02-Modelos de falha

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Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Campus Pato Branco
Engenharia Mecânica
Modelos de falha
Prof. Robson Gonçalves Trentin
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Modelos de falha
� Falha pode ser definida como a incapacidade do componente
corresponder à demanda que lhe é exigida.
� O desempenho do componente pode ser limitado de diversas
maneiras:
� Um valor máximo de carga, acima do qual ocorre a ruptura do
material
� Uma voltagem máxima, limitada pela capacidade de isolamento
elétrico
� As formas com que um componente estrutural pode falhar depende:
� Do tipo de carregamento
� Tipo do material
� Condições ambientais
� Cuidados com a manutenção
� Etc.
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Modelos de falha
� Os modos de falha podem ser distinguidos quanto a
influência da idade do componente ou o tempo de aplicação
da carga.
� Quanto ao estudo da confiabilidade a falha é definida pelo
fato de que a funcionalidade do produto deixa de ser atendida
em decorrência de algum evento.
� O conceito de falha parte de uma definição funcional do
sistema;
� A funcionalidade deve ficar bem definida no momento da
definição dos requisitos de projeto.
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Definição funcional de falha
Modelos de falha
� A falha é a situação em que o sistema deixa de atender e
desempenhar a função para a qual foi projetado.
� Engloba uma falha por colapso total do sistema ou situações
em que o sistema continua operando, mas fora da faixa
tolerada.
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Definição física de falha
Modelos de falha
� Em problemas estruturais a falha ocorre quando a
resistência, R, não é suficiente para suportar a solicitação, S.
� Falha é definida pelo evento S > R
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Modos de falha independentes do tempo
Modelos de falha
� São modos que possuem igual probabilidade de ocorrer
qualquer que seja a vida ou o tempo de uso do produto
considerado.
� Ocorrem quando a estrutura sofre sobrecarga ou pico de
solicitação.
� Falha por ruptura ou empenamento.
� Os principais modos de falha são comentados a seguir:
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Modos de falha independentes do tempo
Modelos de falha
Fratura
� É a separação do sólido em duas ou mais partes.
� O processo de desenvolvimento da fratura é dividido nas
etapas de início e propagação da trinca.
� Classificada em:
� Fratura dúctil: ocorre uma apreciável deformação plástica na
nucleação e na propagação da trinca;
� Fratura frágil: nos metais é caracterizada por uma grande
velocidade de propagação da trinca com pequena deformação
plástica, mesmo a nível microscópico.
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Modos de falha independentes do tempo
Modelos de falha
Fratura
� Um metal pode ter fratura dúctil ou frágil dependendo:
� Temperatura;
� Estado de tensões;
� Velocidade de carregamento.
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Modos de falha independentes do tempo
Modelos de falha
Fratura dúctil
� Metais muito dúcteis podem se deformar plasticamente até que
a seção transversal fique reduzida a um ponto.
� Para metais moderadamente dúcteis a deformação plástica
produz uma redução na seção transversal provocando um
estado triaxial de tração.
� Diminui a capacidade de deformação plástica;
� Provoca nucleação de vazios em torno das impurezas;
� Crescimento dos vazios;
� União dos vazios;
� Ruptura por cisalhamento.
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Modos de falha independentes do tempo
Modelos de falha
Fratura dúctil
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Modos de falha independentes do tempo
Modelos de falha
Fratura dúctil
� Os modos dúcteis de fratura ocorrem como resultado de uma
extensiva deformação plástica, seja por crescimento de vazios
seja por cisalhamento.
� Critério de ruptura por cisalhamento dúctil:
� Critério de ruptura dúctil por nucleação, crescimento e
coalescimento de vazios:
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Modos de falha independentes do tempo
Modelos de falha
Fratura frágil
� A separação do material ocorre segundo um
plano (atômico) perpendicular à tensão de
tração (ruptura por clivagem).
� Quando a tensão ultrapassa um valor crítico
tem início o processo de ruptura.
� O critério de falha é dado pela máxima tensão
normal que não pode ultrapassar a tensão
crítica de clivagem.
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Modos de falha independentes do tempo
Modelos de falha
Fratura na presença de defeitos
� Geralmente o material da peça possui defeitos no seu interior,
sejam defeitos oriundos do próprio processo de fabricação,
sejam defeitos que surjam em serviço.
� A mecânica da fratura define o fator de intensidade de tensão,
KI, que caracteriza a solicitação no extremo da trinca, o qual
não pode ultrapassar um valor crítico, KIC.
� O critério de falha é dado por:
KI > KIC
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Modos de falha independentes do tempo
Modelos de falha
Início de escoamento
� Em muitas aplicações é necessário que o material esteja
integralmente dentro do regime elástico:
� Garantir um nível de deformação baixo
� Ex: eixos de alta velocidade, dispositivos de medição.
� Nestes casos o escoamento já caracteriza a falha do
componente
� Este modo de falha é muito conservativo nas situações onde
um pequeno escoamento nos pontos de concentração de
tensão não é problema
� O critério de falha é dado por:
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Modos de falha independentes do tempo
Modelos de falha
Plastificação generalizada
� Modo de falha adequado as situações onde é tolerada uma
plastificação localizada.
