EMM Fadiga

Ensaios de FADIGA

Prof. Luiz Cláudio Cândido

ENSAIOS MECÂNICOS DE MATERIAIS

candido@em.ufop.br

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO Universidade Federal de Ouro Preto

Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de MateriaisTelefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br

METALURGIA MECÂNICA – II (MET 109)

Ensaios de Fadiga

Ensaios de Fadiga: objetivo

Os ensaios de fadiga têm por objetivo a determinação da vida do material submetido a carregamento cíclico.

Abordagens:

Ensaio com carga constante;Ensaio com deformação constante;Ensaio de propagação de trinca.

da/dN-∆KMecânica de Fratura

Tolerância de danos

ε - NTensão-vidaVida-segurança, vida-infinita

S - NTensão-vidaVida-segurança, vida-infinita

Tipo de ensaioMetodologiade projeto

Filosofia de projeto

Ensaio de Dureza - Introdução

Ensaios de fadiga: nomenclatura utilizada

2minmax σσ

minmax σσσ −=∆

σσ ∆=a

=R Ntotal = Ni + Np

Ensaios de fadiga: nomenclatura utilizada

Ensaios de fadiga: simulação em laboratório das etapas de trincamento

Representação esquemática de uma máquina de tensão rotativa utilizada no ensaio de fadiga.

Ensaios de fadiga: equipamentos

Representação esquemática de uma máquina servo-hidráulica utilizada no ensaio de fadiga.

Ensaio de fadiga: máquina flexorotacional

CP ensaiado sob fadiga; emprego de líquido penetrante para detecção de trincas superficiais.

Ensaios de fadiga: equipamentos GEsFraM

MTS – 10ton.

INSTRON – 25ton.

Ensaios de fadiga: corpos-de-prova

Corpos-de-prova utilizados para o ensaio de fadiga: (A) região paralela e raios de concordância; (B) somente raio de concordância.

Ensaios de fadiga: abordagem pela Curva de Wöhler

fa NDC log+=σ

( )Bfa NA=σ

Diferentes equações podem ser usadas para descrever a curva S-N obtida a partir de dados experimentais. Se os dados se ajustam sobre uma linha reta em um traçado log-linear, a expressão para representar a curva é: , onde C e D são constantes de ajuste da curva

Se os dados experimentais se aproximam de um linha reta sobre o traçado log-log, a equação para descrever a curva é:

(Normas)

Ensaios de fadiga: exemplo de CP - GEsFraM

Fixação de CP nas garras da máquina servo-hidráulica – MTS.

Ensaios de fadiga: apresentação dos resultados do ensaio de fadiga através de curvas de probabilidade constante

Ensaios de fadiga: proposta da Japan Society of MechanicalEngineers - 1981

Determinação da curva de fadiga e do limite de fadiga.

Ensaios de fadiga: proposta da Japan Society of MechanicalEngineers - 1981

Determinação do limite de fadiga: método staircase ou up-and-down.

Ensaios de fadiga: proposta da Japan Society of Mechanical Engineers - 1981

Aplicação do método escada para ensaio de fadiga: (A) resultados obtidos e (B) gráfico de resultados.

Ensaios de fadiga: curvas típicas

(A) metais ferrosos e (B) metais não-ferrosos.

Ensaios de fadiga: curvas típicas

Ensaios de fadiga: curvas para polímeros

Curvas de vida à fadiga para dois diferentes polímeros: náilon 6 e polimetil metacrilado (PMMA).

Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM

Curvas obtidas durante o ensaio de fadiga térmica; (a) ciclos de temperatura utilizados; (b) esforço máximo x temperatura.

Resultados de ensaios de fadiga térmica (∆T = 250-900°C e tempo de permanência de 30s).

Ensaios de fadiga: abordagem pelas curvas de Coffin/Manson

(((( )))) (((( ))))∆∆∆∆ ∆∆∆∆ ∆∆∆∆ε ε ε σεt e p f

2 2 22 2==== ++++ ==== ++++

σf – coeficiente de resistência à fadiga; b – expoente de resistência à fadigaεf – coeficiente de ductilidade em fadiga; c – expoente de ductilidade à fadiga

(ensaios com controle de deformação)

Dispositivo montado para ensaio de fadiga comcontrole de deformação.

Para um material com comportamento exclusivamente elástico, produz-se uma curva de histerese do tipo (a); para um material com comportamento elástico e plástico, tem-se a curva (b). A área contida dentro deste anel de histerese representa uma medida do trabalho de deformação plástica transmitido ao material.

