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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 1. INTRODUÇÃO A falha dos elementos mecânicos foi analisada até agora apenas para cargas constantes e elementos estacionários. Os elementos mecânicos estão normalmente submetidos a cargas dinâmicas (repetidas, alternadas ou flutuantes) que, em conjunto com as descontinuidades geométricas (regiões de concentração de tensões) alteram a resistência do material e as falhas ocorrem antes do previsto. Estas falhas são denominadas FALHAS POR FADIGA e ocorrem sem aviso e,por isso, são extremamente perigosas. Por este motivo, exigem uma análise mais apurada das tensões atuantes e do seu desenvolvimento. 2 1.1. FADIGA DOS MATERIAIS UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 1. INTRODUÇÃO Inicia-se com uma pequena falha, invisível ou difícil de localizar por qualquer processo de detecção (raio-x amin = 0.5 mm), localizada normalmente em pontos de concentração de tensões (variação de seção, rasgos, entalhes, roscas, furos e etc.) ou mesmo a rugosidade superficial. 1ª FASE: Início ou nucleação da trinca: 2ª FASE: Desenvolvimento da trinca: O desenvolvimento da trinca é gradual e, dependendo das condições, bastante veloz. Pode ser acelerado pelo efeito de concentração de tensões 3ª FASE: RUPTURA: Sem aviso, repentina e total. Por isso, perigosa. 1.2. DESENVOLVIMENTO DA TRINCA 3 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 1. INTRODUÇÃO A falha por fadiga pode ser reconhecida pela análise da aparência da superfície de fratura do elemento. Esta consiste, normalmente, de uma região LISA, que corresponde ao estágio da propagação da trinca, e uma região ÁSPERA, indicando a localização da ruptura final e repentina do elemento. O progresso da trinca é indicado por uma série de linhas ou anéis chamados marcas de praia (beach marks), normalmente originada de um defeito superficial. 1.2. DESENVOLVIMENTO DA TRINCA (cont.) 4 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 1. INTRODUÇÃO 1.2. DESENVOLVIMENTO DA TRINCA (cont.) 5 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 1. INTRODUÇÃO 1.2. DESENVOLVIMENTO DA TRINCA (cont.) 6 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 2. CARGA DINÂMICA (CARREGAMENTO VARIÁVEL) Para estudar o efeito da FADIGA na ruptura dos materiais submetidos a cargas variáveis, executa-se o ENSAIO DE FADIGA, feito em máquinas especialmente projetadas, onde um corpo de prova com características previamente determinadas, é submetido ao efeito de cargas de magnitude controlada, enquanto o número de ciclos é contado até o colapso. 2.1. FADIGA DOS MATERIAIS 7 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 2.2.1. CORPO DE PROVA - Dimensões normalizadas - Ausência de concentradores de tensão (R h) - Acabamento superficial “espelhado” - Temperatura do ensaio controlada (20º C) 2.2. ENSAIO DE FADIGA - Diagrama S x N Corpo de prova característico para o ensaio de fadiga rotativa 2. CARGA DINÂMICA 8 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a Motor Acoplamento Flexível Pesos Corpo de provaRPM Conta-giro 2.2.2. Máquina de Ensaio de FADIGA 2.2. ENSAIO DE FADIGA - Diagrama S x N 2. CARGA DINÂMICA 9 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 2.2. ENSAIO DE FADIGA - Diagrama S x N 2. CARGA DINÂMICA 10 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a Sf Se Aços 0.8xSut Gráfico típico de aços submetidos ao ensaio de fadiga. 