Prof. Dr. José Benedito Marcomini FADIGA S-N

(1)

FADIGA S-N

(2)

Tempo Cargas em solo T ensão Média em terra Vôo médio Carregamento em vôo

(3)

Ca

rga

Tempo

Típica história de tempo x carga para

o eixo da roda

(4)

T

ensão em

A

Tempo

A



• P

Veloci//

angular

(5)



_min

Carregamentos completamente reversos

Tensão Média, _m= (_max + _min )/2 =0 Razão de Tensões, R = _min / _max= -1

Razão de Amplitudes, A = _a / _m= 

UTILIZADO NAS HOMOLOGAÇÕES DE PEÇAS

(6)

Carregamento 0 -Tração

Carregamento 0 - Compressão

R = _min / _max= 0 A = _a / _m= 1 R = _min / _max=  A = _a / _m= 1

(7)

Propriedades de Fadiga

Os dados de fadiga são comumentes apresentados:

• para CP polidos;

• Sob flexão reversa.

Ampl. Tensão



_min



_a _m= (_max + _min )/2 =0 _{R =}_ min / max = -1 A = a / m = 

T

ens

ão

(8)

DEFINIÇÕES E CONCEITOS

Descrição do Ciclo de Carregamento

Tensão

,



_max



_min Tensão média,



_m Amplitude de Tensão, _a Intervalo de Tensão, 



_a

= (



_max

-



_min

)/2



_m

= (



_max

+



_min

)/2

 = (

_max

-



_min

)

R =



_min

/



_max

A =



_a

/



_m

(9)

(10)

Mais de 90% das falhas: fadiga ou combinada à fadiga

• Fadiga de alto ciclo (controlado por tensão);

• Fadiga de baixo ciclo (controlada por deformação);

• Propagação de trinca por fadiga;

• Avaliação da sensibilidade ao entalhe;

• Fadiga por fretting;

• Fadiga multiaxial;

• Fadiga térmica: isotérmica e termomecânica;

• Fadiga em meios agressivos: iniciação e propagação;

• Fadiga-fluência.

(11)

NORMAS:

• ASTM E466-15 Standard Practice for Conducting Force Controlled ConstantAmplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials;

• ASTM E606-12 Standard Test Method for Strain-Controlled Fatigue

Testing;

• ASTM E739-10(2015) Standard Practice for Statistical Analysis of Linear

or Linearized Stress-Life (S-N) and Strain-Life (ε-N) Fatigue Data;

• ASTM E647-15e1 Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates;

• ASTM E1049-85(2017) Standard Practices for Cycle Counting in Fatigue Analysis;

(12)

(13)

(14)

DISPOSITIVOS HIDRÁULICOS FADIGA – ENSAIOS NA INDÚSTRIA AUTOMOTIVA

(15)

“SHAKER ELETROMAGNÉTICO”- RESONANT DWELL FADIGA – ENSAIOS NA INDÚSTRIA AUTOMOTIVA

(16)

ENSAIO NÃO DESTRUTIVO DE LÍQUIDO PENETRANTE APÓS ENSAIO DE FADIGA PARA DETERMINAR LOCAL DA TRINCA. FADIGA – ENSAIOS NA INDÚSTRIA AUTOMOTIVA

(17)

(18)

PROJETO PARA FALHA SEGURA PFS (FAIL SAFE)



Este

critério

foi

desenvolvido

pelos

engenheiros

aeronáuticos, já que estes não podem tolerar o peso

adicional requerido por um coeficiente de segurança

alto, nem o risco de falha implícito por um coeficiente

muito baixo;



O critério para falha segura considera a possibilidade de

ocorrência de trincas de fadiga e dispõem a estrutura

de modo que as trincas não a levem ao colapso antes

de serem detectadas e reparadas.

(19)

Alguns meios de possibilitar o comportamento "fail safe" em

uma estrutura são: introduzir bloqueadores de propagação, ou

elementos para impedir a propagação da trinca (crack arresters),

usar uniões rebitadas ou parafusadas ao invés de soldadas, etc..

◼ EXEMPLOS:

➢ Fuselagens e asas de aviões

➢ Cascos de navios ➢ Pontes.

