13- Cap.08 FADIGA DOS METAIS -RES. 15.1

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OS AÇOS POSSUEM UMA GRANDE AMPLITUDE DE USO COMO O PRINCIPAL MATERIAL ESTRUTURAL, PORÉM A AÇÃO DE CICLOS ALTERNADOS DE CARREGAMENTO MECÂNICO PODEM LEVAR AS ESTRUTURAS E COMPONENTES EM AÇO À FALHA

FADIGA DOS METAIS



FADIGA DOS METAIS

“Fadiga é a ruptura de componentes, sob uma carga bem inferior à carga máxima suportada pelo material, devido a solicitações cíclicas repetidas”.

“Fadiga é a ruptura de componentes, sob uma carga bem inferior à carga máxima suportada pelo material, devido a solicitações cíclicas repetidas”.

FADIGA DOS METAIS

O trincamento por fadiga é provocado pela repetição das cargas alternadas, e depende da sua gama .

A iniciação típica das trincas metálicas é causada por , que gera a movimentação cíclica de discordâncias que

se agrupam em células e formam bandas de

deslizamento persistente, as quais levam à geração de intrusões e extrusões na sua superfície.

Þ Pode-se pensar nestes micromecanismos como um problema de plasticidade cíclica localizada.

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FADIGA DOS METAIS

• A fratura por fadiga ocorre com a formação e propagação de

uma trinca.

• A trinca inicia-se em pontos onde há imperfeição estrutural ou

de Composição e ou de alta concentração de tensões ( que ocorre geralmente na superfície)

• A superfície da fratura é geralmente perpendicular à direção da

CICLOS DE TENSÃO TÍPICOS EM FADIGA























a) TENSÃO ALTERNADA OU REVERSA _r = _máx. - _min. _r = 2 _máx. TENSÃO ALTERNADA _máx. = - _min. _m = _máx. + _mín. 2 _m = _máx. - _máx. 2 _m = 0 _a = _máx. - _mín. 2 _a = _máx. - (-_máx.) 2 _a = 2 _máx. 2 _a = _máx.

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PRINCIPAIS RESULTADOS DO ENSAIO DE FADIGA

 Vida em fadiga (N_f): corresponde ao número de ciclos

necessários para ocorrer a falha em um nível de tensão específico.

Máquina de Fadiga Flexo-Rotativa aberta no Laboratório de Análise Estrutural da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais

CORPOS DE PROVA DE FADIGA

Observar no CP a concordância e o acabamento superficial

a) torção c) Flexão em chapa

Conceitos de fadiga







2

Amplitude de tensões ou tensão alternada,







2 Intervalo de tensões,







11 Número de ciclos











13 Quando a _mín = 0 _a = _m e _máx. = 2_a _m = (_máx. + _mín.) ; 2

CICLOS DE FADIGA

a) Totalmente reversa b) Repetida c) Flutuante

As tensões médias (_m) e alternadas (_a) são definidas como:

_a = (_máx. - _mín.) 2 (a) (c)

Qual a tensão máx. e mín. na bicicleta?

Cada pedalada 3 giros da roda e

distância percorrida de 3 x 3,14 x 0,8m = 7,53m Coroa maior 3 vezes a coroa menor

Pedaleira com firma-pé.

Resp.: Sem o firma-pé

_máx. = peso do ciclista

CURVAS S-N

Tipo de Carregamento - Cíclico

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FATORES QUE INFLUENCIAM A VIDA EM FADIGA

• _{Tensão Média: o aumento do nível médio de tensão}

leva a uma diminuição da vida útil

T e n s ã o a lt e rn a d a  a

Log número de ciclos N ₁ ₂ _N2  1 2  N1 http://www.searadaciencia.ufc.br/t intim/fisica/ressonancia/ressonan cia.gif

LIMITE DE FADIGA

ERROS DE PROJETO

Fratura por fadiga

Eixo de moenda fraturado por fadiga durante a safra

O aspecto da superfície de fratura de

praticamente todos os eixo fraturados indica propagação de trincas por fadiga e

superdimensionamento do eixo, ou seja, a área tomada pela propagação das trincas é muito maior que a da fratura final catastrófica.

ANALISE DA FRATURA POR FADIGA

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• Eixo em aço SAE 1040 com 30HRC de dureza, com rasgo de chaveta, que falhou por

fadiga.

A origem da trinca se deu no ponto de concentração de tensões do rasgo e se propagou por fadiga por toda seção, como mostram as beach marks, estas estrias transversais que se propagam do rasgo em direção da seção onde houve a fratura final.

A textura da fratura final é rugosa e ocorreu rapidamente quando a seção resistente já não suportava os esforços.

