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2a PROVA DE FADIGA – Edson Luiz da Rosa
01) Qual a definição de falha por fadiga?
Solução: Uma falha por fadiga é caracterizada quando as solicitações
internas variáveis (tensão e deformação) na presença de esforços externos
constantes (forças e momentos) devido ao movimento da peça (vagão
ferroviário)...
... ou quando as solicitações inernas variáveis devido esforços
externos variáveis (forças e momentos) que atuam em um componente qualquer
ultrapassam o valor da resistênsia do material da peça (K1>K1C) devido a
uma redução gradual da capacidade de carga do componente, pela ruptura
lenta do material, consequência do avanço quase infinitesimal das fissuras
que se formam no seu interior. Em muitos casos a trinca, que leva à falha,
não passa pelo período de nucleação, pois a peça possui trincas previamente
existentes devido a defeitos de fabricação.
02) Como ocorre a nucleação de trincas em materiais dúteis ?
Solução: No caso de materiais dúteis, a nucleação de fissuras ocorre pela
formação de planos de deslizamento, provenientes da deformação plástica no
grão mais desfavoravelmente orientado. Estes planos surgem já nos primeiros
carregamentos, e novos vão se formando com o decorrer do tempo p/ acomodar
as deformações plásticas. No regime de alto número de ciclos para a falha,
a deformação elástica é predominante, sendo a nucleação de trincas um
fenômento muito raro, ocorrendo em zonas bastante localizadas.
03) Como são formadas as intrusões e extrusões?
Solução: Os deslisamentos cíclicos que formam as bandas de deslizamento,
ocasionam na superfície da peça reentrâncias na forma de pequenas fendas
superficiais, chamadas intrusões, e saliências de forma irregular, como
minúsculas cadeias de montanhas, chamadas extrusões (fazer analogia com
cartas de baralho!)
05) Qual a importância da curva σ-N? Quais variáveis interferem na vida de
fadiga? Comente os efeitos da tensão cíclica (alternante) e das tensões
médias não nulas na vida de fadiga?
Solução: Curva de tensão alternante aplicada no corpo de prova contra vida
(medida em número de ciclos). Permite fazer estimativas de vida (em ciclos)
para diferentes níveis de tensão cíclica
Processo de nucleação é influencido por heterogenidades do material o que
causa uma dispersão dos resultados nos calculos de vida, por isso vários
(5 no mínimo) copos de provas são ensaiados em um uníco nível de carga
podendo ser bastante trabalhoso.
Para níveis mais altos de carga há uma menor dispersão de resultados devido
a uma plastificação mais generalizada que homogeniza o material.
Variáveis que interferem sobre a resistência a fadiga: orientação do corpo
de prova em relaçãoas direções de trefilação ou forja, grau e direção do
acabamento superficial, dimensões do corpo de prova, forma da seção
transversal, forma do carregamento, agressividade do meio ambiente,
amplitude das tensões alternantes, intensidade das tensões médias.
Esta curva tem como característica o fato que quanto menor a amplitude das
tensões alternantes, maior é a vida à fadiga.
Quando uma tensão média, não nula, atua sobreposta a uma tensão alternante,
a resistência à fadiga do material fica bastatne prejudicada, em especial
no caso em que as tensões médias são de tração. Em geral este efeito é
representado pro meio de diagramas onde a tensão média aplicada é um
parâmetro, ou então uma variável.
06) Qual o comportamento da tensão e deformação durante o transiente
cíclico em um material com encruamento (ensaio com controle de carga)?
Solução: Com a aplicação de tensões, ou deformações cíclicas, ocorrem
pequenas deformações plásticas, embora quase imperceptíveis. Apesar de
bastante reduzidas, com o carregamento sucessivo elas levam a um rearranjo
na estrutura cristalina e a consequentes alterações nas propriedades
mecânicas, que se refletem no diagrama. Durante a deformação cíclica
desenvolve-se um laço de histerese provocado pela deformação plástica
cíclica. O material qdo solicitado sofre uma alteração na sua rede
cristalina, com a criação ou aniquilação de discordâncias (discordâncias de
mesma orientação repelem-se e de orientações diferentes sobrepõem-se), pelo
trabalho plástico cíclico realizado. Assim, o material pode sofrer um
amolecimento ou um encruamento durante o transiente cíclico, logo após é
atingida uma condição estável onde o laço de histerese se mantém constante.
07) Qual é a definicão e o significado físico do laço de histerese?
Solução: É por definição o local geométrico que determina as tensões e
deformações em um ciclo. Significa a energia gerada no ciclo e dissipada
para o ambiente·
08) Quais parâmetros influênciam na resistência a fadiga das peças ou
quais as principais causas de falhas por fadiga?
Solução: A aplicação dos dados obtidos com o corpo de prova não podem ser
diretamente relacionados com a peça devido a diferenças como: acab.
superficial, tamanho, confiabilidade, temperatura, geometria, etc...
1- Influência do Tamanho: A tensão limite de fadiga diminui com o aumento
do diâmetro. K2= fator de tamanho.
2- Influência da Confiabilidade: È a probabilidade de que a peça não falhe
por fadiga na vida considerada.
