Mecanismos de Falha em Materiais de Engenharia

MECANISMOS DE FALHA Curso Engenharia de Produção Disciplina Engenharia de Materiais Professora Illa Beghine Email profillasoncindoctumedubr MECANISMOS DE FALHA Fratura Fadiga Fluência INTRODUÇÃO A falha de materiais de engenharia é quase sempre um evento indesejável por vários motivos vidas humanas que são colocadas em perigo perdas econômicas e a interferência na disponibilidade de produtos e serviços Embora as causas de falha e o comportamento de materiais possam ser conhecidos a prevenção de falhas é uma condição difícil de ser garantida As causas usuais são a seleção e o processamento dos materiais de uma maneira não apropriada e o projeto inadequado do componente ou a sua má utilização Uma das responsabilidades do engenheiro de materiais é antecipar e planejar considerando possíveis falhas e no caso de uma falha de fato ocorrer avaliar a sua causa e então tomar as medidas de prevenção apropriadas contra futuros incidentes Os tipos de falhas a serem abordados nesse capítulo são a fratura simples os modos dúctil e frágil a fadiga e a fluência Essas discussões incluem os mecanismos das falhas e os métodos segundo os quais a falha pode ser prevenida ou controlada 2 FADIGA A fadiga é uma forma de falha que ocorre em estruturas que estão sujeitas a tensões dinâmicas e oscilantes por exemplo pontes aeronaves e componentes de máquinas Sob essas circunstâncias é possível a ocorrência de uma falha em um nível de tensão consideravelmente inferior ao limite de resistência à tração ou ao limite de escoamento para uma carga estática chamamos esse tipo de falha de falha por fadiga O termo fadiga é usado pois esse tipo de falha ocorre normalmente após um longo período de tensão repetitiva ou ciclo de deformação A fadiga é importante no sentido de que ela é a maior causa individual de falhas em metais sendo estimado que ela compreende aproximadamente 90 de todas as falhas metálicas Os polímeros e os cerâmicos exceto os vidros também são suscetíveis a esse tipo de falha A fadiga pode ser catastrófica e traiçoeira uma vez que pode ocorrer muito repentinamente e sem qualquer tipo de indício ou aviso logo ela deve ser estudada de forma muito cuidadosa 2 FADIGA A falha por fadiga é de natureza frágil mesmo em metais dúcteis no sentido de que existe muito pouca ou nenhuma deformação plástica associada com esse tipo de falha O processo de falha ocorre pela iniciação e propagação de trincas até uma ruptura em geral catastrófica sendo que a superfície de fratura é perpendicular à direção da tensão de tração aplicada no corpo 2 FADIGA Tensões Cíclicas Em um processo de falha por fadiga a tensão aplicada pode ser de natureza axial traçãocompressão de flexão dobramento ou torcional torção Em geral são possíveis três modalidades diferentes de tensão estas vão oscilar ao longo do tempo repetidamente na forma de ciclos 2 FADIGA Tensões Cíclicas A primeira modalidade está representada esquematicamente na Figura a em que é possível observar uma curva regular e senoidal para correlacionar a tensão com o tempo Nessa modalidade a amplitude é simétrica em torno de um nível médio de tensão que pode ser igual a zero por exemplo alternando entre uma tensão máxima de tração 𝜎𝑚𝑎𝑥 e uma tensão mínima de compressão 𝜎𝑚𝑖𝑛 de igual magnitude Este comportamento é conhecido como ciclo de tensões alternadas 2 FADIGA Tensões Cíclicas A segunda modalidade está representada esquematicamente na Figura b em que é possível observar também uma curva regular e senoidal para correlacionar a tensão com o tempo Porém nessa modalidade os valores máximos