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FadigaUm metal rompe-se por fadiga quando submetido a tensões cíclicas.
•Fratura é de aparência frágil, mesmo que em materiais dúcteis, com formação de uma série de anéis que se desenvolvem do início da trinca para o interior da amostra
•Ocorre sob carga consideravelmente mais baixa que o limite de escoamento e tensão máxima do material sob carregamento estático
•É estimado ser a causa de 90% das falhas em estruturas metálicas (pontes, aviões, componentes de máquinas, etc)
•A tensão causadora da fadiga pode ser axial (tração ou compressão), fletora ou torcional.
•Ocorre subitamente e de forma catastrófica.
σ
< σy
Estruturas sujeitas a solicitações dinâmicas
Pontes e ViadutosPavimentosDormentesPlataformas MarítimasTorres de grandes alturasEstruturas sujeitas a variação de temperaturaEstruturas sujeitas a vibração- Vento / Água- Máquinas- Explosões- Movimento rítmico feito por pessoas
NB1-99 “deve-se dar especial atenção aos efeitos deletérios provocados por essas cargas”
Casos Registrados na Literatura
Problema de Vibração Excessiva
Estádio do Morumbi (SP) 1995/1996• Realização de ensaios dinâmicos de vibração forçada• Levantamento das características dinâmicas da estrutura• Simular a excitação induzida pelos torcedores• Conclusão: Erro de Projeto• Correção: Aumentar a Rigidez ou o Amortecimento da Estrutura
Vista parcial da arquibancada com equipamentos para o ensaio dinâmico
Vibrodina
Localização de Vibrodina e sensores
Informações coletadas dos ensaios
Solução adotada: Amortecedores
Problema de Fadiga
Emissário submarino de esgotos de Ipanema-RJ (1991)
Danos registrados após 17 anos em serviçoFraturas e Colapsos devido o efeito combinado de
Fadiga e Corrosão• Colapso em apoios metálicos da tubulação em CP • Correção: Novos apoios metálicos com substituição das estacas metálicas comprometidas
Planta de situação esquemática
Propagação de fratura e colapso típico dos apoios
Num. de ciclos de ondas durante 1 ano X altura
Solução adotada para recuperação e reforço
.. mínmáxr σσσ −=
2r
aσ
σ =
2.. mínmáx
mσσ
σ+
=
.
.
mín
máxRσσ
=
máxσ = Tensão máxima
= Tensão mínima.mínσ= Tensão médiamσ
= Tensão alternadaaσ= Intervalo de tensõesrσ
R = Relação de tensões
Fatores necessários para causar falha por fadiga:• Tensão máx. suficientemente alta,• Grande variação na tensão aplicada,• Grande nº de ciclos,
Características importantes da fadiga:• Ocorrência de deslizamento não significa que irá
forma trinca• A propagação da trinca em fadiga geralmente é
transgranular• Formação de intrusões e extrusões
Deformação estática
Intrusão Extrusão
carga inicial ~ 2/3 σy
Início da trinca e propagação (estágio I e II)
•Iniciação da trinca
•Crescimento da trinca em banda de deslizamento (I)
•Crescimento da trinca nos planos de alta tensão de tração (II)
•Ruptura final estática
Vida em fadiga, Nf , (número de ciclos até a falha):
Nf = Ni + Np
Nf = número de ciclos para fratura
Ni = número de ciclos para início da trinca
Np = número de ciclos para propagação da trinca
Vida em fadiga de baixo ciclo: alta carga, deformação plástica e elástica Nf ~ Np
Vida em fadiga de alto ciclo: baixa carga, deformação elástica (N>105) Nf ~ Ni
Início da trinca e propagação (estágio I e II)
Alto ciclo de fadiga (baixa carga):• Ni é relativamente alto.• Com aumento do nível de tensão, Ni decresce e Np domina.
Estágio (I)
• Taxa de propagação da trinca na ordem de Å/ciclo
• Superfície de fratura sem aspecto característico, geralmente é plana
• Envolve poucos grãos
Estágio (II)
• Taxa de propagação da trinca na ordem de m/ciclo
• Trinca perpendicular a tensão aplicada
• Superfície de fratura na forma de estrias ou rugas produzidas por um único ciclo de tensões
No estágio II ocorre um processo plástico que torna a ponta da trinca rombuda.
