ensaio fadiga

Ensaios Mecânicos de Materiais

Aula 11 – Ensaio de Fadiga

Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

Tópicos Abordados Nesta Aula

� Ensaio de Fadiga.� Propriedades Avaliadas do Ensaio.� Tipos de Corpos de Prova.

Aula 11 Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues


Introdução

� Quando são aplicadosesforços repetidos aum material, este poderomper-se com umacarga bem menor àcarga máxima atingida

� Um metal rompe-sepor fadiga, quando atensão cíclicaaplicada, tem grandeflutuação e é maiorque o valor


carga máxima atingidana tração ou nacompressão. Nestecaso, tem-se a rupturapor fadiga do material.

que o valorcaracterístico decada metal. Este é olimite de fadiga e quepode ser determinadoatravés de um ensaiode fadiga.

AEnsaios Mecânicos de Materiais

Introdução

� Com uma máquinaadequada, o ensaiopode ser realizado naprópria peça, aplicandoos esforços submetidosna prática.

� Ensaios em corposde prova nãoverificam os efeitosna própria peça. Osresultados não devemser diretamente


na prática.

� O ensaio também podeser realizado em corposde prova, testandoapenas o material.

ser diretamenteaplicados na prática.

� O estudo da fadiga émuito importante noprojeto de peçassubmetidas a tensõescíclicas.

AEnsaios Mecânicos de Materiais

Definições�Em condições normais de uso, os produtos devem sofrer esforçosabaixo do limite de proporcionalidade, ou limite elástico, quecorresponde à tensão máxima que o material pode suportar.

�Em geral, os fabricantes especificam o produto para suportaresforços acima desse limite, ensaiam os materiais, controlam oprocesso de produção e tomam todos os cuidados para que o produto


processo de produção e tomam todos os cuidados para que o produtonão apresente qualquer problema.

�Apesar de todas essas precauções, é possível que, após algumtempo de uso normal, de repente, sem aviso prévio e sem motivoaparente, o produto simplesmente venha a falhar. Essa falha é típicade um fenômeno chamado fadiga.


Definições

� Fadiga é a ruptura de componentes, sob uma cargabem inferior à carga máxima suportada pelo material,devido a solicitações cíclicas repetidas. Outambém...

� Dano numa peça estrutural por propagação gradualde fissuras provocadas por variações repetitivas de


de fissuras provocadas por variações repetitivas detensões;

� Fenômeno de diminuição da resistência emconsequência da repetição muito frequente deações.

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Definições

� Limite de fadiga corresponde a uma tensão(flutuação-variação) abaixo do qual o materialsuporta um número de ciclos infinito, sem romper.

� Um ciclo de tensão é a menor parte da funçãotensão-tempo que é periódica e identicamente


tensão-tempo que é periódica e identicamenterepetida.

� As normas definições e a simbologia utilizadas noestudo e no ensaio de fadiga seguem os padrões doManual de Ensaios de Fadiga da ASTM (Manual onFatigue Testing).


Definições

� Tensões Cíclicas – Esforços (cargas) que serepetem com regularidade.

� A tensão cíclica é definida por uma funçãosenoidal, onde os valores de tensão sãorepresentados no eixo das ordenadas e o número de


representados no eixo das ordenadas e o número deciclos no eixo das abscissas.

� Tensões de tração são representadas como positivase de compressão como negativas.


Definições

� O ensaio de fadiga é um método utilizado paraespecificar os limites de tensão e de tempo de uso deum produto, peça ou elemento de máquina. Éutilizado também para definir aplicações demateriais.

� Determina o comportamento de materiais submetidos


� Determina o comportamento de materiais submetidosa cargas flutuantes (ciclicas);

� Aplicação de cargas alternadas e o número de ciclosnecessários para produzir a ruptura (numa peça oucorpo de prova).


Ensaio de Fadiga�Toda máquina é constituída por um conjunto decomponentes.

�No uso normal, nunca ocorre de todos os componentesfalharem ao mesmo tempo. Isso porque cada um temcaracterísticas próprias, uma das quais é o tempo de vida


características próprias, uma das quais é o tempo de vidaútil esperado.

�O ensaio de resistência à fadiga é um meio deespecificar limites de tensão e de tempo de uso de umapeça ou elemento de máquina. É utilizado também paradefinir aplicações de materiais.


Ensaio no Produto Acabado

�É sempre preferível ensaiar a própria peça, feita emcondições normais de produção. Molas, barras de torção,rodas de automóveis, pontas de eixo etc. são exemplos deprodutos normalmente submetidos a ensaio de fadiga.


