Introdução 1.1 INTRODUÇÃO CAPÍTULO

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1 Introdução Introdução Tipos de falha dos materiais Projeto e seleção de materiais Desafi os tecnológicos Importância econômica da fratura Resumo Obter uma visão geral dos tipos de falha do material que afetam o projeto mecânico e estrutural. Compreender, de modo geral, como as limitações de resistência e ductilidade dos materiais são tratadas nos projetos de engenharia. Desenvolver a percepção de como o desenvolvimento de novas tecnologias exige novos materiais e novos métodos de avaliação do comportamento mecânico de materiais. Perceber os surpreendentemente elevados custos da fratura para a economia. 1.1 INTRODUÇÃO Projetistas de máquinas, veículos e estruturas devem alcançar níveis aceitáveis de desempenho e economicidade, ao mesmo tempo que se esforçam para garantir que o produto projetado seja seguro e durável. Para assegurar desempenho, segurança e durabilidade, é necessário evitar o excesso de deformação, isto é, flexão, torção, ou estiramento dos componentes (partes) da máquina, veículo ou estrutura. Além disso, a formação de trincas nos componentes deve ser totalmente evitada, ou estritamente limitada, de modo que elas não progridam ao ponto de se transformar em uma fratura completa. O estudo de deformação e fratura nos materiais é conhecido como comportamento mecânico dos materiais. O conhecimento nesta área proporciona a base para evitar estes tipos de falha nas aplicações de engenharia. Um assunto desta disciplina é o teste mecânico das amostras de materiais por meio da aplicação de forças e deformações. Uma vez que o comportamento de um dado material é quantitativamente determinado a partir de ensaios, ou conhecido a partir de dados já publicados, suas chances de sucesso, em um projeto de engenharia em particular, podem ser devidamente avaliadas. A preocupação mais básica em um projeto mecânico para evitar uma falha estrutural é que as tensões no componente não devem exceder a resistência do material. A resistência é simplesmente o nível de tensão que provoca uma deformação ou falha 1

2 Estrutura e Deformação nos Materiais Introdução Ligações químicas em sólidos Estrutura em materiais cristalinos Deformação elástica e resistência teórica Deformação inelástica Resumo Revisar conceitos relacionados às ligações químicas e às estruturas cristalinas em materiais sólidos a um nível básico e relacioná-los aos diferentes comportamentos mecânicos das várias classes de materiais. Compreender a base física da deformação elástica, e empregar esta compreensão para estimar a resistência teórica de sólidos devido à sua ligação química. Compreender os mecanismos básicos de deformações inelásticas causadas pela plasticidade e pela fl uência. Descobrir por que a resistência real dos materiais é muito inferior à força teórica para romper as ligações químicas que os formam. 2.1 INTRODUÇÃO Uma grande variedade de materiais é usada em aplicações nas quais é necessária resistência ao carregamento mecânico. Esses materiais são coletivamente conhecidos como materiais de engenharia e podem ser classificados nas categorias dos metais e das ligas metálicas, cerâmicas e vidros, polímeros e compósitos. A Tabela 2.1 apresenta alguns membros típicos de cada classe dos materiais de engenharia. As características de ligação química e de microestrutura associadas às diferentes classes de materiais afetam o seu comportamento mecânico, o que origina vantagens e desvantagens relativas entre as classes, situação resumida na Figura 2.1. Por exemplo, a forte ligação química envolvida nas cerâmicas e nos materiais vítreos confere altas resistência mecânica e rigidez (alto E), assim como resistência à temperatura e à corrosão; entretanto, provoca um comportamento frágil desses materiais. Em contraste, muitos polímeros possuem ligações relativamente fracas entre as moléculas formadoras de suas cadeias, o que leva o material a apresentar baixa resistência e rigidez, assim como susceptibilidade à deformação por fluência. A partir da escala de tamanho de interesse prático da engenharia, que é de aproximadamente um metro, há um espaço em tamanho de 10 ordens de grandeza até chegarmos à escala do átomo, que é de cerca de m. Esta situação e as várias escalas intermédias de tamanho, interessantes para a análise dos materiais, estão indicadas na Figura 2.2. Em dada escala de tamanho, a compreensão do comportamento do material na escala 23

