Aula 4 - Fadiga
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Transcript of Aula 4 - Fadiga
FADIGAIntrodução
Conteúdo
• Introdução• Primeiros Estudos
• Soluções Previstas
• Definição
• Tipos de Carregamentos
• Caracterização do Processo de Fadiga• Iniciação
• Propagação Microscópica
• Propagação Macroscópica
• Rotura Final
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Contexto – Estruturas Carregadas Dinamicamente
Fractura Frágil
Corrosão –20 a 10 %
Fadiga – 80 a 90 %
A fadiga representa aprincipal causa de ruína desistemas mecânicos sujeitosa carregamentos dinâmicos.
Os carregamentos estáticostambém são importantes,mas restritos a uma gama deaplicações distinta daquelaque agora pretendemosestudar.
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Primeiros Estudos
• O fenómeno da Fadiga só começou a ser estudado relativamente tarde pelacomunidade cientifica.
• Só por volta de 1840 Wohler, através de um estudo realizado em eixos delocomotivas, admitiu que a aplicação repetida de um carregamento a umaestrutura, a podia enfraquecer ao ponto de provocar a ruína desta.
• Mesmo para valores de carregamento muito inferiores aos que se podiamaplicar estaticamente.
• http://www.youtube.com/watch?v=DykiHVrVkKg
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Primeiros Estudos
• Com a Era Industrial surgiram inúmeros equipamentos cujofuncionamento era cíclico e repetitivo, aumentando assim onúmero de falhas por fadiga.
• Foi então fundamental desenvolver esta nova disciplina eencontrar soluções para os novos problemas propostos.
• Bem como desenvolver modelos teóricos que permitissemcaracterizar o comportamento mecânico dos materiais.
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Soluções Previstas
• Os estudos dividiram-se assim em três grupos:
1. Desenvolver materiais económicos possuindo amáxima resistência à fadiga (Metalurgia).
2. Desenvolver métodos de concepção de cálculo e deconstrução de estruturas sujeitas à fadiga (Projecto).
3. Desenvolver métodos de controlo dos equipamentossujeitos à fadiga (Produção e Manutenção).
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Conteúdo
• Introdução• Primeiros Estudos
• Soluções Previstas
• Definição
• Tipos de Carregamentos
• Caracterização do Processo de Fadiga• Iniciação
• Propagação Microscópica
• Propagação Macroscópica
• Rotura Final
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Fadiga (Definição segundo a ASTM)
“Fadiga é um processo de alteração estruturalpermanente, progressivo e localizado, que ocorrenum material sujeito a condições que produzemtensões ou extensões dinâmicas num ponto ou emvários pontos, e que pode culminar em fendas ounuma fractura completa após um número suficientede variações de carga.”
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Principais Características
• Progressivo:
• O processo de fadiga decorre durante um certo período de tempo ouuso.
• No entanto possui uma evolução característica.
• Localizado:
• Ocorre em pequenas áreas, não sendo um processo generalizado.
• Muitas vezes é ocultado pela geometria do componente, não sendo a sualocalização possível de identificar.
• Fenda e Fractura:
• São o resultado do processo de fadiga, pois as fendas nucleadas irãopropagar-se até que a área resistente não suporte o carregamentoaplicado levando à fractura.
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Áreas de intervenção
Projecto
MetalurgiaProdução eManutenção
Fadiga
Os quais correspondem a três diferentes áreas de
Investigação.
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Conteúdo
• Introdução• Primeiros Estudos
• Soluções Previstas
• Definição
• Tipos de Carregamentos
• Caracterização do Processo de Fadiga• Iniciação
• Propagação Microscópica
• Propagação Macroscópica
• Rotura Final
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Ciclos de Tensão de Fadiga e seus Parâmetros
•Ciclos de tensão em fadiga•Ciclos de amplitude constante:
•Alternado•Repetido ou Pulsante•Ondulada
•Amplitude variável:•Blocos•Irregular ou aleatório
•Tipos de onda:•Sinusoidal•Trapezoidal•Triangular•Quadrada
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Ciclos de Tensão de
Fadiga e seus Parâmetros
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Espectros Reais de Carregamento
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Notação Utilizada
Frequência 𝑓 =𝑁
𝑡[ciclos/seg]
Tensão média 𝜎𝑚 =𝜎𝑚𝑎𝑥+𝜎𝑚𝑖𝑛
2
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Notação Utilizada
Amplitude de tensão ou tensão alternada: 𝜎𝑎 =∆𝜎
2=
𝜎𝑚𝑎𝑥−𝜎𝑚𝑖𝑛
2
Gama de tensões: ∆𝜎 = 𝜎𝑚𝑎𝑥 − 𝜎𝑚𝑖𝑛 = 1 − 𝑅 ∙ 𝜎𝑚𝑎𝑥Ou:
∆𝜎
2= 𝜎𝑎 =
1−𝑅 ∙𝜎𝑚𝑎𝑥
2; 𝜎𝑚 =
𝜎𝑎∙ 1+𝑅
1−𝑅
Razão de tensões: 𝑅 =𝜎𝑚𝑖𝑛
𝜎𝑚𝑎𝑥
Ciclo alternado puro: 𝑅 = −1 ; Ciclo pulsante: 𝑅 = 0
Efeito da tensão média: 𝐴 =𝜎𝑎
𝜎𝑚
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• Soluções Previstas
• Definição
• Tipos de Carregamentos
• Caracterização do Processo de Fadiga• Iniciação
• Propagação Microscópica
• Propagação Macroscópica
• Rotura Final
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Caracterização do Processo de Fadiga
• O processo de fadiga pode ser dividido em duasfases principais, sendo que cada uma destas fasesse pode dividir em duas partes elementares.
