Teoria e Prática Ensaio de Fadiga

Prévia do material em texto

<p>Teoria e Prática Ensaio de Fadiga</p><p>(Aula 4)</p><p>Prof. Me. Fábio Vieira</p><p>▪ Estudaremos o que é o Ensaio de Fadiga, seus objetivos e</p><p>como ele é realizado;</p><p>▪ Ele é essencial para avaliar a vida útil de componentes</p><p>sujeitos a estresses cíclicos, principalmente, no nosso caso,</p><p>em amostras metálicas.</p><p>IN</p><p>TR</p><p>O</p><p>D</p><p>U</p><p>Ç</p><p>Ã</p><p>O</p><p>▪ De acordo com a norma ASTM E 1823-96, a definição de</p><p>fadiga é:</p><p>“Processo progressivo e localizado de modificações estruturais</p><p>permanentes ocorridas em um material submetido a</p><p>condições que produzam tensões e deformações cíclicas que</p><p>pode culminar em trincas ou fratura após um certo número de</p><p>ciclos” (ASTM E 1823-96).</p><p>O</p><p>Q</p><p>U</p><p>E</p><p>É</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ A fadiga é um fenômeno mecânico que está relacionado com a</p><p>resposta de um material à aplicação repetida de cargas ou tensões.</p><p>No contexto dos tratamentos térmicos de materiais metálicos, a</p><p>fadiga pode ser um aspecto crítico a ser considerado.</p><p>▪ O processo de fadiga é causado pela deformação plástica oscilante.</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Fadiga Metálica:</p><p>▪ A fadiga metálica ocorre quando um material sofre falha devido à aplicação</p><p>cíclica de cargas ou tensões abaixo do limite de resistência à tração (abaixo</p><p>do limite de escoamento). É um tipo de falha progressiva que se desenvolve</p><p>ao longo do tempo.</p><p>▪ Estimativa que 90% dos metais falham por fadiga;</p><p>▪ A falha por fadiga ocorre de forma catastrófica;</p><p>▪ É um tipo de falha (fenômeno) muito importante de ser estudado dentro</p><p>da tecnologia mecânica;</p><p>▪ Estudos de concentração de tensão e elementos finitos (FEA).</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Conceito de Fratura:</p><p>▪ Para metais, dois modos de fraturas são possíveis: dúctil e frágil.</p><p>A classificação é baseada na capacidade de uma material sofrer</p><p>deformação plástica.</p><p>▪ Os metais dúcteis normalmente exibem deformação plástica</p><p>substancial com alta absorção de energia antes da fratura.</p><p>▪ Por outro lado, normalmente, há pouca ou nenhuma</p><p>deformação plástica, com baixa absorção de energia que</p><p>acompanha uma fratura frágil.</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Propagação de trincas:</p><p>▪ As principais características desse tipo de falha são o local de</p><p>início da trinca (nucleação) por fadiga, geralmente na superfície;</p><p>▪ Uma região de propagação da trinca por fadiga mostrando</p><p>marcas de praia;</p><p>▪ Uma região de fratura rápida (ou súbita) na qual o comprimento</p><p>da trinca excede um comprimento crítico.</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Propagação de trincas:</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Propagação de trincas:</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Tensões Cíclicas:</p><p>▪ As tensões aplicadas podem ser de natureza axial (tensão-</p><p>compressão), flexora (flexão) ou de torção:</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Tensões Cíclicas: Exemplo.</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Tipos de Ciclos:</p><p>▪ Dependência de tempo regular e senoidal onde a</p><p>amplitude é simétrica em torno de um nível de</p><p>tensão zero médio. É conhecido como Ciclo de</p><p>Tensão Alternadas.</p><p>▪ O Ciclo de Tensões Repetidas ocorre quando os</p><p>máximos e mínimos são assimétricos em relação</p><p>ao nível de tensão zero.</p><p>▪ O nível de tensão pode ainda variar</p><p>Aleatoriamente em amplitude e frequência.</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Tipos de Ciclos: Ciclo de Tensões Repetidas – Variáveis.</p><p>▪ Por convenção tensões trativas são</p><p>positivas e compressivas são negativas.