e mínimos de tensões atuantes são assimétricos em relação ao nível zero de tensão possuindo valores diferentes um do outro Este comportamento é conhecido como ciclo de tensões repetidas 2 FADIGA Tensões Cíclicas A terceira modalidade está representada esquematicamente na Figura c em que é possível observar uma curva totalmente irregular para correlacionar a tensão com o tempo Nessa modalidade o nível de tensão pode variar aleatoriamente em amplitude e frequência sem obedecer qualquer tipo de padrão de repetição Este comportamento é conhecido como ciclo de tensões aleatórias 2 FADIGA Tensões Cíclicas Alguns parâmetros importantes usados para caracterizar os ciclos de tensões variáveis estão representados na Figura b A amplitude da tensão oscila em relação a uma tensão média 𝜎𝑚 definida como sendo a média entre as tensões máxima e mínima no ciclo 𝜎𝑚 𝜎𝑚𝑎𝑥 𝜎𝑚𝑖𝑛 2 2 FADIGA Tensões Cíclicas Alguns parâmetros importantes usados para caracterizar os ciclos de tensões variáveis estão representados na Figura b O intervalo de tensões 𝜎𝑖 é definido como a diferença entre 𝜎𝑚𝑎𝑥 e 𝜎𝑚𝑖𝑛 𝜎𝑖 𝜎𝑚𝑎𝑥 𝜎𝑚𝑖𝑛 2 FADIGA Tensões Cíclicas O intervalo de tensões 𝜎𝑖 é definido como a diferença entre 𝜎𝑚𝑎𝑥 e 𝜎𝑚𝑖𝑛 A amplitude de tensão 𝜎𝑎 é simplesmente metade desse intervalo de tensões 𝜎𝑖 𝜎𝑚𝑎𝑥 𝜎𝑚𝑖𝑛 𝜎𝑎 𝜎𝑖 2 𝜎𝑚𝑎𝑥 𝜎𝑚𝑖𝑛 2 2 FADIGA Tensões Cíclicas Por fim a razão de tensões 𝑅 é definida como a razão entre as amplitudes das tensões mínima 𝜎𝑚𝑖𝑛 e máxima 𝜎𝑚𝑎𝑥 𝑅 𝜎𝑚𝑖𝑛 𝜎𝑚𝑎𝑥 2 FADIGA Tensões Cíclicas Por fim a razão de tensões 𝑅 é definida como a razão entre as amplitudes das tensões mínima 𝜎𝑚𝑖𝑛 e máxima 𝜎𝑚𝑎𝑥 Obs Por convenção adotase as tensões de tração como positivas e as tensões de compressão como negativas 𝑅 𝜎𝑚𝑖𝑛 𝜎𝑚𝑎𝑥 EXEMPLO Uma placa metálica foi utilizada em um ensaio de fadiga em que a mesma foi submetida a ciclos repetitivos de tensões MPa conforme mostrado no gráfico da Figura abaixo Identifique a modalidade de tensão aplicada no ensaio realizado e determine a tensão média e a amplitude de tensão utilizada no decorrer do ensaio Verifique graficamente se os resultados obtidos são coerentes EXEMPLO Identificar as tensões máxima e mínima do ensaio Uma placa metálica foi utilizada em um ensaio de fadiga em que a mesma foi submetida a ciclos repetitivos de tensões MPa conforme mostrado no gráfico da Figura abaixo Identifique a modalidade de tensão aplicada no ensaio realizado e determine a tensão média e a amplitude de tensão utilizada no decorrer do ensaio Verifique graficamente se os resultados obtidos são coerentes EXEMPLO Identificar as tensões máxima e mínima do ensaio 𝜎𝑚𝑎𝑥 280 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑚í𝑛 100 𝑀𝑃𝑎 Uma placa metálica foi utilizada em um ensaio de fadiga em que a mesma foi submetida a ciclos repetitivos de tensões MPa conforme mostrado no gráfico da Figura abaixo Identifique a modalidade de tensão aplicada no ensaio realizado e determine a tensão média e a amplitude de tensão utilizada no decorrer do ensaio Verifique graficamente se os resultados obtidos são coerentes EXEMPLO Identificar as tensões máxima e mínima do ensaio 𝜎𝑚𝑎𝑥 280 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑚í𝑛 100 𝑀𝑃𝑎 Uma placa metálica foi utilizada em um ensaio de fadiga em que a mesma foi submetida a ciclos repetitivos de tensões MPa conforme mostrado no gráfico da Figura abaixo Identifique a modalidade de tensão aplicada no ensaio realizado e determine a tensão média e a amplitude de tensão utilizada no decorrer do ensaio Verifique graficamente se os resultados obtidos são coerentes Modalidade ciclo de tensões repetidas Uma placa metálica foi