Fadiga Um metal rompe-se por fadiga quando submetido a tensões cíclicas.

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1 Fadiga Um 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 σ < σ y 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.

2 Estruturas sujeitas a solicitações dinâmicas Pontes e Viadutos Pavimentos Dormentes Plataformas Marítimas Torres de grandes alturas Estruturas sujeitas a variação de temperatura Estruturas 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

3 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

4 Vibrodina Localização de Vibrodina e sensores

5 Informações coletadas dos ensaios Solução adotada: Amortecedores

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7 Problema de Fadiga Emissário submarino de esgotos de Ipanema-RJ (1991) Danos registrados após 17 anos em serviço Fraturas 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

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9 Propagação de fratura e colapso típico dos apoios Num. de ciclos de ondas durante 1 ano X altura

10 Solução adotada para recuperação e reforço

11 σ σ r m σ = a = σ = σ σ σ R = σ 2 σ máx. mín. máx. mín. r máx. mín. + σ 2 σ máx σ mín. σ m σ a σ r = Tensão máxima = Tensão mínima = Tensão média = Tensão alternada = Intervalo de tensões R = Relação de tensões

12 carga inicial ~ 2/3 σ y 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

13 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, N f, (número de ciclos até a falha): N f = N i + N p N f = número de ciclos para fratura N i = número de ciclos para início da trinca N p = número de ciclos para propagação da trinca Vida em fadiga de baixo ciclo: alta carga, deformação plástica e elástica N f ~ N p Vida em fadiga de alto ciclo: baixa carga, deformação elástica (N>10 5 ) N f ~ N i

14 Início da trinca e propagação (estágio I e II) 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 Alto ciclo de fadiga (baixa carga): N i é relativamente alto. Com aumento do nível de tensão, N i decresce e N p domina.

15 Tração Compressão No estágio II ocorre um processo plástico que torna a ponta da trinca rombuda.

16 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

17 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 (10 7 ciclo) Utiliza cerca de 8 a 12 CP s.

18 fadiga de baixo ciclo fadiga de alto ciclo apresenta limite de fadiga (ex., ligas de Fe, Ti,...) NÃO apresenta limite de fadiga, e sim o tempo de vida em fadiga (fratura após 10 7 ciclos). (ex., ligas de Al, Cu, Mg)

19 O limite de fadiga é a amplitude de tensão máxima abaixo da qual o material não falha, sem importar o número de ciclos.

20 A taxa de propagação de trincas: da dn da dn da dn = C σ C = constante = = C 1 ε AΔK m a n a m1 ρ σ a = tensão alternada a = comprimento da trinca m = varia de 2-4 n = varia de 1 2 A= constante ρ= varia de 1 6 ΔK = K K = max min = YΔσ πa = = Y( σ σ ) πa max min

21 Fatores que afetam a vida em fadiga Efeito da tensão média

22 Fatores que afetam a vida em fadiga Efeito da tensão média

23 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

24 Efeito da concentração de tensão na fadiga Comparação das curvas S-N de CP s entalhados e não entalhados Sensibilidade ao entalhe: q = K K f t 1 1 K f = fator de entalhe na fadiga K t = fator de concentração de tensão na fadiga

25 Efeito do tamanho da amostra A resistência a fadiga de componentes grandes é inferior a s amostras pequenas. Aço-carbono normalizado em flexão alternada Diâmetro da amostra (mm) Limite de fadiga (kgf/mm 2 ) 7,62 25,30 38,10 20,40 152,40 14,80

26 Efeito dos elementos intersticiais A = Metal puro B = Elementos formadores de ss C = envelhecimento por deformação D = aumento do envelhecimento

27 Efeito dos elementos intersticiais A = Metal puro B = Elementos formadores de ss C = envelhecimento por deformação D = aumento do envelhecimento

28 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 ΔT

29 Variáveis que influenciam na vida em fadiga: Concentração de tensões, corrosão, temperatura, sobrecarga, tensões residuais e combinadas Soluções: 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

30 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