Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original
1 1 Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Pato Branco Engenharia Mecânica Modelos de falha Prof. Robson Gonçalves Trentin 2 Modelos de falha � Falha pode ser definida como a incapacidade do componente corresponder à demanda que lhe é exigida. � O desempenho do componente pode ser limitado de diversas maneiras: � Um valor máximo de carga, acima do qual ocorre a ruptura do material � Uma voltagem máxima, limitada pela capacidade de isolamento elétrico � As formas com que um componente estrutural pode falhar depende: � Do tipo de carregamento � Tipo do material � Condições ambientais � Cuidados com a manutenção � Etc. 2 3 Modelos de falha � Os modos de falha podem ser distinguidos quanto a influência da idade do componente ou o tempo de aplicação da carga. � Quanto ao estudo da confiabilidade a falha é definida pelo fato de que a funcionalidade do produto deixa de ser atendida em decorrência de algum evento. � O conceito de falha parte de uma definição funcional do sistema; � A funcionalidade deve ficar bem definida no momento da definição dos requisitos de projeto. 4 Definição funcional de falha Modelos de falha � A falha é a situação em que o sistema deixa de atender e desempenhar a função para a qual foi projetado. � Engloba uma falha por colapso total do sistema ou situações em que o sistema continua operando, mas fora da faixa tolerada. 3 5 Definição física de falha Modelos de falha � Em problemas estruturais a falha ocorre quando a resistência, R, não é suficiente para suportar a solicitação, S. � Falha é definida pelo evento S > R 6 Modos de falha independentes do tempo Modelos de falha � São modos que possuem igual probabilidade de ocorrer qualquer que seja a vida ou o tempo de uso do produto considerado. � Ocorrem quando a estrutura sofre sobrecarga ou pico de solicitação. � Falha por ruptura ou empenamento. � Os principais modos de falha são comentados a seguir: 4 7 Modos de falha independentes do tempo Modelos de falha Fratura � É a separação do sólido em duas ou mais partes. � O processo de desenvolvimento da fratura é dividido nas etapas de início e propagação da trinca. � Classificada em: � Fratura dúctil: ocorre uma apreciável deformação plástica na nucleação e na propagação da trinca; � Fratura frágil: nos metais é caracterizada por uma grande velocidade de propagação da trinca com pequena deformação plástica, mesmo a nível microscópico. 8 Modos de falha independentes do tempo Modelos de falha Fratura � Um metal pode ter fratura dúctil ou frágil dependendo: � Temperatura; � Estado de tensões; � Velocidade de carregamento. 5 9 Modos de falha independentes do tempo Modelos de falha Fratura dúctil � Metais muito dúcteis podem se deformar plasticamente até que a seção transversal fique reduzida a um ponto. � Para metais moderadamente dúcteis a deformação plástica produz uma redução na seção transversal provocando um estado triaxial de tração. � Diminui a capacidade de deformação plástica; � Provoca nucleação de vazios em torno das impurezas; � Crescimento dos vazios; � União dos vazios; � Ruptura por cisalhamento. 10 Modos de falha independentes do tempo Modelos de falha Fratura dúctil 6 11 Modos de falha independentes do tempo Modelos de falha Fratura dúctil � Os modos dúcteis de fratura ocorrem como resultado de uma extensiva deformação plástica, seja por crescimento de vazios seja por cisalhamento. � Critério de ruptura por cisalhamento dúctil: � Critério de ruptura dúctil por nucleação, crescimento e coalescimento de vazios: 12 Modos de falha independentes do tempo Modelos de falha Fratura frágil � A separação do material ocorre segundo um plano (atômico) perpendicular à tensão de tração (ruptura por clivagem). � Quando a tensão ultrapassa um valor crítico tem início o processo de ruptura. � O critério de falha é dado pela máxima tensão normal que não pode ultrapassar a tensão crítica de clivagem. 7 13 Modos de falha independentes do tempo Modelos de falha Fratura na presença de defeitos � Geralmente o material da peça possui defeitos no seu interior, sejam defeitos oriundos do próprio processo de fabricação, sejam defeitos que surjam em serviço. � A mecânica da fratura define o fator de intensidade de tensão, KI, que caracteriza a solicitação no extremo da trinca, o qual não pode ultrapassar um valor crítico, KIC. � O critério de falha é dado por: KI > KIC 14 Modos de falha independentes do tempo Modelos de falha Início de escoamento � Em muitas aplicações é necessário que o material esteja integralmente dentro do regime elástico: � Garantir um nível de deformação baixo � Ex: eixos de alta velocidade, dispositivos de medição. � Nestes casos o escoamento já caracteriza a falha do componente � Este modo de falha é muito conservativo nas situações onde um pequeno escoamento nos pontos de concentração de tensão não é problema � O critério de falha é dado por: 8 15 Modos de falha independentes do tempo Modelos de falha Plastificação generalizada � Modo de falha adequado as situações onde