FADIGA - INTRODUÇÃO Jorge Luiz A. Ferreira Professores.

Apresentação em tema: "FADIGA - INTRODUÇÃO Jorge Luiz A. Ferreira Professores."— Transcrição da apresentação:

1 FADIGA - INTRODUÇÃO Jorge Luiz A. Ferreira Professores

2 Falha: É uma condição anormal em um componente, equipamento, sub-sistema ou sistema, que pode impedir o seu funcionamento como planejado (ISO/CD ) Uma condição acidental que faz com que uma unidade funcional não consiga executar sua função (Federal Standard 1037C) Um defeito que causa um mau funcionamento reproduzível ou catastrófico (Federal Standard 1037C)

3 Falha Estrutural: Falha estrutural refere-se a perda da capacidade de transmitir os esforços internos de um componente ou membro dentro de uma estrutura ou da própria estrutura A Falha estrutural inicia-se quando o material é solicitado ao limite de sua resistência, causando fratura ou deformações/deslocamentos excessivas.

4 Falha Estrutural: Escoamento, Desgaste, Fadiga, Flambagem Fluência, Fratura, Corrosão

5 Falha Estrutural: As falhas mecânicas são causadas por mecanismos que podem ser globais (como na flambagem ou no escoamento generalizado), ou locais (como na fadiga ou na fratura) A Falha mecânica inicia-se quando o material é solicitado ao limite de sua resistência, causando fratura ou deformações excessivas.

6 Fadiga: É um tipo de falha mecânica, causada primariamente pela aplicação repetida de esforços variáveis, a qual é caracterizada pela geração e/ou pela propagação paulatina de uma trinca, até a eventual fratura da peça. Localizadas, progressivas e cumulativas Problema local, que depende dos detalhes da geometria, do material e do carregamento do PONTO mais solicitado da peça

7 Fadiga: Das falhas mecânicas que ocorrem na prática, a maioria é causada por fadiga A geração e a propagação da trinca não provocam mudanças evidentes no comportamento da estrutura A detecção da falha é, em geral, uma tarefa complexa → É necessário localizar o ponto mais provável de início do problema – Exigindo inspeções periódicas Não há avisos prévios de falha iminente, e a fratura final da peça é súbita, com conseqüências possivelmente catastróficas, como ilustrado a seguir

8 Resultado do Processo de Fadiga

9 Exemplo de Falha por Fadiga:
Falha Típica em Pedais de Bicicleta

10 Exemplo de Falha por Fadiga:
Virabrequim que falhou sob condição de flexão pura após funcionar durante 1 ano sob uma tensão nominal de serviço de condição de carregamento igual a 137 MPa

11 Exemplo de Falha por Fadiga:
Eixo de um Moto-Gerador com KW que funcionou durante 20 anos sob condições normais e que falhou sob condições de fadiga torsional.

12 Exemplo de Falha por Fadiga:
Falhas típicas por fadiga em dentes de engrenagens.

13 Exemplo de Falha por Fadiga:
Falha na base de uma torre de antena, que ocorreu como resultado da indução de cargas dinâmicas induzidas por ventos. Morrison Hershfield consulting company/

14 Exemplo de Falha por Fadiga:
Falha dos Navios Classe Liberty. Os Navios Liberty, eram uma classe de navios cargueiros, que teve seu projeto elaborado e executado durante a segunda guerra mundial, foi a classe de navios cargueiros, mais construída em toda historia (Estrutura soldada e não rebitada). 30% dos navios sofreram falhas catastróficas resultantes da propagação de pequenas trincas ao longo de todo o costado.

15 Exemplo de Falha por Fadiga:
Falha do Navio NEW CARISSA. Falha Completa do Casco do Navio Graneleiro New Carissa ( Ton Métricas) Avaria catastrófica do casco em dois modos de flexão cíclicos resultante das forças das ondas.

