FADIGA DOS MATERIAIS - Joicy Ferreira Leite

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INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
BACHARELADO EM ENGENHARIA CIVIL
JOICY FERREIRA LEITE
FADIGA DOS MATERIAIS
COORDENADORIA DE ENGENHARIA CIVIL
Resistência dos Materiais I
Nova Venécia
2022
JOICY FERREIRA LEITE
FADIGA DOS MATERIAIS
Trabalho apresentado ao Instituto Federal do
Espírito Santo, campus Nova Venécia, como parte
das exigências para aprovação na disciplina de
Resistência dos Materiais I, do Curso de
Engenharia Civil.
Orientadora: Prof. Morgana Moreschi
Nova Venécia
2022
1. INTRODUÇÃO
Processo local, progressivo e cumulativo que causa falha prematura ou dano
permanente a um material sujeito a cargas variáveis, sejam cíclicas ou não. A falha
mecânica pode ser caracterizada por trincas e/ou ruptura completa do componente
após um determinado número de ciclos.
Alguns fatores que influenciam a fadiga mecânica são a carga aplicada (amplitude,
variação e posição), geometria (carregamentos e concentradores de tensão) e
material (propriedades, acabamento da superfície e tensão residual).
Em componentes estruturais formados a partir de materiais livres de defeitos, onde
existem pontos de alta tensão, processos de nucleação de trincas por fadiga podem
se desenvolver, levando à falha. Para iniciar o processo de nucleação, deve ocorrer
deformação plástica (pelo menos para materiais dúcteis), seja de forma
generalizada ou limitada a uma pequena quantidade de material. Em estruturas e
máquinas bem projetadas, as tensões nominais devido a cargas externas estão
dentro da faixa elástica. No entanto, seja por descontinuidades geométricas,
descontinuidades metalúrgicas ou por sobrecarga durante a operação, o material
como um todo não necessariamente responde de forma elástica.
Figura 01: Exemplos de fadiga mecânica.
Fonte: https://www.jles.com.br/2019/12/03/fadiga-mecanica/
2. PREVENÇÃO DA FADIGA EM MATERIAIS
Devem ser analisados os tipos de falha para que seja possível a identificação dos
métodos de prevenção. Basicamente, deve-se analisar dois “campos” da
engenharia:
Falha mecânica - Neste caso, o tipo de tensão e/ou carga causou a falha. Devem
ser analisadas as forças atuantes no equipamento, os tipos de cargas submetidas, a
ocorrência de forças excessivas ou quaisquer cargas que não atendam às
condições nominais do equipamento. Neste caso, são utilizados ensaios
experimentais de vibração e extensometria em conjunto a análise de elementos
finitos.
Falha metalúrgica – Neste caso, a falha é proveniente de defeitos metalúrgicos, que
podem ser causados pelo processo de fabricação, descontinuidades em superfícies
fraturadas, defeitos pontuais nas ligações cristalinas, etc. Identificar falhas
metalúrgicas, químicas, metalográficas e caracterização das propriedades
mecânicas do material, e análise da área fraturada para determinação da causa
raiz.
3. AVIÃO COMET
De Havilland Comet, o primeiro avião comercial propulsionado por motores a jato
fabricado no mundo. Com quatro reatores na raiz de suas asas, projetado para voar
a uma altitude de 40.000 pés, sua fuselagem tinha que suportar pressões internas
que nunca haviam sido usadas. O Comet G-ALYP, voo 781 da British Overseas
Airways (BOAC), em 10 de janeiro de 1954, sofreu uma descompressão explosiva e
caiu no Mar Mediterrâneo, matando todos a bordo. O caso é um exemplo de falha
por fadiga devido à concentração de tensão.
Figura 02: Destroços da aeronave De Havilland DH.106 Comet.
Fonte:https://www.baaa-acro.com/crash/crash-de-havilland-dh106-comet-1-elbe-island-35-killed
Os voos foram suspensos por algum tempo, mas assim que foram retomados, a
aeronave Comet de Havilland, agora voando pela South African Airways, caiu no
mar Mediterrâneo se despedaçou em pleno ar, novamente matando todos os
ocupantes. Ocorreu o resgate dos destroços dos dois acidentes, então, enviados a
Farnborough, Inglaterra onde o Comet acidentado foi cuidadosamente remontado.
Um outro Comet passou por simulação onde foi colocado em um tanque com água,
mesma situação de diferença de pressão atmosférica e desgaste de material.
Até então, a maioria dos aviões voava em baixas altitudes, onde a pressão do ar era
semelhante à da superfície da Terra. No entanto, jatos precisam voar em altitudes
muito altas para evitar turbulências e tempestades com pressão atmosférica
mínima. Como os humanos não são capazes de permanecer conscientes em
pressões muito baixas, os jatos precisam ter um sistema que mantenha a pressão
dentro do avião muito mais alta do que fora.
Foi descoberto que os projetistas não haviam projetado a estrutura para ser
trabalhada com tamanha diferença de pressão, assim os aviões viraram verdadeiras
“bombas” voadoras. Uma rachadura no teto do primeiro Comet acidentado foi
suficiente para que se desintegrasse em pleno voo. Inspeções no teste de fadiga
revelaram que todas as trincas originaram-se nos furos escareados das cravações
próximos às janelas e escotilhas. A existência de furos escareados criaram um
campo de tensão elevado que possivelmente aumentou mais ainda a tensão
localmente. As janelas dos primeiros Comet eram um erro de projeto o que criava
pontos de tensão nas extremidades por serem quadradas.
Depois dos erros cometidos pela Comet todos os jatos comerciais passaram a ter
janelas de cantos arredondados, a fim de eliminar pontos de tensão que pudessem
causar fadiga e rompimento brusco da fuselagem.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Disponível em: <https://www.jles.com.br/2019/12/03/fadiga-mecanica/>. Acesso em
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SIMÕES, Daniel de Albuquerque; CASTRO, Jaime Tupiassú Pinho de. Entalhes
melhorados e otimizados. Rio de Janeiro, 2012. 108p. Dissertação de Mestrado –
Departamento de Engenharia Mecânica, Pontifícia Universidade Católica do Rio de
Janeiro. Disponível em: <https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/21361/21361_3.PDF>.
Acesso em 11 de fevereiro de 2022.