10.4- Cap. 08 FLUÊNCIA E MECÂNICA DA FRATURA. 15.1

(1)

ENSAIO DE FLUÊNCIA

(CREEP TEST) E MECÂNICA DA FRATURA

1 Prof.: M.Sc. Antonio Fernando de Carvalho Mota

(2)

ENSAIO DE FLUÊNCIA (CREEP TEST)

a) DEFINIÇÃO: Fluência é a deformação plástica que ocorre com o tempo sob tenção constante,

quando a temperatura aplicada for superior a metade da temperatura de fusão do material (T aplic > ½ T_f).

b) APLICAÇÕES: Refinarias de petróleo, caldeiras, aeronaves de altas velocidades, mísseis, turbinas à vapor, turbinas à gás e usinas nucleares.

MísseisTomahawk Refinária Abreu e lima

velocidade do som (340 m/s 1220 km/h ISA)

(3)

(4)

ENSAIO DE FLUÊNCIA (CREEP)

4

Quando um metal é solicitado por uma

carga, imediatamente sofre uma deformação elástica. Com a aplicação de uma carga

constante, a deformação plástica progride lentamente com o tempo (fluência) até haver um estrangulamento e ruptura do material. Velocidade de fluência (relação entre

deformação plástica e tempo) aumenta com a temperatura.

(5)

ENSAIO DE FLUÊNCIA

(6)

6

Máquinas de Ensaio de Fluência

(7)

7

ENSAIO DE FLUÊNCIA

 É executado pela aplicação de uma

carga uniaxial constante a um corpo de prova de mesma

geometria dos utilizados no ensaio de tração, a uma temperatura

elevada e constante

 O tempo de aplicação de carga é

estabelecido em função da vida útil esperada do componente

 Mede-se as deformações ocorridas

(8)

ENSAIO DE FLUÊNCIA

d) Resultado:

DEFORMAÇÃO INICIAL PRIMEIRO

ESTÁGIO SEGUNDO_ESTÁGIO TERCEIROESTÁGIO

D E F O R M A Ç Ã O



(

%

)

LOG. TEMPO

(h)

°

DIMINUE _{POUCO VARIA}°

°

AUMENTA



(9)

9

CREEP TEST

Exercício: Explique o ensaio de fluência e relacione com uma aplicação prática

(10)

10

FLUÊNCIA (CREEP)

FATORES QUE AFETAM A FLUÊNCIA:

• Temperatura

• Módulo de elasticidade

• Tamanho de grão

Em geral:

Quanto maior o ponto de fusão, maior o módulo

de elasticidade e maior é a resistência à fluência.

Quanto maior o tamanho de grão, maior é a

(11)

ENSAIO DE FLUÊNCIA

Deformação

(12)

(13)

13 FLUÊNCIA E RELAXAÇÃO

Quando os materiais são submetidos a carregamentos constantes por longos períodos de tempo, apresentam, além da deformação elástica instantânea uma parcela de deformação plástica variável com o tempo e uma parcela de deformação denominada anelástica, ou seja,

uma deformação reversível não instantânea.

Este processo no qual a tensão (σ) aplicada à peça é constante e a deformação crescente com o tempo, é denominado fluência.

Se a peça for submetida a uma deformação constante, a fluência

manifesta-se na forma de alívio de tensão ao longo do tempo, conhecido por relaxação.

Exemplos de deformação (direita) por fluência e relaxação da tensão (esquerda) por fluência

(14)

EXERCÍCIO - SOLUÇÃO

14

1. Um corpo de provas com 750 mm de comprimento de um aço liga baixo carbono-Ni é submetido a uma tensão de tração de 40 MPa, sob uma temperatura de 538ºC.

Determine o crescimento do comprimento depois de 5.000 horas. Considere que os aumentos do comprimento instantâneo e primário seja igual à 1,5 mm.

