Physical Sciences">
Apresentação Eng Mat II
Apresentação Eng Mat II
Apresentação Eng Mat II
Professores:
Maria Cindra e Juan Manuel Pardal
Introdução
Introdução
Na engenharia, seja para o projeto e manufatura de pequenos
ou grandes componentes, é fundamental o conhecimento do
comportamento do material com que se trabalha, isto é, suas
propriedades mecânicas em várias condições de uso. As
condições de uso envolvem
Finalidade:
•Obtenção de informações rotineiras do produto
•Desenvolver novas informações sobre os materiais
Métodos de Ensaios:
Determinam que os ensaios devem ser realizados em função da geometria
da peça, do processo de fabricação, e de acordo com as normas técnicas
vigentes
•Própria peça •Amostras
Ensaios:
•Modelos •Corpos de prova retirados da estrutura
Classificação dos Ensaios
Classificação dos Ensaios
Ensaio de Tração
Introdução
Utilização de Mandril
para Ensaio de Tubos
AB região de
deslizamento de
discordâncias
AB região de encruamento
uniforme
UF região de encruamento
não-uniforme
Ensaio de Tração
Vários materiais
Materiais Dúcteis
Materiais Frágeis
Análise Período Elástico
Módulo de Elasticidade Longitudinal (E)
Também
Conhecido Como
Módulo de
Young
Análise Período Elástico
Lei de Hooke
E .
Variação com a
temperatura
Análise Período Elástico
Módulo de Elasticidade (E)
É fortemente dependente das forças de ligação entre os átomos. A
força de ligação entre os átomos são maiores para metais com
temperatura de fusão mais elevadas
Análise Período Elástico
Anisotropia do Módulo de Elasticidade (E)
G .
E
Para materiais isotrópicos, pode-se provar que: G
2 . (1 )
Para a maioria dos metais e ligas o coeficiente de poisson é proximo
de 0,3, então G é aproximadamente igual ao 40% de E
Coeficiente de Poisson ()
Considerando que: x y
x y
z z
Coeficiente de Poisson ()
Análise Período Elástico
Módulo de Resiliência (Ur)
Resiliência é a capacidade de um material absorver energia quando
deformado elasticamente e liberá-la quando descargado. A medida desta
propriedade é dada pelo módulo de resiliência (Ur), que é a energia de
deformação por unidade de volume necessária para tracionar o metal da
origem até o limite de proporcionalidade
A quantificação de Ur é dada pelo trabalho útil realizado, isto é, da área
sob a curva tensão-deformação calculada da origem até o limite de
proporcionalidade
p p
p2 p2 Na prática substitui-se
U r . d E. .d E.
0 0
2 2.E p pelo e
Análise Período Elástico
Módulo de Resiliência (Ur)
Análise Período Elástico
Determinação do limite elástico (Método de Johnson)
DE 0,5.CD FD 1,5.FE
E resulta da
Logo, Traça-se
projeção da reta
OE (50%menor)
na zona elástica
Traça-se FG que Traça-se MN que
tangencia em A tangencia em A
paralela a OE paralela a OD
Análise Período Elástico
S 0 t0 .w0 S f t f .w0
Redução de Área
S0 S f t0 .w0 t f .w0 tf
1 O processo é viável
S0 t0 .w0 t0 desde que <
Comportamento no Regime
Encruamento
Plástico
A necessidade de aumentar-se a tensão para dar continuidade à
deformação plástica do material decorre de um fenômeno
denominado encruamento
Neste processo o material experimenta um endurecimento por deformação
plástica a frio
Este fenômeno resulta da interação entre discordâncias, assim
