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EELFadiga dos Materiais Metálicos - Prof. Carlos Baptista
PARTE 7: EFEITOS DE ENTALHE E DE TENSÕES RESIDUAIS
EELFadiga dos Materiais Metálicos - Prof. Carlos Baptista
ENTALHES
Concentradores de Tensão
- Entalhe é um contorno geométrico a interromper o fluxo de forças pela peça.
- Furos, ranhuras, chanfros, etc, resultam em distribuição não uniforme da tensão.
- Uma medida das altas tensões localizadas é dada pelo Fator de Concentração
de Tensão, denotado por Kt (o índice “t” enfatiza o caráter teórico).
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ENTALHES
Concentradores de Tensão
- O Fator de Concentração de Tensão pode ser determinado matematicamente
ou experimentalmente.
- Visto que o estado de tensão provocado por um entalhe pode ser biaxial ou
triaxial, pode-se definir um “fator combinado” Kt’ que considera, por exemplo,
o critério de von Mises (a diferença entre os dois será menor que 15%).
Para se calcular o Fator de
Concentração de Tensão em
um corpo-de-prova entalhado,
o raio da ponta do entalhe
deve ser medido com precisão.
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ENTALHES
Sensibilidade ao Entalhe
- Pode-se prever o início da trinca por fadiga em peças com entalhe usando o
método Deformação-Vida, calculando-se a deformação local cíclica e
empregando-se, por exemplo, a Regra de Neuber (como visto anteriormente).
- Quando as condições elásticas prevalecem (fadiga de alto ciclo), o efeito dos
entalhes pode ser avaliado pelo fator de Sensibilidade ao Entalhe, q.
- A sensibilidade ao entalhe é considerada o grau com o qual um efeito teórico
é realmente obtido na prática e, para o Kt é definida pela expressão abaixo,
onde Kf é o Fator de Entalhe à Fadiga, dado pela razão entre a resistência à
fadiga de uma peça sem entalhe e a resistência de uma peça com entalhe,
para um mesmo número de ciclos na faixa de vidas longas (Nf > 106 ciclos).
Note que q varia de 0 (quando Kf = 1) a 1 (quando Kf = Kt ).
n,f
u,ffK
Geralmente, Kf < Kt .
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ENTALHES
Sensibilidade ao Entalhe
Efeito do raio do entalhe no
valor do Fator de Entalhe Kf..
Efeito da tensão média na vida em
fadiga de peças com e sem entalhe.
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TENSÕES RESIDUAIS
Caracterização das tensões residuais
- Tensões elásticas em equilíbrio, presentes no componente previamente à
aplicação das cargas de serviço.
- Podem ser resultantes dos processos usuais de fabricação (como usinagem,
soldagem, conformação).
- Ou podem ser deliberadamente introduzidas na peça, por algum método
apropriado, com o objetivo de melhorar o comportamento mecânico.
Produção de tensões residuais
- Métodos mecânicos, térmicos, operações de usinagem, plating.
- Métodos Mecânicos mais empregados para produzir tensões
residuais compressivas com o objetivo de aumentar a resistência
à fadiga:
- Shot Peening.
- Roleteamento.
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TENSÕES RESIDUAIS
Medição de tensões residuais
- Em laboratório ou no campo.
- Técnicas incluem: difração de raios-X, ultrassom, hole drilling.
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SHOT PEENING
Informações Básicas
- Processo de trabalho a frio por jateamento com esferas de aço, cerâmica ou vidro.
- Não é simples jateamento mas um método preciso, controlável e repetitível.
- Produz tensões residuais compressivas e alta densidade de discordâncias
nas camadas superficiais do componente.
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SHOT PEENING
Intensidade de Peening
- Controlada com o emprego das chamadas Placas de Almen.
- Placas padronizadas colocadas junto ao material tratado.
- Existem 3 espessuras de placas: “N”, “A”, “C”, onde 3N = A = 0,3C.
- Após o Shot Peening as placas se deformam; mede-se a flecha (polegadas).
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SHOT PEENING
Efeito do Shot Peening sobre a resistência à fadiga
- Vários fatores contribuem para o resultado final: campo de tensões
residuais, rugosidade da superfície, propriedades do material após a
deformação plástica induzida pelo shot peening.
Superfície do aço 4340 (39 HRC) submetido a
shot peening com intensidade 0,018 A (50 x)
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SHOT PEENING
Efeito do Shot Peening sobre a resistência à fadiga (cont.)
60
50
40
30
20
10
0
-10
0 100 200 300 400
Distância da superfície ( m )
10 10 10 10 10 10 103 4 5 6 7 8 9
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
(MP )
a
Esfera = 0,3mm
Esfera = 0,6mm
Número de c iclos
Am
plit
ud
e d
e te
nsã
o
(b)
(a)
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TRATAMENTO WPC (WONDER PROCESS CRAFT)
Resultados Alegados
- Aumenta dureza, reduz atrito, introduz tensão residual compressiva na superfície.