�Quando não é possível o ensaio no próprio produto, ouse deseja comparar materiais, o ensaio é feito em corposde prova padronizados.


Importância do Estudo da Fadiga

�O estudo da fadiga é importante porque a grandemaioria das falhas de componentes de máquinas, emserviço, se deve à fadiga.

�A ruptura por fadiga ocorre sem nenhum aviso prévio, ouseja, num dado momento a máquina está funcionando


seja, num dado momento a máquina está funcionandoperfeitamente e, no instante seguinte, ela falha.


Tensões Cíclicas�Na definição de fadiga, destacou-se que ela se deve aesforços cíclicos repetidos. De maneira geral, peçassujeitas a fadiga estão submetidas a esforços que serepetem com regularidade. Trata-se das tensões cíclicas.

�A tensão cíclica mais comum é caracterizada por uma


�A tensão cíclica mais comum é caracterizada por umafunção senoidal, onde os valores de tensão sãorepresentados no eixo das ordenadas e o número de ciclosno eixo das abscissas. As tensões de tração sãorepresentadas como positivas e as tensões de compressãocomo negativas.


Ciclos de TensãoAula 11 Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

�A figura a mostra um gráfico de tensão reversa, assim chamado porque astensões de tração têm valor igual às tensões de compressão.�No gráfico b todas as tensões são positivas, ou seja, o corpo de prova estásempre submetido a uma tensão de tração, que oscila entre um valor máximo eum mínimo.�O gráfico c representa tensões positivas e negativas, como no primeiro caso,só que as tensões de compressão têm valores diferentes das tensões de tração.


Tipos de Ensaios de Fadiga�Os aparelhos de ensaio de fadiga sãoconstituídos por um sistema de aplicaçãode cargas, que permite alterar aintensidade e o sentido do esforço, e porum contador de número de ciclos.�O teste é interrompido assim que ocorpo de prova se rompe.�O ensaio é realizado de diversas


�O ensaio é realizado de diversasmaneiras, de acordo com o tipo desolicitação que se deseja aplicar:- torção;- tração-compressão;- flexão;- flexão rotativa.


� Os aparelhos de ensaio de fadiga sãoconstituídos por um sistema deaplicação de cargas, que permitesimular esforços das condiçõesreais de trabalho, e por umcontador de número de ciclos.

Método de Ensaio


� O ensaio é realizado de acordocom o tipo de solicitação:

• torção;• tração-compressão;• flexão;• flexão rotativa.

A EMT1kNV é uma máquinaeletromagnética para ensaiosde fadiga tração-compressão,com freqüência até 200Hz emonda senoidal com variaçãode velocidade.


Flexão Rotativa�O ensaio mais usual, realizado em corpos de prova extraídos debarras ou perfis metálicos, é o de flexão rotativa.�Este ensaio consiste em submeter um corpo de prova a solicitaçõesde flexão, enquanto o mesmo é girado em torno de um eixo, por umsistema motriz com contagiros, numa rotação determinada e constante.



Método de Ensaio

� Flexão Rotativa - Um motorgira um corpo de prova CC. Osrolamentos externos são fixosem apoios e os internosrecebem uma carga PP,produzindo um esforço deflexão alternado devido à

Figura – Exemplo de ensaio de


� Um ciclo completo de flexão alternada é aplicado a cada volta do eixoe o número de voltas é registrado pelo contador AA.

� Quando o corpo se parte por fadiga, o contador deixa de ser acionadoe sua indicação é o número de ciclos que o corpo suportou com acarga PP.

flexão alternado devido àrotação do corpo de prova.

Figura – Exemplo de ensaio de fadiga com torção e flexão


Corpos de Prova para Fadiga�O corpo de prova deve ser usinado e ter bom acabamentosuperficial, para não prejudicar os resultados do ensaio. Aforma e as dimensões do corpo de prova variam, econstituem especificações do fabricante do equipamentoutilizado. O ambiente onde é feito o ensaio também épadronizado.


padronizado.

�Para uma mesma tensão, pode-se obter resultados deensaio dispersos e que devem ser tratadosestatisticamente. Mas, em geral, o ensaio é realizado emcerca de 10 corpos de prova, para cada um dos diversosníveis de tensão.


Modelos de Corpos de Prova



Resultados do Ensaio

�Os resultados do ensaio de fadiga geralmente são apresentados numacurva tensão-número de ciclos, ou simplesmente curva S-N.�O S vem de stress, que quer dizer. tensão, e N representa o númerode ciclos.