como da interação destas com outros obstáculos, como solutos,
contornos de grão que impedem a movimentação de discordâncias
As discordâncias no processo de deformação se multiplicam, sendo necessário
uma energia cada vez maior para que ocorra a movimentação
Comportamento no Regime
Encruamento
Plástico
O encruamento ou trabalho a frio é, portanto, um dos
mecanismos de endurecimento que podem ser aplicados aos
metais e ligas. Exemplos de processos de deformação plástica
onde ocorre o encruamento são
•Laminação
•Trefilação
•Forjamento
•Dobramento
Comportamento no Regime
Plástico
Efeito do Encruamento no Limite de Escoamento
Caso o ensaio seja interrompido e retomado após alguns
instantes. A zona plástica vai se iniciar a uma tensão mais elevada
e normalmente sem escoamento nítido
Material Dúctil
e u
Ut . f N .m / m 3
2
Ensaio de Tração
Módulo de Tenacidade (Ut)
Material Frágil
2
U t u . f N .m / m 3
3
Ensaio de Tração
Implicações no uso da Tensão de Engenharia ou Convencional
P
r
S
Tensão Real ou Verdadeira
Deformação Real ou Verdadeira
A deformação real ou verdadeira no processo de carregamento pode ser
estabelecida imaginando-se uma sequência de etapas de carregamento onde o
corpo alonga-se de um valor Δl. Tomados intervalos Δl muito pequenos, ou seja,
aumentando indefinidamente o número de etapas , a deformação pode ser
definida como
l
dl dl l
d r r ln
l l0
l l0
•Dentro dos limites l0 e l instantâneo
•Não válida para o trecho UF (extricção)
Deformação Real ou Verdadeira
Para avaliar a deformação na região UF, deverão ser avaliadas outras direções
além da direção de aplicação da carga
Sabendo que o volume se mantêm constante na região plástica
S 0 . l0 S . l Cte
S0
r ln
S
•Esta última equação é válida no trecho AF
•Não é aplicável na região elástica pois o
volume do material não permanece cte.
Relações entre deformações Reais e
Convencionais
l l0 l l
c 1 c 1
l0 l0 l0
Como já definidas
S0 P P
S Como: r r c 1
c 1 S S0
Expressões analíticas Tensão-Deformação no
Regime Plástico
A deformação não é uma grandeza de estado. Assim, é impossível expressar
com exatidão a dependência analítica = f(). Contudo para o ensaio de
tração uniaxial, foram muitas as tentativas de expressar esta dependência
n 0 é a tensão de escoamento
r 0 K . r Ludwig
K Coeficiente de resistência que quantifica
quanto o material pode suportar
r K . rn Hollomon
n: Coeficiente de encruamento. Representa
a capacidade com que o material distribui a
K e n: f (material, tratamentos) deformação (adimensional)
Expressões analíticas Tensão-Deformação no
Regime Plástico
Hollomon n
r K . r
Influência do n
Hollomon
Influência do n
Hollomon
Influência do n
Determinação do n
A partir da equação de Hollomon
P P S .K . rn
r K . n E sabendo que: r
r S
Derivando
dP K S .n. rn 1d r rn .dS
E sabendo que no regime plástico
dl dS
d r
l S
Determinação do n
Isolando dS e substituindo
dP K S .n. rn 1d r S . rn .d r
dP
No ponto U a curva apresenta seu ponto de carga máxima, então: 0
d r
n 1 n
n. ru ru
O coeficiente de encruamento
n ru (n) corresponde à deformação
real no ponto de carga máxima
Instabilidade Plástica