1. A primeira fase constitui a fase de nucleação ecrescimento microscópico da fenda, ou seja, a iniciaçãodo processo.
2. A segunda fase é composta pela propagação visível aolho nu, e pela rotura final do componente mecânico.
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Caracterização do Processo de Fadiga
Nucleação
da fenda
Crescimento
Microscópico
da(s) fenda(s)
Propagação
da(s) fenda(s)
Rotura
Final
Período de Iniciação
Ni
Período de Propagação
Np
Duração à Fadiga
(Vida de Fadiga)
Fases do Processo:
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Vida de Fadiga
• É geralmente expressa em números de ciclos
𝑁𝑅 = 𝑁𝑖 +𝑁𝑝
Ni Número de ciclos de nucleação einiciação da fenda (requer umcritério que defina o tamanho de fenda a considerar)
Np Numero de ciclos de propagação
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Duração de um Elemento à Fadiga
Dimensão
limite entre as
duas fases do
processo de
fadiga
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Duração de um Elemento à Fadiga
1. Caso o estado superficial seja extremamentepolido:
• A fase de iniciação é mais elevada;
• Cerca de 80 a 90 % da vida total.
2. Caso o a superfície apresente uma quantidade dedefeitos considerável:
• A fase de propagação é mais determinante;
• Superior a 50 %.
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Duração de um Elemento à Fadiga
• A dimensão limite entre as duas fases do processo defadiga é algo de elevada controvérsia.
• Não existe um valor standard.
• É definido em função da aplicação, da função do elemento,das técnicas de inspecção utilizadas, das técnicas dereparação disponíveis, etc.
• A definição deste valor é um problema por si só, pois deledependem várias grandezas do processo de fadiga.
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Duração de um Elemento à Fadiga
• Deve ainda ser referido que existe quase sempre um valorlimite de tensão para o qual não existirá fadiga (depende domaterial).
• Para valores inferiores a este limite não existirá nucleação defendas e o componente terá uma vida infinita.
• Assim os locais sujeitos a concentração de tensões são críticosnesta disciplina, pois são os mais fortes candidatos aoaparecimento de fendas.
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Curvas de Fadiga
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Descrição do Processo de Fadiga
Nucleação
da fenda
Crescimento
Microscópico
da(s) fenda(s)
Propagação
da(s) fenda(s)
Rotura
Final
Período de Iniciação
Ni
Período de Propagação
Np
Duração à Fadiga
(Vida de Fadiga)
Fases do Processo:
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Descrição do Processo de Fadiga
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Gama de Tensão Aplicada
Superfície livre
O escorregamento
das deslocações e
leva à formação
de micro fendas
junto à superfície
livre
• Iniciação na Superfície Livre
Descrição do Processo de Fadiga
• Vida de Fadiga:
• http://www.youtube.com/watch?v=iBuuVd0JlIM
• Material: Liga de Alumínio.
• http://www.youtube.com/watch?v=sctQ4QRn65Y
• https://www.youtube.com/watch?v=jfThUeVnhrI
• Material: Aço, provete CT.
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Descrição do Processo de Fadiga
• 1ª Fase - Iniciação de uma fenda de fadiga:
• Verifica-se normalmente à superfície;
• Onde a concentração de tensões é máxima;
• Os cristais da superfície beneficiam de menos apoio mútuoque os do interior, logo a sua deformação é mais facilitada;
• É ainda à superfície que se verifica um possível ataque domeio ambiente;
• As micro-fendas formadas podem ser várias combinando-se,depois, numa fenda principal.
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Descrição do Processo de Fadiga
• O principal mecanismo activo durante esta fase é oescorregamento das deslocações (defeitos existentes naestrutura cristalina);
• Este ocorre essencialmente devido a tensões de corte, peloque as primeiras micro-fendas propagam-se a 45º com assuperfícies livres do material;
• Se a tensão aplicada for baixa, então as fendas irão nuclearno interior dos grãos de material, caso contrario a nucleaçãopode ocorrer nos limites de grão.
