CESOL 2015 - INTR. A MECÂNICA DA FRATURA

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O Processo de Falha

Sob o ponto de vista microscópico, a falha de uma estrutura se dá de acordo com a seguinte seqüência:

• acúmulo de danos

• iniciação de uma ou mais trincas • propagação de trinca

• fratura do material

A Mecânica da Fratura consiste numa parte da Engenharia, que tem como objetivo promover respostas quantitativas para problemas específicos relacionados com a presença de trincas nas estruturas...

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Mecânica da Fratura

X

Aproximações Convencionais

1. Aproximação Convencional

TENSÃO

•Tensão Escoamento de

•Tensão de Ruptura

Não há consideração de defeito no material

2. Mecânica da Fratura

TENSÃO Tamanho do Defeito

Tenacidade à

Fratura

O defeito é considerado

E.P. de Deus UFC

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Introdução

Características Gerais da Mecânica da Fratura

Falha numa Estrutura

Considera-se que uma estrutura ou uma parte dela FALHA quando acontece uma das condições:

Quando fica totalmente inutilizada,

Quando ela ainda pode ser utilizada, mas não é capaz de desempenhar a função satisfatoriamente,

Quando uma deterioração séria a torna insegura para continuar a ser utilizada

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PORQUE UMA ESTRUTURA FALHA...

Negligência durante o projeto, a construção ou a operação da estrutura;

aplicação de um novo projeto, ou de um novo material, que vem a produzir um inesperado ( e indesejável) resultado.

O PROCESSO DE FALHA

Sob o ponto de vista microscópico, a falha se dá de acordo com a seguinte seqüência:

acúmulo de danos iniciação da(s) trinca(s) propagação de trinca

Fratura do Material

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A MECÂNICA DA FRATURA

A Mecânica da Fratura é a área do conhecimento responsável pelo estudo dos efeitos decorrentes da existência de defeitos e trincas em materiais utilizados na fabricação de componentes e estruturas...

Conhecimentos: Ciência dos Materiais, Resistência dos Materiais, Análise Estrutural, Metalurgia, ...

Mecânica da Fratura

Mecânica Aplicada

Engenharia Ciência dos Materiais

APLICAÇÕES TESTES PLASTICIDADE PROCESSO DE FRATURA FRATURA

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TRIÂNGULO DA

MECÂNICA

DA FRATURA

Mecânica da Fratura

Propriedades do Material K_IC, J_IC

Comprimento da Trinca “

a”

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2



as

falhas mecânicas

são

causadas primariamente

pelas

tensões

atuantes



elas podem ser

globais

(como na

flambagem

ou

no

colapso plástico

), ou

locais

(como na

fadiga

ou

na

fratura

)



ao contrário das globais,

falhas locais são sensíveis

a

detalhes

(como furos e

riscos) que concentrem as

tensões no ponto crítico, e

são

progressivas

(vão se

propagando aos poucos)

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Pouso Bem Sucedido de um 737 que Perdeu o Teto

Durante o Vôo, Devido à uma Falha por Fadiga (após

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DC-9 Fraturado Durante um Pouso “Normal” (notar

que os pneus não estão furados nem os trens de

pouso estão quebrados, logo a falha não pode ser

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Ponte sobre o Rio Ohio, em Point Pleasant, W.Virginia, USA (similar à ponte Hercílio Luz em Florianópolis, SC)

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Restos da Ponte Após a Falha (com 46 mortes) Causada por uma

Pequena Trinca que Levou ~50 anos para Ficar Instável

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VASOS de PRESSÃO

Definição • Reservatórios estanques, de qualquer tipo, dimensões ou finalidade destinados ao armazenamento e processamento de líquidos e gases sob pressão ou sujeitos a vácuo total ou parcial. • Panela de pressão, compressor de oficina, reator nuclear etc.

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Um vaso de pressão inadequadamente projetado

para suportar uma elevada pressão ou

temperatura representa um risco muito grande à

segurança material e humana.

Necessidade de conjunto de orientações, padrões,

requisitos etc…

CÓDIGOS E NORMAS

DE PROJETO

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Incentivados por diversas ocorrências de falhas em caldeiras.