Do gráfico  /t = 10-5,7h-1

 = 10-5,7t

 = 10-5,7 x 5000

(15)

15 /t = 10-5,7h-1

(16)

d/dt = a

n

A lei constitutiva Norton Power Law é uma equação

muito simples e, por isto, muito utilizada. Essa formulação possui apenas duas constantes a serem determinadas, como pode ser visto na equação abaixo (Norton, 1929).

EQUAÇÃO CONSTITUTIVA NORTON POWER LAW

Onde:

d/dt = taxa de deformação por fluência.  = tensão de Von Mise.

(17)

(18)

ENSAIO DE FLUÊNCIA

f) PREVISÃO DAS PROPRIEDADES PARA

TEMPOS LONGOS:

Frequentemente necessita-se de dados de

resistência a altas temperaturas para

condições nas quais não existe informação

experimental, onde muitas vezes é necessário

conhecer a tensão necessária para produzir 1

por cento de deformação em 100.000h (12

anos), embora a liga tenha apenas 2 anos de

existência.

(19)

ENSAIO DE FLUÊNCIA

Obviamente, em tais situações torna-se

necessário uma extrapolação dos dados

existentes para tempos mais longos.

Uma extrapolação segura das curvas de

fluência para tempos mais longos só pode

ser feita quando se tem certeza que não

ocorrerão mudanças estruturais na região

da extrapolação que resultem na variação

da inclinação da curva.

Um dos métodos de extrapolação mais

utilizado é o de Larsen e Miller.

(20)

(21)

(22)

22 Desenho esquemático dos tipos de fratura:

(a) Dúctil com microvazios;

(b) Transgranular por clivagem; (c) Intergranular.

(a) Ductile fracture (b) Cleavage (c) Intergranular fracture

(23)

Mudança de comportamento no gráfico Tensão x Tempo de Ruptura

A fratura passa através do grão

A fratura se dá no contorno de grão

(24)

24

• _{Por quê um}

tamanho de grão

grande favorece

uma maior

resistência à

fluência?

• _{O que significa}

temperatura

equicoesiva (TEC)?

DEVER DE CASA

(25)

FUNDAMENTOS DA

MECÂNICA DA FRATURA

©

Prof. Enio Pontes de Deus

(26)

O Processo de Falha

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

• _{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...

(27)

Mecânica da Fratura

X

Aproximações Convencionais

1. Aproximação Convencional

TENSÃO

•_• Tensão de Escoamento 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

(28)

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

(29)

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

(30)

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

(31)

TRIÂNGULO DA MECÂNICA DA

FRATURA

Mecânica da

Fratura

Propriedades do Material K_IC, J_IC

Comprimento da Trinca “

a”

Tensões



(32)

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)

(33)

Pouso Bem Sucedido de um 737 que Perdeu o Teto

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

(34)

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

(35)

(36)

(37)

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

(38)

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

Pequena Trinca que Levou ~50 anos para Ficar Instável

(39)

(40)

(41)

41

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.

(42)

42

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

(43)

Segundo Tokimatsu (1995), a tendência em classificar as fraturas segundo a base dual dúctil- frágil tende a ser confusa. Apenas em alguns casos os dois tipos de falha são perfeitamente discerníveis, na maioria das vezes não há uma distinção perfeita entre fraturas frágeis e dúcteis (Tokimatsu, 1995).

Os metais podem fraturar por clivagem – mecanismo basicamente frágil, -após uma deformação plástica relativamente grande. Da mesma forma, é também possível ocorrer uma deformação

macroscópica desprezível em um metal que fratura por um micromecanismo dúctil – por microcavidades.

(44)

44 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)

(45)

45

(46)

46

(47)

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.⇒

(48)

FRATOMECÂNICA

(ANALISE DE FRATURAS/ MECÂNICA DA FRATURA)

(49)

Análise de falhas

(50)

ANÁLISE DE FALHAS

(51)

Comparação com a tradicional Resistência dos Materiais

(52)

MECÂNICA DA FRATURA

(a) _(b)

a) Condição de tensão plana;

b) Condição de deformação plana.

