Aula 04 Falhas Carregamentos Variaveis Parte 1

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CURSO DE 
ENGENHARIA MECÂNICA 
Campus Buritis 
ELEMENTOS DE MÁQUINAS I 
AULA 04 
FALHAS RESULTANTES DE CARREGAMENTO 
VARIÁVEL 
Prof. Luiz Brant 
TEORIAS DE FALHA 
Falha Mecânica 
Variação no tamanho, forma e/ou 
propriedades do material de um 
componente ou estrutura 
 
 
Impedem o funcionamento e/ou 
prejudicam o rendimento e/ou 
confiabilidade baixa 
TEORIAS DE FALHA 
Falhas ocorrem em última análise quando a 
resistência do material é excedida! 
 
Regra geral de dimensionamento: 
 
 
 
A tensão admissível é função do critério de falha 
 
AdmissívelAtuante σσ 
Conceitos Básicos 
TEORIAS DE FALHA 
Conceitos Básicos 
Ensaio de Tração 
Em um ensaio de tração, um corpo de prova é submetido a um esforço 
gradativo que tende a alongá-lo até a ruptura! 
F 
F 
FALHA POR FADIGA 
FALHA POR FADIGA 
Fenômeno da Fadiga 
A - INICIAÇÃO DA TRINCA: Nucleação da 
trinca em descontinuidades . Estende-se 
por dois a cinco grãos (não visível a olho 
nu)(Estágio I); 
 
B - PROPAGAÇÃO ESTÁVEL DA TRINCA: 
Crescimento estável da trinca, geralmente 
em planos perpendiculares às tensões – 
marcas de praia (Estágio II); 
 
C - FRATURA FINAL: Propagação instável 
da trinca, após ser atingido um tamanho 
crítico (Estágio III). 
 
FALHA POR FADIGA 
Causas 
desalinhamentos 
do eixo ou 
FALHA POR FADIGA 
Causas 
A falha por fadiga deve-se à formação e propagação de trincas. Uma trinca de 
fadiga terá início, tipicamente em uma descontinuidade do material em que a 
tensão cíclica é máxima. Essas descontinuidades podem surgir devido aos 
seguintes fatores: 
 Projeto de mudanças rápidas na seção transversal, chavetas, furos, etc., em que 
ocorrem as concentrações de tensão. 
FALHA POR FADIGA 
Causas 
 Elementos que rodam ou deslizam contra outros (mancais, engrenagens, cames, etc.) 
sob altas pressões de contato, desenvolvendo tensões de contato superficiais 
concentradas que podem causar formação de cavidades superficiais ou lascamento 
após vários ciclos de carga. 
 Descuido com a localização de marcas de identificação, marcas de ferramentas, 
riscos e rebarbas; projeto de juntas mal feitos, montagens inadequadas e outras 
falhas de fabricação. 
FALHA POR FADIGA 
Causas 
 Composição do material em si, quer processado por laminação, forjamento, fundição, 
extrusão, estiramento, tratamento térmico, etc.. Surgem descontinuidades 
microscópicas e submicroscópicas superficiais tais como inclusões de materiais 
estranhos, segregação de liga, vazios, partículas duras precipitadas e 
descontinuidade cristalinas 
 
FALHA POR FADIGA 
 Fadiga Controlada por Tensão 
 Curvas S-N; 
 
 Fadiga Controlada por Deformação 
 Curvas -N; 
 
 Mecânica de Fratura aplicada à Fadiga 
 Propagação de trincas 
Métodos da Vida sob Fadiga 
Três abordagens fundamentais utilizadas em projeto e análise para predizer 
quando, ou se, um componente de máquina carregado ciclicamente irá falhar 
em fadiga 
 