utilizada em um ensaio de fadiga em que a mesma foi submetida a ciclos repetitivos de tensões MPa conforme mostrado no gráfico da Figura abaixo Identifique a modalidade de tensão aplicada no ensaio realizado e determine a tensão média e a amplitude de tensão utilizada no decorrer do ensaio Verifique graficamente se os resultados obtidos são coerentes EXEMPLO Determinar a tensão média 𝜎𝑚 e a amplitude de tensão 𝜎𝑎 Uma placa metálica foi utilizada em um ensaio de fadiga em que a mesma foi submetida a ciclos repetitivos de tensões MPa conforme mostrado no gráfico da Figura abaixo Identifique a modalidade de tensão aplicada no ensaio realizado e determine a tensão média e a amplitude de tensão utilizada no decorrer do ensaio Verifique graficamente se os resultados obtidos são coerentes EXEMPLO Determinar a tensão média 𝜎𝑚 e a amplitude de tensão 𝜎𝑎 𝜎𝑚 𝜎𝑚𝑎𝑥 𝜎𝑚𝑖𝑛 2 Uma placa metálica foi utilizada em um ensaio de fadiga em que a mesma foi submetida a ciclos repetitivos de tensões MPa conforme mostrado no gráfico da Figura abaixo Identifique a modalidade de tensão aplicada no ensaio realizado e determine a tensão média e a amplitude de tensão utilizada no decorrer do ensaio Verifique graficamente se os resultados obtidos são coerentes EXEMPLO Determinar a tensão média 𝜎𝑚 e a amplitude de tensão 𝜎𝑎 𝜎𝑚 𝜎𝑚𝑎𝑥 𝜎𝑚𝑖𝑛 2 𝜎𝑚𝑎𝑥 280 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑚í𝑛 100 𝑀𝑃𝑎 Uma placa metálica foi utilizada em um ensaio de fadiga em que a mesma foi submetida a ciclos repetitivos de tensões MPa conforme mostrado no gráfico da Figura abaixo Identifique a modalidade de tensão aplicada no ensaio realizado e determine a tensão média e a amplitude de tensão utilizada no decorrer do ensaio Verifique graficamente se os resultados obtidos são coerentes EXEMPLO Determinar a tensão média 𝜎𝑚 e a amplitude de tensão 𝜎𝑎 𝜎𝑚 𝜎𝑚𝑎𝑥 𝜎𝑚𝑖𝑛 2 280 100 2 𝜎𝑚𝑎𝑥 280 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑚í𝑛 100 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑚 90 𝑀𝑃𝑎 Uma placa metálica foi utilizada em um ensaio de fadiga em que a mesma foi submetida a ciclos repetitivos de tensões MPa conforme mostrado no gráfico da Figura abaixo Identifique a modalidade de tensão aplicada no ensaio realizado e determine a tensão média e a amplitude de tensão utilizada no decorrer do ensaio Verifique graficamente se os resultados obtidos são coerentes EXEMPLO Determinar a tensão média 𝜎𝑚 e a amplitude de tensão 𝜎𝑎 𝜎𝑎 𝜎𝑖 2 𝜎𝑚𝑎𝑥 𝜎𝑚𝑖𝑛 2 Uma placa metálica foi utilizada em um ensaio de fadiga em que a mesma foi submetida a ciclos repetitivos de tensões MPa conforme mostrado no gráfico da Figura abaixo Identifique a modalidade de tensão aplicada no ensaio realizado e determine a tensão média e a amplitude de tensão utilizada no decorrer do ensaio Verifique graficamente se os resultados obtidos são coerentes EXEMPLO Determinar a tensão média 𝜎𝑚 e a amplitude de tensão 𝜎𝑎 𝜎𝑎 𝜎𝑖 2 𝜎𝑚𝑎𝑥 𝜎𝑚𝑖𝑛 2 𝜎𝑚𝑎𝑥 280 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑚í𝑛 100 𝑀𝑃𝑎 Uma placa metálica foi utilizada em um ensaio de fadiga em que a mesma foi submetida a ciclos repetitivos de tensões MPa conforme mostrado no gráfico da Figura abaixo Identifique a modalidade de tensão aplicada no ensaio realizado e determine a tensão média e a amplitude de tensão utilizada no decorrer do ensaio Verifique graficamente se os resultados obtidos são coerentes EXEMPLO Determinar a tensão média 𝜎𝑚 e a amplitude de tensão 𝜎𝑎 𝜎𝑎 𝜎𝑚𝑎𝑥 𝜎𝑚𝑖𝑛 2 280 100 2 𝜎𝑚𝑎𝑥 280 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑚í𝑛 100 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑎 190 𝑀𝑃𝑎 Uma placa