Mecânica da Fratura e Fadiga

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Mecânica da Fratura Não há uma preocupação quanto ao no de ciclos de carregamento, mas sim, quanto à possibilidade de fratura abrupta devido à combinação de: Trinca(s) + Carregamento + Condições fragilizantes As questões sobre as quais a Mecânica da Fratura se debruça são: - Qual a forma, dimensões, posição e orientação da(s) trinca(s) Quais as condições operacionais e de fragilização (temperatura, ambiente químico, velocidade de aplicação da carga, etc.) - Qual a Tenacidade à Fratura do material na atual e na pior situação (superposição da trinca mais crítica à pior condição fragilizante e ao carregamento extremo). Fadiga Introdução Mecânica da Fratura - abordagem de campo Premissa: a fratura ocorrerá quando for atingida uma condição crítica, resultante da combinação de: "trinca + carregamento + condições fragilizantes" Portanto, a fratura pode ocorrer a qualquer momento, quer seja no primeiro minuto ou após décadas de operação do componente. Consequentemente: a peça ou estrutura deve ser monitorada ou intermitentemente inspecionada. Há complementaridade entre a 'Mecânica da e as áreas de: - Inspeção por ensaios não destrutivos - Manutenção: reparo de trincas e defeitos - Testes de laboratório para obtenção da tenacidade à fratura Fadigade Fadiga ASTM E 1150 : "Processo de alteração estrutural progressivo que ocorre num material sujeito a condições que produzem tensões e deformações flutuantes em algum ou alguns pontos e que pode culminar no surgimento de trincas ou a fratura total." Aspectos particulares da Fadiga - Trata-se de um processo de dano caracterizado pelo crescimento de uma ou mais trincas ao longo de grandes - Quando a trinca atinge um tamanho crítico, duas formas de ruptura podem ocorrer: 1) Ruptura de modo estático (área resistente é insuficiente) - Fratura dúctil (materiais dúcteis) - Clivagem (materiais frágeis) 2) Fratura frágil (mecânica da fratura), pois comprimento de trinca crítico é atingido (Relembrando: a própria trinca, por ser um entalhe, causa fragilização do material).Estágios de propagação da trinca de fadiga Estágio I - nucleação Stage II fatigue crack Estágio II - propagação lenta Estágio III - propagação rápida Stage fatigue crack Estágio IV - rupturaAspecto macrográfico da ruptura por fadiga A. Início da trinca B. Região de propagação B Marcas de praia alteração da carga ou paradas da máquina C. Ruptura abrupta Área remanescente é insuficiente para suportar a carga A ruptura pode ser frágil, dúctil ou a mistura dessas. É muito comum que a região C apresente aspecto frágil (superfície brilhante e baixa rugosidade), mesmo em materiais de boa ductilidade, devido à velocidade de aplicação da carga. Figuras ASM Handbook: tração & tração-compressão High nominal stress Low nominal stress No stress Mild stress Severe stress No stress Mild stress Severe stress concentration concentration concentration concentration concentration concentration Tension-tension or tension-compressionAlgumas considerações finais No exemplo anterior foram contrapostos dois casos: Aço AISI 1040 normalizado (resistência mecânica mediana em relação aos aços estruturais comuns) coeficiente de segurança obtido: Aço AISI 1040 temperado e revenido (resistência mecânica elevada para um aço estrutural) coeficiente de segurança obtido: Pergunta: como é possível que um material temperado (portanto, com maior resistência mecânica) apresente menor nível de segurança do que se estivesse no estado normalizado? Ponderações sobre a questão critério de Rankine é levemente conservativo em relação a Guest-Tresca ou Von Mises. Contudo, tal fato, apesar de contribuir, não é suficiente para explicar os resultados aparentemente equivocados. Na realidade, o resultado obtido é inequívoco ! É importante notar que, ao realizar um processo de endurecimento (portanto, de estamos abrindo mão de uma das mais importantes características de um material estrutural: sua capacidade de encruamento. A baixa capacidade de encruamento dos materiais frágeis acarreta uma alta sensibilidade à presença de entalhes.Portanto, dentro do possível, o engenheiro projetista deve adotar materiais de elevada ductilidade. Os materiais sujeitos a tratamentos termo-químicos como cementação e têmpera severos, tendem ao comportamento frágil. Portanto, devem ser empregados apenas em casos especiais, por exemplo: - diante de requisitos restritivos à inércia dos componentes: peças do setor aeronáutico ou de sistemas de controle de posicionamento. - quando há restrição ao espaço físico das peças (transmissões de carros de competição, por exemplo). Por outro lado, surge nova pergunta: supondo que adotássemos o aço AISI 1040 no estado normalizado, o que aconteceria caso essa transmissão viesse a ser acionada numa fria manhã de inverno em Chibougamau ? É importante notar que os Critérios de Rankine, Guest- Tresca e Von Mises estão baseados numa abordagem fenomenológica. Ou seja, a pergunta a ser respondida não é 'qual o melhor critério', mas sim devemos usar um ou outro'. Ressaltando: Cabe ao engenheiro projetista adotar, no processo de dimensionamento de um componente estrutural, o Critério mais adequado ao contexto no qual tal componente irá operar.