Ensaios mecanicas - Fadiga (aula 3)

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 Ensaios Mecânicos Fadiga 
Prof: Jania Betania A. da Silva
janiabetania@ufrb.edu.br
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Fadiga
Definição 
A fadiga é uma falha estrutural que ocorre em um material sujeito a cargas cíclicas; 
Ocorre abaixo do limite de escoamento ou de resistência à tração, em todos os materiais; 
Responde por cerca de 90% das falhas em metais;
É catastrófico e ocorre rapidamente, sem indicação visual 
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 Falha por Fadiga
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Fadiga
Fadiga é um processo de acúmulo de dano permanente,
progressivo e localizado, que ocorre em componentes ou
materiais sujeitos à condições dinâmicas de carregamento.
A fratura por fadiga resulta do desenvolvimento progressivo
de uma trinca sob a aplicação repetida de tensões. 
Tais tensões são inferiores àquelas capazes de provocar uma
fratura sob carregamento monotônico e ainda, muitas vezes,
inferiores ao próprio limite de escoamento do material.
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 Falha por Fadiga
A maioria dos equipamentos e estruturas está sujeito a
carregamentos repetidos (cíclicos). 
Exemplos: bombas, hélices, aviões, pontes, navios e estruturas offshore.
 OBS: As preocupações com falhas por fadiga tiveram início no
século XIX, quando motivadas pelos inúmeros acidentes
ferroviários que ocorreram na Europa e Estados Unidos,
como conseqüência do aumento do transporte de
passageiros através da malha ferroviária existente,
observou-se que as fraturas ocorriam no
regime linear elástico.
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Falha por Fadiga
Acidente ocorrido na Áustria em 1875 e provocado por fadiga nas rodas da locomotiva
Acidente envolvendo falha por fadiga
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Falha por Fadiga
É importante caracterizar os possíveis tipos de carregamentos cíclicos que provocam o fenômeno de fadiga, sendo que as tensões aplicadas podem ser axiais (tração-compressão), de flexão (dobramento) ou de torção (carga rotativa), permitindo, de modo geral, a existência de três diferentes formas de tensões variáveis com o tempo.
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Tensões cíclicas 
A tensão aplicada pode ser de natureza axial (tração-compressão), flexional ou torsional;
Em geral, 3 diferentes modos de variação de tensão com o tempo são possíveis 
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Fadiga
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Esquema de um ensaio de Fadiga
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Fadiga
Quando são aplicados esforços dinâmicos repetidos ou flutuantes a um material metálico, o mesmo pode romper-se com uma tensão bem inferior ao limite de resistência determinado no ensaio de tração (ou compressão) 
Podendo variar de 1/4 a 1/2 da tensão de ruptura.
Sob carregamento cíclico o material sofre fadiga !
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Aspecto microscópico da falha por fadiga
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Ensaio de Fadiga
Para determinar a resistência à fadiga, ensaiamos corpos de prova em tensões sucessivamente menores e medimos o número de ciclos de carregamento que estes suportam até se romper. 
Os resultados são traçados em diagramas tensão versus número de ciclos chamados de diagramas de Wöhler.
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Ensaio de Fadiga
Curva S-N 
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ENSAIO DE FADIGA 
Existe um considerável espalhamento dos dados de fadiga, resultado de sua sensibilidade a parâmetros de ensaio e de fabricação do CP, que incluem a sua preparação superficial, o seu alinhamento e variáveis metalúrgicas 
Uma das forma de representar estes dados é por meio de uma série de curvas de probabilidade P 
Assim, as curvas de literatura são, normalmente, valores médios. 
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Limite de Resistência à fadiga
É o valor da tensão para a qual o material suporta um número suficientemente elevado de ciclos de carregamento e descarregamento sem se romper (este número depende da aplicação do material !)
Especificamos um número definido de ciclos a suportar (de 106 a 108 ) e a tensão para a qual o material suporta este número de ciclos chamamos de resistência à fadiga.
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ENSAIO DE FADIGA 
Os materiais poliméricos possuem limites de resistência à fadiga e a resistência à fadiga menores do que aqueles dos metais, bem como um comportamento em fadiga muito mais sensível à frequência de carregamento.
O seu ciclamento a altas frequências e cargas pode causar aquecimento localizado, levando a uma falha por amolecimento em vez de propriamente por fadiga 
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Resistência a Fadiga 
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FRATURA POR FADIGA 
O processo de fratura por fadiga é caracterizado por 3 etapas, que podem, geralmente, ser observados por fratografia: 
- Iniciação da trinca 
Forma-se em um concentrador de tensões 
- Propagação da trinca 
Marcas de praia (ou concha) e estrias de fadiga 
- Fratura final 
Dúctil ou frágil 
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FRATURA POR FADIGA 
Superfície de fratura 
As marcas de praia (marcas de conchas) podem ser observadas a olho nu; 
São encontradas em componentes que experimentam interrupções durante o seu funcionamento 
Marcas de praia; as setas indicam a direção de crescimento de trinca 
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FRATURA POR FADIGA 
Superfície de fratura 
Cada banda corresponde a um período de tempo em que ocorreu o crescimento ininterrupto da trinca. 
Marcas de praia ou de concha 
Eixo rotativo de aço com marcas de praia 
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Superfície de fratura 
Cada estria corresponde ao avanço de uma frente de trinca durante um único ciclo de carregamento e apresenta dimensões microscópicas.
Podem existir milhares de estrias em uma única marca de praia .
São observáveis apenas ao MET ou MEV 
Estrias de fadiga (MEV, 1000X) 
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Superfície de fratura
Embora a presença de marcas de praia e de estrias confirmem que a causa da falha foi a fadiga, a sua ausência não exclui esta possibilidade.
Estrias de fadiga em Al (MEV) 
Estrias de fadiga em Al (MET) 
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Superfície de fratura 
As marcas de praia e as estrias não estarão presentes na região de ruptura, que pode ser frágil ou dúctil.
Textura opaca e fibrosa da região de ruptura 
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Mecanismos de nucleação de trincas por Fadiga
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Aspectos de superfícies de Fadiga
- Seção de ruptura em fadiga ao ar do corpo de prova e caracterização das microestruturas.
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VARIÁVEIS 
Generalidades 
O comportamento de fadiga é altamente sensível a diversas variáveis, dentre elas: 
-Nível médio de tensão 
-Efeitos superficiais
-Efeitos ambientais 
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Nível médio de tensão
A sua influência pode ser visualizada por meio de uma série de curvas S-N 
O seu aumento diminui a vida em fadiga 
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Efeitos de superfície
A maioria das trincas tem início em concentradores de tensões na superfície, onde estão localizadas, geralmente, as tensões máximas.
 As variáveis de projeto incluem entalhes ou descontinuidades, que podem atuar como concentradores de tensões, mais severos quanto menor for o seu raio de curvatura.
 Isso pode ser evitado com a eliminação de mudanças geométricas bruscas, como o adoçamento de filetes com grandes raios de curvatura.
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Efeitos de superfície
Durante as operações de usinagem, a introdução de riscos e sulcos limitam a vida em fadiga da peça.
 A melhoria do acabamento superficial, por meio de polimento, por imposição de tensões residuais de compressão ou de endurecimento superficial aumentam o desempenho em fadiga.
 Tensões residuais superficiais são introduzidas por jateamento de partículas pequenas e duras (0,1-1 mm) lançadas a altas velocidades e que deformam a peça plasticamente.
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Fadiga
Falha em trem de pouso (liga de Al) de Fokker 100 causada por por fadiga