Aula 4 - Fadiga

FADIGAIntrodução

Conteúdo

• Introdução• Primeiros Estudos

• Soluções Previstas

• Definição

• Tipos de Carregamentos

• Caracterização do Processo de Fadiga• Iniciação

• Propagação Microscópica

• Propagação Macroscópica

• Rotura Final

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Contexto – Estruturas Carregadas Dinamicamente

Fractura Frágil

Corrosão –20 a 10 %

Fadiga – 80 a 90 %

A fadiga representa aprincipal causa de ruína desistemas mecânicos sujeitosa carregamentos dinâmicos.

Os carregamentos estáticostambém são importantes,mas restritos a uma gama deaplicações distinta daquelaque agora pretendemosestudar.

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Primeiros Estudos

• O fenómeno da Fadiga só começou a ser estudado relativamente tarde pelacomunidade cientifica.

• Só por volta de 1840 Wohler, através de um estudo realizado em eixos delocomotivas, admitiu que a aplicação repetida de um carregamento a umaestrutura, a podia enfraquecer ao ponto de provocar a ruína desta.

• Mesmo para valores de carregamento muito inferiores aos que se podiamaplicar estaticamente.

• http://www.youtube.com/watch?v=DykiHVrVkKg

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http://www.youtube.com/watch?v=DykiHVrVkKg

Primeiros Estudos

• Com a Era Industrial surgiram inúmeros equipamentos cujofuncionamento era cíclico e repetitivo, aumentando assim onúmero de falhas por fadiga.

• Foi então fundamental desenvolver esta nova disciplina eencontrar soluções para os novos problemas propostos.

• Bem como desenvolver modelos teóricos que permitissemcaracterizar o comportamento mecânico dos materiais.

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Soluções Previstas

• Os estudos dividiram-se assim em três grupos:

1. Desenvolver materiais económicos possuindo amáxima resistência à fadiga (Metalurgia).

2. Desenvolver métodos de concepção de cálculo e deconstrução de estruturas sujeitas à fadiga (Projecto).

3. Desenvolver métodos de controlo dos equipamentossujeitos à fadiga (Produção e Manutenção).

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Conteúdo



• Definição





• Rotura Final

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Fadiga (Definição segundo a ASTM)

“Fadiga é um processo de alteração estruturalpermanente, progressivo e localizado, que ocorrenum material sujeito a condições que produzemtensões ou extensões dinâmicas num ponto ou emvários pontos, e que pode culminar em fendas ounuma fractura completa após um número suficientede variações de carga.”

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Principais Características

• Progressivo:

• O processo de fadiga decorre durante um certo período de tempo ouuso.

• No entanto possui uma evolução característica.

• Localizado:

• Ocorre em pequenas áreas, não sendo um processo generalizado.

• Muitas vezes é ocultado pela geometria do componente, não sendo a sualocalização possível de identificar.

• Fenda e Fractura:

• São o resultado do processo de fadiga, pois as fendas nucleadas irãopropagar-se até que a área resistente não suporte o carregamentoaplicado levando à fractura.

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Áreas de intervenção

Projecto

MetalurgiaProdução eManutenção

Fadiga

Os quais correspondem a três diferentes áreas de

Investigação.

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Conteúdo



• Definição





• Rotura Final

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Ciclos de Tensão de Fadiga e seus Parâmetros

•Ciclos de tensão em fadiga•Ciclos de amplitude constante:

•Alternado•Repetido ou Pulsante•Ondulada

•Amplitude variável:•Blocos•Irregular ou aleatório

•Tipos de onda:•Sinusoidal•Trapezoidal•Triangular•Quadrada

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Ciclos de Tensão de

Fadiga e seus Parâmetros

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Espectros Reais de Carregamento

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Notação Utilizada

Frequência 𝑓 =𝑁

𝑡[ciclos/seg]

Tensão média 𝜎𝑚 =𝜎𝑚𝑎𝑥+𝜎𝑚𝑖𝑛

2

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Notação Utilizada

Amplitude de tensão ou tensão alternada: 𝜎𝑎 =∆𝜎

2=

𝜎𝑚𝑎𝑥−𝜎𝑚𝑖𝑛

2

Gama de tensões: ∆𝜎 = 𝜎𝑚𝑎𝑥 − 𝜎𝑚𝑖𝑛 = 1 − 𝑅 ∙ 𝜎𝑚𝑎𝑥Ou:

∆𝜎

2= 𝜎𝑎 =

1−𝑅 ∙𝜎𝑚𝑎𝑥

2; 𝜎𝑚 =

𝜎𝑎∙ 1+𝑅

1−𝑅

Razão de tensões: 𝑅 =𝜎𝑚𝑖𝑛

𝜎𝑚𝑎𝑥

Ciclo alternado puro: 𝑅 = −1 ; Ciclo pulsante: 𝑅 = 0

Efeito da tensão média: 𝐴 =𝜎𝑎

𝜎𝑚

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Conteúdo



• Definição





• Rotura Final

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Caracterização do Processo de Fadiga

• O processo de fadiga pode ser dividido em duasfases principais, sendo que cada uma destas fasesse pode dividir em duas partes elementares.

1. A primeira fase constitui a fase de nucleação ecrescimento microscópico da fenda, ou seja, a iniciaçãodo processo.

2. A segunda fase é composta pela propagação visível aolho nu, e pela rotura final do componente mecânico.

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Caracterização do Processo de Fadiga

Nucleação

da fenda

Crescimento

Microscópico

da(s) fenda(s)

Propagação

da(s) fenda(s)

Rotura

Final

Período de Iniciação

Ni

Período de Propagação

Np

Duração à Fadiga

(Vida de Fadiga)

Fases do Processo:

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Vida de Fadiga

• É geralmente expressa em números de ciclos

𝑁𝑅 = 𝑁𝑖 +𝑁𝑝

Ni Número de ciclos de nucleação einiciação da fenda (requer umcritério que defina o tamanho de fenda a considerar)

Np Numero de ciclos de propagação

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Duração de um Elemento à Fadiga

Dimensão

limite entre as

duas fases do

processo de

fadiga

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1. Caso o estado superficial seja extremamentepolido:

• A fase de iniciação é mais elevada;

• Cerca de 80 a 90 % da vida total.

2. Caso o a superfície apresente uma quantidade dedefeitos considerável:

• A fase de propagação é mais determinante;

• Superior a 50 %.

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• A dimensão limite entre as duas fases do processo defadiga é algo de elevada controvérsia.

• Não existe um valor standard.

• É definido em função da aplicação, da função do elemento,das técnicas de inspecção utilizadas, das técnicas dereparação disponíveis, etc.

• A definição deste valor é um problema por si só, pois deledependem várias grandezas do processo de fadiga.

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• Deve ainda ser referido que existe quase sempre um valorlimite de tensão para o qual não existirá fadiga (depende domaterial).

• Para valores inferiores a este limite não existirá nucleação defendas e o componente terá uma vida infinita.

• Assim os locais sujeitos a concentração de tensões são críticosnesta disciplina, pois são os mais fortes candidatos aoaparecimento de fendas.

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Curvas de Fadiga

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Descrição do Processo de Fadiga

Nucleação

da fenda

Crescimento

Microscópico

da(s) fenda(s)

Propagação

da(s) fenda(s)

Rotura

Final

Período de Iniciação

Ni

Período de Propagação

Np

Duração à Fadiga

(Vida de Fadiga)

Fases do Processo:

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Gama de Tensão Aplicada

Superfície livre

O escorregamento

das deslocações e

leva à formação

de micro fendas

junto à superfície

livre

• Iniciação na Superfície Livre


• Vida de Fadiga:

• http://www.youtube.com/watch?v=iBuuVd0JlIM

• Material: Liga de Alumínio.

• http://www.youtube.com/watch?v=sctQ4QRn65Y

• https://www.youtube.com/watch?v=jfThUeVnhrI

• Material: Aço, provete CT.

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http://www.youtube.com/watch?v=iBuuVd0JlIM

http://www.youtube.com/watch?v=sctQ4QRn65Y

https://www.youtube.com/watch?v=jfThUeVnhrI


• 1ª Fase - Iniciação de uma fenda de fadiga:

• Verifica-se normalmente à superfície;

• Onde a concentração de tensões é máxima;

• Os cristais da superfície beneficiam de menos apoio mútuoque os do interior, logo a sua deformação é mais facilitada;

• É ainda à superfície que se verifica um possível ataque domeio ambiente;

• As micro-fendas formadas podem ser várias combinando-se,depois, numa fenda principal.