2.2. ENSAIO DE FADIGA - Diagrama S x N 2. CARGA DINÂMICA 11 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a Se Limite de resistência à fadiga para vida INFINITA do corpo de prova. - Valor limite de tensão abaixo do qual o material pode suportar um número “infinito” de ciclos de carga regulares, sem ruptura. Sf Limite de resistência à fadiga para vida FINITA do corpo de prova. Sf = f(N) N Número de ciclos, aplicações de carga, VIDA. 2.2.3. DIAGRAMA S X N - Definições 2. CARGA DINÂMICA 12 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a OBS.: Materiais que não apresentam “cotovelo”, deve-se utilizar Se correspondente a 108 N 5x108. Se N 103 ciclos baixas rotações análise por carga ESTÁTICA Se 103 N 106 ciclos vida FINITA altas rotações Se N > 106 ciclos vida INFINITA 2. CARGA DINÂMICA 2.2.3. DIAGRAMA S X N - Definições 13 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a - Quando não é previsto nem necessário ao elemento ou equipamento uma longa vida. Ex.: armamentos em geral. - Cálculo de Sf: bC f NS 10 Se Su b t 8.0 log 3 1 Se Su c t 2 8.0 log b c b f SN 10 1 onde: 2. CARGA DINÂMICA 2.2.4. Vida FINITA - 103 N 106 14 2.2.5. Vida INFINITA - N > 106 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a onde: Se limite de resistência à fadiga do elemento de máquina Se’ limite de resistência à fadiga do corpo de prova (ensaio) ka...kf fatores modificadores de Se’ (podem aumentar ou diminuir Se’) ka fator de acabamento superficial kb fator de tamanho ou dimensão kc fator de confiabilidade kd fator de temperatura ke fator de concentração de tensões kf fator para outros efeitos Se = ka x kb x kc x kd x ke x kf x ... x Se’ 2. CARGA DINÂMICA 15 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E lem e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 1. Através de ensaios (traçar o diagrama S x N) 2. Método “didático” Se Sut - Relação 3. LIMITE DE RESISTÊNCIA À FADIGA - Se 3.1. Cálculo de Se’ 16 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a tt t tt SuSueSAxial MPaSuMPaeS MPaSuSueS Flexão 51068.9566.0 )1400(700 bom) muito porém didático,(Valor )1400(5.0 Oo t tt FFdosespropriedadpgATab MPaSuMPaeS MPaSuSueS __699,20. )600(275 )600(45.0 Se = 0.5 x Sut 6.04.0 Se Su t Gráfico Obs.: Se’máx = 700 MPa AÇOS: Ferro Fundido 3. LIMITE DE RESISTÊNCIA À FADIGA - Se 3.1. Cálculo de Se’ (cont.) 17 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 1. Fator de Acabamento superficial - ka ka = f(Sut) 200 600 1000 1400400 800 1200 1600 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 F A T O R D E A C A B A M E N T O S U P E R F IC IA L - k a TENSÃO DE RUPTURA - Sut [MPa] Polido/Espelhado Retificado Corrosão em água comum Corrosão em água salgada Usinado/Laminado à frio Laminado à quente Fundido/Forjado - Polido/Espelhado - Retificado - Usinado/Laminado à frio - Laminado à quente - Fundido/forjado 3. LIMITE DE RESISTÊNCIA À FADIGA - Se 3.2. Fatores que influenciam a vida do material (Se’): 18 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 3. Limite de Resistência à FADIGA 3.2. Fatores que influenciam a vida do material (Se’): 1. Fator de Acabamento Superficial – ka (cont.) b uta Sak ACABAMENTO SUPERFICIAL FATOR a EXPOENTE b [KPSI] [MPa] Retificado 1.34 1.58 -0.085 Usinado ou Laminado a frio 2.70 4.51 -0.265 Laminado a quente 14.4 57.7 -0.718 Forjado 39.9 272 -0.995 19 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 3. Limite de Resistência à FADIGA 3.2. Fatores que influenciam a vida do material (Se’): 2. Fator de dimensão e forma – kb 40 60 50 100 90 80 70 120 110 [%] 50 100 150 200 250 300 d [mm] 10 20 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 3. Limite de Resistência à FADIGA 3.2. Fatores que influenciam a vida do material (Se’): 2. Fator de dimensão e forma – kb d D - Gradiente de tensões - Probabilidade de falhas 21 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 1070241 .b d.k 1570511 .b d.k 2.79 d 51 mm 51 d 254 mm 3. Limite de Resistência à FADIGA 3.2. Fatores que influenciam a vida do material (Se’): 2. Fator de dimensão e forma – kb (cont.) Carga axial kb = 1 - Seção circular: d = diâmetro - Seção retangular: d = 0.808 (b x h)0.5 d = dimensão característica 22 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 3. Limite de Resistência à FADIGA 3.2. Fatores que influenciam a vida do material (Se’): 3. Fator de confiabilidade – kc Confiabilidade: É a probabilidade de um elemento ou equipamento apresentar um desempenho adequado, sem falhas, durante o período de tempo estabelecido pelo projetista, sob condições especificadas. É a probabilidade de ocorrer ou não falha do equipamento. 