Uma vez em fadiga sob controle de deformação, o material pode encruar ou amolecer, atingindo após um certo número de ciclos a sua estabilidade. A partir desta estabilização, pode-se determinar a vida em fadiga, através da chamada equação de Coffin/Manson (1954-1963):

Determinação dos coeficientes e expoentes de fadiga para um aço

AISI/SAE 4340.

Coeficiente de resistência à fadiga.

Expoente de resistência à fadiga = inclinação = b = -0,09.

Coeficiente de ductilidade em fadiga.

Expoente de ductilidade em fadiga = inclinação = c = -0,57.

Reversões para fratura, 2Nf

Propriedades de fadiga (resistência e ductilidade) para o aço AISI/SAE 4340.

Superposição das curvas elástica e plástica, produzindo a curva de fadiga com controle de deformação para um aço 300M (aço maraging).

Nota-se que a curva de vida total se aproxima da parcela plástica para grandes amplitudes de deformação total, e aproxima-se da parcela elástica para baixas amplitudes de deformação total. Este ensaio também estápadronizado pela ASTM.

Superposição de curvas elástica e plástica para formar a curva deformação total versus vida em fadiga para o aço maraging 18%Ni.

Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura(a curva sigmoidal da/dN versus ∆K)

Curva tamanho de trinca x número de ciclos de fadiga, mostrando o efeito do nível de tensão aplicado.

As metodologias propostas por Wöhler e por Coffin/Manson apresentam algumas desvantagens:

- incapacidade de distinguir claramente entre os estágios de iniciação e de propagação de trincas;

- elevado espalhamento (dispersão) de resultados;- dificuldade na previsão da falha de partes críticas de

fadiga.

Curva da/dN x ∆K e mecanismos de fadiga em metais.

Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura(exemplo - dados GEsFraM)

Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura

Corpo-de-prova para ensaio de propagação de trinca por fadiga.

Corpo-de-prova C(T) com clip on gage.

Gráfico carga aplicada versus COD. Note a mudança de inclinação da reta, à medida que aumenta o número de ciclos.

Cálculo

Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura (Fonte: GEsFraM)

(BH = Bake Hardened)

Ensaio de propagação de trinca por fadiga em ligas de alumínio. Aplicação: indústria aeronáutica.

Ensaio de propagação de trinca por fadiga em liga de alumínio. Efeito de estiramento e shot peening. Aplicação: indústria aeronáutica.

Ensaio de propagação de trinca por fadiga em superliga de níquel. Aplicação: indústria nuclear.

Aplicação de alguns modelos empíricos de previsão da propagação de trinca por fadiga numa liga de alumínio Al-7475. Aplicação: indústria aeronáutica.

Aplicação de alguns modelos empíricos de previsão da propagação de trinca por fadiga numa liga de aço inoxidável PH 13 8Mo. Aplicação: indústria aeronáutica.

Ensaios de fadiga: Influência de R e σm

Influência da razão de tensão (A) e da tensão média (B), para o ensaio de fadiga.

Ensaios de fadiga: efeito da intensificação do concentrador de tensão

Representação esquemática de tipos de imperfeições superciais estabelecidas em projeto: (A) entalhe em “V”; (B) chaveta; (C) pescoço.

Ensaios de fadiga: efeito da intensificação do concentrador de tensão

Melhoria no projeto, eliminando pontos de concentração de tensões.

Ensaios de fadiga: efeito da superposição de tensões

Superposição de tensões aplicada e residual.

Ensaios de fadiga: introdução à fratura por fadiga

Processo de avanço de trinca por fadiga.

(A) elementos de nucleação de trincas em componentes sujeitos a esforços cíclicos;(B) canto em ângulo reto devido a projeto não-qualificado.

(A) região de intenso deslizamento durante fadiga em uma liga de níquel;(B) formação de trincas na superfície devidas às bandas de deslizamento.

Início de trinca por fadiga em uma liga de níquel: (A) em inclusão não-metálica; (B) em um poro.

Esboço da formação de estrias na propagação de trinca por fadiga (estágio II da curva da/dN x ∆K).

Macrofratografia típica do fenômeno de fadiga.

Microfratografia mostrando as formação de estrias: (A) liga de aço Ni-Cr, 1200X; (B) cobre trabalhado a frio, 5000X; MEV.

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