(20)

Acidente com um caça F-111 com apenas 104 horas de voo (1969)-ano que o homem pisou na Lua –deflagrou o desenvolvimento

de projetos com tolerância ao dano pela Força Aérea Americana-peça com defeito de forjamento, na asa.

(21)

PROJETO COM TOLERÂNCIA AO DANO



Este critério é um aperfeiçoamento da filosofia "fail safe" .

Parte-se do princípio de que a estrutura possui uma trinca, Parte-seja por

defeito de fabricação, seja devida à operação (fadiga, corrosão sob

tensão, etc.), e com os conceitos da Mecânica da Fratura são

desenvolvidos os projetos de modo que as trincas pré-existentes

não cresçam até o tamanho crítico, antes que sejam detectadas

pelas inspeções periódicas;



Este critério é mais adequado a materiais com baixa velocidade

de propagação de trincas e com alta tenacidade. O tamanho

inicial do defeito pode ser estimado (ao menos o seu limite

superior) através de um ensaio prévio de sobrecarga;



Se o componente sobrevive ao ensaio está assegurado que não

existem defeitos (trincas) acima de uma dada dimensão. É um

critério que usa extensivamente as modernas metodologias de

projeto.

(22)

22

PROPAGAÇÃO DE TRINCAS POR FADIGA

(23)

23

CRESCIMENTO DE TRINCA SOB CARREGAMENTOS CÍCLICOS DE AMPLITUDE CONSTANTE

Em situação de fadiga, a trinca pode crescer mesmo se a₀ < a_c ou  < _c.

a

Número de ciclos, N

a₀

a_c

a_d Limite de detecção pela IND

N

p

a_d = ? (END, IND)

a_c = ? (MFEL)

(24)

24

Taxa de Crescimento de Trinca Vs. Tensão

Nf

( )

1 Compr ime nto de tri nca , a

No. de Ciclos (N) ou Tempo

a₀ 0 (_max)₁ (_max)₂

(

max

)

₃ da dN       1 da dN       2 da dN       3 ( )ac ₁ ( )ac ₂ ( )ac ₃

(_max) (₃  _max) (₂  _max)₁ →



_min=0

Nf

( )

2

Nf

( )

3

Conclusão:

(1) Inicialmente a taxa de crescimento da trinca (da/dN) é pequena, aumentando com aumento de a.

(25)

25

K

R max min min min max max a = K a = K a = K =  











1 a Y = K





 Y = Tempo K K_I K/2 K_max K_min Tempo 

Tensão (max, min)

(_max, _min)

R= 

_min

/

_max _max _min _m _a=/2

Parâmetros Utilizados na descrição do Crescimento de Trinca por Fadiga

(26)

26 Trinca crítica 0

a

c a i

a

0

_No _{de Ciclos (N)} Comprime nto d e trinca , a

da

dN

Trinca Inicial No _{de Ciclos para} falhar i

Y

i i

=

a

K









(27)

27

CURVA DE CRESCIMENTO DE TRINCA POR FADIGA

K₀ _{Log (}_K) L o g (d a/ d N ), mm/ ci cl o Al : 3 – 7 MPa m1/2 Aço : 6 – 17 MPa m1/2

(28)

28

◼ Região linear (Paris e Erdogan):

onde C e m são constantes do material e determinados experimentalmente. Metais: 2 < m < 7.

◼Limitações:

◼ Não Leva em conta efeitos de R, superestima a Região I

(K₀) e subestima a Região III (K = K_IC)

◼ Vantagens:

◼ Os valores previstos concordam bem com os dados

experimentais.

◼ Simples de ser usada e incorporada a programa de

cálculo da vida em propagação em serviço.

LEIS DO CRESCIMENTO DE TRINCA POR FADIGA

( )

K

C

=

dN

(29)

29

3.0

2.25

3.25

3.0

6.9 10

-12

_3.6

10

-10

1.35 10

-10

_6.6

10

-9

5.6 10

-12

3.0 10

-10

1.8 10

-19 ----Ferritic-Pearlitic Steels Martensitic Steels Austenitic Stainless Steels Ni-Mo-V Steels

m

C

da/dN (m/cycle) da/dN (in/cycle)

K in MPam K in ksiin

(30)

30

Um grande número de pesquisadores (mais do que 50) desenvolveram expressões, que pudessem modelar parte ou toda a curva log da/dN x log ΔK.