3 Uma Revisão sobre os Materiais de Engenharia Introdução Obtenção de ligas e processamento dos metais Aços e ferros fundidos Metais não ferrosos Polímeros Cerâmicas e vidros Materiais compósitos Seleção de materiais para componentes de engenharia Resumo Familiarizar-se com as quatro principais classes de materiais utilizados para resistir a carregamentos mecânicos: metais e ligas, polímeros, cerâmicas e vidros e compósitos. Para cada classe principal, obter um conhecimento geral de suas características, estrutura interna, comportamento e métodos de processamento. Conhecer os materiais típicos, sistemas de identifi cação e usos comuns; entender como as aplicações dos materiais estão relacionadas a suas propriedades. Aplicar um método geral para a seleção de material para um dado componente de engenharia. 3.1 INTRODUÇÃO Os materiais empregados para resistir ao carregamento mecânico, aqui denominados materiais de engenharia, podem pertencer a qualquer uma das quatro classes principais: metais e ligas, polímeros, cerâmicas e vidros, e compósitos. As três primeiras dessas categorias já foram discutidas no capítulo anterior sob o ponto de vista da estrutura e dos mecanismos de deformação. Exemplos de membros de cada classe encontram-se na Tabela 2.1 e suas características gerais estão ilustradas na Figura 2.1. Neste capítulo, cada classe principal de materiais é considerada mais detalhadamente. Serão identificados grupos de materiais relacionados dentro de cada classe, os efeitos das variáveis de processamento serão resumidos, e os sistemas utilizados para nomear vários materiais são descritos. Metais e ligas são os materiais de engenharia dominantes e de uso corrente em muitas aplicações; por isso, mais espaço é dedicado a esses materiais do que para os outros. No entanto, polímeros, cerâmicas, vidros e compósitos também são de grande importância. As recentes melhorias em materiais não metálicos e em compósitos têm resultado em uma tendência de que esses materiais substituam os metais em algumas aplicações. Uma parte essencial do processo de projeto de engenharia é a seleção de materiais adequados para confeccionar componentes de engenharia. Isto requer, pelo menos, 49

4 Ensaios Mecânicos: Ensaios de Tração e Outros Testes Básicos Introdução Introdução ao ensaio de tração Propriedades obtidas da tensão e deformação de engenharia Tendências no comportamento em tração Interpretação do ensaio de tração em termos de tensão e deformação reais (verdadeiras) Ensaios de compressão Ensaios de dureza Ensaios de impacto com entalhe Ensaios de fl exão e torção Resumo Familiarizar-se com os tipos básicos de ensaios mecânicos, incluindo os ensaios de tração, compressão, dureza por penetração, impacto com entalhe, fl exão e torção. Analisar os dados obtidos dos ensaios de tração para determinar as propriedades dos materiais, incluindo tanto as propriedades de engenharia quanto as propriedades reais da relação tensão-deformação. Compreender o signifi cado das propriedades obtidas a partir de ensaios mecânicos básicos e explorar algumas das principais tendências de comportamento visualizadas nestes testes. 4.1 INTRODUÇÃO Amostras de materiais de engenharia são sujeitas a grande variedade de ensaios mecânicos para medir sua resistência ou de outras propriedades de interesse. Tais amostras, denominadas corpos de prova, são frequentemente rompidas ou deformadas intensamente durante testes mecânicos. Algumas das formas mais comuns de corpos de prova e de situações de carregamento estão apresentadas na Figura 4.1. O ensaio mais básico é simplesmente romper a amostra mediante a aplicação de uma força de tração, como em (a). Ensaios de compressão (b) também são comuns. Na engenharia, a dureza é normalmente definida em termos da resistência do material à penetração por uma esfera dura ou penetrador, como em (c). Várias formas de teste de flexão são também usadas muitas vezes, como no caso da torção de hastes cilíndricas ou tubos. Os corpos de prova mais simples são lisos (sem entalhe), como os ilustrados na Figura 4.2 (a). Geometrias mais complexas podem ser usadas para produzir condições que se assemelham àquelas nos componentes de engenharia reais. Entalhes com um raio final definido podem ser usinados em corpos de prova para ensaios, tais como em (b). (O termo entalhe é utilizado aqui genericamente para indicar qualquer ranhura, perfuração, entalhe etc., que tem o efeito de um concentrador de tensões.) Entalhes 105