metálica foi utilizada em um ensaio de fadiga em que a mesma foi submetida a ciclos repetitivos de tensões MPa conforme mostrado no gráfico da Figura abaixo Identifique a modalidade de tensão aplicada no ensaio realizado e determine a tensão média e a amplitude de tensão utilizada no decorrer do ensaio Verifique graficamente se os resultados obtidos são coerentes EXEMPLO 𝜎𝑚 90 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑚𝑎𝑥 280 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑚í𝑛 100 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑎 190 𝑀𝑃𝑎 Uma placa metálica foi utilizada em um ensaio de fadiga em que a mesma foi submetida a ciclos repetitivos de tensões MPa conforme mostrado no gráfico da Figura abaixo Identifique a modalidade de tensão aplicada no ensaio realizado e determine a tensão média e a amplitude de tensão utilizada no decorrer do ensaio Verifique graficamente se os resultados obtidos são coerentes EXEMPLO 𝜎𝑚 90 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑚𝑎𝑥 280 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑚í𝑛 100 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑎 190 𝑀𝑃𝑎 Uma placa metálica foi utilizada em um ensaio de fadiga em que a mesma foi submetida a ciclos repetitivos de tensões MPa conforme mostrado no gráfico da Figura abaixo Identifique a modalidade de tensão aplicada no ensaio realizado e determine a tensão média e a amplitude de tensão utilizada no decorrer do ensaio Verifique graficamente se os resultados obtidos são coerentes EXEMPLO 𝜎𝑚 90 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑚𝑎𝑥 280 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑚í𝑛 100 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑎 190 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑎 𝜎𝑚 𝜎𝑚𝑎𝑥 Uma placa metálica foi utilizada em um ensaio de fadiga em que a mesma foi submetida a ciclos repetitivos de tensões MPa conforme mostrado no gráfico da Figura abaixo Identifique a modalidade de tensão aplicada no ensaio realizado e determine a tensão média e a amplitude de tensão utilizada no decorrer do ensaio Verifique graficamente se os resultados obtidos são coerentes EXEMPLO 𝜎𝑚 90 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑚𝑎𝑥 280 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑚í𝑛 100 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑎 190 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑎 𝜎𝑚 𝜎𝑚𝑒𝑑 𝜎𝑎 90 190 280 𝜎𝑚𝑎𝑥 Ok 𝜎𝑚𝑎𝑥 2 FADIGA A Curva S x N As propriedades em fadiga dos materiais podem ser determinadas a partir de ensaios de simulação em laboratório Um aparato de ensaios deve ser projetado para aplicar o tanto quanto for possível as condições de tensão de serviço reais do material O ensaio consiste em aplicar e um corpo de prova tensões alternadas de tração e de compressão de igual magnitude a medida em que ele é simultaneamente flexionado e rotacionado ensaios giratórios com dobramento 2 FADIGA A Curva S x N Durante a rotação a superfície inferior do corpo de provas está sujeita a uma tensão de tração isto é positiva enquanto a superfície superior está submetida a uma tensão de compressão isto é negativa 2 FADIGA A Curva S x N Uma série de ensaios é iniciada submetendose um corpo de prova a um ciclo de tensões sob uma tensão máxima relativamente grande 𝜎𝑚𝑎𝑥 geralmente da ordem de dois terços do limite estático de resistência à tração O número de ciclos até a falha do material é então contado e registrado Esse procedimento é repetido com outros corpos de prova sob níveis máximos de tensão progressivamente menores Os dados são traçados em um gráfico da tensão