Método de Ensaio – Curva S-N

� Os resultados dos ensaiosde fadiga geralmente sãoapresentados em umgráfico de tensão pornúmero de ciclos, ousimplesmente curva S-N.


Curva S-N

� O S vem da palavraInglesa stress, quesignifica “tensão”, e o Nrepresenta o número deciclos.



� Supondo que, para umasolicitação de tensão S1 ocorpo de prova se rompa emum certo número de ciclosN1, e para uma solicitaçãoS2 se rompa em N2, e assimpor diante, pode-se construir


por diante, pode-se construiro diagrama S-N.

� A medida que se diminui atensão aplicada, o corpo deprova resiste a um maiornúmero de ciclos.



� Diminuindo a tensão a partirde um certo nível – em que acurva se torna horizontal – onúmero de ciclos para orompimento do corpo deprova torna-se praticamenteinfinito.


infinito.

� Esta tensão máxima, quepraticamente não provocamais a fratura por fadiga,chama-se limite de fadigaou resistência à fadiga.



� Para a maioria dosmateriais, especialmente osmetais não ferrosos como oalumínio, a curva obtida nodiagrama S-N édecrescente. Portanto, énecessário definir um


� Para alumínio, cobre, magnésio e suas ligas, deve-se levar o ensaio aaté 50 milhões de ciclos e, em alguns casos, a até 500 milhões deciclos, para neste número definir a resistência à fadiga.

necessário definir umnúmero de ciclos para obtera correspondente resistênciaà fadiga.


Números do Ensaio�Para a maioria dos materiais, especialmente os metaisnão ferrosos como o alumínio, a curva obtida no diagramaS-N é decrescente. Portanto, é necessário definir umnúmero de ciclos para obter a correspondente tensão, queserá chamada de resistência à fadiga.


�Para o alumínio, cobre, magnésio e suas ligas, deve-selevar o ensaio a até 50 milhões de ciclos e, em algunscasos, a até 500 milhões de ciclos, para neste númerodefinir a resistência à fadiga.


Fatores que Influenciam a Resistência a Fadiga

�Uma superfície mal acabada contém irregularidades que, como sefossem um entalhe, aumentam a concentração de tensões, resultandoem tensões residuais que tendem a diminuir a resistência à fadiga.

�Defeitos superficiais causados por polimento (queima superficial decarbono nos aços, recozimento superficial, trincas etc.) tambémdiminuem a resistência à fadiga.


diminuem a resistência à fadiga.

�Tratamentos superficiais (cromeação, niquelação etc.) diminuem aresistência à fadiga, por introduzirem grandes mudanças nas tensõesresiduais, além de conferirem porosidade ao metal.


Fatores que Melhoram a Resistência�Tratamentos superficiais endurecedores podem aumentara resistência à fadiga.

�O limite de fadiga depende da composição, da estruturagranular, das condições de conformação mecânica, dotratamento térmico etc.


tratamento térmico etc.

�O tratamento térmico adequado aumenta não somente aresistência estática, como também o limite de fadiga.

�O encruamento dos aços dúcteis aumenta o limite defadiga.


Efeito da Concentração de Tensão

� A forma é um fator crítico, porque a resistência à fadiga é muito afetada por descontinuidades nas peças, como cantos vivos, encontros de paredes e mudanças bruscas de seções.


Figura 1- minimizaa concentração de tensões.

Figura 2- maximizaa concentração de tensões.

bruscas de seções.

� Sempre que possível, deve-se evitar a concentração de tensões. Ex.: Rasgo de chaveta é um elemento que concentra tensão e, consequentemente, diminui a resistência à fadiga.


� Superfície mal acabada contémirregularidades, que aumentama concentração de tensões,resultando em tensões residuaisque tendem a diminuir aresistência à fadiga.

Efeito da Superfície do Corpo de Prova


� Defeitos superficiais causadospor polimento (queimasuperficial, jateamento,corrosão, recozimento, trincasetc.) também diminuem aresistência à fadiga. Figura – exemplo

de irregularidade superficial.


Efeito da Superfície do Corpo de Prova

� Tratamentos superficiais endurecedores aumentam a resistência estática e também o limite de fadiga.

� Muitos elementos de maquinascomo eixos e engrenagens,


Figura – exemplo de ótimo acabamento superficial.

como eixos e engrenagens, recebem tratamentos superficiais endurecedores para aumentar sua resistência a fadiga.


