristal, equivalente ao limite de escoamento da curva
P
Pcos
A/cos
A
5,0)(45)(
coscoscoscoscos/cos
max
omax
RR
R AP
APR
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Alta Temperatura: Encruamento não relevante → Deformação por Fluência Fluência
Deformação dependente do tempo Fenômeno termicamente ativado Deformação contínua sob aplicação de carregamento ou tensão constante
Deformação Excessiva: Deformação Plástica
Primária Secundária(mínima taxa de deformação) Terciária
I II III
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Instabilidade Plástica Geração/distribuição de deformações não uniformes que precedem a fratura
Fenômenos concorrentes1. Aumento da tensão em função da redução da seção transversal2. Aumento da capacidade de carregamento em função do encruamento
Quando 1 > 2– Escoamento Instável– Deformação localizada
Deformação Excessiva: Deformação Plástica
P
PEstricção (“Empescoçamento”)
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Instabilidade Plástica: Estricção DIFUSA
– Máximo valor na capacidade de carga do material– Simetria em relação ao eixo de tração (semicírculo)– Precede a estrição localizada
LOCALIZADA– Aspecto geométrico do material– Deformação plana na direção da largura– Aparição de bandas de cisalhamento
Deformação Excessiva: Deformação Plástica
Estricção Difusa
Estricção Localizada
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Instabilidade Plástica: EstricçãoDeformação Excessiva: Deformação Plástica
Estricção Difusa Estricção Localizada
DEFORMAÇÃO
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Deformação Excessiva: Deformação Plástica
P
P
Instabilidade Plástica Fenômenos concorrentes
1. Aumento da tensão em função da redução da seção transversal2. Aumento da capacidade de carregamento em função do encruamento
Quando 1 > 2– Carga máxima
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Deformação Excessiva: Deformação Plástica
P
P
Instabilidade Plástica A partir de dP = 0 e = P/A
Do conceito de Volume constante:
Do conceito de deformação
Portanto:
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Deformação Excessiva: Deformação Plástica Instabilidade Plástica
A partir de dP = 0 e = P/A
Do conceito de Volume constante:
Do conceito de deformação
Portanto:
Critério de Instabilidade
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Deformação Excessiva: Deformação Plástica Instabilidade Plástica
A partir de e;
Considerando comportamento pela aproximação de Hollomon ( )
Ponto de carga máxima:
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Deformação Excessiva: Deformação Plástica Instabilidade Plástica
A partir de e; Conhecendo os coeficiente da aproximação de Hollomon ( K, n )
– Obtém-se a tensão de resistência mecânica (σU)
Exemplo:– Aço baixo carbono, recozido: K = 530 MPa; n = 0,26
30
Deformação Excessiva: Deformação Plástica Instabilidade Plástica
Explicitada pelo uso da deformação de engenharia (e)
Construção de Considèreede
d 1
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Deformação Excessiva: Deformação Plástica Instabilidade Plástica
Explicitada pelo uso da deformação de engenharia (e)
Reta entre ponto e= -1 (A) e tangente da curva σ–e (C) → carga máxima
Construção de Considère
eded
1
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Instabilidade Plástica nos Processos de Conformação Embutimento (Estampagem Profunda)
Deformação Excessiva: Deformação Plástica
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Fechamentos5.Fratura4.Deformação Excessiva3.Classificação das Falhas2.Introdução1.
Agenda
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Modos de fratura Fratura Frágil Fratura Dúctil Fratura Intergranular Fratura de quasi-clivagem Fadiga
Fratura
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Pouca ou nenhuma deformação antes da fratura Falha catastrófica: não há indícios visíveis antes da falha
Material: alta dureza/resistência, pouca tolerância a descontinuidades Abaixo do limite de escoamento (regime elástico) Em microescala, ocorre pelo modo de clivagem
Fratura Frágil
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Mecanismos de geração Sobrecarga monotônica (não cíclica) de material frágil ou encruado Fadiga de alto ciclo (n > 104 ciclos)
Fratura Frágil
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Ocorre em materiais dúcteis quando: Concentradores de tensão
– Defeito em solda, trinca, concentrador geométrico (entalhe, chaveta) Tensão residual trativa
– Potencializa a tensão atuante, até promover microdeformaçãoplástica na ponta do concentrador de tensão Baixa temperatura
– Fenômeno de “Transição dúctil-frágil”
Fratura Frágil
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Considerável deformação permanente antes da fratura Indícios visíveis antes da falha
Materiais de baixa dureza e resistência, mas considerável tolerância a descontinuidades Acima do limite de escoamento (regime plástico) Em microescala, ocorre pelo modo de cisalhamento
Fratura Dúctil
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Mecanismos de geração Sobrecarga monotônica (não cíclica) de material dúctil Fadiga de baixo ciclo (n < 104 ciclos) Ruptura sob tensão