16 Exemplo de Falha por Fadiga:
Falha ocorrida numa asa de avião. Os parênteses indicam as zonas de origem da falha na região do furo do parafuso, e tracejado linhas indicam a extensão da fadiga região visível na superfície da fratura Vista da superfície da fratura no interior final da viga de sustentação da asa. Vista da asa do Grumman G73 de uma companhia aérea que caiu fora Miami Beach, Flórida (23/12/05 )

17 Exemplo de Falha por Fadiga:
Outras Falha em Aeronaves De Havilland Comet 1 DC-9 fraturado durante um pouso normal trygoogleme.wordpress.com/.../ Boing

18 Exemplo de Falha por Fadiga:
Outras Falha em Aeronaves Aloha Airlines, Vôo 243 Boeing

19 Exemplo de Falha por Fadiga:
Falha em Gasodutos Em 10 de junho de 1999 a 16 polegadas oleoduto pertencente ao Olímpico Pipeline Company rompeu, derramando mais de barris de gasolina em Hannah e Whatcom riachos perto Bellingham, Washington Após análise determinou-se que uma contratada que trabalhou na área alguns anos antes da ruptura danificou mecanicamente o a tubulação, e que fissuras associadas a este dano mecânico iniciado a falha

20 Exemplo de Falha por Fadiga:
Falha em Gasodutos Gasoduto na Sibéria – Fraturou por Vários km

21 Exemplo de Falha por Fadiga:
Falha em Vaso de Pressão Vaso de Pressão com 1,7 m de diâmetro e 150 mm de espessura, que falhou durante um ensaio hidrostático a 3,4 MPa. A trinca que causou o acidente cresceu de uma pequena trinca (5 mm) embebida no cordão de solda

22 Exemplo de Falha por Fadiga:
Falha em Rotores Fadiga nas Aletas de uma Turbina a Jato

23 Exemplo de Falha por Fadiga:
Falha em Rotores Fadiga em um rotor de motor elétrico

24 Exemplo de Falha por Fadiga:
Falha em Engrenagens

25 Exemplo de Falha por Fadiga:
Falha em Hidro-Geradores Propagação de uma Trinca de Fadiga em uma pá de turbina Kaplan

26 OUTROS CASOS

27 Point Pleasant, West Virginia
E.U.A., 1967 Silver Bridge Point Pleasant, West Virginia

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30 "Wilhelm Conrad Röntgen"
Alemanha, 1998 Trem ICE 884 "Wilhelm Conrad Röntgen"

31 Trem ICE 884 de passageiros descolou-se do corpo da roda corpo e puncionou o piso do vagão Na manhã de 3 de junho de 1998, a composição ICE 884, o "Wilhelm Conrad Röntgen" (WCR), constituído de uma única locomotiva puxando 12 vagões, incluindo os vagões de passageiros, de serviço, restaurante e a locomotiva traseira, tinha feito uma rápida parada em Hanover às 10:30 antes de continuar para Hamburgo, o seu destino final. Viajando em direção ao norte, a WCR estava 6 km fora de Eschede, na Baixa Saxónia, quando a parte externa da roda do primeiro vagão

32 Trem ICE 884 O ICE não tinha um sistema para detectar a falha na roda e levar o trem para uma parada de emergência A fim de reduzir custos e melhorar o conforto, o ICE empregava projeto da roda usava um anel de borracha amortecedora entre a coroa da roda e o corpo. A coroa falhou devido a fadiga metal do material. Os procedimentos de manutenção não foram acatados – foram observadas folgas da ordem de 0,5 mm além da tolerância permitida na ligação dos componentes da roda que falhou.

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37 Fadiga - Fenomenologia
Processo de Falha é dividido em dois estágios: Iniciação Propagação Iniciação da Trinca Controlada por Mises Trinca Segue Paralela ao Tensão Cisalhante Máxima Métodos de Previsão: Tensão–Vida (S-N) ou Deformação-Vida (e-N)

38 Fadiga - Fenomenologia
Processo de Falha é dividido em dois estágios: Iniciação Propagação Propagação da Trinca Controlada pelo Fator de Intensidade de Tensões, DK Trinca segue normal à Máxima Tensão Principal, s1 Método de da/dN (MFLE)

39 Esquema da Fase Inicial do Trincamento por Fadiga
Caracteriza-se pelo processo de Intrusões e Extrusões na superfície do material

