1

Ensaio de Fadiga

EM-641

ENSAIO DE FADIGA

2

Ensaio de Fadiga

EM-641

Ensaio de FadigaDEFINIÇÃO:

Aplicação de carga cíclica em um CP;

Extremamente empregado na indústria automobilística e aeronáutica

Mais empregado é o de flexão rotativa

Fornece dados quantitativos de resistência e analisa a formação de trincas;

Sofre influência: T,ambiente, microestrutura, propriedades do material;

MÁQUINA DE ENSAIO:

Durante o ensaio registra-se Carga (P) em função de número de ciclos (Nf)

Motor

Corpo-de-provaContador

de Rotações

Carga

3

Ensaio de Fadiga

EM-641

Flexão Rotativa com controle de temperatura

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Ensaio de Fadiga

EM-641

Ensaio de Fadiga em Molas

5

Ensaio de Fadiga

EM-641

TIPOS DE TENSÕES:

σ C o m p ressão

σ T ração

T em po

C ) Tensão irregular a lea tória (V ibrações C om plexas)

T em po

m ín

σ

σ σ

σ C o m p res são

σ T raç ão

σ m ín

m áx

pico

σrσa

vale

T em po

A) Tensão a lte rnada (idea l)

B ) Tensão flu tuante

P e río d o d e1 c ic lo

σ m áx σ m ín

σ M = 0

σ m ín

σ m áx

σr

σa

σ C o m p res são

σ T ração

σ M

P e río d o d e1 c ic lo

m áx

σ M 0=

6

Ensaio de Fadiga

EM-641

Fadiga em Fuselagem: após 89.000 ciclos dedecolagem/pouso: pressurização/despressurização

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Ensaio de Fadiga

EM-641

Trinca por Fadiga iniciada na parte superior frontal da fuselagem

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Ensaio de Fadiga

EM-641

Tensão Média (σM):

2mínmáx

Mσ+σ

=σ

Intervalo de Tensões (σR):

mínmáxr σ−σ=σ

Amplitude de Oscilação (σa):

22mínmáxr

aσ−σ

=σ

=σ

Razão de variação de tensões (Rf):

máx

mínfR

σ

σ=

Exemplo de tipos de tensões

B a s c u la n te

E n g re n a g e m

E ix o 2 (E n g a s ta d o )

T a m b o r

B a s c u la n te

M o to rE n g re n a g e m e

E ix o 1

E ixo 2T a m b o r

C a ix a d eR e d u ç ã o

h 0

nh

1h2h

....

C a b o

C a b o

E ix o 1 (L iv re )

M o to rC a ix a d e

R e d u ç ã o

C a rg a 1 N ív e l h 1

N ív e l h 2

N ív e l h n

C a rg a 2

C a rg a n ....

P in h ã o

P in h ã o

9

Ensaio de Fadiga

EM-641

Eixo 1: tensão alternada

Engrenagem/pinhão

Plano deTangência(Contato)

PP

AR

Dente daEngrenagem

Dente doPinhão

R

Eixo (1)fletido devido

à carga R

Pinhão

Eixo 1Pinhão

Ponto 1

Ponto 2

(Fletido)

Rotação

t

t + t∆

Ponto 1

Ponto 2

Ponto 2

Ponto 1

Tração

Compressão

Tração

Compressão

Tensão no ponto 1

Tensão no ponto 2tempott + t∆

traçãoσ

compressãoσ

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Ensaio de Fadiga

EM-641

Eixo 2: tensão flutuante

Sistema de elevação

σ

Tempo

Tensão no nível hn

máxσTensão

mín

com carga máxima

Período de 1 ciclo

Período de Subida

Período de Descida

Desligado

Eixo 1: tensão pulsada

Ligação motor

Tempo

MAXτ

Tensão

Transienteapós Ligado

Período de Funcionamento

Transienteapós Desligado

(Regime permanente)

de CisalhamentoDesligadoPeríodo

LigadoPeríodo

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Ensaio de Fadiga

EM-641

RESULTADOS DO ENSAIO: Curva σ x N ou Curva de Wohler

1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 1E+8 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 1E+8

Número de Ciclos, N

σ [MPa]

Não ocorre rupturapor Fadiga

Curva típica para:Aço-CLigas de TiLigas de MoFerrosos em geral

σRf

Número de Ciclos, N

σ [MPa]

Curva típica para:AlumínioCobreNão Ferrosos em geral

σf

σf

σf1

2

1Nf 2Nf(A) (B)

Limite de resistência à fadiga (σRf) = patamar horizontal

Resistência à fadiga (σf) = tensão na qual rompe para um no 107 - 108 ciclos

Vida à fadiga (Nf) = no de ciclos que causará ruptura para uma tensão

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Ensaio de Fadiga

EM-641

2 3 4 5 6 7 89 2 3 4 5 6 789 2 3 4 5 6 789 2 3 4 5 6 7 89 2 3 4 5 6 7 89

1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 1E+8 1E+9Número de Ciclos, N

0

200

400

600

800

1000

1200

Aço ferramenta

Liga de alumínio

em Fadiga = 400 MPaLimite de Resistência

para 10 ciclos = 50 MPaResistência à Fadiga

Vida em Fadiga para 600 MPa de tensão = 10 ciclos

7

5

Tensão Aplicada [MPa]

150 MPa

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Ensaio de Fadiga

EM-641

Tipos:

Fadiga em Baixo Ciclo

menor que 104 ciclos

altas tensões

deformação plástica

Fadiga em Alto Ciclo

maior que 104 ciclos

baixas tensões

comportamento elástico

Resultados:

Técnicas estatísticas:

requer grande no CP

trabalha com curvas de probabilidade

varia-se a tensão de um valor máximo até

não mais ocorrer fratura

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Ensaio de Fadiga

EM-641

Tensões limites:

construção de gráficos

máxima e mínima

regressão e técnicas matemáticas

Método escada:

25 CPs e consiste em perseguir por tentativa

o no de ciclos onde ocorre fratura

ensaia 1 CP a uma tensão próximo a estimada para σf

se romper < 107 ciclos, diminui a tensão ∆σ

continua até que CP não rompa para N = 107 ciclos

após, eleva-se a tensão até atingir uma tensão que rompa

Reverte o procedimento para todos os CPs

+σ∆+σ=σ

21

NA.

minFFm

+

−σ∆=δ 029,0

N

AB.N..62,12

2

Resistência Média à Fadiga

Desvio Padrão

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Ensaio de Fadiga

EM-641

Resultados Obtidos no Método Escada:

Tensão[MPa]

Corpos com ruptura, i

Corpos sem ruptura, ni

i.ni i2.ni

340330320310300

23410

01241

03840

09

3240

Total ------- N = 8 A = 15 B = 45

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18Número do Corpo de Prova

250

260

270

280

290

300

310

320

330

340

350

360

370

380

390

400

Ruptura

Sem Ruptura

Dados para o Método Escadada determinação da tensão de fadigapara 10 ciclos7

Tens

ão [

MPa

]

MPa 8,32321

815.0,10300Fm =

++=σ

MPa 6,34029,08

1545,8.0,10.62,12

2=

+

−=δ

( )MPa 6,348,323F ±=σ

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Ensaio de Fadiga

EM-641

Fratura de Fadiga:

Inclusão

PoroTrinca

Defeitos Internos

Superfície

Defeitos Superficiais

Entalhe ou trincade superfície

Superfície

Deslizamento de Planos

Planos emDeslizamento

- Nucleação

- Propagação

- Falha catastrófica

Superfícies com Imperfeições

Pontos de concentração de tensões

Defeitos superficiais

Nucleação de trincas internas ou externas :

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Ensaio de Fadiga

EM-641

Superfície Isenta de Defeitos

Bandas de deslizamentos

Defeitos internos

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Ensaio de Fadiga

EM-641

P la no dede s liza m e nto

σ A

T e m p o

σ C

σ B

σ D

σ E

σ F

σT e n s ã o ,

σ B

σ A

σ A

P la no s dede s liza m e nto

45 o45 oT r in c a in ic ia l

o u e n ta lh e

σ B

45 o

45 o

45 o

D e s liz a m e n to d e p la n o

A b e r tu raa m p la d e tr in c a

σ C

σ C

A rre d o n d a m e n top lá s tic o d a p o n ta d a tr in c a

a a∆

a∆a - C o m p rim e n to d a tr in c a

- A v a n ç o d a tr in c a

(A )

(B )

(C )

(D )

a∆ a∆

σ D

σ D

σ E

σ E

σ F

σ F

(E )

(F )

(G )

Propagação cíclica da trinca:

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Ensaio de Fadiga

EM-641

Liga aço-Ni-Cr

Cobre deformadoa frio

Aspectos da superfície:

microscópico = estrias

macroscópico = marcas de praia

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Ensaio de Fadiga

EM-641

Falha Catastrófica:

21

Ensaio de Fadiga

EM-641

Fatores de Influência na Resistência à FadigaTensão Média:

______

1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 1E+8

Número de Ciclos, N(A)

R = + 0,3R = 0R = - 0,3R = - 1,0

R =σmín

σmáx

σmáx

1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 1E+8

Número de Ciclos, N

=____________σM +σmínσmáx

2

< σM4σM3σM2σM1 < <

(B)

σM4

σM3σM2σM1

σa

Efeitos Superficiais e Fatores de Projetos:

(A) (B) (C)

Imperfeição mais crítica

(A) Projeto com ângulo reto (B) Projeto com eliminaçãode ângulos retos

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Ensaio de Fadiga

EM-641

Fatores de Influência na Resistência à FadigaDiagrama de Goodman:

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Ensaio de Fadiga

EM-641

Tratamentos Superficiais:

Tratamentos Térmicostêmpera , normalização

Tratamentos Termoquímicoscementação , nitretação

Tratamentos Mecânicosdeformação à frio , jateamento , etc

Fadiga Térmica:

Fadiga à Corrosão:

pontos superficiais : pits

(A) Flexão de barra sem tensão residual

σ Tração

σ CompressãoMF MF

(B) Tensão residual na superfície após tratamento superfícial

σ Residual

σ Residual

(C) Flexão de barra com tensão residual

MF MF

σ Tração σ Residual+

σ Compressão σ Residual+

σ α α= − E ( T = E To T ) ∆

aEF .=

σα k

.

↑ a ⇒ boa resistência à fadiga

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Ensaio de Fadiga

EM-641

Automatic multi-nozzle peening of compressor blade assembly

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Ensaio de Fadiga

EM-641

PROCEDIMENTO DE ENSAIO:

» Norma técnica ASTM E 1150, 466 e 468

» Fixação do c.p.

»Pode ser no próprio componente

»Confecção dos CPs

»Superfície isenta de defeitos (espelhadas)

»Área de teste maior que 3D

»Direção de laminação

»Dados de relatório:

identificação CP

direção de laminação

aspecto da fratura

método de análise dos resultados

L

RD

R

L

RW

RW

R

W

R

t t

(A) (B)

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Ensaio de Fadiga

EM-641

Exercício 39