5 Correlações e Comportamento entre Tensão e Deformação Introdução Modelos para o comportamento em deformação Deformação elástica Materiais anisotrópicos Resumo Familiarizar-se com os diferentes tipos de deformação elástica, plástica, fl uência no estado estacionário, fl uência transitória, assim como com modelos reológicos simples para representar o comportamento entre tensão, deformação e tempo em cada situação. Explorar relações tridimensionais entre tensão e deformação para o comportamento linear elástico em materiais isotrópicos, analisando a interdependência das tensões ou deformações impostas em mais de uma direção. Ampliar o conhecimento do comportamento elástico para casos básicos de anisotropia, incluindo placas de material compósito de matriz-reforçada por fi bras. 5.1 INTRODUÇÃO Os três principais tipos de deformação que ocorrem em materiais de engenharia são as elásticas, plásticas e por fluência. Elas já foram discutidas no Capítulo 2, do ponto de vista dos mecanismos físicos e das tendências gerais verificadas no comportamento de metais, polímeros e cerâmicas. Recorde que a deformação elástica é associada ao estiramento sem ruptura das ligações químicas. Em contraste, os dois tipos de deformação inelástica envolvem processos pelos quais os átomos alteraram as suas posições relativas, tais como no deslizamento de planos cristalinos ou deslizamento de moléculas das cadeias poliméricas. Se a deformação inelástica é dependente do tempo, esta é classificada como fl uência, de forma a ser distinguida da deformação plástica, que não é dependente do tempo. No projeto e análise de engenharia são frequentemente necessárias equações que descrevam o comportamento ou a correlação entre a tensão e a deformação, chamadas de equações constitutivas. Por exemplo, na mecânica de materiais, assume-se para o comportamento elástico uma relação de tensão-deformação linear, utilizado no cálculo das tensões e deformações presentes em componentes simples, tais como vigas e eixos. Situações de geometria e de carregamento mais complexas podem ser analisadas empregando-se os mesmos pressupostos básicos através da teoria da elasticidade. Atualmente essa análise é realizada usando uma técnica numérica chamada de análise de elementos finitos (do inglês fi nite element analysis ou FEM ), empregando-se computação. As relações tensão-deformação precisam considerar o comportamento em três dimensões. Além das deformações elásticas, pode ser necessário que as equações 181

6 Revisão dos Estados de Tensão e Deformação Principais e Complexos Introdução Tensão plana Tensões principais e máxima tensão de cisalhamento Estados de tensão tridimensionais Tensões em planos octaédricos Estados complexos de deformação Resumo Desenvolver as equações necessárias, aplicáveis em tensão plana, para a transformação de eixos e aplicá-las na determinação das tensões principais normais e de cisalhamento. Incluir a representação gráfi ca pelo círculo de Mohr e estender esta análise aos casos gerais de tensão plana. Explorar estados tridimensionais de tensão, com ênfase nas tensões principais normais, nos eixos principais, tensões principais de cisalhamento e tensão máxima de cisalhamento. Revisar os estados complexos de deformação, aplicando-se o fato de que a matemática e os procedimentos de análise mecânica são análogos aos empregados para tensão. 6.1 INTRODUÇÃO Os componentes de máquinas, os veículos e as estruturas são submetidos a carregamentos mecânicos, que podem incluir tração, compressão, flexão, torção, pressão ou uma combinação dessas. Como resultado, ocorrem estados complexos de tensão, normal e de cisalhamento, que variam em intensidade e direção com a localização no componente. O projetista tem de assegurar que o material do componente não irá falhar como resultado dessas tensões. Para alcançar este objetivo, devemos identificar os locais onde as tensões são mais intensas para que, em seguida, seja feita uma análise posterior, mais detalhada, das tensões nestas posições. Em qualquer ponto num componente, em que haja interesse pelas tensões presentes, primeiro é necessário observar que a intensidade das tensões varia com a direção. Ao considerar todas as direções possíveis, podem ser obtidas a tensões mais severas, em um determinado local. As tensões envolvidas são chamadas de tensões principais e as orientações específicas em que atuam são os eixos principais. São de interesse tanto as tensões principais normais, quanto as tensões principais de cisalhamento. O principal objetivo deste capítulo é apresentar os procedimentos para determinar essas tensões principais e as suas direções. O tratamento deste tópico começa com o relativamente simples caso da tensão plana, no qual as tensões que atuam sobre um plano ortogonal são nulas. Posteriormente estenderemos a discussão para o caso geral de estados tridimensionais de 227

