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Prof. Luiz Cláudio Cândido ANÁLISE DE FALHAS (Parte III) Prof. Leonardo Barbosa Godefroid candido@em.ufop.br leonardo@demet.em.ufop.br METALURGIA MECÂNICA MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Grupo de Estudo Sobre Fratura de Materiais Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Grupo de Estudo Sobre Fratura de Materiais Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Grupo de Estudo Sobre Fratura de Materiais Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Grupo de Estudo Sobre Fratura de Materiais Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br A Mecânica de Fratura Caracterização Interdisciplinaridade Comparação com a Resistência dos Materiais A estrutura da Mecânica de Fratura Tenacidade à fratura e MFEL Tenacidade à fratura e MFEP Crescimento subcrítico dos materiais Exemplos de aplicações Projeto com Mecânica de Fratura Objetivo: Esta parte apresenta fundamentos da Mecânica de Fratura, visando à caracterização dos materiais para prevenção e/ou análise de falhas. Trata-se da descrição dos critérios básicos empregados na análise da filosofia de “tolerância de danos”, que permitem a determinação da tenacidade à fratura em materiais com presença de trincas. A Mecânica de Fratura Plano de controle de fratura: O controle de fratura em estruturas consiste em um esforço conjunto de projetistas, engenheiros metalurgistas, mecânicos, de produção e de manutenção, e inspetores de segurança, no sentido de garantir operações seguras, e evitar falhas catastróficas. Caracterização da Mecânica de Fratura Plano de controle de fratura Muito raramente a fratura ocorre devido a uma sobrecarga imprevista em uma estrutura isenta de danos. Geralmente, ela é causada por uma trinca: devido ao carregamento normal de serviço da estrutura, a trinca se desenvolve (iniciando, por exemplo, a partir de um defeito ou concentrador de tensão) e cresce lentamente em tamanho. A presença de trincas em um material deteriora a sua resistência. Assim, durante o contínuo desenvolvimento da trinca a resistência estrutural diminui, até que ela se torna tão pequena que as cargas em serviço não podem mais ser aplicadas, e sucede-se a fratura. Desta forma, o controle de fratura é entendido como uma metodologia para se evitar a fratura devido à presença de trincas, em função do carregamento experimentado pelo material durante a sua aplicação. Filosofia “tolerância de danos”: Trata-se de uma filosofia de controle de fratura. Seus objetivos principais: a) O efeito de trincas na resistência mecânica do material; b) O crescimento de trinca em função do tempo. A Mecânica de Fratura: • A ferramenta matemática empregada na análise de tolerância de danos é chamada de mecânica de fratura. • Ela fornece os conceitos e as equações utilizadas para se determinar o quanto a trinca cresce e como este crescimento de trinca afeta a resistência mecânica de uma estrutura. • Durante os últimos 40 anos, a mecânica de fratura se transformou em uma ferramenta prática da engenharia. • Ela não é rigorosamente perfeita, mas nenhuma análise de engenharia é perfeita, e é melhor ter uma ferramenta razoável do que nenhuma. • A mecânica de fratura pode nos fornecer soluções para problemas que até então não podiam ser encontradas por outra técnica. Caracterização da Mecânica de Fratura: Efeito da presença de uma trinca na resistência residual de um material. Cambridge, UK Ironbridge Gorge, UK London, UK London, UK Deutsches Museum, München, DE Caracterização da Mecânica de Fratura: Qual é a resistência residual em função do tamanho de trinca? Que tamanho de trinca pode ser tolerado em condições de carregamento em serviço, isto é, qual é o tamanho máximo permissível de trinca? Quanto tempo vai decorrer para uma trinca crescer de um tamanho inicial, por exemplo o menor tamanho de trinca detectável, até o tamanho máximo permissível da trinca? Qual é a vida em serviço da estrutura, quando um certo tamanho de “defeito” preexistente (por exemplo um “defeito” de fabricação) é considerado nesta estrutura? Durante o período disponível para detecção de trinca quantas vezes deverá a estrutura ser inspecionada? Interdisciplinaridade da Mecânica de Fratura: A amplitude da mecânica de fratura no contexto da engenharia. ciência dos materiais engenharia mecânica aplicada mecânica de fratura fratura processos de fratura e critérios plasticidade ensaios aplicações metros Comparação com a tradicional Resistência dos Materiais: Consideração: o material é um meio contínuo, isotrópico e homogêneo. Aproximação da resistência dos materiais. TENSÃO LIMITE DE ESCOAMENTO OU DE RESISTÊNCIA TENSÃO APLICADA Comparação com a tradicional Resistência dos Materiais: Consideração: o material não é um meio contínuo, mas apresenta “defeitos”. Aproximação da mecânica de fratura. TENSÃO APLICADA TENACIDADE À FRATURA TAMANHO DE TRINCA Fonte: C.Ruggieri – Mecânica de Fratura Elasto-Plástica, ABM Fonte: C.Ruggieri – Mecânica de Fratura Elasto-Plástica, ABM Fonte: C.Ruggieri – Mecânica de Fratura Elasto-Plástica, ABM Mecânica de Fratura Fonte: C.Ruggieri – Mecânica de Fratura Elasto-Plástica, ABM Fonte: C.Ruggieri – Mecânica de Fratura Elasto-Plástica, ABM Fonte: C.Ruggieri – Mecânica de Fratura Elasto-Plástica, ABM Metodologia da Mecânica de Fratura Fonte: S.Suresh – Fatigue and Fracture, MIT, 2000. A estrutura da Mecânica de Fratura: Mecânica de Fratura Comportamento elástico linear Mecânica de Fratura Elástica Linear Comportamento não linear e elasto-plástico Mecânica de Fratura Elasto- Plástica Situações dependentes do tempo Mecânica de Fratura Visco- Elástica e Visco-Plástica Mecânica de Fratura Dinâmica Comportamento dos materiais : Tensão de fratura Tenacidade à fratura (KIC) MFEL MFNL Análise pela carga limite Colapso Fratura frágil Comportamento dos materiais: MATERIAL COMPORTAMENTO TÍPICO DE FRATURA AÇOS DE ALTA RESISTÊNCIA ELÁSTICO LINEAR AÇOS DE BAIXA E DE MÉDIA RESISTÊNCIA ELASTOPLÁSTICO/TOTALMENTE PLÁSTICO AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS TOTALMENTE PLÁSTICO LIGAS DE ALUMÍNIO ENDURECIDAS POR PRECIPITAÇÃO ELÁSTICO LINEAR METAIS EM ELEVADAS TEMPERATURAS VISCOPLÁSTICO METAIS EM ELEVADAS TAXAS DE DEFORMAÇÃO DINÂMICO-VISCOPLÁSTICO POLÍMEROS (ABAIXO DE Tg) ELÁSTICO LINEAR/VISCOELÁSTICO POLÍMEROS (ACIMA DE Tg) VISCOELÁSTICO CERÂMICOS MONOLÍTICOS ELÁSTICO LINEAR COMPÓSITOS CERÂMICOS ELÁSTICO LINEAR CERÂMICOS EM ELEVADAS TEMPERATURAS VISCOPLÁSTICO Mecânica de Fratura Monoparamétrica MFEL MFEP Biparamétrica T J-Q Faixas de aplicação da MFEL e da MFEP para descrever o comportamento de fratura. Comportamento Elástico Linear Kc K1c Gc G1c Kd KR Comportamento Elastoplástico Jc Ju c u m R JR Tenacidade à Fratura e MFEL Modo I Modo II Modo III Os tês modos de carregamento que podem ser aplicados em um material com uma trinca. Tenacidade à Fratura: Kcrítico ijij f r a 2 aK I a W afKK critI George Irwin Tenacidade à Fratura: Kcrítico a) A partir da seleção do material, isto é, da escolha de um material com Kcrit fixado, determina-se a maior tensão que poderá ser aplicada neste material, para o menor tamanho de trinca detectado por um ensaio não destrutivo; Filosofia de projeto b) Novamente a partir da seleção do material, determina-se o maior valor para o tamanhode trinca possível de estar presente no material, para um dado nível de tensão de projeto a ser aplicado neste material; c) A partir da tensão máxima de projeto e do tamanho máximo permitido para a trinca, determina-se o valor de Kcrit que o material deve possuir. Tenacidade à Fratura: K1c KI crítico Espessura Tensão plana Deformação plana Zona plástica 2 5,2,, LE IKaWBa Fonte: C.Ruggieri - Mecânica de Fratura Elasto-Plástica, ABM, 2006, 3a Edição. Tenacidade à Fratura: K1c Tenacidade à Fratura: K1c Tensão limite de resistência, MPa T en ac id ad e à fr at u ra , K 1 c, M P a m ligas de alumínio ligas de titânio aços Curva de resistência K-R 20 30 40 50 60 0 50 100 150 200 250 K c = 83,4 MPa.m 1/2 K -R ( M P a. m .1 /2 ) a (mm) Curva de resistência CDP SPa P = 614 kgf P = 1000 kgf P = 1247 kgf P = 1500 kgf Curva de resistência para uma liga de alumínio Al-7475 T7351. Aplicação: indústria aeronáutica. GEsFraM. Tenacidade à Fratura e MFEP - Critério CTOD - Critério Integral J CTOD: definição geométrica do critério Definição de Wells (1961): Determinação de K1c em aços estruturais tenacidade muito elevada para caracterização pela MFEL . A deformação plástica provoca o embotamento da ponta da trinca inicialmente aguda, e esse grau de embotamento aumenta proporcionalmente à tenacidade do material. : deslocamento normal ao plano da trinca medido a partir da posição original da ponta da mesma. Conclusão: Wells propôs a abertura da ponta da trinca – CTOD ou (crack tip opening displacement) como um parâmetro de medição de tenacidade à fratura. CTOD: definição geométrica do critério Definição de Rice (1968): Neste caso, o CTOD é a interseção de duas retas ortogonalmente posicionadas na ponta deformada da trinca. Esta definição se torna equivalente ao caso anterior, se a trinca se deforma de forma semicircular. Esta definição é chamada de CTOD 90º, e é comumente utilizada para a determinação de CTOD a partir de análises por elementos finitos. Fonte: C.Ruggieri - Mecânica de Fratura Elasto-Plástica, ABM, 2006, 3a Edição. Estimativa do CTOD a partir do deslocamento da trinca efetiva, com utilização da correção de Irwin para a zona plástica. Estimativa do CTOD a partir do modelo de faixa de escoamento. Relação entre CTOD e K ' 2 Em K LE I 2 ' 1 2 E E m EE m ' 1 d.p. t.p. Ponto imaginário de rotação do CP Modelo da rótula plástica para a determinação de CTOD em corpos de prova submetidos a flexão. aaWr VaWr Em K p pp LE I plel ' 2 Determinação da componente plástica Vp para o cálculo do CTOD. A curva de projeto de Dawes aLE2 5,0, 2 1 2 1 LE LEc m E a 5,0, 25,02 1 1 LE LE c m E a Curvas obtidas em ensaio de máx com um aço do tipo AISI/SAE 4140. Aplicação: parafusos de bomba de mineroduto; GesFraM. Idealizando o comportamento elasto-plástico de materiais como um comportamento não linear, onde o caminho de deformação é o mesmo no carregamento e no descarregamento (elasticidade não-linear), Rice (1968) definiu o parâmetro J como a medida da quantidade de energia disponível no material (força-motriz) para um pequeno crescimento de trinca. ds x u TdywJ da dU p Rice demonstrou ainda que o valor de J pode ser determinado através de uma integral de linha calculada no plano normal à trinca, na região ao redor da trinca. A Integral J Em 1968, Hutchinson e Rice/Rosengreen [HRR] independentemente demonstraram que a integral J caracteriza o campo de tensões e de deformações na ponta da trinca de um material elástico não-linear, cujo comportamento mecânico seja descrito pela Equação de Ramberg-Osgood: : constante adimensional n : coeficiente de encruamento do materialn ooo Os campos HRR Eles demonstraram que para J permanecer independente do caminho de integração, a composição tensão versus deformação deveria variar com 1/r nas proximidades da ponta da trinca. Os campos HRR Efeito do expoente de encruamento de deformação na constante de integração dos campos HRR. ,~ 1 1 2 0 0 n rI JE ij n n ij Os campos HRR Variação angular da tensão adimensional em função do expoente n para estados de tensão plana (a) e deformação plana (b). Relação de J com K: escoamento limitado 2 2 1 E E EE E K GJ I t.p. d.p. Relação de J com CTOD: escoamento limitado LEmJ Relação J-CTOD para tensão plana e deformação plana, assumindo = 1; para 1 os resultados devem ser multiplicados por ^(1/n). nd J 0 Shih (1981) Relação de J com CTOD: (material elasto-plástico) Curva de Projeto Comparação entre a Curva de Projeto de CTOD e a Curva de Projeto de J; Turner (1979). Separação entre frações elástica e plástica da energia absorvida no ensaio de integral J. Deslocamento da boca do entalhe Carga Apl Ael Tenacidade à fratura de um aço do tipo DIN 1740. Aplicação: mandril de bobinadeira de LTQ; GesFraM. Curva R esquemática para a integral J. Aço ao cromo Aço ao silício Curvas de crescimento de trinca de aços bifásicos, efeito do tamanho do entalhe lateral. Aplicação: rodas automotivas; GesFraM. 