A estricção, ou deformação localizada no Cp do ensaio
de tração, tem inicio no ponto de aplicação da máxima
carga, a partir do qual o estado uniaxial de tensão da
lugar a um complexo estado triaxial de tensões
dP
Esta situação de instabilidade tem inicio definido pela condição: 0
d r
P r .S
d r dS Como na dV
S. r. 0 deformação 0
d r d r plástica d r
Instabilidade Plástica
dV d (S.l ) dl dS dS S .d l
0 0 S. l. 0
d r d r d r d r d r l.d r
d r dS
Substituindo em: S. r. 0
d r d r
d r S .d l dl
S. r . 0 Sabendo que d r
d r l.d r l
d r A instabilidade ocorre quando a
r tangente da curva r-r e igual
d r à magnitude da tensão aplicada
Instabilidade Plástica
d r Pode ser apresentada em
r termos de deformação r ln c 1
d r convencional, pois:
1 d r r
Derivando d r d c
c 1 d c c 1
d r r
d c c 1
Construção de
Considère
Por semelhança de
triângulos
c r
1 c 1
Determinação do K e n
O coeficiente de resistência (K) e de encruamento (n)
podem ser determinados em gráfico log-log a partir de:
Hollomon
n
r K . r
Aplicando Log em ambos n
log( r ) log( K . )
r
os membros
Taça e Cone
Análise da Superfície de Fratura
Frágil
Quanto maior a
temperatura maior a
sensibilidade à taxa de
deformação
Influência da Taxa de Deformação
O expoente m pode ser obtido de uma maneira mais precisa é
através de ensaios com taxa de deformação variável :
A velocidade de conformação da
maioria dos equipamentos
comerciais é apreciavelmente mais
rápida do que a velocidade de
deformação utilizada no ensaio de
tração padronizado
Ensaio de Compressão
É a aplicação de uma carga compressiva uniaxial em um cp
No entanto,
esses materiais
são resistentes
à compressão
Ensaio de Compressão
Compressão em Metais Dúcteis
P 4.P Tensão
c Convencional ou
S 0 .D0 2 de Engenharia
P 4.P Tensão
r 2
Real ou
S .D Verdadeira
Ensaio de Compressão
Ensaios Convencional e Real
O volume da amostra permanece constante durante todo o ensaio
S 0 . h0 S . h Cte
.D0
2
.D 2 2 h0
2 Substituindo na
.h0 .h D D0 .
4 4 h equação da tensão real
Fica em função da
P 4.P 4.P.h altura instantânea
r r 2 entre placas da
S 0 .D 2 .D0 .h0 máquina de ensaio
Ensaio de Compressão
Ensaios Convencional e Real
A deformação convencional pode ser obtida por:
h h0 h
c 1
h0 h0
h dh h
r ln
h0 h h0
Ensaio de Compressão
Dilatação Transversal
Equivale ao coeficiente de extricção no ensaio de tração e está
relacionado com a plasticidade do material:
S f S0
S0
10 4
K 2
Ensaio de Dureza por Rebote ou Impacto
O Escleroscópio é provavelmente um dos mais antigos
dispositivos de medição de dureza. Ele foi criado em 1905
pela Shore Instrument Mfg Co
b) Com escala
a) Original com
tubo graduado
Ensaio de Dureza por Rebote ou Impacto
Este e um ensaio de dureza dinâmica, onde o valor de
dureza é proporcional à energia de deformação consumida
para formar a marca no corpo-de-prova (cp), sendo esta
representada pela altura alcançada no rebote do êmbolo
Correlação entre a
dureza Shore e o
limite de
resistência à
tração em aços
carbono
Ensaio de Dureza por Penetração
Dureza Brinell
Este ensaio foi proposto em 1900 por J.A. Brinell sendo
o 1o ensaio por penetração reconhecido industrialmente
Introduzindo-se
a superficie da 2.P
calota esférica
HB 0,102 .