7 Escoamento e Fratura sob Tensões Compostas Introdução Forma geral dos critérios de falha Critério de falha pela máxima tensão normal Critério de escoamento pela máxima tensão cisalhante Critério de escoamento pela tensão cisalhante octaédrica Discussão dos critérios básicos de falha Critério de fratura de Coulomb-Mohr Critério de fratura de Mohr modifi cado Comentários adicionais sobre critérios de falha Resumo Desenvolver e empregar três critérios básicos para a previsão de falha sob tensões multiaxiais: critério de fratura pela máxima tensão normal, critério de escoamento pela máxima tensão cisalhante e critério de escoamento pela tensão cisalhante octaédrica. Comparar e discutir esses critérios básicos quanto à sua aplicabilidade e extensões. Analisar a fratura de materiais frágeis mediante carregamentos multiaxiais em tração ou compressão, em que qualquer um dos dois modos de fratura, por tração ou por cisalhamento, pode ocorrer, com alguma infl uência do carregamento em compressão afetando o modo de falha por cisalhamento. 7.1 INTRODUÇÃO Componentes de engenharia podem ser submetidos a carregamentos complexos em tração, compressão, flexão, torção, pressão, ou combinações destes, de modo que, em determinado ponto no material, as tensões ocorrem normalmente em mais de um sentido. Se forem suficientemente severas, tais tensões combinadas podem agir em conjunto para fazer com que o material entre em deformação plástica ou frature. A previsão dos limites de segurança para o uso de um material sob tensões combinadas requer a aplicação de um critério de falha. Diferentes critérios de falha estão disponíveis: alguns preveem a falha pela ocorrência de escoamento, ou seja, pelo início de deformação plástica, já outros critérios consideram que a falha ocorra pela fratura. Os primeiros são especificamente conhecidos como critérios de escoamento, e os últimos são os critérios de fratura. No presente capítulo, os critérios de falha serão considerados com base nos valores das tensões aplicadas. O seu uso envolve o cálculo de um valor efetivo da tensão aplicada, que caracteriza as tensões combinadas e, em seguida, a comparação deste valor com a resistência ao escoamento ou à fratura do material. Um material pode falhar por escoamento ou por fratura, dependendo das suas propriedades e do estado de 269

8 Fratura de Componentes com Trincas Introdução Discussão preliminar Conceitos matemáticos Aplicação de K ao projeto e análise Tópicos adicionais sobre a aplicação de K Valores e tendências para a tenacidade à fratura Tamanho da zona plástica e limitações de plasticidade da MFLE Discussão sobre os ensaios de tenacidade à fratura Extensão da mecânica de fratura para além da elasticidade linear Resumo Compreender os efeitos das trincas nos materiais e por que a tenacidade à fratura, K Ic, é uma medida da capacidade de um material de resistir à falha na presença de uma trinca. Explorar as tendências de variação de K Ic com o material e com parâmetros, tais como temperatura, taxa de carregamento e processamento. Avaliar os efeitos da presença de trincas em componentes de engenharia, utilizando a mecânica de fratura linear elástica e aplicando o fator de intensidade de tensão, K, para combinar tensão, geometria e tamanho de trinca para caracterizar a severidade da presença de uma trinca. Analisar os efeitos da plasticidade em componentes com trincas, incluindo os tamanhos da zona plástica, efeitos de constrição devido à espessura da chapa, cargas limite para condição de plasticidade generalizada e uma breve introdução aos métodos avançados da mecânica de fratura. 8.1 INTRODUÇÃO A presença de uma trinca em um componente de uma máquina, veículo ou estrutura pode enfraquecê-la de modo que ela pode falhar pela sua fratura em duas ou mais peças. Isso pode ocorrer para tensões abaixo de limite de escoamento do material, quando a falha não seria normalmente esperada. Como exemplo, estão mostrados, na Figura 8.1, as fotografias da falha de um caminhão-tanque de propano, causada em parte por trincas preexistentes. Onde as trincas são difíceis de evitar, uma metodologia especial chamada mecânica de fratura pode ser utilizada para auxiliar na seleção de materiais e projeto de componentes, de forma a minimizar a possibilidade de fratura. Além das trincas em si, outros tipos de falhas comportam-se como trincas e facilmente podem desenvolver-se até esse ponto. Por isso, é necessário que tais falhas sejam efetivamente tratadas como se fossem trincas. Exemplos incluem riscos superficiais profundos ou goivas (entalhes), vazios em soldas, inclusões de substâncias estranhas em materiais fundidos ou forjados e delaminações em materiais produzidos em camadas. Como exemplo disso, a Figura 8.2 mostra a fotografia de uma trinca iniciando-se a partir de uma grande inclusão na parede de um tubo de aço forjado empregado para artilharia. 331