(1967)

Forman

K

-R)K

-(1

K

C

IC m





=

dN

da

(1976)

Priddle

Kmax

-K

C

0

_













−



=

m C

K

dN

da

(

)

McEvily,

(1988)

Kmax

-K

K

1 -K

C

C 2 0

















+



=

K

dN

da

Regiões II e III Curva Completa • K_max→ K_IC da/dN →∞ • R>0

modificada

Forman

K

-R)K

-(1

)

K

-K

(

K

C

IC 0 m





=

dN

da

(31)

31

Região I da Curva de Crescimento de Trinca por Fadiga

Fator de Intensidade de Tensão Limite, ∆K

_th:

• Abaixo de ∆K

_th

, o crescimento de trinca por fadiga

• não ocorre

• Para vários aços , têm-se as relações abaixo:

(

)

0,1

+

<

R

for

5 ,

5 K

0,1

+

R

for

0,85R

-1

6,4

K

th th

=





=



(32)

32

ENSAIO PARA DETERMINAÇÃO DA TAXA DE CRESCIMENTO DA TRINCA POR FADIGA

- NORMA: ASTM E647-05: Ciclos de amplitude constante;

TÉCNICAS PARA MEDIÇÃO DO COMPRIMENTO DA TRINCA:

• Observação visual com microscópio (luneta graduada);

• Mudança da flexibilidade (rigidez) da seção remanescente

(compliance);

• Medição por ultra-som; • Réplica de acetato;

• Passagem de corrente (Queda de Potencial); • Filmagem e foto da trinca.

(33)

33

• O ensaio é controlado pelo complience (inverso da rigidez), que é uma forma de controlar o ensaio pelo nível de tensão;

• Quando a trinca se propaga (da), a rigidez do material decresce e a

energia potencial decresce de dU;

• G é a taxa de variação da energia potencial por unidade de área da trinca, a força motriz para a propagação da trinca: G=- dU/tda;

COMPLIANCE: INVERSO DA RIGIDEZ

(34)

34

CORPOS DE PROVA

- NORMA: ASTM E647- 05

- CORPOS DE PROVA MAIS ULTILIZADOS: COMPACTO – CT

DISCO – DCT

CHAPA – CCT OU M(T)

DCT

(35)

35

TÉCNICAS MAIS UTILIZADAS PARA DETERMINAÇÃO DE a

compliance

Réplica de acetato

(36)

36               −       +       −       +       − + =       = 4 3 2 2 3 0,886 4,64 13,32 14,72 5,6 1 2 W a W a W a W a W a W a W a f Y                       +       −       − −       −       + =       = 2 2 3 1,99 1 2,15 3,93 2,7 1 2 1 2 3 W a W a W a W a W a W a W a W S W a f Y

Y

W

B

P

K =

C(T)

SEN(B)

(37)

(38)

38

No caso de ensaios conduzidos com  constante e diferentes R, a taxa de crescimento de trinca por fadiga pode depender de R.

2024 – T351, t =6,53mm R=0,7;0,5;0,1;-0,5;-0,1;-2,0 da /dN , m m /ci cl o K, MPa m1/2 A. F. Liu (1986) da /dN , m /ci cl o Esaklul, K.A et al (1984)

(39)

39

CFC

Baixa Temperatura

CCC

CFC- deformação por maclação com os sistemas de deslizamento restritos, mais sistemas de deslizamento, aumento de dureza, aumenta res.à prop. Trinca, não cliva.

CCC- menos sistemas de deslizamento, aumento de dureza, fragiliza, pode clivar.

(40)

PROPAGAÇÃO DE TRINCAS POR

FADIGA EM AMPLITUDE VARIÁVEL

(41)

Crescimento de trinca – Carregamento de

Amplitudes Variáveis

(42)

CTF- Efeito de sobrecargas

A sobrecarga pode acarretar um aumento da tensão, levando à deformação

plástica localizada, fenômenos de fechamento, o que retarda a propagação

(43)

43