tem-se: ( .D).( D D 2 d 2 )
Dureza Brinell
•O tempo de aplicação da carga 10 a 15 s ou 30 s (materiais moles)
•Quando possível, utiliza-se esfera D = 10 mm, mas também há esferas
de D = 5; 2,5; 2; 1 mm
•A amostra deve possuir as duas faces paralelas e um bom acabamento
superficial, conferido por lixa 400
Cargas
Na maioria dos casos (dureza até 450 HB) 29,42 kN (3000 kgf)
Para materiais moles utilizam-se cargas de 14,70 kN (1500 kgf) ou de 4,9
kN (500 kgf)
Já no caso de materiais muito duros com dureza entre 450 e 650HB, utiliza-
se esfera de WC sinterizado, para evitar deformação na esfera padronizada
Dureza Brinell
Pode-se também utilizar outros valores de carga e diâmetro,
desde que mantido o ângulo que o centro da esfera faz com a
impressão, ou também manter a seguinte relação constante
Com alto
encruamento
Trabalhados
a frio
Dureza Brinell
A dureza Brinell e o limite de resistência à tração convencional
Existem relações experimentais , não tão precisas, que correlacionam o
limite de resistência à tração (u) [MPa] com o valor de dureza (HB) obtido
u .HB
Valores de
HR E e
Dureza Rockwell
Na dureza Rockwell (HR) superficial as cargas
aplicadas são bem menores à convencional
Pré-carga: 3 kgf
Penetrador esférico
Comum p (130 – HR) . 0,002 mm
c arg a
HV
área da impressão
Cargas
5 a 100 kgf (49 a 980 N) COMUM
2 a 5 kgf (1,96 a 49 N) PEQUENA
0,001 a 1 kgf (0,0098 a 0,98 N) MICRODUREZA
Dureza Vickers
O valor da dureza Vickers é
determinada pela seguinte expressão
P
HV
d2
2.sen(136o / 2)
1,854.P
HV
d2
O penetrador por ser indeformável pode ser utilizado para esta ampla faixa
de durezas. Além disso, a carga de penetração pode ser variada, sem que se
altere o resultado do ensaio.
Impressões extremadamente pequenas que podem não inutilizar a peça
As normas que fazem referência ao ensaio são NBR NM 188-1 ou ASTM E
92 – 82(2003)e2
Dureza Vickers
Relação entre dureza Vickers e a tensão de proporcionalidade (p)
A dureza envolve a penetração da ponta de teste por um processo de
deformação plástica. Desse modo a dureza pode ser correlacionada com o
limite de proporcionalidade
O valor numérico da dureza Vickers é da ordem de 2 a 3 vezes o valor de p
(Mpa) para materiais duros, e em torno de 2 a 4 para metais
Microdureza Vickers
P
HK 14,2 . 2
l
f f Eeff , S
P
HV
S
Eeff é o modulo de elasticidade efetivo do material
Ensaio de Dureza no Campo
Ultrassom (UCI) Ultrasonic Contact Impedance
Uma mola aplica a carga e a
frequência da haste muda em
proporção à área de contato da
endentação produzida pelo diamante
Vickers
O instrumento monitora
constantemente a frequência em um
transdutor receptor, executa o
cálculo e indica instantaneamente o
valor da dureza
Ensaio de Impacto
Baixas Temperaturas
Alta taxa de deformação
Estado triaxial de tensões
Normas
ASTM E23b e A370
Charpy: CP apoiado EUA
Ensaio de Impacto
Charpy
Ensaio de Impacto
Izod
Ensaio de Impacto
Os ensaios de impacto possuem dois fatores embutidos
que favorecem a fratura frágil dos materiais:
Entalhe em V
Entalhe cilíndrico
Entalhe em U
Sem entalhe
Cps Charpy
Variações do cp Charpy são adotadas
por algumas normas internacionais.