� Mais realista considerar uma plastificação generalizada na
seção crítica, condição em que a capacidade de suportar carga
fica esgotada (carga de colapso plástico).
� Neste caso o cálculo de tensão máxima no ponto mais
solicitado não é significativo.
� O critério de falha deve ser verificado para todos os pontos da
seção crítica:
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Modos de falha independentes do tempo
Modelos de falha
Fragilização por hidrogênio
� Átomos de hidrogênio podem se difundir na rede cristalina:
� Tratamentos de galvanização, solda, ambiente de trabalho.
� Os átomos combina-se formando moléculas de H2, gerando
tensões internas de tração que podem levar o material a sofrer
uma ruptura espontânea.
� Pode ocorrer uma ruptura sem razão aparente, com a peça, por
exemplo, somente armazenada.
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Modos de falha independentes do tempo
Modelos de falha
Flambagem
� Ocorre quando tem-se uma combinação crítica entre a rigidez
da estrutura e a carga aplicada.
� Deslocamentos transversais passam a crescer mesmo com
carga constante.
� A peça perde a sua forma original comprometendo a sua
operação em serviço.
� Falha característica em estruturas esbeltas sob tensão de
compressão .
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Modos de falha independentes do tempo
Modelos de falha
Deformação elástica excessiva
� Em muitas situações as tensões desenvolvidas no material são
baixas, não comprometendo a sua resistência, porem o
componente pode vir a falhar por uma flexibilidade excessiva,
onde os deslocamentos passam a ser grandes, acima do
tolerado.
� Neste caso é necessário aumentar a rigidez do projeto.
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Modos de falha dependentes do tempo
Modelos de falha
� Estes modos de falha são caracterizados por algum tipo de
envelhecimento ou desgaste do material.
� Perda gradativa das propriedades que tornam o material
adequado ao uso.
� Existem vários modos de falha dependentes do tempo, também
chamados de modos de falha por envelhecimento ou ainda
desgaste.
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Modos de falha dependentes do tempo
Modelos de falha
Fadiga
� Caracterizado pela redução da capacidade de carga de
componentes estruturais pela ruptura lenta do material, através
do avanço quase infinitesimal da trinca a cada ciclo.
� A fadiga ocorre pela presença de tensões que variam com o
tempo, provocam deformações plásticas cíclicas localizadas.
� As deformações levam a uma deterioração do material, dando
origem a uma trinca de fadiga, que cresce até atingir o tamanho
suficiente para provocar a ruptura do material.
� O processo de nucleação das trincas dependem das tensões
cisalhantescíclicas.
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Modos de falha dependentes do tempo
Modelos de falha
Fadiga
� O processo de propagação das trincas dependem das tensões
de tração que fazem com que as trincas venham a crescer.
� É necessário utilizar critérios diferentes para avaliar uma falha
por fadiga na nucleação e na fase de propagação.
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Modos de falha dependentes do tempo
Modelos de falha
Corrosão
� Destruição de um corpo sólido por uma ação química ou
eletroquímica não intencional
� Nos metais ocorre quase sempre a ação eletroquímica, devido
à característica estrutural dos metais que permitem a
movimentação de elétrons
� Os materiais não metálicos podem ser atacados apenas pelos
meios corrosivos capazes de agirem quimicamente.
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Modos de falha dependentes do tempo
Modelos de falha
Corrosão sob tensão
� A combinação de um esforço mecânico com um meio ambiente
agressivo ao material pode levar a chamada corrosão sob
tensão
� Este tipo de corrosão ocorre em pontos muito localizados,
como por exemplo nos contornos de grão. A aparência externa
não evidencia a degradação do material. A capacidade de
carga da peça diminui devido as trincas que surgem nos
contornos de grão
� Para um certo material, de todos os meios agressivos que
provocam corrosão, apenas uns poucos provocam corrosão
sob tensão
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Modos de falha dependentes do tempo
Modelos de falha
Fluência
� Mecanismo de falha se torna atuante a temperaturas da ordem
0,35 a 0,70 da temperatura absoluta de fusão do material
� Nestas temperaturas deformações irreversíveis que crescem
de forma constante com o tempo, mesmo se o carregamento
for mantido constante
� A velocidade que a deformação ocorre depende tanto da
temperatura quanto do nível de tensão aplicado
� A exposição a altas temperaturas pode provocar variações nas
propriedades metalúrgicas:
� Metais encruados irão recristalizar
� Ligas endurecidas por precipitação podem sofrer um super
envelhecimento
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Modos de falha dependentes do tempo
Modelos de falha
Desgaste
� Pode ocorrer desgaste adesivo, através do processo de
aderência e remoção de partículas do material de um dos
elementos do par de atrito. Depende muito das condições de
lubrificação e da compatibilidade dos dois metais em contato.
� Ou por desgaste abrasivo, através do arrancamento de metal
por partículas mais duras que colidem com este. Neste caso a
principal variável é a dureza do material que pode ocorrer por
partículas duras entre as superfícies de atrito ou pelo contato
de uma superfície dura e áspera sobre outra mole.