S em função do logaritmo do número de ciclos N que causa falha para cada um dos corpos de provas O parâmetro S é tomado normalmente ou como sendo a tensão máxima 𝜎𝑚𝑎𝑥 ou como a amplitude da tensão 𝜎𝑎 2 FADIGA A Curva S x N São observados dois tipos de comportamento SN distintos Estes estão representados esquematicamente nas curvas Amplitude de tensão S em função do logaritmo do número de ciclos aplicados até a falha do material N mostradas nas Figuras a seguir Com a observação dos gráficos será possível perceber que as duas grandezas são inversamente proporcionais assim sendo quanto maior for a magnitude da tensão aplicada menor será o número de ciclos que o material será capaz de suportar antes de falhar 2 FADIGA A Curva S x N Para algumas ligas ferrosas e de titânio a curva SN mostrada na Figura a fica horizontal para os valores de N mais altos ou seja existe um nível de tensão limite chamado limite de resistência à fadiga ou limite de durabilidade abaixo do qual não irá ocorrer uma falha por fadiga Esse limite de resistência à fadiga representa o maior valor da tensão que pode ser aplicado sem causar a falha do material mesmo após um número infinito de ciclos Para muitos aços os limites de resistência à fadiga variam entre 35 e 60 do limite de resistência à tração 2 FADIGA A Curva S x N A maioria das ligas não ferrosas por exemplo de alumínio e cobre não possui limite de resistência à fadiga no sentido de que a curva SN Figura b mantém sua tendência decrescente para maiores valores de N Dessa forma ao final do processo a fadiga ocorrerá independente da magnitude da tensão Para esses materiais a resposta à fadiga é especificada como resistência à fadiga definida como o nível de tensão no qual a falha ocorrerá para algum número específico de ciclos por exemplo 107ciclos 2 FADIGA A Curva S x N Outro parâmetro importante que caracteriza o comportamento em fadiga de um material é a vida em fadiga 𝑁𝑓 Ela corresponde ao número de ciclos necessários para causar a falha sob um nível de tensão específico conforme determinada a partir do gráfico SN 2 FADIGA A Curva S x N As curvas SN de fadiga para várias ligas metálicas estão mostradas na Figura ao lado Os dados foram gerados usando ensaios giratórios com dobramento e ciclos de tensões alternadas As curvas para o titânio magnésio e ligas de aço assim como para o ferro fundido exibem limites de resistência à fadiga nítidos As curvas para o latão e a liga de alumínio não possuem esses limites EXEMPLO Uma barra cilíndrica de aço 1045 é submetida a ensaios giratórios com dobramento segundo ciclos alternados de tensões Se o diâmetro da barra é de 𝑑0 15 𝑚𝑚 determine a carga cíclica máxima que pode ser aplicada sem que ocorra uma falha por fadiga Considere que o fator de segurança é de 𝑁 20 que a distância entre os pontos de aplicação de carga seja de 𝐿 60 𝑚𝑚 e que a tensão máxima para ensaios giratórios com dobramento seja dada pela expressão 𝜎 16 𝐹𝐿 𝜋 𝑑0³ EXEMPLO Uma barra cilíndrica de aço 1045 é submetida a ensaios giratórios com dobramento segundo ciclos alternados de tensões Se o diâmetro da barra é de 𝑑0 15 𝑚𝑚 determine a carga cíclica máxima que pode ser aplicada sem que ocorra uma falha por fadiga Considere um fator de segurança de 𝑁 20 que a distância entre os pontos de aplicação de carga seja de 𝐿 60 𝑚𝑚 e que a tensão máxima para ensaios giratórios com dobramento seja dada pela expressão 𝜎 16 𝐹𝐿 𝜋 𝑑0³ 𝑆𝑚𝑎𝑥 310 𝑀𝑃𝑎 Limite de resistência a fadiga EXEMPLO Uma barra cilíndrica de aço 1045 é submetida a ensaios giratórios com dobramento segundo ciclos alternados de tensões Se o diâmetro da barra é