23 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 3. Limite de Resistência à FADIGA 3.2. Fatores que influenciam a vida do material (Se’): 3. Fator de confiabilidade – kc (cont.) Confiabilidade Fator de Confiabilidade (kc) 0,50 1 0,90 0,897 0,95 0,868 0,99 0,814 0,999 0,753 0,9999 0,702 0,99999 0,659 0,999999 0,620 0,9999999 0,584 0,99999999 0,551 0,999999999 0,520 P() S(resistências) atuantes 24 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 3. Limite de Resistência à FADIGA 3.2. Fatores que influenciam a vida do material (Se’): 4. Fator de temperatura – kd 25 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 3. Limite de Resistência à FADIGA 3.2. Fatores que influenciam a vida do material (Se’): 4. Fator de temperatura – kd (cont.) CT CT k o O d 5003505.0 3501 26 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 3. Limite de Resistência à FADIGA 3.2. Fatores que influenciam a vida do material (Se’): 5. Fator de concentração de tensões – ke * 1 f e k k )1(1* tf kqk kt Tabelas A-13, pág. 1028 até 1034 27 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 3. Limite de Resistência à FADIGA 3.2. Fatores que influenciam a vida do material (Se’): 5. Fator de concentração de tensões – ke (cont.) )1(1* tf kqk 28 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 3. Limite de Resistência à FADIGA 3.2. Fatores que influenciam a vida do material (Se’): 5. Fator de concentração de tensões – ke (cont.) 1 1* t f flexão k k q 1 1* ts fs torção k k q q = fator de sensibilidade ao entalhe ou )1(1* tf kqk 29 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 3. Limite de Resistência à FADIGA 3.2. Fatores que influenciam a vida do material (Se’): 5. Fator de concentração de tensões – ke (cont.) q = fator de sensibilidade ao entalhe Figura 6-20, pág. 313 flexão e carga axial q = f(Sut ,r) Figura 6-21, pág. 314 Torção reversível q = f(Sut,r) Materiais frágeis pequena sensibilidade ao entalhe. Ex.: Fo Fo 0 q 0.2 30 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I- F a d ig a 3. Limite de Resistência à FADIGA 3.2. Fatores que influenciam a vida do material (Se’): 6. Outros Fatores – kf O fator kf é reservado para qualquer outro tipo de efeito que ocorra no equipamento ou elemento de máquina. Ex.: Tensões residuais, corrosão, ambiente químico e etc. Limite de Fadiga Condição de ensaio MPa kgf/mm 2 1 Sem corrosão 490 50 2 CP submetido à ação de água potável por 10 dias e, em seguida ensaiado contra fadiga ao ar 320 32,6 3 CP submetido à ação de água potável por 10 dias sob um esforço alternado de 40 MPa e, em seguida ensaiado contra fadiga ao ar 270 27,5 4 Idem, 50 MPa 250 25,5 5 Idem, 60 MPa 220 22,4 6 Idem, 80 MPa 190 19,4 7 Ensaio de fadiga sob corrosão em água potável 110 11,2 31 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 4. Tipos de Carregamento 32 Co mp re ssã o Tr aç ão 0 [+ ] [-] TE NS ÃO A TU AN TE (a) (b) (d) (c) (e) (f) a) Variável sem reversão - tração b) Repetida - tração c) Repetida – compressão d) Alternada ou completamente reversível e) Variável sem reversão - compressão f) Variável com reversão UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 4. Tipos de Carregamento 2 mínmáx m 2 mínmáx a mínmáxr m aA - Tensão máxima máx - Tensão mínima mín - Tensão média - Tensão de amplitude - Variação de tensão - Razão de tensões ou máx mínR 33 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 4. Tipos de Carregamento [+] [-] TE NS ÃO A TU AN TE máx min a m R TE NS ÃO A TU AN TE [-] min 0 máx [+] a N m R máx min TE NS ÃO A TU AN TE [-] min= 0 máx [+] a N m R TE NS ÃO A TU AN TE [-] min 0 m N máx [+] a R Variável com reversão Variável sem reversão - tração Repetido Variável com reversão N0 34 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 5. Influência das Tensões Media e de Amplitude 5.1. Diagrama de Goodman Se Sy Sut méd Te ns ão m éd ia Ten são má xim a T en sã o m ín im a Sut Se (+) (-) méd méd méd méd méd pontos de ruptura obtidos no ensaio. critério de falha por fadiga de Goodman Representa os valores de uma série de diagramas S x N, com os CP’s submetidos a diversas magnitudes de esforços. 