Assim são o cp Mesnager, semelhante
ao corpo Charpy tipo C com
profundidade de entalhe reduzida e o
cp Schnadt, com diferentes
geometrias de entalhe. No corpo
Schnadt um pino de aço é posicionado
dentro do entalhe para a execução do
teste. O pino previne o aparecimento
de tensões de compressão no impacto
Em todas as situações de cps
especiais, existe a dificuldade de
estabelecer equivalência de resultados
Cps Izod
Entalhe em V
Normas de Ensaio Charpy
ABNT
NBRNM 281-1 (11/2003) Materiais metálicos - Parte 1: Ensaio de
impacto por pêndulo Charpy
NBR NM281-2 (11/2003) Materiais metálicos - Parte 2: Calibração de
máquinas de ensaios de impacto por pêndulo Charpy
NBR6157 (12/1988) Materiais metálicos - Determinação da
resistência ao impacto em corpos-de-prova entalhados simplesmente
apoiados
Normas de Ensaio Charpy
ASTM
E23-05 Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of
Metallic Materials (2005) (cobre Charpy e Izod)
ISO
ISO 148-1, Metallic materials - Charpy pendulum impact test - Part 1:
Test method (rev. 2006)
ISO 148-3,Metallic materials - Charpy pendulum impact test - Part 3:
Preparation and characterization of Charpy V reference test pieces for
verification of test machines (1998)
ISO/TR 7705, Guidelines for specifying Charpy V-notch impact
prescriptions in steel specifications(1999)
ISO 5754, Sintered metal materials, excluding hardmetals; Unnotched
impact test piece (1978)
Normas de Ensaio Izod
ABNT
NBR8425 MB1694, Plásticos rígidos - Determinação da resistência ao
impacto Izod ,(1984)
ASTM
D256-05a Standard Test Methods for Determining the IZOD Pendulum
Impact Resistance of Plastics
- Expansão lateral
Cálculo da Energia Absorvida ao Impacto
A massa do martelo (m) é
inicialmente elevada a uma altura
(a). A energia potencial da massa
(Ep), antes da queda é:
E p m.g .a
Pelo principio de conservação da
energia determina-se a velocidade de
impacto (V) do pêndulo, desprezando-
se o atrito do peso com o ar
1
.m.V 2 m.g .a
2
V 2.g .a
Cálculo da Energia Absorvida ao Impacto
A energia do martelo pode ser
rescrita em função do ângulo da
queda e de o ângulo de elevação
Por trigonometria
R. cos a R
R. cos b R
Ea m.g.R.(1 cos )
EI m.g .(a b)
Metais CCC
Apresentam temperatura de transição
Aços ao carbono, Inoxidáveis ferríticos
Metais de Alta Resistência
Não apresentam transição (baixas
energias absorvidas)
Aços ligas e Materiais Temperados e Revenidos em baixas temperaturas
Transição Dúctil-Frágil
Fratura Frágil Fratura Dúctil
Pouca deformação Muita deformação
plástica macroscópica plástica macroscópica
Facetas e degraus de Microvazios (“dimples”)
clivagem ou trincas
intergranulares Expansão lateral do cp
Brilhante (no caso da Aspecto Fosco
fratura por clivagem)
Mecanismos:
Clivagem ou
fragilização Cisalhamento
intergranular
Aspectos da Fratura
A nível atômico, o rompimento das ligações se dá em um
mesmo plano cristalográfico
Cisalhamento: Quando a fratura se dá no mesmo plano da tensão resolvida
Clivagem: Quando a fratura é normal ao plano da tensão
Fratografia
Análise da Superfície de Fratura
Microscópio eletrônico de varredura (MEV), equipamento que utiliza
um feixe de elétrons e obtém imagens e informações oriundas de
diversos tipos de interação deste feixe com a amostra
Em um policristal, muito
comumente, o processo de
fratura dúctil se inicia pela
formação de microcavidades nas
interfaces de partículas de
inclusões devido à ação de um
tensão cisalhante
Em monocristais a superfície de
fratura é totalmente plana
É atribuída à segregação de
impurezas nos contornos de
grão, fragilização por
hidrogênio, precipitação
intergranular de fases frágeis
Morfologias de Fratura Frágil no MEV
Fratura por Fragilização Intergranular ou coesiva
Fratografia
Resumo
Clivagem
Dúctil
Transgranular
ntergranular
Transição Dúctil-Frágil
Temperatura de transição dúctil-frágil (TTDF)
Critérios de determinação – Materiais CCC
UNS S32750 envelhecido a 475ºC: (a) 8,(b) 10,(c) 24,(d) 100,(e) 300,e (f) 2000
Expansão Lateral
Comparativo
160 400ºC
40
140
100
80 450ºC 20 475ºC
60
Temperaturas 475ºC 10Temperaturas
40 o
400 C o 450ºC
400 C
20 o
450 C o
450 C
o 0
0 475 C o
475 C
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Tempo de envelhecimento [h] Tempo de envelhecimento [h]
Quanto mais agudo o entalhe, mais fortes são os efeitos citados acima.
