CM I Falhas

Prévia do material em texto

Falha (fratura, fadiga
e fluência)
Profa.: Laédna Neiva 
Disciplina: Ciência dos Materiais I
Engenharia de Materiais
A falha nos materiais de engenharia é quase sempre um
evento indesejável por vários motivos.
Embora as causas da falha sejam conhecidas na maioria
das vezes, a prevenção das mesmas é difícil.
As causas mais comuns das falhas são as seguintes:
(i) seleção e processamento de materiais de maneira
inadequada;
(ii) projeto inadequado da peça ou a sua má utilização.
Falhas (Fratura, Fadiga e Fluência)
Introdução:
Definição:
Fratura
A fratura consiste na separação de um
corpo em dois ou mais pedaços em
resposta a uma tensão imposta ao
material, quando essa tensão tem natureza
estática e sob temperatura considerada
baixa.
Tipos de tensões que podem ocasionar a fratura do
material:
Fratura
(a)
Tração
(b)
Compressão
(c)
Cisalhamento
(d)
Torcional
Tipos de Fratura:
Fratura
(a)
Fratura Dúctil
(b)
Fratura Frágil
Ambos os tipos de fratura envolve duas etapas!
Comparação Dúctil X Frágil:
A fratura dúctil é quase sempre preferível por dois
motivos:
(i) a fratura frágil ocorre repentina e
catastroficamente, sem aviso prévio;
(ii) mais energia de deformação é exigida para induzir
uma deformação dúctil.
Fratura
Comparação Dúctil X Frágil:
Fratura
Sob a ação de uma tensão de tração:
METAIS
CERÂMICAS
POLÍMEROS
Fratura dúctil
Fratura frágil
Fratura dúctil ou frágil
Fratura
Fratura Dúctil
Estágios de ocorrência de uma fratura dúctil: (nucleação e propagação da trinca).
Fratura
Fratura Dúctil
Imagem obtida por exame microscópico 
Fratura Frágil
Fratura
A propagação da trinca também se dá de forma perpendicular à ação da σ! 
Fratura
Ensaio de Fratura (ou de Impacto):
Técnica de ensaio cujo objetivo é determinar as características
da fratura dos materiais.
Também chamado de tenacidade ao entalhe.
Determina a energia do impacto.
Fratura
Imagens da Máquina de Ensaio de Impacto
Fratura
Realização do ensaio de Impacto
A fadiga é uma forma de falha que ocorre em
estruturas que estão sujeitas a tensões dinâmicas e
oscilantes.
Fadiga
Exemplos de 
tensões 
dinâmicas e 
oscilantes.
Fadiga
Exemplos de 
tensões 
dinâmicas e 
oscilantes.
Fadiga
(c) representa um ciclo de tensões complicado que pode, por exemplo, ser
encontrado numa asa de aeronave, que é sujeita a sobrecargas repentinas
devido ao vento e à sua própria sustentação.
Exemplos de peças que comumente sofrem 
fadiga:
(i) componentes de máquinas;
(ii) asas de aeronaves;
(iii) pontes.
Fadiga
Características da fadiga:
(i) Esse tipo de falha ocorre após um longo período de tensão
repetitiva.
(ii) O estudo da fadiga é importante pois ela é a maior causa
individual de falhas em metais.
(iii) Os polímeros e as cerâmicas também são vulneráveis a esse
tipo de falha.
(iv) A falha por fadiga é de natureza frágil, mesmo em metais
dúcteis.
Fadiga
Características da fadiga:
(vi) A falha por fadiga é catastrófica e traiçoeira.
(vii) O processo de ocorrência desse tipo de falha se dá
pela iniciação e propagação de trincas.
Fadiga
Fadiga em Peça de Aço
Exemplos de falha por fadiga
Fadiga
Exemplos de falha por fadiga
Fadiga
Fratura por fadiga em um pedal de bicicleta.
Exemplos de falha por fadiga
Fadiga
Fratura por fadiga em peça de aço.
Exemplos de falha por fadiga
Fadiga
Fratura por fadiga em estruturas de concreto.
Definições Importantes:
(i) Limite de Fadiga;
(ii) Vida em Fadiga.
Fadiga
Resultado de um Ensaio de Fadiga:
Fadiga
Teoricamente, o material
nunca sofrerá ruptura por
fadiga caso esteja sob a
ação de tensões abaixo do
seu limite de fadiga.
Para os aços o limite de
resistência à fadiga varia
entre 35-65% do seu limite
de resistência à tração.
Processo Completo de Falha por Fadiga:
(i) Iniciação da trinca em alguma irregularidade superficial (ponto
concentrador de tensões);
(ii) Propagação dessa trinca;
(iii) Ruptura catastrófica quando a trinca atinge um tamanho crítico.
Fadiga
Reparar cantos vivos para evitar falhas ou acidentes.
