Aula 05 Fadiga dos Materiais Notas de Aulas

Aula 05 – Fadiga dos Materiais Notas de Aulas 2018 Elementos de Máquinas I André Ferreira Costa Vieira andrefvieira@usp. br

INTRODUÇÃO FADIGA - Fenómeno de diminuição progressiva da resistência mecânica devido a solicitação dinâmica, que resulta da propagação de fissuras que iniciam à superficie em descontinuidades do material, segundo um plano normal à direcção da tensão principal máxima, até que a área resistente é incapaz de suportar o carregamento aplicado Fatores que causam a Fadiga -grande diferença entre e -grande número de ciclos - muito elevado - tipo de material (aço , alumínio , plástico , etc ) 21/05/20 2

INTRODUÇÃO Inicio da falha por fadiga ocorre na superfície ou logo abaixo devido a: - trincas microscópicas - furos - rasgos de chaveta - mudança diâmetros - entalhes - defeitos superficiais (rugosidade) 21/05/20 3

INTRODUÇÃO A superficie de rotura se divide numa zona de progressão lenta (A) e em outra de progressão repentina (B) A- região polida devido ao “abre-fecha” B- região fosca devida à ruptura repentina e catastrófica Fatores que promovem a Fadiga: a ) concentração de tensões (entalhes) b) imprecisões metalúrgicas (composição , dureza , …) c) acabamento superficial d) corrosão e) tensões residuais f)temperatura (somente se alterar propriedades mecânicas) g) sobrecarga 21/05/20 4

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DIAGRAMA DE WOHLER OU S-N 21/05/20 10

DIAGRAMA DE WOHLER OU S-N S - tensão genérica N - n° de ciclos até rompimento por fadiga SRt - tensão ruptura estática SF - tensão limite de resistência à fadiga ( 0, 4 a 0, 6 ) NC - nº crítico de ciclos (no caso de aços: 3 x 106 < NC <1 x 107 ) (no caso de Al e ligas: NC > 1 x 109) (no caso de Cu, Mg e ligas: NC > 1 x 108) Curva S-N pode ser obtida com corpo de prova padrão ou com a própria peça. (no caso de plásticos: NC = ∞) I - N<10³ - fadiga a baixa ciclagem (vida finita): ex. Construção civil, solicitação estática. II - N<NC - fadiga a alta ciclagem (vida finita): ex. peças de engenharia mecânica com vida curta (descartáveis , absolência calculada , baixa frequência de uso , etc). III - N>NC- vida infinita: ex. peças mecânicas em geral (eixos, molas, rolamentos, etc). 21/05/20 11

TENSÃO LIMITE DE RESISTÊNCIA À FADIGA 21/05/20 12

TEORIA DE MINER Assume-se C=1 no trecho entre os pontos (10³ ; 0, 9 SRt) e (NC ; SF) do diagrama S-N 21/05/20 13

TEORIA DE MINER (EXEMPLO) Considerando SRt = 55 kgf/mm 2, SF= 27, 6 kgf/mm 2 e NC =106. A tensão aplicada σ1= 41, 3 kgf/mm 2 e n 1 =3000. Continuando a aplicar σ1 até ruptura restariam: Aplicando σ=SF até ruptura restariam: Segundo Miner reta AED// D’D”E” logo ΔDD’’D’ é proporcional a Δ ABD: 21/05/20 14

COEFICIENTE DE VARIAÇÃO DA SOLICITAÇÃO Tipos de Variações de Tensões 21/05/20 15

COEFICIENTE DE VARIAÇÃO DA SOLICITAÇÃO Parâmetros que definem a Variação de Tensão 1) Amplitude 2) Tensão Variável 3) Tensão Média 4) Coeficiente de Variação de Solicitação 21/05/20 k 16

COEFICIENTE DE VARIAÇÃO DA SOLICITAÇÃO 21/05/20 17

COEFICIENTE DE VARIAÇÃO DA SOLICITAÇÃO Diagrama de Wohler para vários k’s Obs: os valores de S usados nas ordenadas são sempre Sm=máx(|Smax|, |Smin|) 21/05/20 18

DIAGRAMA DE SMITH Para desenhar o diagram de Smith se considera os diversos k na condição limite de fadiga, isto é , interessam pontos c , c’, c”’ , etc. Considerando apenas um ponto c*, para um determinado valor de k, tem-se: 21/05/20 19

DIAGRAMA DE SMITH 21/05/20 20

DIAGRAMA DE SMITH - Ramos A 1 T e CA 2 contém pontos onde se determina para os vários k’s. - Ponto T – corresponte à tensão ruptura à tração , k=1 - Ponto C- corresponde à tensão ruptura à compressão , k=1 - Pontos Q 1, Q 2 e R 1, R 2 correspondem a solicitação pulsatória, k=2 - Pontos A 1, A 2 correspondem a solicitação alternada simiétrica, k=∞ - Ramos Q 2 T e R 1 T representam “tração”, S > 0 - Ramos Q 2 C e R 1 C representam “compressão”, S<0 Para determinar 21/05/20 se desenha uma reta que passa na origem com tg k 21

DIAGRAMA DE SMITH Caso I – não rompe 21/05/20 Caso II – rompe 22

DIAGRAMA DE GOODMAN Para evitar escoamento e consequentes deformações permanentes: Se < SRt 21/05/20 23

DIAGRAMA DE GOODMAN SIMPLIFICADO Para desenhar o diagrama de Goodman simplificado basta conhecer: SRt , Se e SFaf 21/05/20 24

DIAGRAMA DE SODERBERG Para desenhar o diagrama de Soderberg simplificado basta conhecer: Se e SFaf 21/05/20 25

COEFICIENTES DE CORREÇÃO DA RESISTÊNCIA À FADIGA 21/05/20 26

COEFICIENTES DE CORREÇÃO DA RESISTÊNCIA À FADIGA 21/05/20 27

CRITÉRIOS DE FALHA 21/05/20 28

CRITÉRIOS DE FALHA Critério de Soderberg Critério de Godman simplificado Critério de Gerberg Critério de ASME Critério de Langer 21/05/20 29

CONCENTRAÇÃO DE TENSÕES Qualquer descontinuidade geométrica num componente altera localmente a distribuição de tensões. Estas descontinuidades geométricas são designadas de concentradores de tensões. O coeficiente de concentração de tensões permite relacionar a tensão máxima local com a tensão nominal, verificada num ponto afastado da descontinuidade e calculada recorrendo às equações de análise de tensões. 21/05/20 30

COEFICIENTE DE CONCENTRAÇÃO DE TENSÕES O coeficiente de concentração de tensões depende do material (Kf ou Kfs). Alguns materiais são menos sensíveis às descontinuidades geométricas. O coeficiente de sensibilidade q varia entre 0 (Kf=1), quando o material é insensível às descontinuidades geométricas e 1 (Kf=Kt) quando o material é totalmente sensível: 21/05/20 31

COEFICIENTE DE CONCENTRAÇÃO DE TENSÕES 21/05/20 32

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CARREGAMENTO CÍCLICO MISTO Critério de Soderberg Critério de Godman simplificado Critério de Gerberg Critério de ASME Critério de Langer 21/05/20 41

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