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FADIGA

Referncia: Fundamentos do Projeto de Componentes de Mquinas. Juvinall, Robert C.Captulo 8.SISTEMAS MECNICOS IAvies Comet Falhas por Fadiga (1952/1954):Em geral, os fabricantes especificam o produto para suportar esforos abaixo do limite elstico, estes ensaiam os materiais, controlam o processo de produo e tomam todos os cuidados para que o produto no apresente qualquer problema. Apesar de todas essas precaues, possvel que, aps algum tempo de uso normal, de repente, sem aviso prvio e sem motivo aparente, o produto simplesmente venha a falhar. Essa falha tpica de um fenmeno chamado fadiga. No foi diferente com as aeronaves COMET que comearam a cair como moscas, sem motivo aparente.SISTEMAS MECNICOS I

Avies Comet Falhas por Fadiga (1952/1954):A fadiga de materiais comeou a se tornar sria quando ela provocou esses acidentes aeronuticos. Na alvorada da era do jato comercial, o pioneiro de Haviland Comet tinha cabine pressurizada para manter o nvel de oxignio e assim o controle de temperatura. Essa pressurizao era feita durante o voo antes de alcanar altitudes elevadas e despressurizado antes do pouso. Como uma bola de balo inflvel sistematicamente a estrutura era inflada e desinflada a cada voo, exigindo da estrutura e fuselagem resistncia tanto pela dilatao oriunda da pressurizao como ainda dos esforos aerodinmicos.SISTEMAS MECNICOS IAvies Comet Falhas por Fadiga (1952/1954):O De Havilland Comet, ou simplesmente Comet, de origem inglesa, foi o primeiro avio comercial propulsionado por motores a jato fabricado no mundo. Com quatro reatores na raiz de suas asas, o Comet comeou a operar em 1952 pela companhia area inglesa BOAC. Foi um grande sucesso, pois voava com o dobro da velocidade dos seus concorrentes da poca, porm, com um enorme consumo de combustvel, suas rotas eram curtas. Entretanto, em 2 de maio de 1953, exatamente um ano aps o incio dos voos regulares com os Comet, a aeronave da BOAC de prefixo G-ALYV, decolou de Calcut, ndia e explodiu, sem aviso, sobre o mar. Aps breve investigao, os Comets continuaram a voar e de fato o fizeram, sem maiores complicaes por oito meses, at as 10h30 da manh do dia 10 de janeiro de 1954, inesperadamente, o Comet G-ALYP, que havia decolado de Roma se desintegrou enquanto sobrevoava o mar, perto da Ilha de Elba, matando seus trinta e cinco ocupantes.SISTEMAS MECNICOS IAvies Comet Falhas por Fadiga (1952/1954):Os voos foram suspensos por algum tempo, mas assim que foram retomados, outra aeronave se despedaou em pleno ar, novamente matando todos os ocupantes. Os navios de salvamento da Marinha Real Britnica foram enviados ao local do primeiro acidente para resgatar as peas do avio que estavam submersas, j que o segundo acidente aconteceu sobre guas profundas, resgatando dois teros das peas. Os destroos foram, ento, enviados a Farnborough, Inglaterra onde o Comet acidentado foi cuidadosamente remontado, utilizando-se peas novas no lugar das que no foram resgatadas do avio acidentado.Um outro Comet foi colocado em um tanque com gua, para simular a mesma situao de diferena de presso atmosfrica e desgaste de material(VEJA O VDEO).SISTEMAS MECNICOS IAvies Comet Falhas por Fadiga (1952/1954):Descobriu-se finalmente que os projetistas no tinham preparado a estrutura para ser usada com essa diferena de presso, logo os avies eram verdadeiras bombas voadoras. Bastou uma rachadura no teto do primeiro Comet acidentado para que ele se desintegrasse em pleno voo. Neste caso do Comet G-ALYP resgatado do fundo do mar, a rachadura havia se iniciado onde asuperfcie metlica fora cortada em retngulo, para SISTEMAS MECNICOS I

a instalao de uma antena de ADF(Automatic Direction Finding). Tambm as janelas dos primeiros Comet eram quadradas.As janelas era um erro de projeto o que criava pontos de tenso nas extremidades.O dispositivo de ensaio de fadiga mais amplamente utilizado a mquina de viga rotativa de alta velocidade de R.R. Moore. Para o ensaio de viga rotativa, uma carga de flexo constante aplicada, e o nmero de revolues (inverses de tenso) dessa viga requerido at a falha registrado. O primeiro ensaio realizado a uma tenso um pouco inferior resistncia de ruptura do material. O segundo teste feito a uma tenso menor que aquela utilizada no primeiro teste e assim sucessivamente.Padro de Resistncia Fadiga (Sn) para Flexo de Peas RotativasSISTEMAS MECNICOS I

So ensaiados diversos corpos de prova em diversos nveis de tenso, podendo chegar a quinze ou mais por nvel. O resultado desse ensaio uma curva que descreve o nmero de ciclos que os corpos de prova sobrevivem em cada nvel de tenso. O grfico dessa curva chamado de Diagrama S-N.Padro de Resistncia Fadiga (Sn) para Flexo de Peas RotativasSISTEMAS MECNICOS I