9 Fadiga dos Materiais: Introdução e Abordagem Baseada em Tensão Introdução Defi nições e conceitos Fontes de carregamento cíclico Ensaios de fadiga A natureza física dos danos por fadiga Tendências nas curvas S - N Tensões médias Tensões multiaxiais Carregamento de amplitude variável Resumo Explorar o comportamento em fadiga cíclica dos materiais como um processo de dano progressivo que leva à formação de trincas e à falha, incluindo as tendências para variáveis infl uenciadoras, tais como nível de tensão, geometria, condição superfi cial, meio e microestrutura. Revisar os testes laboratoriais para avaliação da fadiga, analisar dados típicos obtidos em ensaios para gerar curvas de tensão versus vida e avaliar os efeitos da tensão média. Aplicar métodos de engenharia para estimar a vida em fadiga, incluindo os efeitos da tensão média, tensões multiaxiais e níveis variados de carregamento cíclico; avaliar também os fatores de segurança em tensão e na vida. st INTRODUÇÃO Componentes de máquinas, veículos e estruturas estão frequentemente sujeitos a cargas repetitivas, e as tensões cíclicas resultantes podem levar a danos físicos microscópicos nos materiais envolvidos. Mesmo em tensões bem abaixo da resistência mecânica de determinado material, esses danos microscópicos podem se acumular com a alternância das tensões até que se torne uma trinca ou outros danos macroscópicos que levam o componente à falha. Este processo de geração de danos seguido de falha devido ao carregamento cíclico é chamado fadiga. O uso desse termo surgiu porque parecia aos primeiros investigadores que as tensões cíclicas causavam uma gradual mas não prontamente observável mudança na capacidade do material de resistir à tensão. Falhas mecânicas devido à fadiga compõem um objeto de estudo de engenharia há mais de 150 anos. Um estudo inicial neste sentido deveu-se a W. A. J. Albert, que testou correntes de elevadores de minas sob carregamento cíclico, na Alemanha, por 415

10 Abordagem da Fadiga Via Tensão: Componentes Entalhados Introdução Efeitos dos entalhes Sensibilidade ao entalhe e estimativas empíricas de k f Estimativa da resistência à fadiga para longas vidas (limites de fadiga) Efeitos dos entalhes em vidas intermediárias e curtas Efeitos combinados dos entalhes e da tensão média Estimando curvas S-N Uso dos dados S-N obtidos de um componente Projetando para evitar a falha por fadiga Discussão Resumo Compreender os efeitos dos entalhes (concentradores de tensão) na resistência à fadiga e aplicar métodos de engenharia tradicionais para avaliar a resistência à fadiga de longa duração e para a estimativa de curvas S - N. Avaliar os efeitos da tensão média para componentes com entalhes. Analisar a resistência à fadiga e a vida útil quando estiverem disponíveis curvas S - N oriundas de testes em componentes reais INTRODUÇÃO As descontinuidades geométricas inevitáveis no projeto, como furos, filetes, sulcos e chavetas, fazem com que a tensão seja localmente aumentada, sendo, portanto, chamadas de concentradores de tensão. Os concentradores de tensão, aqui genericamente nomeados entalhes para simplificação, requerem atenção especial, pois sua presença reduz a resistência de um componente à falha por fadiga. Isso é simplesmente uma consequência das tensões que se tornam localmente mais elevadas, induzindo a iniciação de fadiga em tais locais. A Figura 10.1 ilustra um exemplo de um entalhe em um componente de engenharia, em particular, na fixação de pás de uma turbina a vapor. Apesar do desenho cuidadoso para minimizar a severidade do entalhe, uma trinca de fadiga, no entanto, desenvolveu-se, como mostrado. A Figura 10.2 ilustra o efeito de um entalhe sobre a curva S - N para uma liga de alumínio testada em flexão rotativa. A representação gráfica do esforço de flexão nominal em função da vida para os membros lisos e entalhados mostra que a resistência à fadiga é reduzida substancialmente pelo entalhe. Tais efeitos claramente precisam ser incluídos na concepção e na análise de engenharia. 491

