Critérios de Falha por Fadiga em Materiais Mecânicos

Projeto Mecânicos I Aula03 Critérios de falha por fadiga Critérios de falha por fadiga Uma considerável parcela das falhas ocorrem por fadiga sob carregamentos cíclicos sob níveis de tensão inferiores ao escoamento Considerar apenas falhas estáticas por escoamento em um projeto mecânico não é suficiente quando este está sob solicitações dinâmicas A figura ao lado é de uma amostra que falhou por fadiga sob solicitação cíclica de flexão O região A mostra o inicio da trinca O região B mostra a propagação da trinca na forma de marcas de praia A região C mostra a forma de uma ruptura abrupta do material Principais tipos de falhas Falha por deformação plástica Mudança dimensional permanente que compromete o funcionamento do projeto Fratura Ruptura devido ao surgimento de tricas causadas por carregamentos cíclicos As falhas por fadiga se iniciam sempre por uma trinca Esta trinca pode ser oriunda da manufatura do elemento mecânico ou se desenvolvido com os ciclos de carga dinâmica Critérios de falha por fadiga Modos de falha estrutural Deformação independente do tempo Elástica e plástica Deformação dependente do tempo Fluência Fratura em carga estática Frágil dúctil ambiental e fluência Fratura em carga dinâmica cíclica Fadiga por alto ciclo fadiga por baixo ciclo e propagação de trinca Critérios de falha por fadiga A Fadiga de um material consiste no acumulo de dano causado por solicitações dinâmicas cíclicas ou periódicas Mecanismo Básico de falha por fadiga 1 Aplicação das cargas cíclicas 2 Surgimento do dano em sua maioria deformações plásticas microscópicas 3 Acúmulo de dano 4 Formação de trincas 5 Propagação de trincas 6 Falha por fratura em fadiga Critérios de falha por fadiga Critérios de falha por fadiga Critérios de falha por fadiga Esquema Geral para Previsão da Vida em Fadiga CARGAS EM SERVIÇO PROPR MATERIAL MODELO DE DANO VIDA EM FADIGA Critérios de falha por fadiga Características das falhas por fadiga Dependem da geometria das propriedades do material e das cargas atuantes São progressivas ie o dano é cumulativo São geralmente localizadas Exigem técnicas especiais para detecção Causam ruptura geralmente súbita Presença de trincas não provoca mudanças drásticas de comportamento mecânico da estrutura até que se esteja próximo à ruptura Critérios de falha por fadiga Trincas normalmente se iniciam a partir de concentradores de tensão Furos Entalhes Juntas parafusadas Juntas rebitadas Transições geométricas acentuadas Critérios de falha por fadiga Representação esquemática da fase de iniciação de trincas por fadiga Critérios de falha por fadiga intrusões e extrusões bandas de deslizamento Critérios de falha por fadiga Critérios de falha por fadiga Critérios de falha por fadiga O modelo DeformaçãoNúmero de Ciclos e N ou de CoffinManson é mais utilizado nas aplicações que envolvem FBC em problemas que envolvem cargas de fadiga e temperatura e onde se espera uma vida finita para a peça É o mais complicado dos métodos requerendo o uso de computador para a sua solução O modelo Mecânica da Fratura Linear Elástica MFLE ou de Paris é mais utilizado nas aplicações que envolvem FBC para predizer o tempo de vida restante de peças trincadas Método SN Método SN Método SN Exemplos máquinas de ensaio de fadiga Fixação do corpo de prova Os ensaios realizados por Wöhler para diferentes materiais levaramno a concluir que a tensão limite de resistência a fadiga decrese até um determinado número de ciclos e depois tornase constante Curva SN típica obtida do ensaio de flexão rotativa em cdps corpos de prova de liga de AL O número de ciclos em escala logarítmica é melhor para a análise dos dados Limite de fadiga Nível de amplitude de tensão abaixo do qual não ocorre falha por fadiga Método SN Método SN Método SN Método SN Frequência de aplicação de cargaTemperatura Método SN Influencia