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• O principal mecanismo activo durante esta fase é oescorregamento das deslocações (defeitos existentes naestrutura cristalina);

• Este ocorre essencialmente devido a tensões de corte, peloque as primeiras micro-fendas propagam-se a 45º com assuperfícies livres do material;

• Se a tensão aplicada for baixa, então as fendas irão nuclearno interior dos grãos de material, caso contrario a nucleaçãopode ocorrer nos limites de grão.

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• Acumulação de deslocações na

superfície livre do material

• a) tensão elevada

• b) tensão média

• c) sem tensão aplicada

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• Iniciação junto a inclusões microscópicas:

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• Estas atuam como locais de concentração de tensões:

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Uma vez iniciada a fenda,

o processo de fadiga divide-se em 3 fases:

• 2ª Fase - Crescimento Microscópico da fenda:

• Dá-se ainda a 45º relativamente à direcção de solicitação(corresponde à propagação em planos sujeitos aelevados valores de tensão de corte);

• O crescimento é muito lento e envolve uma distância deapenas alguns tamanhos de grãos.

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• 3ª Fase – Propagação Macroscópica da fenda:

• Envolve o crescimento de uma fenda bem definida segundoum plano em que a tensão normal é máxima;

• O crescimento é mais rápido;

• Função da amplitude do Factor de Intensidade de Tensões;

• Surgem estrias na superfície de fractura, especialmente emmateriais dúcteis, defeito ao efeito erosivo das duas faces dafenda quando entram em contacto.

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Fases de Propagação de uma Fenda

Tensões de Corte

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Tipos de Fendas na fase de iniciação

• Transcristalinas:

• Propagam-se através dos grãos de material, separando cadagrão em dois;

• Deve-se a valores de tensão mais baixos;

• Mais frequente.

• Intercristalinas:

• Propagam-se por entre os limites de grão, mantendo aestrutura destes intacta;

• Ocorrer para tensões elevadas.

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Tipos de Fendas na fase de propagação

• Estriação dúctil ou frágil:

– Ocorre em materiaisdúcteis;

– ∆𝐾 intermédio;

– Mais frequente e muitoimportante;

– Estrias observáveis comampliações entre 1000 a50 000 vezes.

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Forma como sePropaga uma Fenda

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Forma como se Propaga uma Fenda• A propagação divide-se assim em três fases:

1. Ao aplicar o carregamento, o duplo entalhe que existe nafrente da fenda concentra o escorregamento dedeslocações devido a tensões de corte, fazendo subir onível local de tensões;

2. Ao ser atingida a carga máxima a fenda já se propagadevido as elevada tensões normais, superiores a tensão decedência (deformação plástica);

3. Em último lugar, quando o carregamento diminui, as facesda fenda entram em contacto formando uma nova frentede fenda, e a erosão resultante deixa a superfície polida ebrilhante.

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Tipos de Fendas na Fase de Propagação

• Coalescência demicrocavidades:

– Mais frequente emmateriais dúcteis;

– ∆𝐾 elevado.

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Tipos de Fendas na Fase de Propagação

• Microclivagem:

– Ocorre mais emmateriais frágeis oude alta resistência;

– ∆𝐾 baixo.

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• 4ª Fase – Rotura Final• Atingido um valor crítico do comprimento da fenda, ac, dá-se

a rotura instável final;

• Esta pode muitas vezes ser inesperada, pois a fenda pode serdesconhecida;

• A secção transversal remanescente não suporta a cargaaplicada;

• Pode apresentar características dúcteis ou frágeis, consoanteo material e o nível de tensões aplicadas.

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Resultados Obtidos

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Resultados Obtidos

• As superfícies de fractura defadiga tem um aspecto do tipo“frágil” sem sinais dedeformação plástica a nívelmacroscópico.

• Pela superfície de fractura épossível saber qual foi a tensãonominal antes da fractura.

A transição 90º para 45º dá-sepor volta dos

para os alumínios e

para os aços.

mMPa10

mMPa30

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Resultados Obtidos

Tanto as linhas de paragem como as linhas radiais permitem identificar o ponto de iniciação da fenda. Elemento fundamental na eventual acção

correctiva.

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Morfologia das superfícies de fractura por fadiga

• É então possível caracterizar o processo de fadiga,utilizando três áreas distintas:

1. Zona de iniciação: Permite identificar a presença de defeitos ou locais de

concentração de tensões.

2. Zona de propagação: Na qual existirão estrias indicadoras da forma como se propagou

a fenda, e dos ataques ambientais a que foi sujeita.

3. Zona de fractura: Permite identificar o nível de tensões aplicado e o

comportamento do material.

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