Os tamanhos dos corpos de prova foram padronizados de forma que os
resultados possam ser comparados com boa confiabilidade
Fatores Metalúrgicos que Influenciam na
Tenacidade ao Impacto
Dimensões do cp
Não é possível comparar resultados de
ensaios de impacto para cps de
diferentes dimensões. A redução do
tamanho do cp diminuirá a quantidade de
energia absorvida no impacto, como
esperado. Entretanto, ensaios práticos
comprovam que o aumento da largura do Cp de tamanho reduzido de
cp tende a reduzir a energia absorvida 5 mm de espessura de aço
por unidade de área,isto é, propicia a inoxidável Superduplex
ocorrência de fratura frágil UNS S32750
Extração de Cps para Ensaios de Impacto em
Juntas Soldadas
Caso de juntas soldadas de aço inoxidável Duplex
Linha de água Salgada (P-57)
Exigência da norma SBM SPF92033A1
Caso de juntas soldadas de aço inoxidável Duplex
Linha de água Salgada (P-57)
Exigência da norma SBM SPF92033A1
3 cps normalizados (55x10x10 mm) por cada condição
Temperatura de Ensaio: -46°C
Os valores obtidos
encontram-se acima dos
valores médios mínimos
exigidos pela norma Norsok
M 601 e da norma SBM
SPF920872A
Materiais de Alta Tenacidade para Fins
Criogênicos
Qmáx RE
RE RER
S 0e r
O valor de RER dá a medida
Sendo: da sensitividade ao entalhe
Qmáx: A carga máxima atingida no ensaio
Se o valor de RER for menor
S0-e: A área inicial na seção do entalhe
que 1, o metal é frágil na
r: É o limite de resistência à tração em presença do entalhe
cp não entalhado do mesmo material
Ensaio de Impacto com Tração com Cp Entalhado
RER dá a medida da
sensitividade ao entalhe
Fonte: [5]
Fonte [5]
Singularidade 1/r1/2
Tenacidade à fratura – KIC (Mecânica da Fratura
Linear Elástica)
Para materiais de alta resistência mecânica e/ou componentes espessos, valem as
condições em que se aplica a mecânica da fratura linear-elástica, ou seja, um estado
plano de deformação (triaxial de tensões) com pouca deformação plástica na ponta da
trinca. Neste caso pode-se dizer que a fratura ocorrerá quando o fator de intensidade de
tensões (KI) aplicado no material atingir um valor crítico KIC. O fator de intensidade de
tensões leva em consideração a tensão aplicada ao componente e o tamanho e geometria
de trinca existente, segundo uma relação do tipo:
K I Y a
Sendo Y um fator que depende da geometria da trinca e do componente, a
tensão aplicada e a o tamanho da trinca.
Soluções de KI para casos típicos
O KIC é a tenacidade à fratura, uma propriedade do material, tal como os limites de escoamento e
resistência. Entretanto, a aplicação da mecânica da fratura linear elástica só pode ser feita nas situações
em que ela é valida, ou seja nas condições de estado plano de deformação. A figura a seguir que, para um
dado material, caracterizado pelo seu limite de escoamento (LE) e pelo seu KIC, existe uma espessura
mínima abaixo da qual o estado é plano de tensão (e não de deformação) e a mecânica da fratura linear
elástica não mais pode ser aplicada. Essa espessura crítica é dada por:
2
K
Bo 2,5 IC
LE
Para valores menores que Bo o material vai romper com um valor mais alto que o KIC, chamado
de Kc. Nessas condições, a abordagem do problema passa a ser dada pela Mecânica da Fratura Elasto-
Plástica.