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Descrição do Processo de Fadiga
• Acumulação de deslocações na
superfície livre do material
• a) tensão elevada
• b) tensão média
• c) sem tensão aplicada
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Descrição do Processo de Fadiga
• Iniciação junto a inclusões microscópicas:
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Descrição do Processo de Fadiga
• Estas atuam como locais de concentração de tensões:
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Descrição do Processo de Fadiga
Uma vez iniciada a fenda,
o processo de fadiga divide-se em 3 fases:
• 2ª Fase - Crescimento Microscópico da fenda:
• Dá-se ainda a 45º relativamente à direcção de solicitação(corresponde à propagação em planos sujeitos aelevados valores de tensão de corte);
• O crescimento é muito lento e envolve uma distância deapenas alguns tamanhos de grãos.
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Descrição do Processo de Fadiga
• 3ª Fase – Propagação Macroscópica da fenda:
• Envolve o crescimento de uma fenda bem definida segundoum plano em que a tensão normal é máxima;
• O crescimento é mais rápido;
• Função da amplitude do Factor de Intensidade de Tensões;
• Surgem estrias na superfície de fractura, especialmente emmateriais dúcteis, defeito ao efeito erosivo das duas faces dafenda quando entram em contacto.
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Fases de Propagação de uma Fenda
Tensões de Corte
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Tipos de Fendas na fase de iniciação
• Transcristalinas:
• Propagam-se através dos grãos de material, separando cadagrão em dois;
• Deve-se a valores de tensão mais baixos;
• Mais frequente.
• Intercristalinas:
• Propagam-se por entre os limites de grão, mantendo aestrutura destes intacta;
• Ocorrer para tensões elevadas.
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Tipos de Fendas na fase de propagação
• Estriação dúctil ou frágil:
– Ocorre em materiaisdúcteis;
– ∆𝐾 intermédio;
– Mais frequente e muitoimportante;
– Estrias observáveis comampliações entre 1000 a50 000 vezes.
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Forma como sePropaga uma Fenda
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Forma como se Propaga uma Fenda• A propagação divide-se assim em três fases:
1. Ao aplicar o carregamento, o duplo entalhe que existe nafrente da fenda concentra o escorregamento dedeslocações devido a tensões de corte, fazendo subir onível local de tensões;
2. Ao ser atingida a carga máxima a fenda já se propagadevido as elevada tensões normais, superiores a tensão decedência (deformação plástica);
3. Em último lugar, quando o carregamento diminui, as facesda fenda entram em contacto formando uma nova frentede fenda, e a erosão resultante deixa a superfície polida ebrilhante.
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Tipos de Fendas na Fase de Propagação
• Coalescência demicrocavidades:
– Mais frequente emmateriais dúcteis;
– ∆𝐾 elevado.
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Tipos de Fendas na Fase de Propagação
• Microclivagem:
– Ocorre mais emmateriais frágeis oude alta resistência;
– ∆𝐾 baixo.
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Descrição do Processo de Fadiga
• 4ª Fase – Rotura Final• Atingido um valor crítico do comprimento da fenda, ac, dá-se
a rotura instável final;
• Esta pode muitas vezes ser inesperada, pois a fenda pode serdesconhecida;
• A secção transversal remanescente não suporta a cargaaplicada;
• Pode apresentar características dúcteis ou frágeis, consoanteo material e o nível de tensões aplicadas.
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Descrição do Processo de Fadiga
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Resultados Obtidos
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Resultados Obtidos
• As superfícies de fractura defadiga tem um aspecto do tipo“frágil” sem sinais dedeformação plástica a nívelmacroscópico.
• Pela superfície de fractura épossível saber qual foi a tensãonominal antes da fractura.
A transição 90º para 45º dá-sepor volta dos
para os alumínios e
para os aços.
mMPa10
mMPa30
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Resultados Obtidos
Tanto as linhas de paragem como as linhas radiais permitem identificar o ponto de iniciação da fenda. Elemento fundamental na eventual acção
correctiva.
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Morfologia das superfícies de fractura por fadiga
• É então possível caracterizar o processo de fadiga,utilizando três áreas distintas:
1. Zona de iniciação: Permite identificar a presença de defeitos ou locais de
concentração de tensões.
2. Zona de propagação: Na qual existirão estrias indicadoras da forma como se propagou
a fenda, e dos ataques ambientais a que foi sujeita.
3. Zona de fractura: Permite identificar o nível de tensões aplicado e o
comportamento do material.
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Morfologia das superfícies de fractura por fadiga
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Morfologia das superfícies de fractura por fadiga
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