Post on 08-Nov-2015
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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
CENTRO DE CINCIAS TECNOLGICAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA
FALHA
CMA CINCIA DOS MATERIAIS 2 Semestre de 2014
Prof. Jlio Csar Giubilei Milan
FADIGA
uma forma de falha que ocorre em estruturas que esto sujeitas a tenses dinmicas e oscilantes.
Falha a um nvel de tenso inferior ao limite de resistncia a trao ou ao limite de escoamento para carga esttica.
Ocorre normalmente aps longo perodo de tenso repetitiva ou ciclo de deformao.
Maior causa individual de falha em metais ( 90 %).
Polmeros e cermicos tambm esto sujeitos.
Ocorre repentinamente e sem avisos.
FALHA - FADIGA
FADIGA
de natureza frgil, pouco ou nenhuma deformao plstica.
o processo ocorre pela iniciao e propagao de trincas, em geral a superfcie da fratura perpendicular direo de uma tenso de trao aplicada.
FALHA - FADIGA
A falha por fadiga ocorre normalmente em trs estgios:
Uma pequena trinca surge na superfcie aps um longo perodo de aplicao de carga;
Descontinuidades superficiais como entalhes, poros, cantos vivos (projeto), contornos de gros, regies com elevada densidade de discordncia;
Trinca se propaga um pouco a cada ciclo de carregamento;
Fratura sbita do material, quando a seo muito reduzida para suportar a carga aplicada.
Para que a fadiga ocorra, pelo menos parte do ciclo deve ser de trao
FALHA - FADIGA
Fcil identificao
Superfcie junto a origem tende a ser lisa;
Torna-se mais irregular com o aumento do tamanho da trinca;
Fibrosa na parte final de propagao da trinca.
Superfcie possui marcas de praia e estrias
Marcas de praia se formam quando a carga varia de modo irregular ou quando intermitente.
estrias so bem menores (microscpio) e mostram a posio da ponta da trinca aps cada ciclo.
FALHA - FADIGA
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under
license. Representao de uma superfcie de fratura por fadiga em um eixo de ao,
mostrando a regio de incio, a regio de propagao com marcas de praia e
ruptura final quando o tamanho da trinca ultrapassa um valor crtico para tenso
aplicada.
FALHA - FADIGA
Fig. Superfcie de fratura de um eixo
rotativo de ao que experimentou
falha por fadiga. Os ressaltos de
marcas de praia esto visveis na foto.
Fig. Fractografia eletrnica de
transmisso mostrando estrias de fadiga no
alumnio.
FALHA - FADIGA
Fig. Superfcie de falha por
fadiga. Uma trinca se formou na
aresta superior.
FALHA - FADIGA
Ensaio de fadiga rotativa
Fig. Configurao do teste de fadiga rotativa
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.
FALHA - FADIGA
A tenso em qualquer ponto da amostra passa por um ciclo senoidal completo, da tenso mxima de trao tenso mxima de compresso
A tenso mxima que atua na amostra dada por:
3
32
d
M
M momento de flexo
d dimetro do corpo de prova
O momento de flexo M = F(L/2)
3309,5
16
d
FL
d
FL
L distncia entre o ponto de aplicao de carga e o mandril
F carga
FALHA - FADIGA
O corpo de prova fratura aps um nmero de ciclos.
A curva S-N mostra os valores de tenso (S) em funo do nmero de ciclos (N) para ruptura da amostra.
Fig. Curvas S-N que relacionam a tenso mxima com o nmero de ciclos at a
fratura para um ao ferramenta e uma liga de alumnio
FALHA - FADIGA
Ensaio de fadiga indica o n de ciclos que uma pea pode sobreviver com aquele carregamento antes de fraturar.
Limite de fadiga tenso abaixo da qual h 50 % de probabilidade de que a falha por fadiga nunca ocorra (importante no projeto)
Vida em fadiga indica quanto tempo um componente resiste sob uma tenso especfica
Resistncia fadiga a tenso mxima na qual a fratura por fadiga no ocorrer para um dado nmero de ciclos
FALHA - FADIGA
A curva Tenso-Nmero de ciclos um grfico que relaciona o nmero de ciclos at a fratura com a tenso aplicada
Nmero de ciclos at a fratura, N
Limite de fadiga
(35 a 60%) do
limite de
resistncia (T.S.)
Quanto menor a tenso, maior o nmero de
ciclos que o material tolera. Ligas ferrosas
normalmente possuem um limite de fadiga.
Para tenses abaixo deste valor o material
no apresenta fadiga.
Ligas no ferrosas no possuem um
limite de fadiga. A fadiga sempre
ocorre mesmo para tenses baixas e
grande nmero de ciclos. Vida de fadiga a
uma tenso S1
S1
FALHA - FADIGA
Nvel mdio de tenso
Quanto maior o valor mdio da tenso, menor a vida.