Efeito da Temperatura: Quando o material trabalha a temperaturas distintas
da ambiente, as propriedades mecânicas alteram-se e portando a resistência
a fadiga é influenciada.
3- Efeito Combinado: Com o efeito combinado dos diferentes fatores a tensão
σf´é determinada e como os efeitos diminuem conforme a vida fica menor é
usual se considerar que a curva de resistencia a fadiga converge para 10^3
ciclos.
5- Influência da concentração de Tensão: A forma como um entalhe em um
componente altera a vida à fadiga. Quanto maior for a concentração de
tensão menor será a resistência a fadiga.
6- Influência da tensão residual: A tensão residual não altera a tensão
alternante que age no ponto mais solicitado, mudando apenas a tensão média,
desde que não ocorra o escoamento sob compressão.
7- Influência do acabamento superficial: Na maioria das peças o dano ocorre
na superficie, por isso a importância da mesma. K1= coeficiente de
qualidade de acabamento=σf ´/σf.
09) Discuta os tipos de projeto para Fadiga:
Solução: 1)Vida infinita: Tensões atuam suficientemente abaixo da tensão
limite de fadiga: eixos de motores, engrenagens industriais
2)Falha em segurança: Considera a possibilidade de
ocorrência de trincas não a levem ao colapso antes de serem detectadas:
fuselagem e asas de aviões, pontes
3)Tolerância ao dano: Parte do princípio que a estrutura
já possui uma fissura, são desenvolvidos projetos de modo que as trincas
não cresçam: tubulações, reservatórios.
10) Discuta os critérios para definir as curvas tensão alternante-tensão
média?
Solução:
Critério de Goodman: Considera que a tensão limite de fadiga do material é
σr/3, um valor conservativo se comparado com o uso recomendado σr/2. A
tensão média fica limitada por σr.
Critério de Goodman modificado: A tensão alternante sobre o eixo vertical
passa a ser o valor da tensão limite de fadiga, seja experimental, seja
estimado. Podemos usar também uma tensão σn, quando desejamos uma curva que
forneça as diferentes combinações de σa e σm para uma vida especificada,
agora, de n ciclos.
Critério de Sobeberg: O critério de Soderberg é mais conservativo que o de
Goodman, já que restringe a tensão média no máximo à tensão limite de
escoamento. Quando o critério é usado para representar a resitência do
ponto crítico é excessivamente conservativo, impedindo um escoamento
localizado e induzindo a um estado de tensões residuais benéfico.
Critério de Gerber: Mostra um bom ajuste com os resultados experimentais. O
critério adota uma curva quadrática passando por σn e σr simétrica ao eixo
vertical.
11) Como é calculada a vida de propagação para peças com trincas pré-
exixtentes?
Solução: A vida é calculada unicamente pela propagação do defeito desde seu
tamanho inicial até o correspondente tamanho crítico, que depende do
material, do carregamento e da geometria. A previsão de vida depende
diretamente da velocidade de propagação da trinca, da/dn, a qual é função
da solicitação cíclica no extremo da trinca, caracterizada por ΔK. A vida
útil depende da velocidade de crescimento da trinca, desde um tamanho
microscópico até o tamanho crítico requerido para ruptura final. A trinca
no início cresce lentamente, porém, conforme aumenta de tamanho a
velocidade aumenta rapidamente, levando a ruptura num curto prazo de
tempo.( gráfico da/dn – ΔK)
12) Descreva como a curva tensão-deformação cíclica é obtida.
Solução: Primeiro, definir o parâmetro: amplitude de tensão ou deformação
cst.
Caso 1: Após n ciclos, o material sofre endureciemtno cíclico, até que o
laço de histerese não se altera, alcançando a estabilização.
Caso 2: Solicitar um mesmo corpo de prova com blocos de solicitação
cíclica (A=cst). Uma vez atingido o nível estável de tensão a deformação é
aumentada, um novo bloco de solicitação é formado por blocos onde a
deformação varia linearmente de zero até um máximo.
13) Discuta a diferença entre a curva de resistência a fadiga para o
material e para a peça. Como isto é levado em consideração no uso do
diagrama tensão-vida?
Solução: Material média zero e amplitude cst
medido através de ensaios realizados com
corpos de prova;
Peça resistência que esta apresenta qdo em
serviço.
Existem diversos aspectos que alteram a resistência à fadiga do componente,
são alguns: acab. Superficial,... (ver resistência a fadiga). Para corrigir
os efeitos citados, podemos estimar σf´(tensão limite de fadiga do
componente) por: σf´= K1.K2.K3....Kiσf (gráfico)
14) Fale sobre o efeito de uma tensão residual sobre a vida de fadiga de
uma peça analisando o seu ponto crítico.
Solução: Quando Kt·σ0 excede σe, quando da descarga do primeiro ciclo de
carga forma-se um estado de tensões residuais (ver fórmulas). A tensão
residual não altera a tensão alternante que age no ponto mais solicitado,
mudando apenas a tensão média, desde que não ocorra o escoamento sob
compressão. O método da tensão residual considera o desenvolvimento de
tensões residuais, de tal forma que a máxima tensão do ciclo de carga não
ultrapasse a tensão limite de escoamento cíclica.