11 Crescimento de Trincas por Fadiga Introdução Discussão preliminar Ensaio da taxa de crescimento de trincas por fadiga Efeitos de R = S mín / S máx no crescimento de trincas por fadiga Tendências no comportamento do crescimento de trincas por fadiga Estimativas de vida para carga de amplitudes constantes Estimativas de vida para carga de amplitudes variáveis Considerações de projeto Aspectos de plasticidade e limitações da MFLE para o crescimento de trincas por fadiga Crescimento de trincas assistidas pelo meio Resumo Aplicar o fator de intensidade de tensão K, da mecânica de fratura, ao crescimento de trincas por fadiga e ao crescimento de trincas assistida pelo meio e compreender os métodos de teste e as tendências no comportamento. Explorar as curvas da taxa de crescimento de trinca por fadiga, da / dn versus K, incluindo equações comuns de ajuste, e avaliar os efeitos da razão R (tensão média). Calcular a vida no crescimento de uma trinca por fadiga até a falha, incluindo casos que requerem integração numérica e casos de carregamento com amplitude variável. Empregar tais cálculos para avaliar fatores de segurança e intervalos de tempo para inspeção INTRODUÇÃO A presença de uma trinca pode reduzir significativamente a resistência de um componente de engenharia devido à ocorrência de fratura frágil, como já discutido no Capítulo 8. No entanto, é raro que uma trinca de tamanho perigoso exista inicialmente, embora isso possa ocorrer, como quando há um grande defeito no material empregado para fazer um componente. Em uma situação mais comum, uma pequena falha que estava inicialmente presente desenvolve-se em uma trinca e depois cresce até atingir o tamanho crítico para a fratura frágil. O crescimento da trinca pode ser causado pelo carregamento cíclico, um comportamento chamado crescimento da trinca por fadiga. No entanto, se um ambiente químico hostil estiver presente, mesmo uma carga constante pode causar o crescimento de trincas assistidas pelo meio. Ambos os tipos de crescimento de trincas podem ocorrer se um carregamento cíclico for aplicado na presença de um ambiente hostil, especialmente se o ciclo for lento ou se houver períodos de carga constante interrompendo a alternância do carregamento. Este capítulo considera principalmente o crescimento de trincas por fadiga, mas uma discussão limitada sobre o crescimento de trincas assistidas pelo meio é incluída em seu final, na Seção

12 Comportamento em Deformação Plástica e Modelamento para Materiais Introdução Curvas tensão-deformação Correlações tensão-deformação tridimensionais Comportamento no descarregamento e no carregamento cíclico, de acordo com os modelos reológicos Comportamento tensão-deformação cíclico dos materiais reais Resumo Familiarizar-se com as formas básicas das relações tensão-deformação, incluindo o ajuste de dados nestes modelos e sua representação por modelos reológicos mola e cursor. Utilizar a teoria da deformação plástica para explorar os efeitos dos estados multiaxiais de tensão sobre o comportamento tensão-deformação. Analisar o comportamento durante o descarregamento e recarregamento cíclico tanto descrito pelos modelos reológicos como observado em materiais reais, incluindo curvas tensão-deformação cíclicas, variação irregular da tensão com o tempo e comportamento transitório, tal como a relaxação da tensão média INTRODUÇÃO A deformação após o limite de escoamento, que não é fortemente dependente do tempo, chamada deformação plástica, ocorre frequentemente em componentes de engenharia e pode necessitar de análise durante a fase de projeto ou na determinação da causa de uma falha. Durante a deformação plástica, as tensões e deformações não são mais proporcionais, portanto relações mais gerais do que a lei de Hooke (Equação 5.26 ) são necessárias para fornecer uma descrição adequada do comportamento tensão-deformação Signifi cado da Deformação Plástica A deformação plástica pode prejudicar a utilidade de um componente de engenharia, causando grandes deflexões permanentes. Além disso, como observado no Capítulo 10, a deformação plástica normalmente faz com que as tensões residuais permaneçam após a descarga ( Fig ) As tensões residuais podem diminuir ou aumentar a resistência subsequente de um componente à fadiga ou ao trincamento pelo meio, dependendo se a tensão residual é de tração ou compressão, respectivamente. Além disso, a abordagem da fadiga baseada na tensão, como no Capítulo 10, é fundamentada principalmente na análise elástica. Como resultado desta limitação, os métodos tradicionais de estimativa das curvas S - N e os efeitos de tensão média envolvem ajustes empíricos grosseiros para 643