0 1 2 3 4 5 6 7 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Cr-LT SG=25% Si-LT SG=25% Cr-LT SG=37% Si-LT SG=37% Cr-LT SG=0% Si-LT SG=0% J (k Pa .m ) a (mm) Aço ao cromo Aço ao silício Efeito de processamento termo-mecânico no valor de JQ para aços bifásicos. Aplicação: rodas automotivas; GesFraM. 300 400 500 600 700 0 100 200 300 400 BH CM EE EE = estado de entrega CM = estirado + bake hardening BH = bake hardening BH CM EE J Q ( kJ /m 2 ) LE (MPa) DP Cr DP Si Crescimento subcrítico de trinca: crescimento de trinca por fadiga; crescimento de trinca por corrosão sob tensão; crescimento de trinca por fluência. Filosofia de projeto “tolerância de danos”. Relações entre tensão aplicada e comprimento de trinca, mostrando regiões e tipos de crescimento de trinca Crescimento subcrítico de trinca: Fadiga: da dN f K Propagação de trinca por fadiga Corrosão sob tensão: da dt g K Exemplos de aplicações Utilização do fator K para seleção de materiais Aplicação do fator K em fadiga Utilização do fator K para seleção de materiais Problema: Seja um vaso de pressão, fabricado com aço de alta resistência mecânica, que vai ser construído para suportar 34,5 MPa de pressão interna p , com diâmetro nominal d de 762 mm , e espessura da parede t igual ou maior do que 12,7 mm. O projetista pode utilizar qualquer valor para o limite de escoamento do aço, mas o peso e o custo são fatores que devem ser levados em consideração. Os aços disponíveis para utilização no vaso de pressão são apresentados na Tabela 1, com limite de escoamento LE e tenacidade à fratura KIC , para a temperatura e a taxa de carregamento de serviço. Utilização do fator K para seleção de materiais Aço LE (MPa) KIC (MPa m) Custo ($/kg) A 1794 88 3,10 B 1518 121 3,10 C 1242 154 2,20 D 1242 242 2,60 E 966 286 1,10 F 759 187 0,33 Tabela 1 Utilização do fator K para seleção de materiais Aproximação tradicional de projeto Considerações: Não se consideram trincas presentes no material. Fator de segurança = 2 Densidade do aço = 7,84 g/cm3 Equações: Conversões: peso/m = volume/m x densidade volume/m = ( d t)/m peso/m = ( d t)/m x densidade custo/m = (peso/m) x (custo/kg) 2 LE projeto projeto dp t 2 Utilização do fator K para seleção de materiais Aproximação tradicional de projeto - Resultado Aço LE (MPa) projeto (MPa) t (mm) peso (kg/m) custo ($/m) A 1794 897 14,65 275 852 B 1518 759 17,32 326 1011 C 1242 621 21,17 398 876 D 1242 621 21,17 398 1035 E 966 483 27,21 511 562 F 760 380 34,59 650 214 Tabela 2 Utilização do fator K para seleção de materiais Aproximação pela mecânica de fratura Considerações: Trinca superficial de profundidade a = 12,7 mm e relação a/2c = 0,25 Utilização do fatorK para seleção de materiais Aproximação pela mecânica de fratura Equação geral para KI : KI: fator de intensidade de tensão Mk: fator de magnificação para trincas profundas, assumindo valores de acordo com gráfico a seguir : tensão circunferencial aplicada a: profundidade da trinca Q: parâmetro de forma da trinca, assumindo valores de acordo com gráfico a seguir Consideração: fator de segurança = 2 KIprojeto = KIC/2 Q a MK kI 12,1 Utilização do fator K para seleção de materiais Aproximação pela mecânica de fratura Utilização do fator K para seleção de materiais Aproximação pela mecânica de fratura Utilização do fator K para seleção de materiais Aproximação pela mecânica de fratura - Resultado Aço LE (MPa) KIC (MPa m) KIprojeto (MPa m) projeto (MPa) t (mm) peso (kg/m) custo ($/m) A 1794 88 44 241 54,4 1019 3146 B 1518 121 60,5 331 39,6 743 2293 C 1242 154 77 421 31,2 586 1293 D 1242 242 121 603 21,8 409 1083 E 966 286 143 655 20,1 376 417 F 760 187 93,5 497 26,4 495 164 Tabela 3 Utilização do fator K para seleção de materiais Comparação entre as duas abordagens Utilização do fator K para seleção