35 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 5. Influência das Tensões Media e de Amplitude 5.2. Diagrama de Soderberg Valores obtidos no ensaio médio Se Sy Sy Su Su t t Sy c Su c amp amp médio Valores obtidos no ensaio c c SySu Se Su Sy amp médio t Sy t Su amp médio = 1 amp médio > 1 amp médio < 1 Valores obtidos no ensaio médio Se Sy Sy Su Su t t Sy c Su c amp amp médio Valores obtidos no ensaio c c SySu Se Su Sy amp médio t Sy t Su amp médio = 1 amp médio > 1 amp médio < 1 Su Sy c c Valores obtidos no ensaio Se 3 4 Sy Su amp SuSy t t 1 3 2 médio 36 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 5. Influência das Tensões Media e de Amplitude 5.2. Diagrama de Soderberg (cont.) 4 médioSy t 3 2 5 Su t 1 Valores obtidos no ensaio amp Sy Se Su Critério de Gerber (parábola). Critério da ASME (elipse). Critério de Goodman modificado. Critério de Goodman. Critério de Soderberg. 4 5 3 2 1 37 Valores obtidos no ensaio médio Sy Su Se amp 4 SuSy t t 2 5 1 3UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 5. Influência das Tensões Media e de Amplitude 5.2. Diagrama de Soderberg (cont.) 1 t ma SuSe Critério de Goodman - utilizado em materiais frágeis 1 SySe ma Critério de Soderberg - utilizado para materiais dúcteis 38 Se 4 Valores obtidos no ensaio Su Sy amp médioSy Su t t 1 2 3 a2 2m 1a 1m Se CS 1 2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 5. Influência das Tensões Media e de Amplitude 5.2. Diagrama de Soderberg (cont.) Set ma CSSuSe 1 Critério de Goodman - utilizado em materiais frágeis Se ma CSSySe 1 Critério de Soderberg - utilizado para materiais dúcteis 39 5. Influência das Tensões Media e de Amplitude UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 5.3. Outros critérios propostos – Teorias não-lineares - Parábola de Gerber - Equação elíptica de Marin - Equação de Kececioglu - Equação de Bagci 1 2 t ma SuSe 1 22 t ma SuSe 1 2 t m a a SuSe 1 4 SySe ma a = 2.75 (AISI 4340) a = 2.606 (R > 50%) 40 EXERCÍCIO 1 – Ex. em sala. UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a A figura abaixo mostra um elemento de máquina fabricado em aço AISI 4130 Q&T 315º C, com acabamento superficial retificado, submetido a ação de uma carga alternada de 1320 N. Determine a margem de segurança, sabendo que o elemento foi projetado para trabalhar a 100º C, com 90% de confiabilidade. F 7550 10 r = 1 mm 2026 41 EXERCÍCIO 2 O elemento de máquina mostrado na figura abaixo está submetido a ação de uma carga axial F. Ele é fabricado em aço UNS G 10200 CD, com acabamento superficial usinado. Para uma vida infinita e confiabilidade de 99 %, determine o máximo valor de F para os seguintes casos: A) Carga completamente reversível; B) Carga repetida; C) Carga completamente reversível e temperatura = 430oC. UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de EngenhariaMecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a F 80 10 r = 6 mm 60F 42 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a A figura abaixo mostra um eixo rotativo apoiado nos pontos A e B. Ele é fabricado em aço UNS G 10600 HR, com acabamento superficial usinado e suporta uma carga de 6.8 kN. Para as características de montagem e utilização abaixo, estime a vida do elemento. Características: - temperatura de trabalho: 120º C - confiabilidade: 95 % - raios de “adoçamento” - r = 3 mm D DD1 2 L A L 5 1 1 D 3 4 D 5 L F LL 2 2 3 B L 5 4 43 EXERCÍCIO 3 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a Comprimentos [mm]: L1 = 250 Diâmetros [mm]: D1 = 30 L2 = 75 D2 = 32 L3 = 100 D3 = 38 L4 = 125 D4 = 35 L5 = 10 D5 = 30 D DD1 2 L A L 5 1 1 D 3 4 D 5 L F LL 2 2 3 B L 5 4 44 EXERCÍCIO 3 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a EXERCÍCIO 4 O eixo abaixo está apoiado em mancais de rolamento nos pontos A e B e foi projetado para girar a 1720 rpm durante 10 minutos, com confiabilidade de 99.99 %. O aço utilizado para a fabricação é o aço AISI 1030 Q&T 315ºC, com acabamento superficial retificado e raios de “adoçamento” de 1.6 mm. A temperatura de trabalho é 80ºC e o eixo suporta cargas F1 = 8.9 kN e F2 = 13.4 kN. Determine: a) CS contra falha estática. b) CS contra falha por fadiga. c) diâmetro necessário para que o CS para vida infinita seja 1.1. 