da Tensão Média Método SN Influencia da Microestrutura Método SN Influencia da Dispersão Estatística dos dados Experimentais 707576 Al Stress Amplitude ksi Nf Cycles to Failure Método SN Influencia Ambientais Al75Zn25Mg Sm 0 Stress Amplitude MPa Nf Cycles to Failure Método SN As curvas SN podem ser expressas de duas formas Curva em escala linearlog Curva em escala linearlog Estas equações representam os ajustes dos dados experimentais CURVA SN Aço 4340 Dados experimentais Curve de ajuste Curva de ajuste dos dados do Aço 4340 Os valores de tensão vidas pequenas são irreais pois ultrapassam a tensão ultima do material 1103Mpa Método SN Método SN Método SN Exercício 01 Considere um componente mecânico projetado para suportar uma tensão que varia de 140 MPa a 540 MPa Determine a as tensões média alternante e alternante reversa e b estime em número de ciclos a vida útil do componente antes dele falhar sob fadiga segundo o critério de Goodman Dados A 1047 MPa B 0119 su 1172 MPa Curva SN Método SN Influência da tensão média Diagrama de SODERBERG semelhante ao critério de Goodman ao invés da tensão última ruptura σu utiliza a tensão de escoamento σ0 σm 0 σa σar 1 e σm σ0 σa σar 0 σaσar σmσ0 1 OBS Para a grande maioria dos materiais a abordagem de Soderberg é a mais conservativa incluindo os mais frágeis Método SN Influência da tensão média Parâmetro de MORROW basicamente é o critério de Goodman modificado utiliza a tensão verdadeira de ruptura σ f que considera a estrição ao invés de σu σaσar σmσf 1 OBS A abordagem de Morrow fornece um melhor ajuste para materiais dúcteis inclusive na região de tensões médias compressivas Exercício 02 Considere que a curva SN de um determinado material para tensão média nula é dada na forma Se um componente feito deste material é submetido a um carregamento tal que sa 150 MPa e sm 100 MPa estime quantos ciclos deverão ocorrer até sua falha segundo os métodos de Goodman e Soderberg Dados A 839 MPa B 0102 su 476 MPa s0 303 MPa 𝜎 𝑎 𝑟𝐴𝑁 𝑓 𝐵 Tensões multiaxiais carregamento combinado Assume se que a amplitude de tensão equivalente é dada por Para o estado geral de tensões Para o estado plano de tensões Com está tensão em mãos utilizase a curva SN uniaxial Conforme Sines a tensão média equivalente pode ser definida como Estado geral de tensões Estado plano de tensões Exercício 03 Considere um cilindro de parede fina com diâmetro de D 120 mm e espessura de parede t 4 mm A pressão interna varia ciclicamente de 0 a 15 MPa Além disso o cilindro sofre um momento fletor constante de M 2 kNm Quantos ciclos de pressurização o cilindro resistirá antes de falhar por fadiga Dados Material Al 2024 T4 A 839 MPa B 0102 su 476 MPa Momento de inércia para tubo de parede fina Sensibilidade ao entalhe A determinação da estimativa em fadiga considerando apenas o fator de concentração de tensão kt é mais severa do que a realidade Devido a isso o fator de concentração de tensão kf para prever a vida em fadiga numa peça com entalhe deve ser calculado pela correção de kt através do fator de sensibilidade q também conhecido como fator de severidade do entalhe A estimativa de q é empírica e pode ser obtida pelos modelos de Peterson e de Neuber O fator de concentração de tensão para a vida em fadiga é aplicado sobre a amplitude de tensão Sensibilidade ao entalhe Neuber r raio de curvatura do entalhe b constante do material Peterson r raio de curvatura do entalhe a constante do material a 051 mm ligas de alumínio a 025 mm aços médio carbono recozidos e normalizados a 0064 mm aços carbono temperados e revenidos Aços de alta resistência Aços em geral Exercício 04 Uma barra retangular com ressalto similar a da figura suporta esforços de cíclicos de flexão Determine o fator de concentração de tensão em fadiga para a barra com as seguintes dimensões D 508 mm d 4572 mm r 635 mm Utilize o critério de Neuber Dados su 690 MPa