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Teorias de Falha por Fadiga 1.^ INTRODUÇÃO: •^ A maioria das falhas em máquinas acontecem devido a cargas quevariam no tempo e não a esforços estáticos. •^ Essas falhas ocorrem em níveis de tensão inferiores aos valores daresistência ao escoamento dos materiais. •^ O emprego das teorias de falha estática pode levar a projetos semsegurança 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 apósum pequeno período em serviço. •^ Apesar de serem fabricados em aço dúctil, os mesmos exibiamcaracterísticas de fraturas frágeis e repentinas. •^ August Wöhler
realizou a primeira investigação científica sobre falha por fadiga. • Publicou em 1870 suas descobertas as quais identificavam onúmero de ciclos de tensão variante no tempo como causadores docolapso e a existência de uma tensão limite de resistência à fadiga.
Teorias de Falha por Fadiga •^ Um nível de tensão para aços que toleraria milhões de ciclos de umatensão alternada. •^ O diagrama
S-N^ ou curva de
Wöhler^
tornou-se o padrão para
caracterizar o comportamento dos materiais submetidos asolicitações 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 naviosconstruídos 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 contínuodevido à técnica de construção utilizada (sem alívio
de tensões),
baixa temperatura nas rotas do Atlântico Norte, material (aço)inadequado e soldas de baixa qualidade.
Teorias de Falha por Fadiga •^ 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; 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 éremovida novamente.
Teorias de Falha por Fadiga •^ Causas:^ -^ falha por fadigaestrutural, propagaçãoinstável (catastrófica) detrinca;^ -^ início da falha em furosde rebites localizados^ junto ao canto das
junto ao canto das janelas.
Teorias de Falha por Fadiga •^ Estágio de início da trinca
-^ Material é um metal dúctil que não apresenta trincas, mas possuipartículas, 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 ocorrerescoamento local devido à concentração de tensão, mesmo que a tensão nominal esteja bem abaixo da resistência ao escoamento. • A deformação plástica localizada causa distorções suficientespara iniciar a trinca microscópica. • Materiais menos dúcteis tendem a desenvolver trincas maisrapidamente. • Materiais frágeis (especialmente os fundidos) que não escoampodem “pular” esse estágio inicial e proceder diretamente para apropagação da trinca em locais de existência de vazios ouinclusões, que atuam como trincas microscópicas.
Teorias de Falha por Fadiga •^ Estágio de propagação da trinca
-^ Uma vez que uma trinca microscópica se estabelece (ou estápresente desde o início), os mecanismos da mecânica da fraturaentram em funcionamento. •^ O crescimento da trinca se deve a tensões de tração e a trincapropaga-se ao longo de planos normais aos de tensão máxima detração. -^ Tensões cíclicas que são sempre de compressão não irãocontribuir para o crescimento da trinca, visto que as mesmastendem 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 cíclicasestiverem presentes. •^ Em um certo ponto, o tamanho da trinca torna-se grande obastante, quando ocorre, de maneira instantânea, uma falha.