Eixo em aço SAE 1040 com 30 HRC de dureza, com rasgo de chaveta, que falhou por fadiga.

A origem da trinca se deu no ponto de concentração de tensões do rasgo e se propagou por fadiga por toda seção

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Cerca de 95% dos motores modernos de alta performance utilizam bielas fraturadas As bielas fraturas apresentam mais perfeito ajuste entre si, o que permite aperto melhor na fixação e maior balanceamento dinâmico do conjunto móvel inferior do motor, formado, basicamente, por virabrequim, bronzinas, bielas e pistões.

Biela Fraturada

Na ilustração anterior, da Honda, além de fraturada, a biela da direita usa uma liga mais resistente que proporciona

maior resistência à fadiga com uma seção mais estreita e considerável redução de massa.

No exemplo, a resistência à fadiga aumenta em 50% e a redução de massa é de 13% devido à seção menor e à eliminação dos pinos.

Assim se reduz a massa em rotação e se ocupa um espaço menor contribuindo para que o motor seja mais eficiente e compacto.

Qual o material natural mais resistente a

fadiga?

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ASPECTOS DA TRINCA POR FADIGA

Marcas de praia 

Estrias de fadiga vistas num MEV (Microscópio Eletrônico de Varredura)

O espaçamento entre estrias quantifica o crescimento da trinca em cada ciclo. A trinca estava se propagando numa taxa de  1m/ciclo.

O Limite de Resistência à Fadiga, é a tensão máxima alternada que pode ser repetida um numero indefinido de vezes em um corpo de prova padrão, polido, sujeito à flexão, sem causar a falha do mesmo

Limite de Fadiga

Etapas no desenvolvimento de um material com limite de fadiga: A (metal puro)

B (efeito de elementos de liga no endurecimento por solução sólida) C (limite de fadiga devido o endurecimento por deformação plástica) D (limite de fadiga devido o endurecimento por envelhecimento)

T en sã o a lt er n ad a  a

Log número de ciclos N

A B

C D

FADIGA DA INTENSA VIBRAÇÃO (RESSONÂNCIA)

Em física, ressonância é a tendência de um sistema a oscilar em máxima

amplitude em certas frequências conhecidas como frequências ressonantes ou

frequências naturais do sistema. Nessas frequências, até mesmo forças periódicas pequenas podem produzir vibrações de grande amplitude, pois o sistema armazena energia vibracional

35 A amplitude de oscilação da ponte

passará a ser dada pela superposição das duas ondas:

Ponte Tacoma Narrows

Se a ponte não tiver uma resistência que suporte a amplitude do movimento, esta sofrerá danos podendo até ser destruída como a ponte Tacoma Narrows.

Ressonância:

Se a frequência natural de oscilação do sistema e as excitações constantes sobre ele estiverem sob a mesma frequência, a energia do sistema será aumentada, fazendo com que vibre com amplitudes cada vez maiores

Um caso muito famoso deste fenômeno foi o rompimento da ponte Tacoma Narrows, nos Estados Unidos, em 7 de novembro de 1940. Em um determinado momento o vento

começou soprar com frequência igual à natural de oscilação da ponte, fazendo com que esta começasse a aumentar a amplitude de suas vibrações até que sua estrutura não pudesse mais suportar, fazendo com que sua estrutura rompesse.

Imagine que esta é uma ponte construída no estilo pênsil, e que sua frequência de oscilação natural é dada por:

Ao ser excitada periodicamente, por um vento de frequência:

• Desbalanceamento; • Desalinhamento; • Folgas;

3 PRINCIPAIS CAUSAS DE VIBRAÇÃO EM MÁQUINAS E SEUS ESPECTROS:

desalinhamento Desalinhamento

FATOR DE CONCENTRAÇÃO DE TENSÃO OU FATOR DE FORMA

Eixo ranhurado Eixo chavetado

INFLUÊNCIA DO PROCESSO DE FABRICAÇÃO

INFLUÊNCIA DA RUGOSIDADE NA FADIGA

Tabela - Vida em fadiga de amostras de aço SAE 3130 ensaiado em tensão alternada (_m = 0) a 670MPa.

Tipo de acabamento Rugosidade da

Superfície,  Vida média emFadiga, ciclos

Torneado 2,67 24.000

Polido manualmente 0,13 137.000

Retificado 0,18 217.000

CONCENTRAÇÃO DE TENSÕES CÁLCULO POR ELEMENTOS FINITOS

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DIFERENTES MODOS DE CARREGAMENTO EM UMA PEÇA TRINCADA

a) Modo I: carregamento em tração, com abertura da ponta da trinca.

b) Modo II: cisalhamento puro, com deslocamento das superfícies da trinca Paralelamente a si mesmas e perpendiculares a frente de propagação.

c) Modo III: rasgamento com deslocamento das superfícies da trinca paralelamente a si mesma.