- Partículas ultra-finas atiradas em alta velocidade contra a superfície do metal.
Comparação de processos
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ROLETEAMENTO
Descrição
- Processo de conformação por meio de roletes.
- Induz tensões residuais compressivas próximo à superfície.
- Pode reduzir a nucleação de trincas de fadiga.
Ex.: Roleteamento
de virabrequim
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ROLETEAMENTO
Efeito do roleteamento na resistência à fadiga
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ROLETEAMENTO
Efeito do roleteamento na resistência à fadiga (cont.)
Corpo-de-prova para
o ensaio de fadiga.
Tentativa de simulação das tensões residuais induzidas pelo processo
de Roleteamento usando análise não-linear por Elementos Finitos.
Oliveira, C.L., Dissertação de
Mestrado. UNITAU, 2012.
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ROLETEAMENTO
Efeito do roleteamento na resistência à fadiga (cont.)
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UM ESTUDO REALIZADO COM O AÇO AISI 4340
Aço 4340 empregado em componentes de trens de pouso
EIXO DA RODA
CONJ. AMORTECEDOR
600
800
1000
1200
1400
103
104
105
106
107
% (Material base com 53HRc)
% (Material base com 39HRc [142] )
% (Material base com 39HRc [141])
Número de ciclos
Ten
são
(M
Pa)
Eixos
PISTÃO
Torres, M.A.S., Tese de
Doutorado. UNESP, 2002.
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UM ESTUDO REALIZADO COM O AÇO AISI 4340
Resultados Experimentais
- Aço temperado e revenido para dureza 50-53 HRC.
- Adotou-se 5 diferentes intensidades de shot peening.
- Curvas S/N não apresentam correlação evidente com o CTRC.
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25-1400
-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0
2000 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
0,0027A
0,0063A
0,0083A
0,0101A
0,0141A
Tensão R
esid
ual [M
Pa]
Profundidade[mm]
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UM ESTUDO REALIZADO COM O AÇO AISI 4340
Resultados Experimentais
- Curvas S/N: pontos mostrados representam a média de 5 ensaios.
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
103
104
105
106
107
Nível 1 1370MPa
Nível 2 1130MPa
Nível 3 1007MPa
Nível 4 931MPa
Nível 5 840MPa
Nível 5
Nível 4
Nível 3
Nível 2
Nível 1
Curvas de Fadiga
Material base 53HRc
0,0027A
0,0063A
0,0083A
0,0101A
0,0141A
Número de ciclos
Tensão (
MP
a)
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UM ESTUDO REALIZADO COM O AÇO AISI 4340
Determinação dos locais de início das trincas de fadiga
Na superfície.
Em inclusão.
Abaixo da superfície.
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UM ESTUDO REALIZADO COM O AÇO AISI 4340
Relação entre a posição de início da trinca e a vida em fadiga
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UM ESTUDO REALIZADO COM O AÇO AISI 4340
Superposição de tensões e posição de início das trincas
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Relação de Goodman
Nível 1
Nível 4
Nível 3
% (CTRCna condição 0,0063A)
% (Posição do início da trinca no nível 3)
% (Posição do início da trinca no nível 4)
Ten
são
(M
Pa
)
Profundidade (mm)Resultados inesperados.
?
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UM ESTUDO REALIZADO COM O AÇO AISI 4340
Medição do campo de tensões residuais após um dado número de ciclos
Condição 0,0083A, nível 4.
Condição 0,0063A, nível 4.
RELAXAÇÃO DAS TENSÕES RESIDUAIS INDUZIDAS.
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UM ESTUDO REALIZADO COM O AÇO AISI 4340
Medição do campo de tensões residuais após um dado número de ciclos
Nos ensaios de flexão rotativa, as tensões de compressão aplicadas somam-se às tensões compressivas presentes devido ao tratamento de shot peening.Se o resultado desta superposição for suficientemente grande, existe entãouma deformação plástica e, consequentemente, uma redistribuição dastensões, causando o relaxamento do CTRC original. Com a continuidade dosensaios, devido ao relaxamento das tensões, a soma algébrica das tensões irádiminuir. Com isso, a partir de um determinado momento, espera-se que onível da superposição das tensões fique abaixo da tensão de escoamentocíclico do material e torne o CTRC estável.
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UM ESTUDO REALIZADO COM O AÇO AISI 4340
Efeito de outros fatores, como a Rugosidade
Dados para liga de Mg AZ80 (Wagner, 1999).
Rugosidade no aço 4340 após Shot Peening.
10
10
10
6
5
4
0.2 0.4 0.6 0.8
Intensidade Almen [mmN]
Cic
los
pa
ra fra
tura
NF
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
% (Média de rugosidades 53HRc)
% (Média de rugosidades 39HRc)R
ug
osid
ad
e ( m
)
Intensidade de peening ( 10-4 in A )