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Ensaios de FADIGA
Prof. Luiz Cláudio Cândido
ENSAIOS MECÂNICOS DE MATERIAIS
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃOUniversidade Federal de Ouro Preto
Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de MateriaisTelefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: [email protected]
METALURGIA MECÂNICA – II(MET 109)
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Ensaios de Fadiga
Ensaios de Fadiga: objetivo
Os ensaios de fadiga têm por objetivo a determinaçãoda vida do material submetido a carregamento cíclico.
Abordagens:
Ensaio com carga constante;
Ensaio com deformação constante;Ensaio de propagação de trinca.
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da /dN-∆KMecânica de
FraturaTolerância de
danos
ε - NTensão-vidaVida-segurança,vida-infinita
S - NTensão-vidaVida-segurança,vida-infinita
Tipo de ensaioMetodologiade projeto
Filosofia deprojeto
Ensaio de Dureza - Introdução
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Ensaios de fadiga: nomenclatura utilizada
2minmax σ σ
σ +
=m
minmaxσ σ σ −=∆
2
σ σ
∆=a
max
min
σ
σ
= R Ntotal = Ni + Np
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Ensaios de fadiga: nomenclatura utilizada
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Ensaios de fadiga: nomenclatura utilizada
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Ensaios de fadiga: simulação em laboratório das etapas detrincamento
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Representação esquemática de uma máquina de tensão rotativa utilizada no ensaio de fadiga.
Ensaios de fadiga: equipamentos
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Representação esquemática de uma máquina servo-hidráulica utilizada no ensaio de fadiga.
Ensaios de fadiga: equipamentos
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Representação esquemática de uma máquina servo-hidráulica utilizada no ensaio de fadiga.
Ensaios de fadiga: equipamentos
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Ensaios de fadiga: equipamentos
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Ensaio de fadiga: máquina flexorotacional
CP ensaiado sob fadiga; emprego de líquido penetrante para detecção de trincas superficiais.
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Ensaios de fadiga: equipamentos GEsFraM
MTS – 10ton.
INSTRON – 25ton.
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Ensaios de fadiga: corpos-de-prova
Corpos-de-prova utilizados para o ensaio de fadiga: (A) região paralela e raios de concordância;
(B) somente raio de concordância.
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Ensaios de fadiga: abordagem pela Curva de Wöhler
f a N DC log+=σ
( ) B f a N A=σ
Diferentes equações podem ser usadas para descrever a curva S-N obtida a partir de dadosexperimentais. Se os dados se ajustam sobre uma linha reta em um traçado log-linear, a expressãopara representar a curva é: , onde C e D são constantes de ajusteda curva
Se os dados experimentais se aproximam de um linha reta sobre o traçado log-log, a equação paradescrever a curva é:
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Ensaios de fadiga: abordagem pela Curva de Wöhler
(Normas)
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Ensaios de fadiga: abordagem pela Curva de Wöhler
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Ensaios de fadiga: abordagem pela Curva de Wöhler
(Normas)
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Ensaios de fadiga: abordagem pela Curva de Wöhler
(Normas)
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Ensaios de fadiga: exemplo de CP - GEsFraM
Fixação de CP nas garras da máquina servo-hidráulica – MTS.
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Ensaios de fadiga: apresentação dos resultados do ensaio defadiga através de curvas de probabilidade
constante
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Ensaios de fadiga: proposta da Japan Society of Mechanical Engineers - 1981
Determinação da curva de fadiga e do limite de fadiga.
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Ensaios de fadiga: proposta da Japan Society of Mechanical Engineers - 1981
Determinação do limite de fadiga: método staircase ou up-and-down.
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Ensaios de fadiga: proposta da Japan Society of Mechanical Engineers - 1981
Aplicação do método escada para ensaio de fadiga: (A) resultados obtidos e (B) gráfico de resultados.
í
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Ensaios de fadiga: curvas típicas
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Ensaios de fadiga: curvas típicas
(A) metais ferrosos e (B) metais não-ferrosos.
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Ensaios de fadiga: curvas típicas
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Ensaios de fadiga: curvas típicas
E i d f di lí
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Ensaios de fadiga: curvas para polímeros
Curvas de vida à fadiga para dois diferentes polímeros: náilon 6 e polimetil metacrilado (PMMA).
Ensaios de fadiga: estudo de casos GEsFraM
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Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
Ensaios de fadiga: estudo de casos GEsFraM
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Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
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Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
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Ensaios de fadiga: estudo de casos GEsFraM
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
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Ensaios de fadiga: estudo de casos GEsFraM
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
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Ensaios de fadiga: estudo de casos GEsFraM
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
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Ensaios de fadiga: estudo de casos GEsFraM
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
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g
Curvas obtidas durante o ensaio de fadiga térmica; (a) ciclos de temperatura utilizados; (b) esforço máximo x temperatura.
(a)
(b)
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
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Resultados de ensaios de fadiga térmica (∆T = 250-900°C e tempo de permanência de 30s).
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
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g
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
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g
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
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g
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
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Ensaios de fadiga: abordagem pelas curvas de Coffin/Manson(ensaios com controle de deformação)
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(((( )))) (((( ))))∆∆∆∆ ∆∆∆∆ ∆∆∆∆ε ε ε σ
ε t e p f
f
b
f f
c
E N N
2 2 22 2==== ++++ ==== ++++
σf – coeficiente de resistência à fadiga; b – expoente de resistência à fadigaεf – coeficiente de ductilidade em fadiga; c – expoente de ductilidade à fadiga
(ensaios com controle de deformação)
Dispositivo montado para ensaio de fadiga comcontrole de deformação.
Para um material com comportamento exclusivamente
elástico, produz-se uma curva de histerese do tipo (a); paraum material com comportamento elástico e plástico, tem-se a curva (b). A área contida dentro deste anel dehisterese representa uma medida do trabalho dedeformação plástica transmitido ao material.
