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Universidade Federal do AmazonasFaculdade de Tecnologia

Departamento de Engenharia De Materiais

O FENÔMENO DA FADIGA

Disciplina: Mecânica da FraturaProfessor: Jovanio TenórioAlunas: Bianca Feitosa e Izaura Nogueira

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Fadiga é uma forma de falha que ocorre em estruturas que estão sujeitas a tensões dinâmicas e oscilantes, levando à degradação das propriedades mecânicas do material ou componente, resultando em sua ruptura.

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A falha por fadiga representa aproximadamente 90% de todas as falhas que ocorrem em materiais e componentes metálicos (Callister, 7ª edição).

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Polímeros, compósitos e cerâmicos (à exceção dos vidros) também são suscetíveis a esse tipo de falha!!!

A Aviação do Exército Brasileiro tem se deparado com problemas,supostamente associados a fadiga em materiais compósitos, nas pás do rotor principal dos seus helicópteros modelo HA-1 Esquilo e HA-1 Fennec. Tais pás tem apresentado danorecorrente e prematuro.

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“ Os resultados obtidos com a simulação computacional, utilizando um modelo com carregamento estático, mostram que uma vez iniciada a falha, os esforços originados pelo próprio peso são capazes de promover o crescimento da trinca. Este fato será certamente agravado se houver um esforço adicional devido a ancoragem das pás, uma vez que aumentam a deflexão e, conseqüentemente, a tensão trativa no extradorso.”

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Aviões Comet

•Em 10 de janeiro de 1954, uma aeronave do tipo Comet desintegrou-se no ar, a 30 mil pés de altitude no Mar Mediterrâneo.

•A pressurização era feita durante o vôo antes de alcançar altitudes elevadas e despressurizado antes do pouso. Como uma bola de balão inflável, sistematicamente a estrutura era inflada e desinflada a cada vôo, exigindo da estrutura e fuselagem resistência tanto pela dilatação oriunda da pressurização como ainda dos esforços aerodinâmicos.

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Causa Imediata: ruptura abruta do material por fadiga mecânica, devido concentração de tensões em cantos vivos na fuselagem do avião.

Causa Básica: desconhecimento do mecanismo de fadiga dos materiais levando ao erro de projeto da aeronave.

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Situações práticas1

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Mecanismo de formaçãoI. Formação de inclusões e extrusões causadas pela mov. de discordâncias;II. Como conseqüência,formam-se locais p/ nucleação de trincas;III. Ruptura catastrófica da estrutura.

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Neste estágio, a trinca normalmente apresenta estrias características, correspondentes ao número de ciclos do carregamento. A ponta desta trinca que se propaga gera muita concentração de tensão, causando deformação plástica local à frente da trinca. Essa zona de deformação plástica cresce até um ponto em que praticamente se iguala à espessura do material, terminando o estágio dois e iniciando-se o estágio três que é a ruptura.

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Os materiais dúcteis apresentam fundamentalmente estriação e coalescência de microcavidades, já a microclivagem surge com frequência em materiais de alta resistência ou frágeis.

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Fadiga sob corrosão

É a ruptura com aplicação de tensão cíclica em presença de um meio corrosivo.

Há uma série de casos típicos de ocorrência de corrosão-fadiga como os que seguem:

•Cabos de aço submarinos •Eixos de hélices de barcos •Timões •Tubos de evaporadores •Caldeiras •Componentes de turbinas, motores e bombas •Tubulações transportadoras de líquidos corrosivos

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De um total de 1289 navios construídos, 25% foram vítimas de fratura no casco, sendo que 233 foram catastróficas, resultando na perda da embarcação.

Principais causas dos acidentes:

•Projeto estrutural deficiente;•Temperaturas baixas das águas do Atlântico Norte;•Uso de materiais inadequados;•Solda de má qualidade.

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Vida em Fadiga

• Vida de iniciação: tempo para nuclear a trinca;• Vida de propagação: crescimento da trinca até a falha;• Limite de segurança: crescimento do tamanho crítico até a

falha.

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Vida em Fadiga

Propagação da trinca X Projeto• Dificuldade de detecção

devido o tamanho das trincas;

• Inspeções periódicas;

• Utilização de ensaios para detecção;

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Técnicas de Medições de Trincas

• Técnica de compliance: baseada no método CTOD, utiliza extensômetros do tipo clip gage, ou sensores de deslocamento de deformação interferométrico;

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Técnicas de Medições de Trincas

• Replica de acetato: aplicação de acetado de celulose sob a superfície da amostra, e as velocidades definidas a partir do método da integral J.

• Potencial elétrico: medição feita de forma automática, com alta precisão

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Ensaio de fadiga• Simular a ação do

componente;

• Indústria automobilística e aeronáutica;

Informações de interesse:• Resistência a nucleação de

trincas;• Resistência a propagação de

trincas;

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Ensaio de fadiga

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Ensaio de fadiga

• Ensaiar vários CP’s sob mesmo processamento até a ruptura;

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Ensaio de fadiga

• Pode ser realizado direto no componente;

• Corpos de prova normatizados de acordo com ASTM;

• Curva σ (tensão) x N (nº de ciclos).

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Ensaio de fadiga

• Método padrão (figura a): poucos CP’s (uma ou dois), por tensão ;

• Método da tensão constante (figura b): tensões com valores espaçados, sendo vários CP’s para cada tensão;

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Ensaio de fadiga

Dispersão nos resultados;

• norma ASTM E468• Utilização de duas linhas:

e

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Ensaio de fadiga

• Polímeros: ensaios semelhantes ao dos metais, porém mecanismos de fratura são desconhecidos;

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Ensaio de fadiga

Fatores que afetam os resultadosAssociação de fatores superficiais:• Rugosidade;• Presença de

descontinuidades de projeto;

• Tratamentos superficiais (tensão reduzida pela presença de tensão residual de compressão);

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“O exercício da engenharia é uma arte, capaz de recompensar seu artista, o engenheiro, e beneficiar os seres cujas necessidades serão atendidas pelas soluções encontradas e implantadas. O engenheiro é então um artista, cujo trabalho é resolver problemas de engenharia com os materiais e com as ferramentas científicas disponíveis. No entanto, a maior das ferramentas que possui é a si próprio e o correto emprego dessa ferramenta pode ser expresso através de sua dedicação, sua disposição em conhecer e, principalmente, seu bom senso.”

– Prof. Dr. Auteliano Antunes dos Santos Jr.,UNICAMP

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Referências Bibliográficas

[1] Lopes,A.G.; Comportamento Mecânico da Fratura de Material Compósito empregado na Aviação. 2012. Instituto Militar de Engenharia – RJ.

[2] Rosa, Edison; Análise de Resistência Mecânica. 2002. Universidade Federal de Santa Catarina- SC.

[3] Santos, A.T.Jr.; Sistemas Mecânicos – Introdução e Fadiga. 2002. Universidade Estadual de Campinas-SP.

[4] Callister, W.D.; Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução. 7ª edição. 2008. Editora LTC – RJ.

[5] Riva, I.R.; Análise de Fadiga de estruturas metálicas com ênfase em Offshore. 2004. Universidade Federal do Rio de Janeiro – RJ.