de 𝑑0 15 𝑚𝑚 determine a carga cíclica máxima que pode ser aplicada sem que ocorra uma falha por fadiga Considere um fator de segurança de 𝑁 20 que a distância entre os pontos de aplicação de carga seja de 𝐿 60 𝑚𝑚 e que a tensão máxima para ensaios giratórios com dobramento seja dada pela expressão 𝜎 16 𝐹𝐿 𝜋 𝑑0³ 𝑆𝑚𝑎𝑥 310 𝑀𝑃𝑎 𝜎 𝑆𝑚𝑎𝑥 𝑁 Limite de resistência a fadiga EXEMPLO Uma barra cilíndrica de aço 1045 é submetida a ensaios giratórios com dobramento segundo ciclos alternados de tensões Se o diâmetro da barra é de 𝑑0 15 𝑚𝑚 determine a carga cíclica máxima que pode ser aplicada sem que ocorra uma falha por fadiga Considere um fator de segurança de 𝑁 20 que a distância entre os pontos de aplicação de carga seja de 𝐿 60 𝑚𝑚 e que a tensão máxima para ensaios giratórios com dobramento seja dada pela expressão 𝜎 16 𝐹𝐿 𝜋 𝑑0³ 𝑆𝑚𝑎𝑥 310 𝑀𝑃𝑎 𝜎 𝑆𝑚𝑎𝑥 𝑁 310 20 155 𝑀𝑃𝑎 Limite de resistência a fadiga EXEMPLO Uma barra cilíndrica de aço 1045 é submetida a ensaios giratórios com dobramento segundo ciclos alternados de tensões Se o diâmetro da barra é de 𝑑0 15 𝑚𝑚 determine a carga cíclica máxima que pode ser aplicada sem que ocorra uma falha por fadiga Considere um fator de segurança de 𝑁 20 que a distância entre os pontos de aplicação de carga seja de 𝐿 60 𝑚𝑚 e que a tensão máxima para ensaios giratórios com dobramento seja dada pela expressão 𝜎 16 𝐹𝐿 𝜋 𝑑0³ 𝑆𝑚𝑎𝑥 310 𝑀𝑃𝑎 𝜎 𝑆𝑚𝑎𝑥 𝑁 310 20 155 𝑀𝑃𝑎 Limite de resistência a fadiga 𝐹 𝜋 𝜎 𝑑0³ 16 𝐿 EXEMPLO Uma barra cilíndrica de aço 1045 é submetida a ensaios giratórios com dobramento segundo ciclos alternados de tensões Se o diâmetro da barra é de 𝑑0 15 𝑚𝑚 determine a carga cíclica máxima que pode ser aplicada sem que ocorra uma falha por fadiga Considere um fator de segurança de 𝑁 20 que a distância entre os pontos de aplicação de carga seja de 𝐿 60 𝑚𝑚 e que a tensão máxima para ensaios giratórios com dobramento seja dada pela expressão 𝜎 16 𝐹𝐿 𝜋 𝑑0³ 𝜎 155 𝑀𝑃𝑎 𝜎 𝑆𝑚𝑎𝑥 𝑁 310 20 155 𝑀𝑃𝑎 Limite de resistência a fadiga 𝐹 𝜋 𝜎 𝑑0³ 16 𝐿 𝑆𝑚𝑎𝑥 310 𝑀𝑃𝑎 EXEMPLO Uma barra cilíndrica de aço 1045 é submetida a ensaios giratórios com dobramento segundo ciclos alternados de tensões Se o diâmetro da barra é de 𝑑0 15 𝑚𝑚 determine a carga cíclica máxima que pode ser aplicada sem que ocorra uma falha por fadiga Considere um fator de segurança de 𝑁 20 que a distância entre os pontos de aplicação de carga seja de 𝐿 60 𝑚𝑚 e que a tensão máxima para ensaios giratórios com dobramento seja dada pela expressão 𝜎 16 𝐹𝐿 𝜋 𝑑0³ 𝜎 155 𝑀𝑃𝑎 𝜎 𝑆𝑚𝑎𝑥 𝑁 310 20 155 𝑀𝑃𝑎 Limite de resistência a fadiga 𝐹 𝜋 𝜎 𝑑0³ 16 𝐿 𝑑0 15 𝑚𝑚 𝑆𝑚𝑎𝑥 310 𝑀𝑃𝑎 EXEMPLO Uma barra cilíndrica de aço 1045 é submetida a ensaios giratórios com dobramento segundo ciclos alternados de tensões Se o diâmetro da barra é de 𝑑0 15 𝑚𝑚 determine a carga cíclica máxima que pode ser aplicada sem que ocorra uma falha por fadiga Considere um fator de segurança de 𝑁 20 que a distância entre os pontos de aplicação de carga seja de 𝐿 60 𝑚𝑚 e que a tensão máxima para ensaios giratórios com dobramento seja dada pela expressão 𝜎 16 𝐹𝐿 𝜋 𝑑0³ 𝜎 155 𝑀𝑃𝑎 𝜎 𝑆𝑚𝑎𝑥 𝑁 310 20 155 𝑀𝑃𝑎 Limite de resistência a fadiga 𝐹 𝜋 𝜎 𝑑0³ 16 𝐿 𝑑0 15 𝑚𝑚 𝐿 60 𝑚𝑚 𝑆𝑚𝑎𝑥 310 𝑀𝑃𝑎 EXEMPLO Uma barra cilíndrica de aço 1045 é submetida a ensaios giratórios com dobramento segundo ciclos alternados de tensões Se o diâmetro da barra é de 𝑑0 15 𝑚𝑚 determine a carga cíclica máxima que pode ser aplicada sem que ocorra uma falha por fadiga Considere um fator de segurança de 𝑁 20 que a distância entre os pontos de aplicação de carga seja de 𝐿 60 𝑚𝑚 e que a tensão máxima para ensaios giratórios com dobramento seja dada pela expressão 𝜎 16 𝐹𝐿 𝜋 𝑑0³ 