é tolerada uma plastificação localizada. � Mais realista considerar uma plastificação generalizada na seção crítica, condição em que a capacidade de suportar carga fica esgotada (carga de colapso plástico). � Neste caso o cálculo de tensão máxima no ponto mais solicitado não é significativo. � O critério de falha deve ser verificado para todos os pontos da seção crítica: 16 Modos de falha independentes do tempo Modelos de falha Fragilização por hidrogênio � Átomos de hidrogênio podem se difundir na rede cristalina: � Tratamentos de galvanização, solda, ambiente de trabalho. � Os átomos combina-se formando moléculas de H2, gerando tensões internas de tração que podem levar o material a sofrer uma ruptura espontânea. � Pode ocorrer uma ruptura sem razão aparente, com a peça, por exemplo, somente armazenada. 9 17 Modos de falha independentes do tempo Modelos de falha Flambagem � Ocorre quando tem-se uma combinação crítica entre a rigidez da estrutura e a carga aplicada. � Deslocamentos transversais passam a crescer mesmo com carga constante. � A peça perde a sua forma original comprometendo a sua operação em serviço. � Falha característica em estruturas esbeltas sob tensão de compressão . 18 Modos de falha independentes do tempo Modelos de falha Deformação elástica excessiva � Em muitas situações as tensões desenvolvidas no material são baixas, não comprometendo a sua resistência, porem o componente pode vir a falhar por uma flexibilidade excessiva, onde os deslocamentos passam a ser grandes, acima do tolerado. � Neste caso é necessário aumentar a rigidez do projeto. 10 19 Modos de falha dependentes do tempo Modelos de falha � Estes modos de falha são caracterizados por algum tipo de envelhecimento ou desgaste do material. � Perda gradativa das propriedades que tornam o material adequado ao uso. � Existem vários modos de falha dependentes do tempo, também chamados de modos de falha por envelhecimento ou ainda desgaste. 20 Modos de falha dependentes do tempo Modelos de falha Fadiga � Caracterizado pela redução da capacidade de carga de componentes estruturais pela ruptura lenta do material, através do avanço quase infinitesimal da trinca a cada ciclo. � A fadiga ocorre pela presença de tensões que variam com o tempo, provocam deformações plásticas cíclicas localizadas. � As deformações levam a uma deterioração do material, dando origem a uma trinca de fadiga, que cresce até atingir o tamanho suficiente para provocar a ruptura do material. � O processo de nucleação das trincas dependem das tensões cisalhantes cíclicas. 11 21 Modos de falha dependentes do tempo Modelos de falha Fadiga � O processo de propagação das trincas dependem das tensões de tração que fazem com que as trincas venham a crescer. � É necessário utilizar critérios diferentes para avaliar uma falha por fadiga na nucleação e na fase de propagação. 22 Modos de falha dependentes do tempo Modelos de falha Corrosão � Destruição de um corpo sólido por uma ação química ou eletroquímica não intencional � Nos metais ocorre quase sempre a ação eletroquímica, devido à característica estrutural dos metais que permitem a movimentação de elétrons � Os materiais não metálicos podem ser atacados apenas pelos meios corrosivos capazes de agirem quimicamente. 12 23 Modos de falha dependentes do tempo Modelos de falha Corrosão sob tensão � A combinação de um esforço mecânico com um meio ambiente agressivo ao material pode levar a chamada corrosão sob tensão � Este tipo de corrosão ocorre em pontos muito localizados, como por exemplo nos contornos de grão. A aparência externa não evidencia a degradação do material. A capacidade de carga da peça diminui devido as trincas que surgem nos contornos de grão � Para um certo material, de todos os meios agressivos que provocam corrosão, apenas uns poucos provocam corrosão sob tensão 24 Modos de falha dependentes do tempo Modelos de falha Fluência � Mecanismo de falha se torna atuante a temperaturas da ordem 0,35 a 0,70 da temperatura absoluta de fusão do material � Nestas temperaturas deformações irreversíveis que crescem de forma constante com o tempo, mesmo se o carregamento for mantido constante � A velocidade que a deformação ocorre depende tanto da temperatura quanto do nível de tensão aplicado � A exposição a altas temperaturas pode provocar variações nas propriedades metalúrgicas: � Metais encruados irão recristalizar � Ligas endurecidas por precipitação podem sofrer um super envelhecimento 13 25 Modos de falha dependentes do tempo Modelos de falha Desgaste � Pode ocorrer desgaste adesivo, através do processo de aderência e remoção de partículas do material de um dos elementos do par de atrito. Depende muito das condições de lubrificação e da compatibilidade dos dois metais em contato. � Ou por desgaste abrasivo, através do arrancamento de metal por partículas mais duras que colidem com este. Neste caso a principal variável é a dureza do material que pode ocorrer por partículas duras entre as superfícies de atrito ou pelo contato de uma superfície dura e áspera sobre outra mole.