FALHA POR FADIGA 
 Fadiga Controlada por Tensão (Curvas S-N) 
Métodos da Vida sob Fadiga 
Curva S-N para aços 
Limite de Resistência 
à Fadiga Se 
R
e
s
is
tê
n
c
ia
 à
 F
a
d
ig
a
 S
f 
Baixo Ciclo Alto Ciclo 
Vida Finita Vida 
Infinita 
Número de Ciclos de Tensão, N 
FALHA POR FADIGA 
 Fadiga Controlada por Tensão (Curvas S-N) 
Métodos da Vida sob Fadiga 
Curva S-N para ligas de alumínio 
Forjado 
Fundido em molde permanente 
Fundido em areia 
N = 5x108 ciclos 
Resistência à fadiga 
R
e
s
is
tê
n
c
ia
 à
 F
a
d
ig
a
 S
f 
Número de Ciclos de Tensão, N 
FALHA POR FADIGA 
 Fadiga Controlada por Deformação (Curvas -N) 
Métodos da Vida sob Fadiga 
FALHA POR FADIGA 
 Fadiga Controlada por Deformação (Curvas -N) 
Métodos da Vida sob Fadiga 
Deformação Total 
Deformação Plástica 
Deformação Elástica 
A
m
p
li
tu
d
e
 d
e
 D
e
fo
rm
a
ç
ã
o
 D
/
2
 
Inversões até a falha, 2N 
Coeficiente ’F de ductibilidade à fadiga: 
deformação verdadeira correspondente à 
fratura em uma inversão 
Coeficiente s’F de resistência à fadiga: 
tensão verdadeira correspondente à fratura 
em uma inversão 
Expoente c de ductibilidade à fadiga: 
inclinação da linha de deformação plástica 
Expoente b de resistência à fadiga: 
inclinação da linha de deformação elástica 
 
 
 
   cF
bF NN
E
22
2
'
'
s D
Pouco útil diante da dificuldade de se determinar as deformações na prática 
FALHA POR FADIGA 
 Mecânica de Fratura aplicada à Fadiga 
Métodos da Vida sob Fadiga 
As trincas de fadiga nucleiam-se e crescem quando as tensões variam e 
existe alguma tração em cada ciclo de tensão. 
 mIKC
dN
da
D
Razão de crescimento de trinca por ciclo (da / dN): 
FALHA POR FADIGA 
Resistência à Fadiga 
 Esforços: sMáx;sMín; sm; sa; 
 
 R = sMín/ sMáx; A = sa/sm; 
 
 Resistência à Fadiga: 
 S’e  Limite de Resistência à Fadiga Para vida Infinita (Sem correções). 
 S’F  Limite de Resistência à Fadiga Para vida Finita (Sem correções). 
FALHA POR FADIGA 
Limite de Resistência 
L
im
it
e
 d
e
 R
e
s
is
tê
n
c
ia
 à
 f
a
d
ig
a
 S
’ e
 [
k
p
s
i]
 
Resistência à Tração Sut [kpsi] 
Aços Carbono 
Aços Liga 
Ferro Fundido 
 
FALHA POR FADIGA 
Limite de Resistência 
 AÇOS: 
S’e  0,5 Sut  Sut < 1400 MPa (200 kpsi) 
S’e  700 Mpa (100 kpsi)  Sut  1400 MPa (200 kpsi) 
 
 FERRO FUNDIDO: 
S’e  0,4 Sut  Sut < 400 MPa 
S’e  160 MPa  Sut  400 MPa 
Estimativa do S’e (ou do S’F) baseada em Propriedades Estáticas 
ALUMÍNIO: 
SF(5x108)  0,4 Sut  Sut < 330 Mpa 
SF(5x108)  130 MPa  Sut  330 Mpa 
 
COBRE: 
SF(5x108)  0,4 Sut  Sut < 280 Mpa 
SF(5x108)  100 MPa  Sut  280 Mpa 
FALHA POR FADIGA 
Resistência à Fadiga 
Curva (S-N) 
b
f NaS 
 
b
a
e
ut
e
ut
a
N
S
Sf
b
S
Sf
a
/1
2
log
3
1















s
FALHA POR FADIGA 
Exemplo 1 
Um aço 1050 HR tem uma resistência à tração Sut = 630MPa. Estime: 
 
a) O limite de resistência de viga rotativa a 106 ciclos 
b) A resistência para um corpo de prova de viga rotativa polido 
correspondendo a 104 ciclos até a falha. 
c) A vida esperada sob uma tensão completamente invertida de 385 MPa