𝜎 155 𝑀𝑃𝑎 𝜎 𝑆𝑚𝑎𝑥 𝑁 310 20 155 𝑀𝑃𝑎 Limite de resistência a fadiga 𝐹 𝜋 𝜎 𝑑0³ 16 𝐿 𝜋 𝑥 155 𝑥 15³ 16 𝑥 60 1712 𝑁 𝑑0 15 𝑚𝑚 𝐿 60 𝑚𝑚 𝑆𝑚𝑎𝑥 310 𝑀𝑃𝑎 2 FADIGA Surgimento e Propagação de Trincas O processo da falha por fadiga é caracterizado por três etapas distintas 1 iniciação da trinca na qual uma pequena trinca se forma em determinado ponto com alta concentração de tensões 2 propagação da trinca durante a qual essa trinca avança em incrementos com cada ciclo de tensão e 3 a falha final que ocorre muito rapidamente uma vez que a trinca que está avançando tenha atingido um tamanho crítico As trincas associadas a falhas por fadiga quase sempre se iniciam em algum ponto de concentração de tensões Os locais onde há o surgimento de trincas incluem riscos superficiais ângulos vivos rasgos marcas de pancada e outros semelhantes 2 FADIGA Surgimento e Propagação de Trincas A região de uma superfície de fratura que se formou durante a etapa de propagação de uma trinca pode ser caracterizada por dois tipos de marcas denominadas marcas de praia e estrias Esses dois tipos de marcas aparecem na forma de nervuras concêntricas que se expandem para longe dos locais de origem da trinca com frequência em um padrão circular ou semicircular 2 FADIGA Surgimento e Propagação de Trincas As marcas de praia possuem dimensões macroscópicas e podem ser observadas a olho nu Essas marcas são encontradas em componentes que sofreram paradas durante o estágio de propagação da trinca por exemplo com uma máquina que opera somente durante as horas normais dos turnos de trabalho e no tempo restante permanece em repouso Cada faixa de marca de praia representa um período de tempo ao longo do qual ocorreu o crescimento da trinca 2 FADIGA Surgimento e Propagação de Trincas Por outro lado as estrias de fadiga têm dimensões microscópicas e estão sujeitas à observação somente por meio de um microscópio eletrônico A Figura ao lado mostra uma fractografia eletrônica que mostra essa característica Considerase que cada estria representa a distância de avanço de uma de trinca durante um único ciclo de aplicação da carga A largura entre as estrias depende e aumenta em função do aumento da faixa de tensões aplicada 3 FLUÊNCIA Com frequência alguns materiais são colocados em serviço a temperaturas elevadas e ficam expostos a tensões estáticas por exemplo rotores de turbinas em motores a jato geradores a vapor e linhas de vapor de alta pressão A deformação sob tais circunstâncias é conhecida por fluência Definida como sendo a deformação permanente e dependente do tempo de materiais quando estes são submetidos a uma carga ou tensão constante a fluência é em geral um fenômeno indesejável e com frequência é um fator de limitação da vida útil de uma peça A fluência é observada em todos os tipos de materiais para os metais ela se torna importante apenas a temperaturas superiores a aproximadamente 04 𝑇𝑓 sendo 𝑇𝑓 a temperatura absoluta de fusão do metal Já os polímeros amorfos que incluem os plásticos e as borrachas são especialmente sensíveis a deformação por fluência mesmo em temperaturas mais baixas 3 FLUÊNCIA Mecanismo da fluência Um ensaio típico de fluência consiste em se submeter um corpo de prova a uma carga ou tensão constante enquanto se mantém a temperatura constante a deformação é medida e plotada como uma função do tempo decorrido 3 FLUÊNCIA Mecanismo da fluência A Figura mostra uma representação esquemática do comportamento típico de fluência sob carga constante em metais Com a aplicação da carga existe uma deformação instantânea conforme está indicado na figura e esta é essencialmente elástica