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EELFadiga dos Materiais Metálicos - Prof. Carlos Baptista

PARTE 7: EFEITOS DE ENTALHE E DE TENSÕES RESIDUAIS


ENTALHES

Concentradores de Tensão

- Entalhe é um contorno geométrico a interromper o fluxo de forças pela peça.

- Furos, ranhuras, chanfros, etc, resultam em distribuição não uniforme da tensão.

- Uma medida das altas tensões localizadas é dada pelo Fator de Concentração

de Tensão, denotado por Kt (o índice “t” enfatiza o caráter teórico).


ENTALHES

Concentradores de Tensão

- O Fator de Concentração de Tensão pode ser determinado matematicamente

ou experimentalmente.

- Visto que o estado de tensão provocado por um entalhe pode ser biaxial ou

triaxial, pode-se definir um “fator combinado” Kt’ que considera, por exemplo,

o critério de von Mises (a diferença entre os dois será menor que 15%).

Para se calcular o Fator de

Concentração de Tensão em

um corpo-de-prova entalhado,

o raio da ponta do entalhe

deve ser medido com precisão.


ENTALHES

Sensibilidade ao Entalhe

- Pode-se prever o início da trinca por fadiga em peças com entalhe usando o

método Deformação-Vida, calculando-se a deformação local cíclica e

empregando-se, por exemplo, a Regra de Neuber (como visto anteriormente).

- Quando as condições elásticas prevalecem (fadiga de alto ciclo), o efeito dos

entalhes pode ser avaliado pelo fator de Sensibilidade ao Entalhe, q.

- A sensibilidade ao entalhe é considerada o grau com o qual um efeito teórico

é realmente obtido na prática e, para o Kt é definida pela expressão abaixo,

onde Kf é o Fator de Entalhe à Fadiga, dado pela razão entre a resistência à

fadiga de uma peça sem entalhe e a resistência de uma peça com entalhe,

para um mesmo número de ciclos na faixa de vidas longas (Nf > 106 ciclos).

Note que q varia de 0 (quando Kf = 1) a 1 (quando Kf = Kt ).

n,f

u,ffK

Geralmente, Kf < Kt .


ENTALHES

Sensibilidade ao Entalhe

Efeito do raio do entalhe no

valor do Fator de Entalhe Kf..

Efeito da tensão média na vida em

fadiga de peças com e sem entalhe.


TENSÕES RESIDUAIS

Caracterização das tensões residuais

- Tensões elásticas em equilíbrio, presentes no componente previamente à

aplicação das cargas de serviço.

- Podem ser resultantes dos processos usuais de fabricação (como usinagem,

soldagem, conformação).

- Ou podem ser deliberadamente introduzidas na peça, por algum método

apropriado, com o objetivo de melhorar o comportamento mecânico.

Produção de tensões residuais

- Métodos mecânicos, térmicos, operações de usinagem, plating.

- Métodos Mecânicos mais empregados para produzir tensões

residuais compressivas com o objetivo de aumentar a resistência

à fadiga:

- Shot Peening.

- Roleteamento.


TENSÕES RESIDUAIS

Medição de tensões residuais

- Em laboratório ou no campo.

- Técnicas incluem: difração de raios-X, ultrassom, hole drilling.


SHOT PEENING

Informações Básicas

- Processo de trabalho a frio por jateamento com esferas de aço, cerâmica ou vidro.

- Não é simples jateamento mas um método preciso, controlável e repetitível.

- Produz tensões residuais compressivas e alta densidade de discordâncias

nas camadas superficiais do componente.


SHOT PEENING

Intensidade de Peening

- Controlada com o emprego das chamadas Placas de Almen.

- Placas padronizadas colocadas junto ao material tratado.

- Existem 3 espessuras de placas: “N”, “A”, “C”, onde 3N = A = 0,3C.

- Após o Shot Peening as placas se deformam; mede-se a flecha (polegadas).


SHOT PEENING

Efeito do Shot Peening sobre a resistência à fadiga

- Vários fatores contribuem para o resultado final: campo de tensões

residuais, rugosidade da superfície, propriedades do material após a

deformação plástica induzida pelo shot peening.

Superfície do aço 4340 (39 HRC) submetido a

shot peening com intensidade 0,018 A (50 x)


SHOT PEENING

Efeito do Shot Peening sobre a resistência à fadiga (cont.)