A tensão perpendicular a superfície pode ser alta somente em chapas grosas (BB).

Obs.: Um vaso de pressão ou um navio em miniatura não reproduz o estado de tensões do tamanho natural, em lugar de deformação plana apresenta tensão plana.

(53)

Mecânica da fratura

(54)

PRINCÍPIO BÁSICO

Trincas estáveis são admissíveis contanto que a tensão de serviço fique abaixo do valor

(55)

55

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

(56)

FATOR DE CONCENTRAÇÃO DE TENSÃO - kt F F



máx



média



máx. = kt.



méd.



máx = (1 + 2a/b)



médio

Obtidos por elementos finitos.

Quando a = b (circulo) →



máx = 3



(57)

57

TEORIA DE GRIFFITH - TRINCAS SÃO CONCENTRADORAS DE TENSÃO

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.

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.

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

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

(58)

ENSAIO DE TENACIDADE À FRATURA

A tenacidade é avaliada comparando-se as curvas

para diferentes materiais com diferentes comprimentos de trincas

(59)

(60)

MECÂNICA DA FRATURA

(61)

(62)

ANÁLISE DAS CAUSAS DAS FALHAS

Interpretação e caracterização da superfície de fratura (Mapa topográfico)

62

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.

(63)

58- O trem de aterrissagem de um avião foi fabricado em aço ABNT

4340 revenido com tenacidade à fratura (KIc) e limite de escoamento, de 90 MPa√m e 1200 MPa, respectivamente.

Para aumentar a segurança do equipamento, a tensão máxima atuante, durante o pouso da aeronave, não ultrapassa 50% do limite de

escoamento do material.

Entretanto, a operação do equipamento pode produzir carregamentos que causem o aparecimento de trincas superficiais e, portanto, após 1000h de operação, o componente deverá ser inspecionado.

Para tal, são apresentadas, na tabela abaixo, diferentes técnicas de inspeção, com suas respectivas capacidades de detecção de trincas.

Técnica Tamanho de trinca mínimo (mm) Visual 4,0

Líquidos penetrantes 3,7 Partículas magnéticas 2,5 Correntes parasitas 0,5

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na qual ? e a significam a tensão atuante e o

comprimento crítico de trinca, respectivamente, é (são) considerada(s) correta(s) para a inspeção.

(A) todas as técnicas apresentadas na tabela.

(B) as técnicas da tabela, com exceção da visual. (C) líquidos penetrantes e partículas magnéticas. (D) partículas magnéticas e correntes parasitas. (E) correntes parasitas.

Adotando a equação:

Soluçáo:

90 MPa√m = 0,5x1200 MPa √3,14a

3,14a = (90/0,5 x 1.200)2

a = 0,0225/3,14 = 0,00716m = 7,16mm

Técnica Tamanho de trinca mínimo (mm)

Visual 4,0 Líquidos penetrantes 3,7 Partículas magnéticas 2,5 Correntes parasitas 0,5 x

(65)

(66)

(67)

Aplicação da Engenharia no dia a dia

Lei do Cubo-Quadrado

• Área da superfície = 4r2 = 3

Volume 4/3r3 r

A lei do quadrado-cubo pode ser enunciada

como segue: Quando um objeto é submetido a um aumento proporcional em tamanho, seu novo

volume é proporcional ao cubo do multiplicador e sua nova superfície é proporcional ao

quadrado do multiplicador.

r

Esfera de raio r

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

Manitú

Em termos gerais este princípio estabelece que, quando una forma cresce em tamanho, seu volume cresce mais rápido que sua superfície. Quando se aplica ao mundo real, este princípio tem muitas implicações que são

importantes em campos que vão desde a engenharia

mecânica à biomecânica. Isto ajuda a explicar grande

variedade de fenômenos, por exemplo o porquê grandes mamíferos como aos elefantes é mais difícil perder calor que aos menores como os roedores,