A curva de fluência resultante consiste em três regiões cada uma possuindo sua própria correlação entre deformação e tempo 3 FLUÊNCIA Mecanismo da fluência 1 A fluência primária ou transiente ocorre em primeiro lugar e é caracterizada por uma taxa de fluência continuamente decrescente isto é a inclinação da curva diminuí ao longo do tempo Isso sugere que o material está experimentando um aumento na resistência à fluência ou encruamento ou seja a deformação se torna mais difícil à medida que o material é deformado 3 FLUÊNCIA Mecanismo da fluência 2 Já na fase de fluência secundária também conhecida por fluência em regime estacionário a taxa de fluência é constante a curva de deformação em função do tempo se torna praticamente linear Esse é em geral o estágio de fluência que apresenta a duração mais longa 3 FLUÊNCIA Mecanismo da fluência 3 Finalmente na fase de fluência terciária existe uma aceleração da taxa de fluência e por fim a fratura do corpo Essa falha é conhecida como ruptura e resulta de alterações microestruturais eou metalúrgicas no material como a separação do contorno entre grãos e a formação de trincas e vazios internos 3 FLUÊNCIA Mecanismo da fluência Possivelmente o parâmetro mais importante em um ensaio de fluência é a inclinação da porção secundária da curva de fluência representada por 𝑒 𝑡 Esse parâmetro é conhecido como sendo a taxa de fluência em regime estacionário Este é o parâmetro utilizado em projetos de engenharia que deve ser levado em consideração em aplicações de longo prazo como no dimensionamento de um componente de uma usina de energia nuclear que esteja programado para operar por diversas décadas por exemplo 3 FLUÊNCIA Mecanismo da fluência Por outro lado para muitas situações de fluência em que a peça analisada possui uma vida útil relativamente curta por exemplo palhetas de turbinas em aeronaves militares e bicos de motores de foguetes o tempo para ruptura ou o tempo de vida até a ruptura 𝑡𝑟 é o parâmetro de projeto mais importante Obviamente para a sua determinação devem ser conduzidos ensaios de fluência até o ponto de fratura que são denominados ensaios de ruptura por fluência Dessa forma o conhecimento dessas características de fluência para um material permite ao engenheiro de projetos assegurar a adequação do material para diversas aplicações específicas TRABALHO MECANISMOS DE FALHA A falha de materiais de engenharia é quase sempre um evento indesejável por vários motivos como as vidas humanas que são colocadas em perigo desastres ambientais e perdas econômicas significativas Neste sentido realize uma pesquisa sobre eventos cotidianos acidentes e catástrofes que envolveram a falha de estruturas e materiais em geral explicando o evento ocorrido qual mecanismo de falha estava envolvido e sugerindo formas de prevenção e controle que poderiam ter sido utilizados para prever e evitar a ocorrência de tal falha Cite pelo menos um exemplo de falha causada por fratura um de falha causada por fadiga e um de falha causada por fluência Reunir os dados coletados em um texto de até 5 páginas incluindo figuras e gráficos que são muito importantes para ilustrar o conteúdo pesquisado Observações importantes O arquivo deve ser enviado em formato PDF atentar para elementos importantes em um trabalho como capa e referências bibliográficas escrever o conteúdo com as suas palavras demonstrando entendimento sobre o assunto pesquisado Valor do Trabalho 200 pontos Data para entrega Enviar junto com a prova no dia 2406 Enviar para o email profillasoncindoctumedubr OBRIGADA Professora Illa Beghine Email profillasoncindoctumedubr