Fonte [2]
EXERCÍCIO: CESGRANRIO / Sistema PETROBRAS 2005
21) Os ensaios de tenacidade à fratura avaliam a resistência de materiais, componentes e estruturas à propagação de trincas, sob
condições de deformação plástica restrita (fratura frágil) ou deformação plástica generalizada (fratura dúctil). Entre os principais
parâmetros que influenciam na resistência à fratura dos materiais, se destaca o fator de intensidade de tensões (K). Em relação aos
ensaios de tenacidade à fratura, está correto afirmar que permitem a determinação:
(A) do parâmetro KIc somente na temperatura ambiente.
(B) do parâmetro Kc, quando realizado sob condições de deformação plana.
(C) parâmetro KIc, quando realizado sob condições de tensão plana.
(D) da temperatura de transição dúctil-frágil do material sob condições de deformação plana.
(E) da temperatura de transição dúctil-frágil do material sob condições de tensão plana.
CTOD – KIC (Mecânica da Fratura Elasto-plástica)
O CTOD é a abertura na ponta da trinca. O c é a Resulta que:
abertura crítica (máxima permitida) na ponta da trinca, a m c LE para 0,5 ou
se constituindo numa propriedade do material, 2 2
LE
Fonte: [6]
A área de teste
deve ter um
comprimento
mínimo de três
vezes o diâmetro
do cp
(a) Região paralela e raio de concordância
(b) Somente raio de concordância
Muitos cuidados na Normas de Realização do Ensaio: ASTM E1150,
confecção do cp E466, E467e E468
Ensaio de Fadiga
Máquina de
Whöler: Carga de
flexão aplicada
na extremidade
de um cp em
rotação
Ensaio de Fadiga
Dispositivos de Flexão Rotativa
Momento constante
aplicado no
comprimento útil do
cp em rotação
Ensaio de Fadiga
Dispositivo de Tração
Tração-tração
Tração-compressão
Compressão-compressão
Ensaio de Fadiga
r máx min
a r máx min
2 2
mín e max, são as tensões mínima e máxima, respectivamente
Tipos de Tensões Cíclicas
Na realidade na maioria dos casos os
esforços geralmente são aleatórios
Exemplos de Solicitações Cíclicas
O sistema mecânico de elevação possui o seguinte funcionamento: O motor transmite
o torque para a caixa de redução, acionando o giro do eixo (1), que possui um
pinhão. Este transmite o torque para uma engrenagem que gira o tambor no eixo(2).
O tambor enrola um cabo que eleva um basculante, que recebe uma nova carga em
cada nível de altura que atingir. Na altura máxima (hn), o sistema se inverte, e o
basculante desce, descarregando uma porção de carga em cada nível de altura
Exemplos de Solicitações Cíclicas
Será feita a análise individual de alguns componentes
Carga Alternada – Eixo 1
Variáveis de
análise
Considerações
As ligas de alumínio não apresentam um Rf bem definido, sendo considerado como
tal a tensão equivalente a 107 ciclos
Para os aços o Rf está compreendido na faixa de 35 a 65% do limite de resistência
à tração. Na pratica admite-se como boa aproximação o valor 0,5.