Efeitos de superfcie
A maior parte das trincas que iniciam o processo de falha se origina na superfcie do material. Isto implica que as condies da superfcie afetam fortemente a vida de fadiga.
Projeto da superfcie: evitando cantos vivos.
Tratamento da superfcie: Eliminar arranhes ou marcas atravs de polimento.
Tratar a superfcie para gerar camadas mais duras (carbonetao / nitretao / deposio de filmes finos) e que geram tenses compressivas que compensam parcialmente a tenso externa.
FALHA - FLUNCIA
FLUNCIA
Componentes em servio a temperaturas elevadas tenses mecnicas estticas Deformao conhecida por Fluncia
Def.: deformao permanente e dependente do tempo de materiais quando estes esto submetidos a uma carga ou tenso constante
Indesejvel;
Fator de limitao de vida til;
Ocorre em todos materiais;
Metais importante a temperaturas superiores a aproximadamente 0,4 Tf;
Polmeros amorfos (plsticos e borracha) especialmente sensveis deformao por fluncia.
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Esboo do aparelho utilizado para anlise de fluncia
FALHA - FLUNCIA
Ensaio (ASTM E 139) corpo de prova a uma carga ou tenso constante, mantendo a temperatura constante.
Fig. Curva tpica de fluncia para deformao em funo do tempo a um nvel constante de
tenso e a temperaturas elevadas constantes. A taxa de fluncia mnima /t corresponde inclinao do segmento linear na regio secundria. O tempo de vida at a ruptura tr
corresponde ao tempo total necessrio at a ocorrncia da ruptura.
Tempo, t
Defo
rmao p
or
fluncia
,
FALHA - FLUNCIA
Inicialmente ocorre uma deformao instantnea
Curva de fluncia (3 regies)
Fluncia primria ou transiente
Taxa de fluncia continuamente decrescente aumento da resistncia a fluncia ou encruamento
Fluncia secundria ou regime estacionrio
Taxa constante linear (longa durao) equilbrio entre encruamento e recuperao
Fluncia terciria
Acelerao na taxa de fluncia e fratura alteraes microestruturais e metalrgicas. Separao do contorno de gro, formao de trincas, cavidades e vazios internos.
FALHA - FLUNCIA
Para metais corpos de prova iguais ao do ensaio de trao
Materiais frgeis compresso uniaxial
cilindros retos ou paraleleppedos
L/D 2 4
Parmetro mais importante inclinao da poro secundria /t Taxa de fluncia em regime estacionrio r
FALHA - FLUNCIA
Temperatura e nvel de tenso influenciam a fluncia
Fig. Influncia da tenso e da temperatura T sobre o comportamento a fluncia.
FALHA - FLUNCIA
Abaixo de 0,4 Tf aps a deformao inicial, a deformao independente do tempo;
Aumentando T ou
1. Deformao instantnea aumenta;
2. Taxa de fluncia no regime estacionrio aumenta;
3. Tempo de vida at a ruptura diminudo.
FALHA - FLUNCIA
Outra forma de apresentar os resultados log x log tempo
Fig. Tenso (escala logartmica) em funo do tempo de vida at a ruptura (escala
logartmica) para uma liga carbono nquel com baixo teor de liga a trs temperaturas
diferentes.
FALHA - FLUNCIA
Relao emprica
taxa de fluncia no regime estacionrio
K1 e n constantes para o material
nk 1
FALHA - FLUNCIA
Fig. Tenso (escala logartmica) em funo da taxa de fluncia em regime
estacionrio (escala logartmica) para uma liga carbono nquel com baixo teor de
liga a trs temperaturas diferentes.
n inclinao da curva
FALHA - FLUNCIA
Quando a influncia da temperatura includa
taxa de fluncia no regime estacionrio
K2 e Qf constantes
K2 energia de ativao para fluncia
RT
Q
n
r
f
ek 2
FALHA - FLUNCIA
Fatores que afetam a fluncia
Tamanho de Gro, TG (gros menores permitem maior escorregamento em aplicaes que envolvem a fluncia)
Mdulo de elasticidade, E
Temperatura de fuso, Tf
Quanto maior estes
fatores, maior a
resistncia
fluncia
FALHA - FLUNCIA
Materiais comumente empregados em aplicaes que envolvem fluncia
Aos inoxidveis;
Metais refratrios;
Superligas (Co Ni)
Formao de soluo slida e fase dispersa insolvel na matriz
FALHA - FLUNCIA
Tcnicas de processamento
Fig. (a) palheta de turbina policristalina tcnica convencional de fundio
(b) Estrutura de gros orientada em colunas solidificao direcional
(c) Palheta monocristalina.
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