Toda discusso sobre resistncia fadiga admitiu que a superfcie do corpo de prova apresenta um acabamento especial denominado acabamento espelhado. Este acabamento requer procedimentos de laboratrio que so muito custosos. Os acabamentos superficiais comerciais normalmente utilizados possuem pontos localizados de maior vulnerabilidade fadiga: assim, os componentes com acabamentos comerciais possuem menor resistncia fadiga. A figura ao lado fornece os valores do fator de superfcie, Cs, para diversos acabamentos aplicados em aos de variadas durezas.Influncia do Acabamento Superficial e das Dimenses na Resistncia FadigaSISTEMAS MECNICOS I

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Efeito dos Concentradores de Tenso nos Carregamentos por FadigaSISTEMAS MECNICOS I

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Tenses FlutuantesSISTEMAS MECNICOS ITenses flutuantes em maquinaria frequentemente tomam a forma de um padro senoidal, devido natureza de algumas mquinas rotativas.

min = tenso mnima max = tenso mximaa = componente de amplitude m = componente mdiar = variao de tenso

Tenses FlutuantesSISTEMAS MECNICOS IAs seguintes relaes so apresentadas:

Critrios de Falha por Fadiga sob Tenses FlutuantesCritrio de falha de Goodman:

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Exerccio 1:Quando em uso, o eixo mostrado na figura abaixo fica sujeito a uma toro completamente alternada. O eixo usinado a partir de uma barra de ao com dureza de 150 Bhn. Com um fator de segurana de 2, estime o valor do torque alternado que pode ser aplicado sem causar uma eventual falha por fadiga.SISTEMAS MECNICOS I

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Exerccio 2:A figura mostra uma barra sem entalhe e uma barra com entalhe de mesma seo transversal mnima. Ambas as barras foram usinadas a partir do ao normalizado AISI 1050. Para cada uma das barras, estime:o valor da carga trativa esttica P que causa uma fratura; eo valor da carga axial alternada +P e P que colocarias as barras na iminncia de uma eventual falha por fadiga..SISTEMAS MECNICOS IExerccio 3:Um eixo com um entalhe mostrado na figura abaixo usinado a partir de um ao com 180 Bhn e Sy = 65 ksi. As dimenses so D = 1,1 in, d = 1 in e r = 0,05 in. Um polimento comercial aplicado toda superfcie do eixo. Com um fator de segurana de 2, estime o valor do torque T mximo que pode ser aplicado para uma vida infinita quando a carga torcional flutuante consiste em:uma toro completamente alternada, com um torque variando de +T a T; eum torque constante T superposto a um torque alternado de 2T.

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Exerccio 4:A figura abaixo mostra um eixo e a tenso flutuante nominal (no centro da seo de 50 mm) qual ele submetido. O eixo fabricado de um ao com Su = 600 MPa e Sy = 400 MPa. Estime o fator de segurana em relao a uma eventual falha por fadiga seas tenses so de flexo; eas tenses so devidas a cargas de toro.SISTEMAS MECNICOS I

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SISTEMAS MECNICOS IExerccio 5:A figura mostra um rolete plano de corrente com passo de in, similar aos utilizados nas correntes de bicicletas. Ele fabricado de ao carbono tratado termicamente com Su = 140 ksi e Sy = 110 ksi. Todas as superfcies so comparveis categoria usinada. Como a corrente no pode transmitir uma compresso, o elo carregado por trao axial repetida (a carga flutua entre 0 e um valor mximo quando o elo passa do lado frouxo para o lado tenso da corrente) atravs de pinos que transpassam os dois furos. Estime a fora de trao mxima que poderia ser aplicada para uma vida infinita contra fadiga. Considere um fator de segurana de 1,2.

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Exerccio 6:Na figura mostrada, o eixo A, feito de ao AISI 1010 laminado a quente, soldado a um suporte fixo e submetido a carregamento por foras iguais e opostas F, via eixo B. Uma concentrao de tenso terica kts de 1,6 induzida por um filete de 3 mm. O comprimento do eixo A, a partir do suporte fixo conexo no eixo B, de 1 m. Os ciclos de carga F vo de 0,5 a 2 kN. Para o eixo A, encontre o fator de segurana para vida infinita utilizando o critrio de falha por fadiga de Goodman. SISTEMAS MECNICOS IExerccio 7:A figura mostra uma mola de viga em balano, com arame redondo conformado, submetida a uma fora variante (Fmx = 15 lbf e Fmn = 7,5 lbf). Os ensaios de dureza realizados em 25 molas deram, como resultado, uma dureza mnima de 380 Brinell. Est claro, pelos detalhes de montagem, que as concentraes de tenso so desprezveis. Uma inspeo visual das molas indica que o acabamento de superfcie corresponde aproximadamente a um acabamento de laminado a quente. Para uma confiabilidade de 99%, determine o fator de segurana para vida infinita utilizando o critrio de falha por fadiga de Goodman.