</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Metodologia de Projetos em Fadiga:</p><p>▪ Principais critérios de projeto:</p><p>▪ Projeto para vida infinita: Este critério exige que as tensões</p><p>atuantes estejam abaixo da tensão limite de fadiga. A vida</p><p>selecionada para o projeto deve incluir uma margem de</p><p>segurança para levar em consideração a grande dispersão da</p><p>vida de fadiga (relações de vida máxima, vida mínima da</p><p>ordem de 10 : 1 podem ser facilmente encontradas nos</p><p>ensaios de fadiga);</p><p>▪ Projeto para falha segura PFS (Fail Safe): Este critério foi</p><p>desenvolvido pelos engenheiros aeronáuticos, já que estes</p><p>não podem tolerar o peso adicional requerido por um</p><p>coeficiente de segurança alto, nem o risco de falha implícito</p><p>por um coeficiente muito baixo. O critério para falha em</p><p>segurança considera a possibilidade de ocorrência de trincas</p><p>de fadiga e dispõem a estrutura de modo que as trincas não</p><p>a levem ao colapso antes de serem detectadas e reparadas;</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Metodologia de Projetos em Fadiga:</p><p>▪ Principais critérios de projeto:</p><p>▪ Projeto com tolerância ao dano: Este critério é um refino da</p><p>filosofia anterior de projeto. Partimos do princípio de que a</p><p>estrutura possui uma trinca, seja por defeito de fabricação,</p><p>seja devida à operação (fadiga, corrosão sob tensão, etc.), e</p><p>com os conceitos da Mecânica da Fratura são desenvolvidos</p><p>os projetos de modo que as trincas pré-existentes não</p><p>cresçam a um tamanho tal que leve à falha, antes que sejam</p><p>detectadas pelas inspeções periódicas.</p><p>▪ Projeto modelo de teste: Abordagem do modelo de teste em</p><p>produtos e componentes montados. Considera as condições de</p><p>serviço reais em que esses produtos serão utilizados. Elementos</p><p>finitos ou outras técnicas de análise estrutural são usados para</p><p>modelar o sistema montado. Em muitos casos, os resultados da</p><p>análise por modelo de teste são validados por meio de testes</p><p>experimentais usando protótipos reais do produto ou</p><p>componente montado.</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Efeito da Fadiga nos Tratamentos Térmicos:</p><p>▪ Durante os tratamentos térmicos, as mudanças microestruturais</p><p>nos materiais podem afetar sua resistência à fadiga. Por</p><p>exemplo, o recozimento pode eliminar defeitos de</p><p>microestrutura e melhorar a resistência à fadiga, enquanto</p><p>têmpera e revenido podem aumentar a resistência à tração, mas</p><p>também podem tornar o material mais suscetível à fadiga.</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Microestrutura e Fadiga:</p><p>▪ Os tratamentos térmicos afetam diretamente a microestrutura</p><p>do material, incluindo a distribuição de grãos e a presença de</p><p>impurezas e inclusões não metálicas. Esses fatores têm</p><p>influência sobre a iniciação e propagação de trincas de fadiga.</p><p>▪ Aspecto micrográfico de aço</p><p>meio doce moldado com alto</p><p>teor de fósforo notado pela</p><p>presença de um eutético</p><p>fosforoso, existente quando o</p><p>teor de fósforo se situa em</p><p>torno de 0,4%.</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Nucleação:</p><p>▪ A nucleação de fadiga refere-se ao estágio inicial do processo de</p><p>fadiga, no qual pequenas descontinuidades, trincas ou defeitos</p><p>microscópicos em um material começam a se desenvolver e</p><p>crescer.</p><p>▪ A nucleação pode ocorrer devido a diversas variáveis:</p><p>▪ Amplitude de carga cíclicas aplicadas;</p><p>▪ Existências de concentradores de tensões geométricos;</p><p>▪ Inclusões não metálicas;</p><p>▪ Rugosidade superficial;</p><p>▪ Dureza;</p><p>▪ Tamanho de grão;</p><p>▪ Orientação cristalográfica.</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Regiões nucleação de trinca por fadiga :</p><p>▪ Ranhuras na superfície do material provenientes do acabamento</p><p>superficial é um local com considerado aumento de tensões</p><p>devido as concentrações geométricas;</p><p>▪ Inclusões superficiais ocasionam uma descontinuidade no</p><p>material, uma vez que se trata de uma material com</p><p>propriedades totalmente distintas do metal base. Logo atuam</p><p>como concentradores de tensão;</p><p>▪ Os deslizamentos cíclicos acarretam na formação de</p><p>reentrâncias nos contornos de grão na superfície do material,</p><p>bem como nas bandas de deslizamentos preferenciais.</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Deslizamentos cíclicos: Fendas superficiais.</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Falhas por fadiga:</p><p>Pista do</p><p>Rolamento</p><p>Maior ponto de carga</p><p>(sob a superfície)</p><p>Esfera</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Falhas por fadiga:</p><p>▪ Trincas propagadas a partir da região de tensão</p><p>máxima (50 ~ 150 µm).</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Falhas por fadiga:</p><p>▪ O material do rolamento é, normalmente, um SAE 52100</p><p>(100Cr6). A microestrutura dos componentes (anel interno, anel</p><p>externo e esperas) é martensita temperada com austenita retida</p><p>até 7% (volume) e dureza de 62 HRC.