EMM - fadiga

5/11/2018 EMM - fadiga - slidepdf.com

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Ensaios de FADIGA

Prof. Luiz Cláudio Cândido

ENSAIOS MECÂNICOS DE MATERIAIS

[email protected]

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃOUniversidade Federal de Ouro Preto

Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de MateriaisTelefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: [email protected]

METALURGIA MECÂNICA – II(MET 109)



Ensaios de Fadiga

Ensaios de Fadiga: objetivo

Os ensaios de fadiga têm por objetivo a determinaçãoda 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

FraturaTolerância de

danos

ε - NTensão-vidaVida-segurança,vida-infinita

S - NTensão-vidaVida-segurança,vida-infinita

Tipo de ensaioMetodologiade projeto

Filosofia deprojeto

Ensaio de Dureza - Introdução



Ensaios de fadiga: nomenclatura utilizada

2minmax σ σ

σ +

=m

minmaxσ σ σ −=∆

2

σ σ

∆=a

max

min

σ

σ

= R Ntotal = Ni + Np



Ensaios de fadiga: simulação em laboratório das etapas detrincamento



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

f a N DC log+=σ

( ) B f a N A=σ

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

Se os dados experimentais se aproximam de um linha reta sobre o traçado log-log, a equação paradescrever 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 defadiga através de curvas de probabilidade

constante



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

Determinação da curva de fadiga e do limite de fadiga.




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




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

í



Ensaios de fadiga: curvas típicas




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




E i d f di lí



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



Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM




g

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

(a)

(b)




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




g




Ensaios de fadiga: abordagem pelas curvas de Coffin/Manson(ensaios com controle de deformação)



(((( )))) (((( ))))∆∆∆∆ ∆∆∆∆ ∆∆∆∆ε ε ε σ

ε t e p f

f

b

f f

c

E N N

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); paraum material com comportamento elástico e plástico, tem-se a curva (b). A área contida dentro deste anel dehisterese representa uma medida do trabalho dedeformação 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):

Ensaios de fadiga: abordagem pelas curvas de Coffin/Manson




i d fi i



Determinação dos coeficientes eexpoentes 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

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

Ensaios de fadiga: abordagem pelascurvas de Coffin/Manson



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

Nota-se que a curva de vida total se aproxima da parcelaplástica para grandes amplitudes de deformação total, eaproxima-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 oaço 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 porCoffin/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)



(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 deinclinação 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 8MoAplicação: 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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