40 Esquema da Fase Inicial do Trincamento por Fadiga
Caracteriza-se pelo processo de Intrusões e Extrusões na superfície do material Estágio inicial do trincamento por fadiga em uma liga de Al → Comprimento da micro trinca cerca de 20mm (após 103 ciclos) 100 mm Bandas de Deslizamento Intrusões e Extrusões

41 direção do carregamento
Esquema da Fase Inicial do Trincamento por Fadiga Caracteriza-se pelo processo de Geração da Trinca 5 mm direção do carregamento

42 Fase Final do Trincamento por Fadiga
Caracteristicas da Superfície de Fratura 1 mm/Ciclo Característica microscópica das trincas de fadiga → Presença de estrias (só visíveis num MEV). Causadas pelo crescimento da trinca a cada ciclo de carga, através de um mecanismo de “cegamento e afiamento” sucessivo da sua ponta

43 Fase Final do Trincamento por Fadiga
Caracteristicas da Superfície de Fratura Características macroscópicas das trincas de fadiga: Marcas de Praia e Marcas de Rios Marcas visíveis a olho nu que estão relacionadas ao carregamento indutor da falha Marcas de Rios (radiais, apontam para o início da trinca) 1mm Marcas de Praia (concêntricas, partindo do início da trinca)

44 Como Atacar o Problema Desenvolvimento de Projetos Mecânicos Baseados nos Seguintes Princípios: Vida Segura Falha Segura Projeto para Vida Segura Assume-se que o material está livre de defeitos e dimensiona-se o componente para operar a níveis de tensão suficientemente baixos que evitem o crescimento de trincas. Portanto, dadas as condições de carregamento, procura-se estabelecer uma “vida segura” para a estrutura.

45 Como Atacar o Problema Desenvolvimento de Projetos Mecânicos Baseados nos Seguintes Princípios: Vida Segura Falha Segura Projeto para Falha Segura – Tolerante ao Dano Assume-se que o material contém ou irá desenvolver falhas ou defeitos – trincas – que afetarão a capacidade do componente de resistir às solicitações mecânicas mas sem que isso comprometa a operacionalidade da estrutura, pelo menos temporariamente.

46 Vida Infinita e Regime Linear Elástico
Problemas em Componentes Mecânicos ou Estruturais Projetos desses Componentes Devem ser Baseados em Critérios Para Vida Segura Vida Infinita e Regime Linear Elástico

47 Vida Infinita e Regime Linear Elástico
Problemas em Componentes de Hidrogeradores Projetos desses Componentes Devem ser Baseados em Critérios Para Vida Segura Aparecimento de Sítios de Nucleação de Trincas e Mesmo de Trincas Passantes Com 150 mm Após Dez Mil Horas de Funcionamento. Vida Infinita e Regime Linear Elástico

48 Vida Infinita e Regime Linear Elástico
Problemas em Componentes de Hidrogeradores Nucleação e Propagação de Trincas em Pinos de Cisalhamento Após Centenas/Milhares de Horas de Funcionamento Projetos desses Componentes Devem ser Baseados em Critérios Para Vida Segura Vida Infinita e Regime Linear Elástico

49 Metodologias de Análise
Descontinuidades em Componentes estruturais Redistribuição do Campo de Tensões

50 Metodologias de Análise
Descontinuidades em Componentes estruturais Redistribuição do Campo de Tensões Solicitações Cíclicas Nucleação e Propagação de Trincas de Fadiga

51 Metodologias de Análise
Descontinuidades em Componentes estruturais Redistribuição do Campo de Tensões Solicitações Cíclicas Nucleação e Propagação de Trincas de Fadiga Perda da Funcionalidade, Completa Fratura, Prejuízos Financeiros

52 Metodologias de Análise
Descontinuidades em Componentes estruturais Redistribuição do Campo de Tensões Solicitações Cíclicas Nucleação e Propagação de Trincas de Fadiga Caracterização do Material Perda da Funcionalidade, Completa Fratura, Prejuízos Financeiros Caracterização do Carregamento Identificação do Ponto Crítico Garantia da Integridade do Componente Quantificação da Probabilidade de Falha

53 Informações Técnicas Relevantes
Regra de Acúmulo Vida Residual