Introdução à Mecânica da Fratura. Universidade de Brasília UnB Departamento de Engenharia Mecânica ENM Mecânica dos Materiais II

Transcrição

1 Introdução à Mecânica da Fratura Universidade de Brasília UnB Departamento de Engenharia Mecânica ENM Mecânica dos Materiais II

2 Tópicos da Aula Motivação Conceitos básicos Trincas como intensificadores de tensão Efeitos da trinca sobre a resistência da estrutura Aplicações

3 Motivação Dano Estrutural Acúmulo do Dano Iniciação de trincas Propagação das trincas A presença de trincas e defeitos pode reduzir em muito a resistência mecânica dos componentes estruturais Propagação de trincas MF - Análise e controle de trincas e defeitos MF - Seleção de materiais e detalhes estruturais

4 Motivação

5 Conceitos Básicos Possíveis modos de abertura de uma trinca Modo I causado por esforços trativos Modo de ABERTURA Modo II causado por esforços cisalhantes Modo de DESLIZAMENTO Modo III causado por esforços cisalhantes Modo de RASGAMENTO

6 Trinca como intensificador de tensões Placa plana com furo elíptico Caso d 0 então ρ 0 e Kt o que corresponderia à idealização de uma trinca

7 Geometria da Ponta da Trinca em Materiais Reais As tensões não são infinitas em materiais reais O material pode acomodar a presença da trinca de modo que as tensões assumam valores finitos

8 Efeitos da Trinca sobre a Resistência da Estrutura Uma carga relativamente elevada sobre um componente trincado pode provocar o crescimento repentino da trinca e fraturar de maneira frágil o componente. Para quantificar a carga máxima que pode ser aplicada, Conceito de fator de intensificação de tensões. Caracteriza a severidade da trinca Função do: Tamanho da trinca; Tensão nominal aplicada; Geometria; K < Kc Material pode suportar a presença de uma trinca

9 Efeitos da Trinca sobre a Resistência da Estrutura Tenacidade à fratura Kc Propriedade do material e varia com: temperatura velocidade de carregamento espessura do material MUITO IMPORTANTE Determinação de níveis aceitáveis de defeitos para determinado material Determinação de limites mínimos nos processo de inspeção não destrutivos Seleção de materiais para níveis de tensão e dimensões de trincas específicos

10 Avaliação Experimental

11 Efeitos da Trinca sobre a Resistência da Estrutura

12 Efeitos da Trinca sobre a Resistência da Estrutura

13 Efeitos da Trinca sobre a Resistência da Estrutura Ranhura ou defeito semi-elíptica

14 Efeitos da Trinca em Materiais Frágeis e Dúcteis Comprimento de transição Define o limite de utilização de a a > at pode-se utilizar os princípios da MFL < a t Escoamento é dominante ocorrerá redistribuição de tensões MFEP

15 Aplicações (1) Determinar a carga crítica que pode ser aplicada na placa de alumínio 7075-T651 Definição das propriedades do Material Definição das hipóteses simplificadoras do problema Escoamento ocorre somente na raiz da trinca; A propagação frágil ocorrerá de maneira instantânea quando K I =K IC A trinca é pequena quando comparada com as dimensões da placa; A tensão atuante na região da trinca é inferior ao limite de escoamento do material.

16 Aplicações (1) Determinação da Tensão Crítica de Fratura Determinação da Carga Crítica de Fratura Verificação da hipótese: tensão atuante na região da trinca é inferior ao limite de escoamento do material.

17 Aplicações (2) Uma placa de titânio Ti-6Al-4V é carregada conforme ilustrado. Determinar a profundidade máxima que a trinca poderá apresentar de forma que a placa NÃO sofra fratura frágil. Definição das propriedades do Material Definição das hipóteses simplificadoras do problema A propagação frágil ocorrerá de maneira instantânea quando K I =K IC ; Temperatura de utilização 21 o C.

18 Aplicações (2) Determinação do fator de intensidade Profundidade crítica

19 Aplicações (3) Uma placa de titânio com 1,4 m de largura e 2,8 m de comprimento deverá suportar uma força de 4000 KN. O processo de inspeção superficial disponível na indústria só permite detectar fissuras laterais maiores que 2,7mm. Verifique qual das duas ligas de Titânio apresentadas pode ser utilizada considerando que o fator de segurança deve ser 1,3 e que a estrutura deve ser apresentar o menor peso possível.

20 Aplicações (3)

21 Aplicações (3)

22 Aplicações (3)