13 Análise da Relação Tensão-Deformação de Componentes Deformados Plasticamente Introdução Plasticidade sob dobramento Tensões e deformações residuais no dobramento Plasticidade de eixos cilíndricos sob torção Componentes entalhados Carregamento cíclico Resumo Realizar análises da relação tensão-deformação elastoplástica para casos isolados de fl exão e torção, considerando várias formas da curva tensão-deformação. Empregar métodos aproximados, tais como a regra de Neuber, para estimar tensões e deformações em entalhes onde ocorre escoamento localizado. Estender a análise feita para fl exão, torção e componentes entalhados para tensões e deformações residuais e, posteriormente, para o carregamento cíclico, incluindo histórias de carregamento irregulares em função do tempo INTRODUÇÃO Muitas vezes, para fins de engenharia, é útil a análise da deformação plástica em componentes de máquinas, veículos ou estruturas. Isso ocorre em dois tipos de situações. Em primeiro lugar, pode ser desejável conhecer a carga necessária para causar grave deformação plástica, às vezes chamada por colapso plástico. O fator de segurança para a falha devido à sobrecarga acidental pode ser calculado pela comparação entre a carga de ruptura e as cargas esperadas durante o serviço do componente. Em segundo lugar, as tensões e deformações que acompanham a deformação plástica em áreas localizadas, como na extremidade de uma viga ou em um concentrador de tensões, são de interesse. Essas deformações introduzem tensões residuais, às vezes intencionalmente, que podem ser avaliadas pela análise da deformação plástica. Deformação plástica localizada ocasionada por carregamento cíclico é de significativa importância, já que é frequentemente associada à formação de trincas por fadiga. A deformação plástica localizada em concentradores de tensão (entalhes) pode ser analisada pela aplicação de um método aproximado, tal como a regra de Neuber. Em alguns casos mais frequentes de interesse prático, tais como a flexão de vigas e a torção de eixos cilíndricos, a deformação plástica pode ser analisada de uma forma bastante simples por uma abordagem feita pela mecânica dos materiais. Para isso, três passos 701

14 Abordagem da Fadiga Via Deformação Introdução Curvas deformação versus vida Efeitos da tensão média Efeitos da tensão multiaxial Estimativas de vida para componentes estruturais Discussão Resumo Explorar curvas e equações deformação versus vida em fadiga, incluindo tendências com os materiais e ajustes para o acabamento superfi cial e tamanho. Estender as curvas deformação-vida para casos de tensão média não nula e tensão multiaxial. Aplicar o método baseado em deformações para fazer estimativas de vida para componentes de engenharia, especialmente com entalhes geométricos, incluindo casos de variação irregular do carregamento com o tempo INTRODUÇÃO A abordagem da fadiga baseada na deformação considera a deformação plástica que pode ocorrer em regiões localizadas onde começam as trincas por fadiga, como nas arestas de vigas e em concentradores de tensões. As tensões e deformações nessas regiões são analisadas e utilizadas como base para estimativas de vida. A conduta permite a consideração detalhada das situações de fadiga nas quais está envolvido o escoamento localizado, que é frequentemente o caso para metais dúcteis sob vidas relativamente curtas em fadiga. No entanto, também se aplica quando há pouca plasticidade em vidas longas, de modo que ela é abrangente e pode ser utilizada no lugar da que se baseia na tensão. A abordagem baseada em deformações difere significativamente da baseada em tensões, descrita nos Capítulos 9 e 10. Suas características são destacadas na Figura Lembre-se de que a abordagem baseada na tensão enfatiza tensões nominais (médias), em vez das tensões e deformações locais, e emprega fatores de concentração de tensão elástica e suas modificações empíricas. O emprego da curva tensão-deformação cíclica é uma característica única da abordagem baseada em deformações, assim como a utilização de uma curva deformação versus vida, em vez de uma curva tensão nominal versus vida ( S - N ). Como resultado da análise mais detalhada do escoamento localizado, o método baseado na deformação leva a estimativas melhoradas para a vida em fadigas intermediárias e, especialmente, curtas. Além disso, permite um tratamento mais racional e preciso dos efeitos da tensão média, empregando a tensão média local no entalhe, 755

