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Teorias de Falha por Fadiga 1. INTRODUÇÃO: • A maioria das falhas em máquinas acontecem devido a cargas que variam no tempo e não a esforços estáticos. • Essas falhas ocorrem em níveis de tensão inferiores aos valores da resistência ao escoamento dos materiais. • O emprego das teorias de falha estática pode levar a projetos sem segurança quando as solicitações são dinâmicas. • Esse fenômeno foi observado pela primeira vez por volta de 1800, quando os eixos de um vagão ferroviário começaram a falhar após um pequeno período em serviço. • Apesar de serem fabricados em aço dúctil, os mesmos exibiam características de fraturas frágeis e repentinas. • August Wöhler realizou a primeira investigação científica sobre falha por fadiga. • Publicou em 1870 suas descobertas as quais identificavam o número de ciclos de tensão variante no tempo como causadores do colapso e a existência de uma tensão limite de resistência à fadiga. 1
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Um nível de tensão para aços que toleraria milhões de ciclos de uma tensão alternada. O diagrama S-N ou curva de Wöhler tornou-se o padrão para caracterizar o comportamento dos materiais submetidos a solicitações alternadas. O custo pode envolver também vidas humanas. Acidentes com os navios Liberty USS Schenectady: - Início da década de 40 (II Guerra Mundial): 4.694 navios construídos nos E.U.A. - 1.289 navios (1/4 da frota) com fraturas no casco - 233 navios com fraturas catastróficas (perda da embarcação) - alguns navios partidos em dois. Causas: projeto estrutural deficiente, caminho estrutural contínuo devido à técnica de construção utilizada (sem alívio de tensões), baixa temperatura nas rotas do Atlântico Norte, material (aço) inadequado e soldas de baixa qualidade. 2
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Acidentes com os aviões Comet I (Inglaterra): - Primeiro avião a jato comercial de passageiros; - 10/01/54: “desintegrou-se” no Mar Mediterrâneo, a 30.000 pés. Tinha 1.286 vôos pressurizados e 3.680 horas de vôo; - 11/01/54: frota é removida; - 23/03/54: após mudanças em itens de projeto, a frota volta a operar; - 08/04/54: “desintegrou-se” no Mar de Nápoles, a 35.000 pés. Tinha 903 vôos pressurizados e 2.703 horas de vôo. A frota é removida novamente.
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Causas: - falha por fadiga estrutural, propagação instável (catastrófica) de trinca; - início da falha em furos de rebites localizados junto ao canto das janelas.
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Teorias de Falha por Fadiga 2. MECANISMO DA FALHA POR FADIGA: • As falhas por fadiga sempre tem início com uma pequena trinca, que pode estar presente no material desde a sua manufatura ou desenvolver-se ao longo do tempo devido às deformações cíclicas ao redor das concentrações de tensões. • Peças dinamicamente carregadas devem ser projetadas para minimizar a concentração de tensões. • Existem três estágios na falha por fadiga: - início da trinca; - propagação da trinca; - ruptura repentina devido ao crescimento instável da trinca. • O primeiro estágio pode ter uma pequena duração, o segundo estágio envolve o maior tempo da vida da peça e o terceiro e último estágio é instantâneo.
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Estágio de início da trinca: Material é um metal dúctil que não apresenta trincas, mas possui partículas, inclusões, etc. Existam algumas regiões de concentração geométrica de tensão (entalhes) em locais com tensões variantes no tempo. Conforme as tensões no entalhe oscilam, pode ocorrer escoamento local devido à concentração de tensão, mesmo que a tensão nominal esteja bem abaixo da resistência ao escoamento. A deformação plástica localizada causa distorções suficientes para iniciar a trinca microscópica. Materiais menos dúcteis tendem a desenvolver trincas mais rapidamente. Materiais frágeis (especialmente os fundidos) que não escoam podem “pular” esse estágio inicial e proceder diretamente para a propagação da trinca em locais de existência de vazios ou inclusões, que atuam como trincas microscópicas. 7
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Estágio de propagação da trinca: Uma vez que uma trinca microscópica se estabelece (ou está presente desde o início), os mecanismos da mecânica da fratura entram em funcionamento. O crescimento da trinca se deve a tensões de tração e a trinca propaga-se ao longo de planos normais aos de tensão máxima de tração. Tensões cíclicas que são sempre de compressão não irão contribuir para o crescimento da trinca, visto que as mesmas tendem a fechá-la. A taxa de crescimento ou propagação da trinca é muito pequena, mas após um grande número de ciclos torna-se significativa. Fratura: A trinca continuará a crescer enquanto tensões de tração cíclicas estiverem presentes. Em um certo ponto, o tamanho da trinca torna-se grande o bastante, quando ocorre, de maneira instantânea, uma falha. 8