Condições de Ensaio

� O resultado do ensaio depende também de variáveis , como:

� Tensões;

� Velocidade de variação


Figura – ação corrosiva de um meio químico acelera a velocidade de propagação da trinca

� Velocidade de variação das tensões;

� Variação de temperatura;

� Ambiente.


Ruptura por Fadiga�A ruptura por fadiga começa apartir de uma trinca (nucleação) oupequena falha superficial, que sepropaga ampliando seu tamanho,devido às solicitações cíclicas.�Quando a trinca aumenta detamanho, o suficiente para que orestante do material não suporte


restante do material não suportemais o esforço que está sendoaplicado, a peça se romperepentinamente.�A fratura por fadiga é típica:geralmente apresenta-se fibrosa naregião da propagação da trinca ecristalina na região da rupturarepentina.


Fratura por Fadiga

� A ruptura tem inícionuma pequena trincaou falha superficial quedevido aos esforçoscíclicos é propagada eampliada.

Cristalina na região de fratura.


� A fratura geralmenteapresenta-se fibrosa naregião da trinca ecristalina na região daruptura.

Fibrosa na região da trinca.


Fratura por Fadiga

Cargas VariáveisCargas Variáveis

Deformações Deformações PlásticasPlásticas


Deterioração do Deterioração do MaterialMaterial

TRINCATRINCA

R U P T U R AR U P T U R A


Aplicações

Boeing começa o teste de fadigana estrutura do 787 Dreamliner

Qua, 15/09/2010 20:30 Central de jornalismo

A Boeing iniciou o teste de fadiga na carcaçaestrutural do 787 Dreamliner na fábrica, em Everett,no estado de Washington. O teste de fadiga envolvea colocação da estrutura do 787 em uma célula deensaio que simula vários ciclos de vida da peçapara testar a forma como o avião responde aolongo do tempo.

“Ao contrário dos ensaios estáticos, onde as cargassão aplicadas à estrutura do avião para simular tantoa operação normal quanto condições extremas devôo, o teste de fadiga é um processo muito mais


www.boeing.com

Fonte: Fator Brasil

longo que simula até três vezes mais o número deciclos de vôos que um avião provavelmenteexperimentará durante toda sua vida de serviço",disse Jim Ogonowski, vice-presidente de estruturas daBoeing Commercial Airplanes.

Enquanto o programa de testes estruturais já validoua força da estrutura, o teste de fadiga avalia emlongo prazo, o uso contínuo. Este é um processonatural na fase de testes de um novo avião e parte doprocesso para garantir a certificação da AdministraçãoFederal da Aviação Civil dos EUA (U.S. FederalAviation Administration – FAA)


Aplicações

Embraer completa 5000 ciclosde vôo em teste de fadiga doEmbraer 190A Embraer anunciou hoje que o EMBRAER 190, de100 assentos, completou 5.000 ciclos de vôo em suacampanha de teste de fadiga, um passo importantepara a certificação do avião. O cumprimento de 5.000ciclos de vôo é o mínimo requerido para apoiar oinício da operação comercial da aeronave.

O cumprimento do mínimo requerido de 5.000 ciclosde vôo na campanha de testes de fadiga é um marcono programa de certificação do EMBRAER 190. Acertificação, cuja conclusão está prevista para oterceiro trimestre de 2015, abre o caminho para asentregas ao cliente-lançador JetBlue, dos EstadosUnidos. A JetBlue encomendou 100 aeronavesEMBRAER 190 e detém opção para mais 100aeronaves do mesmo modelo.

Na próxima fase da campanha de testes de fadiga,a Embraer vai simular duas vidas econômicas do


Os últimos objetivos da campanha estrutural decertificação, incluindo as metas relativas aos testes defadiga e estática, foram atingidos no prazo e garantemconformidade total com todos os requisitos decertificação aplicáveis. Testes completos de fadiga ede estática servem para mostrar como a estruturado EMBRAER 190 suporta condições de carganormal e limite. Em particular, o teste de estáticademonstrou que o avião pode suportar cargasmáximas.

avião, ou 160.000 ciclos de vôo. Em condiçõesoperacionais normais, a vida econômica doEMBRAER 190 atinge cerca de 80.000 ciclos. Numafase subsequente, uma terceira vida econômica doEMBRAER 190 será simulada pela Embraer.

FONTE: Aviação Brasil / Embraer – Assessoria deImprensa – São José dos Campos/SP (27-09-2010)


Aplicações

Embraer completa 5000 ciclos de voo em teste de fadiga do Embraer 190.



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� Ensaio de Impacto.



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