60

50

40

30

20

10

0

-10

0 100 200 300 400

Distância da superfície ( m )

10 10 10 10 10 10 103 4 5 6 7 8 9

1300

1200

1100

1000

900

800

700

600

(MP )

a

Esfera = 0,3mm

Esfera = 0,6mm

Número de c iclos

Am

plit

ud

e d

e te

nsã

o

(b)

(a)


TRATAMENTO WPC (WONDER PROCESS CRAFT)

Resultados Alegados

- Aumenta dureza, reduz atrito, introduz tensão residual compressiva na superfície.

- Partículas ultra-finas atiradas em alta velocidade contra a superfície do metal.

Comparação de processos


ROLETEAMENTO

Descrição

- Processo de conformação por meio de roletes.

- Induz tensões residuais compressivas próximo à superfície.

- Pode reduzir a nucleação de trincas de fadiga.

Ex.: Roleteamento

de virabrequim


ROLETEAMENTO

Efeito do roleteamento na resistência à fadiga


ROLETEAMENTO

Efeito do roleteamento na resistência à fadiga (cont.)

Corpo-de-prova para

o ensaio de fadiga.

Tentativa de simulação das tensões residuais induzidas pelo processo

de Roleteamento usando análise não-linear por Elementos Finitos.

Oliveira, C.L., Dissertação de

Mestrado. UNITAU, 2012.


ROLETEAMENTO

Efeito do roleteamento na resistência à fadiga (cont.)


UM ESTUDO REALIZADO COM O AÇO AISI 4340

Aço 4340 empregado em componentes de trens de pouso

EIXO DA RODA

CONJ. AMORTECEDOR

600

800

1000

1200

1400

103

104

105

106

107

% (Material base com 53HRc)

% (Material base com 39HRc [142] )

% (Material base com 39HRc [141])

Número de ciclos

Ten

são

(M

Pa)

Eixos

PISTÃO

Torres, M.A.S., Tese de

Doutorado. UNESP, 2002.



Resultados Experimentais

- Aço temperado e revenido para dureza 50-53 HRC.

- Adotou-se 5 diferentes intensidades de shot peening.

- Curvas S/N não apresentam correlação evidente com o CTRC.

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25-1400

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

2000 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

0,0027A

0,0063A

0,0083A

0,0101A

0,0141A

Tensão R

esid

ual [M

Pa]

Profundidade[mm]



Resultados Experimentais

- Curvas S/N: pontos mostrados representam a média de 5 ensaios.

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

103

104

105

106

107

Nível 1 1370MPa

Nível 2 1130MPa

Nível 3 1007MPa

Nível 4 931MPa

Nível 5 840MPa

Nível 5

Nível 4

Nível 3

Nível 2

Nível 1

Curvas de Fadiga

Material base 53HRc

0,0027A

0,0063A

0,0083A

0,0101A

0,0141A

Número de ciclos

Tensão (

MP

a)



Determinação dos locais de início das trincas de fadiga

Na superfície.

Em inclusão.

Abaixo da superfície.



Relação entre a posição de início da trinca e a vida em fadiga



Superposição de tensões e posição de início das trincas

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Relação de Goodman

Nível 1

Nível 4

Nível 3

% (CTRCna condição 0,0063A)

% (Posição do início da trinca no nível 3)

% (Posição do início da trinca no nível 4)

Ten

são

(M

Pa

)

Profundidade (mm)Resultados inesperados.

?



Medição do campo de tensões residuais após um dado número de ciclos

Condição 0,0083A, nível 4.

Condição 0,0063A, nível 4.

RELAXAÇÃO DAS TENSÕES RESIDUAIS INDUZIDAS.



Medição do campo de tensões residuais após um dado número de ciclos

Nos ensaios de flexão rotativa, as tensões de compressão aplicadas somam-se às tensões compressivas presentes devido ao tratamento de shot peening.Se o resultado desta superposição for suficientemente grande, existe entãouma deformação plástica e, consequentemente, uma redistribuição dastensões, causando o relaxamento do CTRC original. Com a continuidade dosensaios, devido ao relaxamento das tensões, a soma algébrica das tensões irádiminuir. Com isso, a partir de um determinado momento, espera-se que onível da superposição das tensões fique abaixo da tensão de escoamentocíclico do material e torne o CTRC estável.



Efeito de outros fatores, como a Rugosidade

Dados para liga de Mg AZ80 (Wagner, 1999).

Rugosidade no aço 4340 após Shot Peening.

10

10

10

6

5

4

0.2 0.4 0.6 0.8

Intensidade Almen [mmN]

Cic

los

pa

ra fra

tura

NF

0 20 40 60 80 100 120 140 160

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

% (Média de rugosidades 53HRc)

% (Média de rugosidades 39HRc)R

ug

osid

ad

e ( m

)

Intensidade de peening ( 10-4 in A )


FIM DA PARTE 7

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