</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Falhas por fadiga:</p><p>▪ Exemplos de falhas prematuras de rolamentos por fadiga.</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Falhas por fadiga:</p><p>EN</p><p>SA</p><p>IO</p><p>D</p><p>E</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Máquina ensaio de fadiga:</p><p>▪ O ensaio de fadiga, também conhecido como ensaio de</p><p>resistência à fadiga, é um teste laboratorial projetado para avaliar</p><p>a capacidade de um material ou componente de resistir a falhas</p><p>devido a tensões cíclicas repetidas.</p><p>Extensômetro</p><p>EN</p><p>SA</p><p>IO</p><p>D</p><p>E</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Ensaio:</p><p>▪ Fixação da amostra: A amostra é montada na máquina de ensaio de fadiga, que é</p><p>equipada com dispositivos para aplicar cargas cíclicas repetidas na amostra. A amostra</p><p>é normalmente fixada de forma que a área de interesse seja submetida a tensões</p><p>repetidas;</p><p>▪ Aplicação das cargas cíclicas: A máquina de ensaio aplica cargas cíclicas repetidas na</p><p>amostra, alternando entre tensão de tração e compressão, ou flexão, dependendo do</p><p>tipo de teste. As cargas são aplicadas em um padrão de ciclo predefinido, geralmente</p><p>com uma frequência específica.</p><p>EN</p><p>SA</p><p>IO</p><p>D</p><p>E</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Ensaio:</p><p>▪ Monitoramento da deformação e do número de ciclos: Durante o ensaio, a máquina</p><p>registra continuamente a deformação na amostra e o número de ciclos de carga</p><p>aplicados. Isso permite acompanhar como a amostra se deforma sob as cargas cíclicas e</p><p>quantos ciclos são necessários para ocorrer a falha.</p><p>▪ Análise dos resultados: Os resultados do ensaio de fadiga são geralmente apresentados</p><p>em um gráfico conhecido como curva de resistência à fadiga. Essa curva mostra a</p><p>relação entre o número de ciclos e a tensão aplicada, destacando o ponto em que</p><p>ocorre a falha.</p><p>EN</p><p>SA</p><p>IO</p><p>D</p><p>E</p><p>FA</p><p>D</p><p>IG</p><p>A</p><p>▪ Ensaio: Teste de durabilidade resistência à fadiga.</p><p>▪ Ensaios específicos podem ser</p><p>desenvolvidos dependendo do tipo de</p><p>componente que será testado.</p><p>▪ Exemplo: bancada de teste para</p><p>guidão de bicicletas. O teste simula</p><p>aplicação do produto em seu uso.</p><p>É aplicado cargas cíclicas em</p><p>pontos específicos para simular os</p><p>movimentos do ciclista.</p><p>COLPAERT, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns, 4ª ed. Edgard Blücher, 2008.</p><p>SILVA, A. L. C.; MEI, P. R. Aços e Ligas Especiais, 2ª ed. Edgard Blücher Villares Metais, 2006.</p><p>CHIAVERINI, V. Aços Carbono e Ferro Fundido, 6ª ed. Associação Brasileira de Metais, 2005.</p><p>INA Bearing Failure Mode Archive.</p><p>ISO 15234 – Rolling bearings – Damage anda failures – Terms, characteristics and causes, 2004.</p><p>FAG Rolling Bearing Damage.</p><p>SCHAEFFLER KG. Catálogo Rolling bearings - HR1, 2008.</p><p>R</p><p>EF</p><p>ER</p><p>ÊN</p><p>C</p><p>IA</p><p>S</p><p>AT</p><p>IV</p><p>ID</p><p>A</p><p>D</p><p>E</p><p>▪ Questão:</p><p>Uma empresa de engenharia está desenvolvendo um componente crítico para</p><p>uma aplicação aeroespacial. Este componente será submetido a cargas cíclicas</p><p>repetidas durante sua vida útil. Os tecnólogos estão considerando a aplicação de um</p><p>tratamento térmico para melhorar a resistência à fadiga do material.</p><p>A) Explique como um tratamento térmico pode afetar a resistência à fadiga de um</p><p>material metálico.</p><p>B) Quais são os principais fatores que os tecnólogos devem levar em consideração ao</p><p>escolher o tratamento térmico adequado para maximizar a resistência à fadiga deste</p><p>componente?</p><p>C) Descreva como um ensaio de fadiga poderia ser usado para avaliar os efeitos do</p><p>tratamento térmico na vida útil do componente.</p><p>Seção Padrão</p><p>Slide 1: Teoria e Prática Ensaio de Fadiga (Aula 4)</p><p>Slide 2</p><p>Slide 3</p><p>Slide 4</p><p>Slide 5</p><p>Slide 6</p><p>Slide 7</p><p>Slide 8</p><p>Slide 9</p><p>Slide 10</p><p>Slide 11</p><p>Slide 12</p><p>Slide 13</p><p>Slide 14</p><p>Slide 15</p><p>Slide 16</p><p>Slide 17</p><p>Slide 18</p><p>Slide 19</p><p>Slide 20</p><p>Slide 21</p><p>Slide 22</p><p>Slide 23</p><p>Slide 24</p><p>Slide 25</p><p>Slide 26</p><p>Slide 27</p><p>Slide 28</p><p>Slide 29</p><p>Slide 30</p><p>Slide 31</p>