Curva de Wöhler ou S-N
Curva de Wöhler ou S-N
Os resultados observados no ensaio de fadiga apresentam uma
considerável dispersão dos resultados obtidos em diferentes cps
de mesmo material ou extraídos da mesma amostra
Exemplo hipotético
Determinação Numérica dos Ensaios de Fadiga
Método Escada
Exemplo hipotético
Exemplo hipotético
Exemplo hipotético
15 1
Fm 300 10,0. 323,8 MPa
8 2
8.45 152
1,62 .10,0. 2
0,029 34,6 MPa
8
Fm 323,8 34,6MPa
Diagrama de Goodman
Efeito da Razão de Tensão
Na medida que R se
torna maior e positivo o
limite de resistência à
fadiga aumenta (σRf)
Efeito da Tensão Média
O aumento da tensão
média tem o efeito de
diminuir o limite de
fadiga, bem como a vida
em fadiga para uma
determinada tensão
Estágio I
Nucleação da Trinca
Estágio II
Propagação Cíclica da trinca- Fenômeno Lento
Estágio III
Falha Catastrófica- Fenômeno Rápido
Mecanismo de Fratura por Fadiga
Estágio I
Entretanto, nem sempre uma fratura por fadiga apresentará essa evidência
Aspectos da Superfície da Fratura por Fadiga
A análise fratográfica em MEV pode revelar um indício mais claro
da ocorrência de fadiga
São as Estrias de
Fadiga
Cada estria mostra a posição da ponta de trinca após cada ciclo de tensão,
salientando que a trinca avança na direção normal destas estrias como é
apresentado nas figuras
Estrias de fadiga no aço inoxidável Duplex ensaiado
em flexão
Inicio de
trinca de
fadiga em Inclusão não metálica
uma liga
de níquel
Defeitos Internos
Poro
Origem das estrias de fadiga em uma solda de topo de
uma tubulação de óleo na união com um flange de
pescoço
Origem das estrias de fadiga em uma solda de topo de
uma tubulação de óleo na união com um flange de
pescoço
A junta soldada atua como um
elemento concentrador de tensões
para a nucleação e propagação de
trincas, sendo a ZTA de grão
grosseiro a zona propensa ao
crescimento e posterior fratura
diante as solicitações atuantes. Por
outro lado, é importante salientar que
as tensões residuais trativas
decorrentes da soldagem nesses locais
também facilitam a falha por fadiga
Origem das estrias de fadiga em uma solda de topo de
uma tubulação de óleo na união com um flange de
pescoço
Acompanhamento do
crescimento da trinca
da m
Região II: A(K )Equação de Pairis
dN
Cálculo do número de ciclos para fratura pela equação de Pairis:
da da
Região II: A(K ) m dN
AK
m
dN
K Y a K Y a
ntegrando entre
af af af
da da 1 da
N
ao
AK ao A Y a
m
m
A m / 2 ao Y a
m m m/2
af
1 da
N
A m / 2
m a a m / 2 seca / W m / 2
o
Ensaio de Fluência
Frequentemente os materiais são submetidos a operações por
longos períodos sob condições de elevada temperatura e tensão
mecânica estática
O ensaio de fluência é
executado conforme a
ASTM E139
Ensaio de Fluência
Os valores de deformação especifica () versus tempo são
representados graficamente
Ensaio de Fluência
Temperatura
Tensão
Efeito da Tensão no Ensaio
Liga de Ni cozm
baixo C
Resistência à Fluência é
definida como a tensão a uma
determinada temperatura que
produz uma taxa mínima de
fluência, por exemplo, de
0,0001%/hora a 1%/hora
Ensaios Característicos
Ensaio de Fluência
Representação Gráfica
Tensão versus taxa mínima de
fluência para um aço inoxidável Resistência à Fluência é
definida como a tensão a
uma determinada
temperatura que produz
uma taxa mínima de
fluência, por exemplo, de
0,0001%/hora a 1%/hora
Ensaios Característicos
Ensaio de Ruptura por Fluência
Neste tipo de ensaio os cps são sempre levados até a ruptura
É muito utilizado pela sua brevidade, além de ser útil para o estudo
de novas ligas
Ensaios Característicos
Ensaio de Ruptura por Fluência
Os parâmetros constantes em cada ensaio são a tensão
aplicada e a temperatura
Mede-se principalmente o tempo para ruptura do cp, além da
deformação e da extricção em certos casos
Liga de Ni com
baixo C A inclinação pode mudar quando
acontecerem mudanças
estruturais, tais como oxidação,
recristalização, crescimento de
grão, mudança do tipo de fratura
Temperatura de trabalho:
840–860°C