Tração Compressão
Cobre trabalhado a frio
Variação do espaçamento da estricção: (a) liga de alumínio 7475-T7651 sob tensão alternada, (b) liga de alumínio 7050-T7651 extrudada
Curva S-N
Curva de tensão (S) versus número de ciclos necessários para a fratura (N):
• Teste sob tensão alta• Diminui a tensão até que 1 ou 2 CP não se rompa
(107 ciclo)• Utiliza cerca de 8 a 12 CP´s.
apresenta limite de fadiga(ex., ligas de Fe,
Ti, ...)
NÃO apresenta limite de fadiga, e
sim o tempo de vida em fadiga (fratura após 107 ciclos).(ex., ligas de Al,
Cu, Mg)
fadiga de baixo ciclo
fadiga de alto ciclo
O limite de fadiga é a amplitude de tensão máxima abaixo da qual o material não falha, sem importar o número de ciclos.
A taxa de propagação de trincas:
nma aC
dNda σ= C = constante
σa = tensão alternadaa = comprimento da trincam = varia de 2 - 4n = varia de 1 – 2A= constanteρ= varia de 1 – 6
11
mCdNda ε=
ρKAdNda
Δ= Δ
Δ
K K KY a
Y a
max min
max min
= − =
= =
= −
σ π
σ σ π( )
Fatores que afetam a vida em fadiga
Efeito da tensão média
Fatores que afetam a vida em fadiga
Efeito da tensão média
Efeito da superfície de fadiga• Rugosidade na superfície ou concentrador de tensões• Variações nas condições de tensão residual ou
resistência a fadiga da superfície• Oxidação ou corrosão• Fatores de projeto• Tratamentos superficiais
Fator de superfície para aços com vários tratamentos superficiais
Design ruim Design bom
Efeito da concentração de tensão na fadiga
Comparação das curvas S-N de CP´s entalhados e não entalhados
11
−
−=
t
f
KK
q
Sensibilidade ao entalhe:
Kf = fator de entalhe na fadigaKt = fator de concentração de tensão na fadiga
Efeito do tamanho da amostra
A resistência a fadiga de componentes grandes é inferior a s amostras pequenas.
Aço-carbono normalizado em flexão alternadaDiâmetro da amostra (mm) Limite de fadiga (kgf/mm2)7,62 25,3038,10 20,40152,40 14,80
Efeito dos elementos intersticiais
A = Metal puroB = Elementos formadores de ssC = envelhecimento por deformaçãoD = aumento do envelhecimento
Efeito dos elementos intersticiais
A = Metal puroB = Elementos formadores de ssC = envelhecimento por deformaçãoD = aumento do envelhecimento
Efeito da temperatura na fadiga
• Baixa temperatura aumenta a resistência a fadiga (exceto aço doce)
Fadiga térmica
• A falha por fadiga pode ser provocada por tensões térmicas flutuantes
σ α= l E TΔ
Variáveis que influenciam na vida em fadiga:Concentração de tensões, corrosão, temperatura,
sobrecarga, tensões residuais e combinadasSoluções:
• Polir• Aplicar força compressiva na superfície da trinca• Promover endurecimento superficial pela difusão atômica de determinados elementos• Otimização da geometria da peça
Fadiga térmica:Ciclos térmicos que causam expansão e contração,
além da tensão aplicada.Soluções:
• Eliminar restrição pelo design• Usar material com baixo coeficiente de expansão térmica
Fadiga sob corrosão:Reação química forma pits que agem como
concentrador de tensões. A corrosão aumenta a propagação de trincas
Soluções:• Diminuir o meio corrosivo• Adicionar superfície protetora• Aplicar tensão compressiva residual
Critérios de projeto
Utilizar norma para ensaio de fadiga:•Corpos de prova do mesmo tamanho, rugosidade, tensão residual, etc.•Nível de tenção e número de ciclos apropriados