de materiais Comparação entre as duas abordagens – Tabela 4 Aço LE (MPa) t (mm) Fator de segurança contra colapso Fator de segurança contra fratura Espessura para ambos critérios (mm) A 1794 14,65 2,0 0,35 54,40 7,43 2,0 54,40 B 1518 17,32 2,0 0,64 39,60 4,58 2,0 39,60 C 1242 21,17 2,0 1,12 31,20 2,95 2,0 31,20 D 1242 21,17 2,0 1,77 21,80 2,07 2,0 21,80 E 966 27,21 2,0 3,01 27,21 20,10 1,47 2,0 F 760 34,59 2,0 2,51 34,59 26,40 1,53 2,0 Utilização do fator K para seleção de materiais Comparação entre as duas abordagens – Tabela 5 Aço LE (MPa) t (mm) peso (kg/m) custo ($/m) A 1794 54,40 1019 3146 B 1518 39,60 743 2293 C 1242 31,20 586 1293 D 1242 21,80 409 1083 E 966 27,21 511 562 F 760 34,59 650 214 Aplicação do fator K em fadiga Problema: Seja uma placa de aço laminado a frio, do tipo SAE-1020, submetida a cargas uniaxiais em amplitude de tensão constante, no ar, com a razão R entre tensões igual a 0 (zero). As propriedades mecânicas deste aço são: LE = 500 MPa; LR= 670 MPa; E = 207 GPa; da/dN (mm/ciclo) = 2,16 x 10-13 K3 (N.mm-3/2). Para uma tensão máxima do ciclo de fadiga igual a 25% do limite de resistência do material, e considerando a tenacidade à fratura igual a: KIC = 52/104/208 MPa m, encontre as equações para as curvas de qualidade (S-N) deste material, para um tamanho inicial de trinca igual a: ai = 0,1/0,5/2,5 mm. Aplicação do fator K em fadiga da dN C K C Y a m m . . . . N C da Y a f m ma a i f1 . . m f ma a N cons te C da Y a I i f tan . 1 Neste exemplo: = max ; Y = 1,12 Aplicação do fator K em fadiga Determinação do tamanho crítico de trinca af: fIC aK max12,1 KIC (MPa m) af (mm) 52 24,45 104 97,82 208 391,3 Tabela 6 Aplicação do fator K em fadiga Determinação das equações das curvas S-N – Tabela 7 ai (mm) af (mm) KIC (MPa m) S x N 0,1 24,45 52 3 log( max) = log(3,50x10 12) – log(Nf) 0,5 24,45 52 3 log( max) = log(1,43x10 12) – log(Nf) 2,5 24,45 52 3 log( max) = log(5,09x10 11) – log(Nf) 0,1 97,82 104 3 log( max) = log(3,62x10 12) – log(Nf) 0,5 97,82 104 3 log( max) = log(1,55x10 12) – log(Nf) 2,5 97,82 104 3 log( max) = log(6,29x10 11) – log(Nf) 0,1 391,3 208 3 log( max) = log(3,68x10 12) – log(Nf) 0,5 391,3 208 3 log( max) = log(1,61x10 12) – log(Nf) 2,5 391,3 208 3 log( max) = log(6,89x10 11) – log(Nf) Aplicação do fator K em fadiga Análise dos resultados Qualquer estudo de propagação de trinca de fadiga pode ser reduzido à obtenção de uma curva S x N. Para cada geometria, comprimento inicial e comprimento crítico de trinca haverá uma curva S x N de propagação de trinca, cuja inclinação é o valor do expoente m da equação de Paris. A curva S x N desloca-se sempre no sentido ascendente quando m diminui e a constante de integração I aumenta, o que permite tensões admissíveis mais elevadas. O parâmetro I depende de diversos fatores: verifica-se facilmente que I aumenta quando a constante C da equação de Paris diminui. Confirma-se, em termos de tensões admissíveis, que valores mais baixos de C e de m produzem tensões admissíveis mais elevadas e, portanto, uma maior resistência à propagação de trinca. Aplicação do fator K em fadiga Análise dos resultados O feixe de retas paralelas dado pelas equações da Tabela 7 desloca-se no sentido descendente quando ai aumenta e af diminui. As tensões admissíveis diminuem com o aumento do comprimento inicial de trinca e com a diminuição do tamanho crítico de trinca (valores menores de tenacidade KIC). A variável mais importante do problema é o comprimento inicial de trinca. Comprimentos iniciais de trinca mais elevados fazem baixar o que se chama de “nível de qualidade da construção”, porque obrigam a usar tensões admissíveis mais baixas. Aplicação do fator K em fadiga Análise dos resultados Representação esquemática da influência do expoente m e do parâmetro I na curva S x N de propagação. PROJETO COM MECÂNICA DE FRATURA Curva de projeto utilizando CTOD ou J Diagrama de análise de falhas Procedimento R6 BS 7910 API 579 SINTAP
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