15 Comportamento Dependente do Tempo: Fluência e Amortecimento Introdução Ensaios de fl uência Mecanismos físicos da fl uência Parâmetros de temperatura e estimativas de vida Falha por fl uência sob tensão variável Relações de tensão-deformação-tempo Deformação por fl uência sobre tensão variável Deformação por fl uência sobre tensão multiaxial Análise da relação tensão-deformação em componentes Dissipação de energia (amortecimento) nos materiais Resumo Explorar o comportamento dependente do tempo e os mecanismos físicos da fl uência e do amortecimento. Aplicar parâmetros tempo-temperatura para estimar a vida para a ruptura por fl uência. Rever os modelos e correlações entre tensão-deformação-tempo para os materiais de engenharia e aplicá-los à análise de componentes simples INTRODUÇÃO Deformações elásticas e plásticas são comumente idealizadas como surgidas instantaneamente após a aplicação da tensão. A deformação adicional que ocorre gradualmente com o tempo é chamada deformação por fl uência. Fluência é muitas vezes importante no projeto de engenharia em aplicações que envolvem altas temperaturas, como turbinas a vapor em centrais elétricas, motores a jato ou de foguetes, assim como reatores nucleares. Outros exemplos são a falha de filamentos de lâmpada, o afrouxamento gradual de armações de óculos de plástico, a deformação lenta que leva à ruptura de tubos de plástico e o movimento do gelo nas geleiras. Para metais e cerâmicas cristalinas, a deformação por fluência somente é grande o suficiente para ser considerada importante para um material submetido a temperaturas que estão, geralmente, na faixa de 30% a 60% de sua temperatura absoluta de fusão. Podem ocorrer grandes deformações de fluência em polímeros e vidros acima da temperatura de transição vítrea, T v, do material particular, conforme discutido nos Capítulos 2 e 3. Assim, os polímeros que estão num estado emborrachado ou elástico são susceptíveis a fluência, caso frequente mesmo à temperatura ambiente. O concreto entra em fluência à temperatura ambiente, mas o processo torna-se mais lento com o tempo, de modo que apenas pequenas deformações adicionais ocorrem após o primeiro ano, aproximadamente. 815

16 Comportamento Mecânico dos Materiais: Análises de Engenharia Aplicadas a Deformação, Fratura e Fadiga descreve, de forma didática, a mecânica dos PDWHULDLV 2 OLYUR ID] XPD UHYLVÀR FXLGDGRVD VREUH RV PDWHULDLV GH HQJHQKDria e as relações entre tensão e deformação sob condições de carregamento monotônico simples e complexo, sob fadiga (por tensão e deformação), ĻXÇQFLD H QDV VLWXDÄÒHV HP TXH RFRUUH LQWHUDÄÀR ĻXÇQFLD IDGLJD 6HX FRQWH GR Æ LOXVWUDGR SRU GLYHUVRV ¾EDFRV ĺjxudv H tabelas com valores de propriedades e constantes empregadas nas inúmeras equações de análise e previsão do comportamento dos materiais contidas na obra. 2 WDPDQKR UHODWLYDPHQWH SHTXHQR GH VHXV FDSÊWXORV IDFLOLWD D compreensão do conteúdo, assim como o grande número de exercícios disponíveis, 741 no total, 539 tendo suas respostas numéricas anexadas e 82 integralmente resolvidos ao longo do texto. 2 FRQWH GR WÆFQLFR Æ H[WUHPDPHQWH UHOHYDQWH H DEUDQJH assuntos que não são tratados integralmente em livros similares, podendo ser adotado por estudantes e professores dos cursos de graduação e pós-graduação que abordam o projeto e a análise de componentes, equipamentos e estruturas constituídas por materiais de engenharia.