45 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a EXERCÍCIO 4 L L L L 1 2 3 5 F A B AR BR 1 2 D 1 D2 D D D 3 4 5 F L 6 1 2 L 7 L 4L 4 r = 1.6 mm r = 1.6 mm Comprimentos [mm]: Diâmetros [mm]: L1 = L2 = L3 = 200 D1 = D5 = 37 L4 = 12.5 D2 = 40 L5 = L6 = 250 D3 = 48 L7 = 75 D4 = 44 46 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 6. FADIGA sob tensões cisalhantes 6.1. Critérios de falha M.T.C. Ssy = 0.5 x Sy M.E.D. Ssy = 0.577 x Sy Os ensaios mostram que ambas as teorias podem ser utilizadas para a previsão de falha por fadiga sob tensões cisalhantes. Assim, M.T.C. Sse = 0.5 x Se M.E.D. Sse = 0.577 x Se (mais utilizada) 47 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 6. FADIGA sob tensões cisalhantes 6.2. Diagrama de Soderberg Valores obtidos no ensaio SSu SSy amp médioSSy SSut t Goodman Sodderberg SSe 0.5 x SSy t a = Sse falha por fadiga (a tensão média não afeta o limite de resistência (Sse)). máx = a + m = Ssy falha estática Ssey m e a CSSsSs 1 material dúctil Sset m e a CSSsuSs 1 material frágil 6.3. Critério adotado (conservativo) 48 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 7. Propagação de Trinca por FADIGA metal de base solda ZTA metal de base solda ZTA 1 2 3 70 140 220 Fmáx mín M máx F 2 F 2 R1 R2 Roletes Corpo de Prova 49 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 7. Propagação de Trinca por FADIGA Corpo de Prova F 0.5 sen t Luneta 50 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 7. Propagação de Trinca por FADIGA a N a a f i Fratura a f f a Fratura Fratura s > s > s Fator de intensidade de tensões aYk 51 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 7. Propagação de Trinca por FADIGA T a xa d e p ro p a g a çã o d e t ri n ca - d a d N MPa m 10 100 4 5 6 7 8 9 Amplitude do fator de intensidade de tensões K [ ] ci cl o 10 ] [ m 10 10 10 10 10 10 10 1 R 0= , 4 6 8 2 , , , 0 0 0 0 R = R = R = =R ,2= 0R 6 4 8 ,= 0R =R ,0 =R 0, =R 0 Região I I Região I Região II I R = 0 mín máx t 0 med 0 mín med R = 0.2 máx R = 0.4 R = 0.8 0 mín t med máx 0 t mín R = 0.6 máx med t0 mín máx med t K máx mín ef Contato entre as superfícies da trinca op K K K K nKC dN da dN da = taxa de crescimento da trinca C = coeficiente linear da reta (depende do material) K = Kmáx - Kmin faixa do fator de intensidade de tensões [MPa.m1/2] n = coeficiente angular (depende do material) 52 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 7. Propagação de Trinca por FADIGA Ela pode ser integrada entre os limites ai e af , determinando-se o n o de ciclos até a falha do material. Falha é o valor limite da trinca que pode causar vazamentos (amáx < af) ou a ruptura da estrutura (amáx = af) nKC dN da O caso mais geral é obtido quando a fator geométrico f() = Y é função de a. da faC da faC N f i f i a a n nn n a a n nn n f 2222 111 53 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 8. FADIGA SUPERFICIAL (desgaste, “pitting”) Ocorre em elementos que trabalham em contato rolante, deslizante ou ambos, após um certo no de ciclos. Exemplos: engrenagens, correntes, rolamentos, came e seguidor e etc. As causas deste tipo de fadiga são: - altas tensões de contato (hertz) - no de ciclos - dureza dos materiais - acabamento superficial - temperatura - lubrificação 54 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 8. FADIGA SUPERFICIAL (desgaste, “pitting”) lb F p 2 max 21 2 2 2 1 2 111 11 2 dd EE l F b 55 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica E le m e n to s d e M á q u in a s I - F a d ig a 8. FADIGA SUPERFICIAL 7076,2 HBSC Sc Resistência ao desgaste superficial para vida de até 10 8 ciclos. [MPa] HB dureza Brinell do material 56
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