Uma vez em fadiga sob controle de deformação, o material pode encruar ou amolecer, atingindo após um
certo número de ciclos a sua estabilidade. A partir desta estabilização, pode-se determinar a vida em fadiga,através da chamada equação de Coffin/Manson (1954-1963):
Ensaios de fadiga: abordagem pelas curvas de Coffin/Manson
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Ensaios de fadiga: abordagem pelas curvas de Coffin/Manson
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Ensaios de fadiga: abordagem pelas curvas de Coffin/Manson
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Ensaios de fadiga: abordagem pelas curvas de Coffin/Manson
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Ensaios de fadiga: abordagem pelas curvas de Coffin/Manson
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Ensaios de fadiga: abordagem pelas curvas de Coffin/Manson
i d fi i
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Determinação dos coeficientes eexpoentes de fadiga para um aço
AISI/SAE 4340.
Coeficiente de resistência à fadiga.
Expoente de resistência à fadiga = inclinação =b = -0,09.
Coeficiente de ductilidade em fadiga.
Expoente de ductilidade em fadiga = inclinação= c = -0,57.
Reversões para fratura, 2Nf
(b)Propriedades de fadiga (resistência e ductilidade) para o aço AISI/SAE 4340.
Ensaios de fadiga: abordagem pelascurvas de Coffin/Manson
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Superposição das curvas elástica e plástica, produzindoa curva de fadiga com controle de deformação para umaço 300M (aço maraging).
Nota-se que a curva de vida total se aproxima da parcelaplástica para grandes amplitudes de deformação total, eaproxima-se da parcela elástica para baixas amplitudes
de deformação total. Este ensaio também estápadronizado pela ASTM.
Superposição de curvas elástica e plástica para formar a curva deformação total versus vida em fadiga para oaço maraging 18%Ni.
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura(a curva sigmoidal da /dN versus ∆K)
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Curva tamanho de trinca x número de ciclos de fadiga,mostrando o efeito do nível de tensão aplicado.
As metodologias propostas por Wöhler e porCoffin/Manson apresentam algumas desvantagens:
- incapacidade de distinguir claramente entre os
estágios de iniciação e de propagação de trincas;- elevado espalhamento (dispersão) de resultados;- dificuldade na previsão da falha de partes críticas de
fadiga.
Curva da /dN x ∆K e mecanismos de fadiga em metais.
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura(exemplo - dados GEsFraM)
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(exemplo dados GEsFraM)
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
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Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
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Corpo-de-prova para ensaio de propagação de trinca por fadiga.
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Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
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Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
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Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
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Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
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Corpo-de-prova C(T) com clip on gage.
Gráfico carga aplicada versus COD. Note a mudança deinclinação da reta, à medida que aumenta o número de ciclos.
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
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Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
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Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
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Cálculo
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
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Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura (Fonte: GEsFraM)
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Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura (Fonte: GEsFraM)
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Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura (Fonte: GEsFraM)
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(BH = Bake Hardened )
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura (Fonte: GEsFraM)
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Ensaio de propagação de trinca por fadiga em ligas de alumínio. Aplicação: indústria aeronáutica.
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura (Fonte: GEsFraM)
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Ensaio de propagação de trinca por fadiga em liga de alumínio. Efeito de estiramento e shot peening.Aplicação: indústria aeronáutica.
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura (Fonte: GEsFraM)
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Ensaio de propagação de trinca por fadiga em superliga de níquel. Aplicação: indústria nuclear.
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura (Fonte: GEsFraM)
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Aplicação de alguns modelos empíricos de previsão da propagação de trinca por fadiga numa liga de alumínio Al-7475.Aplicação: indústria aeronáutica.
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura (Fonte: GEsFraM)
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Aplicação de alguns modelos empíricos de previsão da propagação de trinca por fadiga numa liga de aço inoxidável PH 13 8MoAplicação: indústria aeronáutica.
Ensaios de fadiga: Influência de R e σm
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Influência da razão de tensão (A) e da tensão média (B), para o ensaio de fadiga.
Ensaios de fadiga: efeito da intensificação do concentrador de tensão
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Representação esquemática de tipos de imperfeições superciais estabelecidas em projeto: (A) entalhe em “V”;(B) chaveta; (C) pescoço.
Ensaios de fadiga: efeito da intensificação do concentrador de tensão
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Melhoria no projeto, eliminando pontos de concentração de tensões.
Ensaios de fadiga: efeito da superposição de tensões
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Superposição de tensões aplicada e residual.
Ensaios de fadiga: introdução à fratura por fadiga
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Processo de avanço de trinca por fadiga.
Ensaios de fadiga: introdução à fratura por fadiga
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(A) elementos de nucleação de trincas em componentes sujeitos a esforços cíclicos;
(B) canto em ângulo reto devido a projeto não-qualificado.
Ensaios de fadiga: introdução à fratura por fadiga
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(A) região de intenso deslizamento durante fadiga em uma liga de níquel;
(B) formação de trincas na superfície devidas às bandas de deslizamento.
Ensaios de fadiga: introdução à fratura por fadiga
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Início de trinca por fadiga em uma liga de níquel: (A) em inclusão não-metálica; (B) em um poro.
Ensaios de fadiga: introdução à fratura por fadiga
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Esboço da formação de estrias na propagação de trinca por fadiga (estágio II da curva da /dN x ∆K).
Ensaios de fadiga: introdução à fratura por fadiga
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Macrofratografia típica do fenômeno de fadiga.
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Microfratografia mostrando as formação de estrias: (A) liga de aço Ni-Cr, 1200X; (B) cobre trabalhado a frio, 5000X; MEV.