1905 Explosão de caldeira em uma fábrica de sapatos. Motivou a criação da primeira norma regulatória.

Em 1911 foi criado o comitê de caldeiras do ASME.

Em 1924 foi publicada a seção VIII do ASME referente a vasos de pressão não sujeitos à chama

The Brockton,

Massachusetts shoe factory (58 mortos e 117 feridos)

Shoe factory after explosion of Merch 20, 1905 Which led to the adoption of many state

boiler codes and the ASME Boiler and Pressure Vesse Code (Hartford Steam Boiler Inspection & Insurance Company)

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ASME American Society of Mechanical Engineer ⇒

O que é ASME? Sociedade sem fins lucrativos, fundada em 1880, que escreveu o código de projeto de vasos de pressão mais

utilizado na indústria.

QUAL A DIFERENÇA ENTRE NORMA E CÓDIGO?

Norma ( Standard ) Conjunto de regras e padronizações ⇒

Aplicação voluntária, exceto quando contratual. Código ( Code ) É um standard que seu uso é obrigatório por lei⇒

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Trincas são concentradoras de tensão (I)

Placa finita com furo elíptico central, com

curvatura

 = (b

2

/a)

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FRATOMECÂNICA

(ANALISE DE FRATURAS/ MECÂNICA DA FRATURA)

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Análise de falhas

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Análise de falhas

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Comparação com a tradicional

Resistência dos Materiais

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Mecânica da fratura:

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PRINCÍPIO BÁSICO:

 Trincas estáveis são admissíveis contanto que a

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MODELO DE GRIFFITH

– Pequenas trincas no interior do material atuando como concentradores de tensão diminuem a força externa necessária para a separação dos átomos por um efeito de amplificação da força externa aplicada. - O efeito das trincas

depende do tamanho e orientação da trinca em relação ao esforço aplicado

Se a trinca tem uma forma elíptica, a tensão máxima na ponta da

trinca será dada por: m

Griffith

ou

_c = Tensão crítica

E = módulo de elasticidade

_s= energia de superfície específica

a = a metade do comprimento de uma fenda interna

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Teoria de Griffith

Alan Arnold Griffith iniciou estudos da mecânica da fratura em materiais frágeis mais especificamente o vidro, com base na lei de conservação de energia estabelecendo a relação entre fratura e o comprimento da trinca.

A teoria de Griffith considera que um corpo frágil contém pequenas falhas (microtrincas).

Quando um esforço de tensão externo é aplicado, as pontas das microtrincas atuam como concentradores de tensão.

Como o corpo não pode liberar estas tensões através de deformação plástica, a tensão local na região próxima à ponta da microtrinca é mais severa (crítica) e aumenta até atingir a resistência teórica, causando a ruptura do corpo.

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ENSAIO DE TENACIDADE À FRATURA

A tenacidade é avaliada comparando-se as curvas

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MECÂNICA DA FRATURA

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Aplicação

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ANÁLISE DAS CAUSAS DAS

FALHAS

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Interpretação e caracterização da superfície de fratura (Mapa topográfico)

Fractografia

Conhecer a causa da falha

Prevenção de novas ocorrências

Está análise de fratura revestiu-se de tal importância para a ciência dos materiais que em 1944 forjou-se o termo

“fractografia” para descrever a ciência que estuda a superfície de fratura.

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FUNDAMENTOS DA

MECÂNICA DA

FRATURA

©

Prof. Enio Pontes de Deus

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Aplicação da Engenharia no dia a dia:

Lei do Cubo-Quadrado

• Área da superfície = 4r2 = 3

Volume 4/3r3 r

Está equação estabelece que a razão entre a área da superfície e o volume aumenta à medida que o raio diminui.

Quando um objeto se submete a um aumento proporcional no tamanho, seu volume novo é proporcional ao cubo do multiplicador e sua área

de superfície nova é proporcional ao quadrado do multiplicador.

r

Esfera de raio r

Descoberta no século XVI por Galileu, a lei do Quadrado e do Cubo explica que nenhum

organismo biológico pode sofrer uma mudança de tamanho (conseqüentemente, de escala) sem modificar sua forma ou conformação:

Chefe apache com o poder de se transformar num gigante com 50 pés de altura