Fratura Dúctil
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Características da Superfície Fraturada: MACROESCALA Estricção/Empescoçamento → Formato Taça-Cone Superfície está a 45° da direção da tensão principal trativa Formação de “dimples” (microvazios): aspecto rugoso Bordas de cisalhamento → Formato Taça-Cone
Fratura Dúctil
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Fratura Dúctil x Fratura Frágil
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Carregamento repetitivo → estado cíclico de tensões Encruamento localizado
Nessa região, trinca se inicia e propaga até atingir dimensão crítica– Fratura progressiva, falha dependente do tempo
Falha ocorre em tensão inferior ao limite de resistência mecânica
Fadiga
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Características da Superfície Fraturada: MACROESCALA Pouca ou nenhuma deformação plástica Formação de “Marcas de praia”
– Linha identifica posição quando o carregamento foi interrompido
Fadiga
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Carregamento repetitivo → estado cíclico de tensões Fratura progressiva, falha dependente do tempo
Exemplo: engrenagem submetida a carregamento cíclico de flexão
Fadiga
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Características da Superfície Fraturada: MICROESCALA Estrias: microdeformaçõesplástica progressivas Acompanham o ciclo de carregamento Não confundir com “Marcas de praia”
– entre duas marcas de praia, podem haver várias estrias– Estrias identificam avanço da trinca por ciclo; marcas de praia a posição na parada do carregamento
Fadiga
1 Estria
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Definições de regime de fadiga Baixo Ciclo (LCF – Low Cycle Fatigue), n < 104 ciclos Alto Ciclo (HCF – High Cycle Fatigue), n > 104 ciclos Durabilidade/Vida Infinita (Endurance), n > {106-108} ciclos
Fadiga
107 N [ciclos]
Tensão
Aplica
da S1S2S3
LCF Vida InfinitaHCF
104
Amostra#1
Método da escada (Staircase)
Tensão FalhaResiste
Amostra#2
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Método da escada (staircase) Inicialmente submete-se o CDP à resistência à fadiga média esperada. Se o CDP sobreviver 107 ciclos ele é descartado e o próximo CDP é submetido a uma tensão acima da tensão anterior Quando um CDP falhar abaixo de 107 ciclos o número de ciclos é anotado e o próximo CDP é submetido a uma tensão abaixo da anterior Essa abordagem busca balancear o número de CDP’s que sobrevivem e os que falham O método é apropriado quando há disponibilidade de um número grande de CDP’s (ao menos 25)
Fadiga
Método da escada (Staircase)
Tensão FalhaResiste
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Método da escada: aplicação em virabrequinsFadiga
LathetailstockLatheheadstock
Crankshaft
Support Roller Head
Deep Rolling HeadRollers
Crankpin
Roller headRollers
Residual stress fieldαrFr
Rotatio
n
Support roller
B
A
EF D
C
Force (F
r)
Angular sector [-]A AF F FB B CC D DE E
(a) (b) Crankpin
(a) (b) (c)7891011
Node rows:
Mesh refinement along fillet depth
3 mmzθ
R
Cyl. CS6
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Método da escada: aplicação em virabrequinsFadiga
Bottom:tensile stresses
Top: compressive stresses
*critical region
Hoop stressMode II Mode IIIMode I
Crack propagation path
Mb Mb
F Combustion forcesCylindrical coordinate system
r: radialθ: hoopz: axial
z
θ rFillet radius region
TORSION ASSEMBLY BENDING ASSEMBLY
0
1243
65
0
7
8
91234567
Test rig base and structureElectrodynamic shakerInertia armsAccelerometerForce transducerArm strain-gagesCrankpin specimen with SGShaker amplifierAcquisition and control systemUser interface
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N° Name Cycles B.M. F - NF B.M. lev. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 171 6RC 1.8E+06 F 32 10RC 8.5E+05 F 2 F3 11RC 1.0E+07 NF 1 F F F F F F4 12RC 2.3E+06 F 0 NF NF F NF NF NF F F5 13RC 1.0E+07 NF -1 NF NF6 14RC 6.5E+06 F -27 15RC 7.3E+06 F -38 16RC 1.0E+07 NF -49 17RC 1.0E+07 NF -5
10 18RC 5.2E+06 F11 19RC 1.0E+07 NF12 20RC 1.0E+06 F13 9RC 1.0E+07 NF14 2RA 5.8E+06 F15 3RA 6.6E+06 F16 4RA 1.0E+07 NF17 5RA 1.9E+06 FBen
ding m
oment
concea
led for
confide
ntiality
reason
s
B.M. co
ncealed
Test
BENDING FATIGUE TESTS:• ωn~60 Hz• Infinite life 107 cycles• Total running time ~550 h• 4 bending moment levels• 10 failures• 7 non-failures
50
Propagação de trinca sob fadiga Região I: valor limite Kth abaixo do qual não hácrescimento observável de trinca Região II: equação de Paris
onde K = Kmax(max) Kmin(min) = variação do fator de concentração de tensão Região III: crescimento acelerado de trinca onde K se aproxima de Kc (tenacidade à fratura) do material Para chapas K = (a)1/2
Fadiga
Região I Região II Região IIIK (escala log)
da/dN
(escala
log)trin
cas de
fadiga
não
propag
adoras
crescim
ento
instáve
l de trin
casp
da/dN = A(K)p para a região linear
Kth
pKAdNda )(
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Fechamentos5.Fratura4.Deformação Excessiva3.Classificação das Falhas2.Introdução1.
Agenda
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Objetivos EspecíficosDeformação Excessiva
1
Fratura2