Quantidade Total de Ciclos até a Ruptura
Fadiga
Onde: N = quantidade total de ciclos até a ruptura.
Ni = número de ciclos para a iniciação da trinca.
Np = número de ciclos para a propagação da trinca.
Fadiga
Como identificar uma ruptura causada por
fadiga?
Presença de 
duas zonas: uma 
lisa e outra 
rugosa.
Fadiga
Como identificar uma ruptura causada por 
fadiga?
Aspectos de zonas lisa e rugosa em superfície de falha por fadiga.
Fadiga
Como identificar uma ruptura causada por 
fadiga?
Quebra de um cilindro de aço.
Fadiga
Amostras de Peças com Falhas por Fadiga
Fadiga
Amostras de Peças com Falhas por Fadiga
Fatores que Influenciam a Vida em Fadiga:
(i) Nível Médio da Tensão (tensão média).
(ii) Efeitos de Superfície (descontinuidades e imperfeições).
(iii) Projeto Geométrico (sulcos, orifícios, roscas, cantos vivos etc).
(iv)Variáveis Metalúrgicas (acabamento superficial, carbonetação,
nitretação, jateamento).
Fadiga
Procedimentos para prevenção de Falha por Fadiga:
Efeito da forma da Peça
Fadiga
Evite cantos vivos: problemas de
concentração de tensão.
Procedimentos para prevenção de Falha por Fadiga:
Efeito da forma da Peça
Fadiga
Para evitar trincas: problemas de concentração de tensão.
Procedimentos para prevenção de Falha por Fadiga:
Efeito do Nível de Polimento Superficial da Peça
Fadiga
Exemplo de ótimo
acabamento superficial
Fadiga
Ensaio de Fadiga
(i) É um método utilizado para especificar os limites de tensão e
de tempo de uso de um produto.
(ii) Consiste em submeter uma série de corpos de prova a cargas
oscilantes com valores de tensões decrescentes.
(iii) O corpo de prova deve ser apropriado e padronizado
especificamente para esse tipo de ensaio.
(iv) No ensaio, o corpo é levado a ruptura após um certo número
de ciclos que são registrados na máquina.
Fadiga
Ensaio de Fadiga
Tipos de solicitações mecânicas:
(i) Torção
(ii) Tração – Compressão
(iii) Flexão
(iv) Flexão Rotativa (Torção e Flexão)
Fadiga
Ensaio de Fadiga
O ensaio permite simular
condições reais de
trabalho, acoplado a um
contador de ciclos.
Um ciclo completo de
flexão e torção é
aplicado a cada volta do
eixo e o nº de ciclos é
registrado no contador
de rotações.
Fadiga
Ensaio de Fadiga
Fadiga
Ensaio de Fadiga
É sempre preferível ensaiar a própria peça.
Ensaio de fadiga realizado nos apóia-
braços e assento de poltronas.
Fadiga
Ensaio de Fadiga
É sempre preferível ensaiar a própria peça.
Avaliação e controle de
qualidade de mobiliário.
Fadiga
Ensaio de Fadiga
Máquinas para ensaios de fadiga:
Fadiga
Ensaio de Fadiga
Realizado em máquina
universal de ensaios:
Definição:
Fluência
É uma deformação
apresentada por um
material ocasionada pela
combinação de dois
fatores: tensão mecânica
estática e temperatura
elevada.
Características da Fluência:
 Fenômeno pelo qual metais e ligas tendem a sofrer
deformações plásticas muito intensas e permanentes.
 Acomete materiais que estão sob a ação de cargas estáticas
por longos períodos, porém inferiores a seu limite de
resistência normal.
 É um tipo de deformação ativada sob elevadas temperaturas.
 Para os metais ela só acontece sob temperaturas próximas a
0,6Tf.
 Exemplos de equipamentos que estão sujeitos a falhar por
fluência: turbinas a jato e geradores de vapor.
Fluência
Características da Fluência:
(i) É, em geral, um eventoindesejável.
(ii) É observada em todos os tipos de materiais.
(iii) Os polímeros e as borrachas são especialmente
vulneráveis a esse tipo de falha.
Fluência
Ensaios de Fluência:
(i) Têm o objetivo de analisar a resistência dos materiais à fluência.
(ii) Em geral, são realizados durante o desenvolvimento de projetos de
peças ou componentes.
(iii) São realizados até a ruptura do corpo de prova.
Fluência
Ensaios de fluência
Fluência
Realização do ensaio de Fluência.
Ensaios de fluência
Equipamento para ensaio de fluência.
Fluência
Ensaios de Fluência
Fluência
METAIS POLÍMEROS CERÂMICAS
Fluência 
por 
Tração
Fluência por 
Compressão
Resumo sobre Falhas
A FALHA ou RUPTURA nos materiais, em
geral, pode acontecer por:
 Fratura
 Fadiga 
 Fluência