FRATURA.06

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Fratura dos Materiais
Prof. João Mattos
Aula 6
Aplicação da Mecânica da Fratura na Fadiga
O processo de fadiga possui grande representatividade na falha de componentes mecânicos, sendo protagonista em cerca de 90% dos casos de fratura de metais. Este fato motivou esforços no sentido de desenvolver teorias físico-matemáticas que nos ajudem a entender o fenômeno e a relacioná-lo com as equações já consolidadas da Mecânica da Fratura. Nesta aula, veremos os avanços mais relevantes neste intento e que se consolidaram como uma ferramenta de projeto capaz de prever a vida útil de componentes mecânicos
Aplicação da Mecânica da Fratura na Fadiga
Analisando historicamente o desenvolvimento do estudo da fadiga, observa-se que a partir da década de 1960, houve uma nova abordagem do fenômeno, valorizando-se dois aspectos:
a) no fenômeno da fadiga, existe uma fase de crescimento subcrítico da trinca, ou seja, o crescimento não é catastrófico e há até a possibilidade de imobilização das trincas em algumas situações. 
b) a nucleação de trincas é uma ocorrência que ocupa um curto período de tempo na vida de um corpo sob fadiga, originada logo nos primeiros ciclos.
Aplicação da Mecânica da Fratura na Fadiga
Modelo de P. Paris e F. Erdogan -1963
Aplicação da Mecânica da Fratura na Fadiga
Modelo de P. Paris e F. Erdogan -1963
Lembre-se que vimos na aula 4 o fator de intensidade de tensões em um caso particular, em que K é denominado de Kc (tenacidade a fratura), que é a situação em que K assume um valor crítico resultando na propagação súbita da trinca até a falha. 
Aqui, estamos considerando valores de K inferiores a Kc, contexto em que a trinca pode ser considerada em um modo estável 
Aplicação da Mecânica da Fratura na Fadiga
Gráfico logaritmo-logaritmo “da/dN” e DK: três regiões, designadas por “I”, “II” e “III”; porém, a expressão da/dN = A ∆Km só é valida na região II, pois para a região “I”, a relação superestima a velocidade de propagação da trinca (da/dN) e para a região III, a relação subestima a mesma velocidade de propagação.
Aplicação da Mecânica da Fratura na Fadiga
Estágio I: pequenas taxas de crescimento(inferiores 10-8 à 10-5 m/ciclo).
Estágio II: região intermediária de crescimento de trinca (10-8 à 10-5 m/ciclo). 
Estágio III: envolve taxas de crescimento superiores à 10-5 m/ciclo.
Aplicação da Mecânica da Fratura na Fadiga
Na região II, a expressão de Paris-Erdogan representa muito bem o fenômeno de propagação de trincas, com o expoente “m” variando entre 2 e 5. Este fato nos permite quantificar o número de ciclos que um material pode suportar, conhecido a amplitude de variação de “K”, DK. 
Teríamos, portanto, um tamanho tolerável para a trinca, a partir do qual poderíamos trocar o componente ou não mais utilizar todo o equipamento. A trinca pode ser mensurada através de vistorias com ensaios não destrutivos.
Aplicação da Mecânica da Fratura na Fadiga
Na região II, se aceita que ocorre o seguinte processo de propagação de trinca sugerido na figura 
Aplicação da Mecânica da Fratura na Fadiga
Exemplo:
Considere um avião durante um ciclo completo de trabalho, ou seja, taxiamento na pista, decolagem, deslocamento de cruzeiro, ocorrência de turbulência, aterrissagem e taxiamento final. Durante que fases a propagação de uma eventual trinca seria um evento improvável?
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Solução
Como dito anteriormente, o fenômeno da fratura por fadiga se apresenta em um estado preferencial de tensões, sendo que durante o ciclo de trabalho exposto na figura anterior, temos tensões trativas e compressivas. Durante as duas etapas de taxiamento, temos tensões cíclicas, porém somente no estado compressivo, que tende a fechar as trincas, podemos afirmar que a fratura por fadiga é uma possibilidade remota. A partir da decolagem, todas as tensões continuam cíclicas, porém agora em estado trativo, situação favorável a nucleação e propagação da trinca e, portanto, favorável a fratura por fadiga.
Aplicação da Mecânica da Fratura na Fadiga
Exemplo:
Determine a expressão que fornece o número de ciclos até a fratura, baseado na equação de Paris – Erdogan.
Aplicação da Mecânica da Fratura na Fadiga
Solução:
Aplicação da Mecânica da Fratura na Fadiga
A região de altas taxas de crescimento corresponde à região III, parte sobre a qual há pouco conhecimento desenvolvido quando comparada a região II. 
Na região III, o fator de intensidade de tensões aproxima-se do valor de tenacidade à fratura do material (KC ou KIC) e a taxa de propagação é subestimada pela Lei de Paris-Erdogan, ou seja, a mesma fornece um valor inferior ao experimentalmente verificado. 
Aplicação da Mecânica da Fratura na Fadiga
Na região III, podemos verificar mecanismos de fratura semelhantes aos que ocorrem em carregamentos estáticos, representados por clivagem intergranular, transgranular e coalescência de segunda fase.
Aplicação da Mecânica da Fratura na Fadiga
Comportamento em fadiga Próximo ao Valor Limite de Propagação da Trinca (DKo)
Verificou-se que existe um limite para a variação do fator de intensidade de tensões, DK, para o qual não há propagação de trinca ou a mesma ocorre em níveis não detectáveis para os instrumentos atualmente utilizados. 
Este limite é representado por DKo ou DKTh, e em termos práticos corresponde ao valor máximo de DK para o qual não há crescimento de trinca detectável em 107 ciclos. 
João Marques de Moraes Mattos 
O docente é graduado pelo Instituto Militar de Engenharia – IME e concluiu o doutorado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais pela Universidade Federal do Rio de Janeiro em 2003. Atualmente é professor da universidade Estácio de Sá e do Instituto Militar de Engenharia – IME. Atua na área de Engenharia de Materiais e Metalúrgica, com ênfase em cerâmicos avançados.
http://lattes.cnpq.br/6456132028816817
Aplicação da Mecânica da Fratura na Fadiga
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