COMO É CALCULADA A VIDA DE PROPAGAÇÃO PARA PEÇAS COM TRINCAS PRÉ-EXISTENTES?

Solução: A vida é calculada unicamente pela propagação do defeito desde seu tamanho inicial até o correspondente

tamanho crítico, que depende do material, do carregamento e da geometria.

A previsão de vida depende diretamente da velocidade de propagação da trinca, da/dn, a qual é função da solicitação cíclica no extremo da trinca, caracterizada por ΔK.

A vida útil depende da velocidade de crescimento da trinca, desde um tamanho microscópico até o tamanho crítico

requerido para ruptura final.

A trinca no início cresce lentamente, porém, conforme aumenta de tamanho a velocidade aumenta rapidamente, levando a

10-7 10-5 10-3 log(da/dN) mm/ ciclo log(K) I II III da/dN = C(K)m

A curva log-log esquemática de da/dN em função de K mostrando as três regiões de propagação da trinca

A equação de Paris descreve

a região linear numa curva da/dn-K

plotada numa escala log-log.

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Triângulos semelhantes (com os mesmos ângulos)

A A B B C b ax bx c cx Lados respectivamente Proporcionais: a/ax = b/bx = c/cx

Para aumentar a resistência a fadiga a melhor maneira é um tratamento superficial que pode variar de uma tempera a um tratamento abrasivo.

Para o caso das molas de válvulas o mais utilizado é o jateamento por granalhas ou micro-esferas, também conhecido por Shot Peening.

Shot peening é um processo utilizado para produzir uma camada de compressão residual e modificar as propriedades mecânicas dos metais. É obtido através do bombardeamento da superfície com esferas

(metálica, vidro ou de cerâmica), com força suficiente para criar a

deformação plástica. É semelhante ao jateamento, exceto que ela opera pelo mecanismo de plasticidade, em vez de abrasão cada partícula

funciona como um martelo de bola.

Na prática, isso significa que menos material é removido pelo processo.

O shot peening é um processo especificamente concebido para

aumentar a resistência à fadiga de componentes sujeitos a elevados esforços alternados.

Os procedimentos de tratamento de superfícies como retificação,

fresagem, dobragem ou procedimentos de tratamento a calor provocam Esforço Tênsil Residual.

Este Esforço Tênsil Residual conduz a uma redução dos ciclos de vida útil das peças.

O Shot peening converte o Esforço Tênsil Residual em Esforço Residual de Compressão, o que permite aumentar significativamente a vida útil e as capacidades máximas de carga das peças.

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Resultado: Aumento da dureza superficial e melhora do acabamento

TRATAMENTO COM JATEAMENTO DE ESFERAS (SHOT PEENING) (JACTO-PERCUSSÃO)

Esferas de 1mm de diâmetro, lançadas por um jato de ar comprimido de 2 a 5 atm.

Arredondamento das asperezas e aumento da resistência à fadiga. Cria uma pré-tensão de compressão na superfície.

Superfície antes

Superfície depois

BENEFÍCIOS:

• Melhorar a resistência a fadigas mecânicas e térmicas. • Melhoras a resistência a corrosão.

• Possibilitar a redução dimensional e/ou de peso sem comprometer a resistência mecânica.

• Eliminar riscos direcionais de usinagem ou de micro-fissuras inibindo a propagação de trincas.

• Aumentar a resistência ao atrito.

• Conformação (deformação ou endireitamento de peças, também conhecido como peen forming).

APLICAÇÕES:

• Industria aeroespacial: é a que proporcionalmente mais utiliza shot peening,

sendo que uma infinidade de componentes das aeronaves são tratados com shot peening entre eles diversos componentes das turbinas, estruturais e do trem de pouso.

• Industria automotiva: Molas, Engrenagens, barras de torção, bielas,

virabrequins, eixos e braços de suspensão.

• Industria metal-mecânica: ferramentas de corte, estamparia, forjamento

(principalmente a frio).

Jateamento

Onde:

JCG-1 = Granalhas de vidro ( 0,1 mm) impelidas com ar a pressão; ∅ JCG-2 = Granalhas de aço ( 1 mm) impelidas com ar a pressão; ∅ JCG-3 = Granalhas de aço ( 1 mm) impelidas com óleo a pressão; ∅ JCG-4 = Granalhas de cabo cortado de aço arredondado ( 0,5 mm) ∅ impelidas com ar a pressão

Aumento da compressão superficial

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Superposição das Tensões Aplicada e Residual

Corpos de prova utilizados nos ensaios de tração, fadiga sem entalhe e com entalhe e impacto.

FADIGA EM JUNTAS SOLDADAS

COMO AUMENTAR A RESISTÊNCIA À FADIGA DE UMA JUNTA SOLDADA. 1- MELHORAR O ACABAMENTO E CONCORDÂNCIA MARTELAMENTO TIG-DRESSING USINAGEM(ABRASÃO)

2- RETIRAR OS DEFEITOS NOS PONTOS CRÍTICOS (ESCÓRIA)

PÉ DO CORDÃO

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Duas grandezas podem medir a resistência à fadiga do cordão da junta soldada.

 = Raio no pé do cordão

 = Ângulo da concordância no pé do cordão Quando  e   Resistência a Fadiga

FLANGES SOLDADOS X FLANGES FORJADOS

Acabamento do último passe

Eletrodo (pó de ferro)

TIG dresing

TIG DRESING – SEM METAL DE ADIÇÃO

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MELHORAMENTO DE JUNTAS EM ÂNGULO PASSE DE REFUSÃO TIG NA RAIZ

MELHORAMENTO DO ACABAMENTO E DISCORDÂNCIA

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Esmeriladora Angular 4 - 1/2 _{Moto Esmeril/Esmeril de Chicote}

USINAGEM MARTAMENTO

ABRASÃO DISCO

FERRAMENTA PÉ

PÉ + CORDÃO Obs.: Ao raspar além de adoçar (melhorar a concordância) também se retira as escórias.

INFLUÊNCIA DO ACABAMENTO NA RESISTÊNCIA A FADIGA DO CORDÃO

Obs.: Esses tratamentos são eficazes apenas para baixas tensões, porque para altas tensões as curvas convergem.

MARTELAMENTO

RASPAGEM TOTAL DO CORDÃO

COMO SOLDADO T E N S Ã O A L T E R N A D A ,  N° DE CICLOS 103 104 105 106

Componentes de Máquinas onde se utiliza o processo de soldagem:

a) Volante, b) alavanca e c) bloco de mancal

Peças soldadas em substituição a peças fundidas

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74 Mecanismos de nucleação de trincas por fadiga

Planos de escorregamento (a) Inclusão (b) Contorno de grão (c)

75

DIMINUEM A RESISTÊNCIA À FADIGA:

Superfície mal acabada (irregularidades Þ conc. de tensões).

Defeitos superficiais causados por polimento. Tratamentos superficiais: cromação, niquelação (introduzem tensões residuais).

Ambiente químico corrosivo (acelera a propagação trinca). Forma da peça (concentradores de tensão).

AUMENTAM A RESISTÊNCIA À FADIGA:

Estrutura granular refinada. Microestruturas estáveis.

Tratamento térmico adequado.

CONSEQUÊNCIAS DA FADIGA

ACIDENTES

Vasos de pressão, fuselagem de aviões, pás de turbinas, fundações e pilares de pontes de concreto armado, etc.

CUSTOS

National Bureau of Standards,1982:US$ 120 bilhões por ano Economia de US$ 35 bilhões por ano se tecnologia existente fosse aplicada.

Economia de US$ 28 bilhões por ano se tecnologia em desenvolvimento fosse aplicada.

Redução da tensão residual através de deformação plástica

Chapa com Tensão Residual

Aplicando uma Tensão Externa menor que o LE

_ext. + _resid.  LE Þ Deformação Plástica

Exercício

1°) a- Faça um croquis de um ciclo de fadiga onde _máx. = 2_min.

b- Determinar a tensão alternada, a tensão média e o intervalo de tensões.

Qual o comportamento da tensão e deformação durante o transiente cíclico em um material com encruamento (ensaio com controle de carga)?

• _{Solução: Com a aplicação de tensões, ou deformações cíclicas,}

ocorrem pequenas deformações plásticas, embora quase

imperceptíveis. Apesar de bastante reduzidas, com o carregamento sucessivo elas levam a um rearranjo na estrutura cristalina e a

consequentes alterações nas propriedades mecânicas, que se

refletem no diagrama. Durante a deformação cíclica

desenvolve-se um laço de histeredesenvolve-se provocado pela deformação plástica cíclica. O material qdo solicitado sofre uma alteração na sua rede cristalina, com a criação ou aniquilação de discordâncias (discordâncias de mesma orientação repelem-se e de

orientações diferentes sobrepõem-se), pelo trabalho plástico cíclico realizado. Assim, o material pode sofrer um

amolecimento ou um encruamento durante o transiente cíclico, logo após é atingida uma condição estável onde o laço de