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Tipos de Falhas Instituto Tecnológico de Aeronáutica Divisão de Engenharia Mecânica MT-717: Introdução a materiais e processos de fabricação Dr. Ronnie Rego Dr. Alfredo R. de Faria
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Aug 06, 2020

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Tipos de Falhas

Instituto Tecnológico de AeronáuticaDivisão de Engenharia Mecânica

MT-717: Introdução a materiais e processos de fabricação

Dr. Ronnie RegoDr. Alfredo R. de Faria

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Fechamentos5.Fratura4.Deformação Excessiva3.Classificação das Falhas2.Introdução1.

Agenda

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[Aula#1] Processos de Conformação Mecânica

Esforço no materialMovimento da ferramenta

Movimento do material

Forjamento ExtrusãoLaminação Trefilação

Dobramento Cisalhamento

Alteração de forma com volume e massa conservados

EstiramentoEmbutimento(Estampagem profunda)

Calandragem

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Principais Propriedades[Aula#2] Comportamento dos Materiais: Curva Tensão-Deformação

σ (Tensão)

ε (Deformação)

L0

A0 L0+δLF

F

σ = F/A0

ε = δL/L0

E (Módulo de Young ou Módulo de Elasticidade Longitudinal)

0,2%

σe ou σyLimite de EscoamentoE

σr ou σuLimite de Resistência

A ou εfAlongamento

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Tensão-Deformação de Engenharia x Tensão-Deformação Verdadeira Resumo Visual

[Aula#2] Comportamento dos Materiais: Curva Tensão-Deformação

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6

Diferentes modelos para representação da região plástica Aproximações mais precisas para diferentes materiais

[Aula#2] Comportamento dos Materiais: Comportamento Plástico

Aço inoxidável austenítico 304

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7

εa

[Aula#2] Comportamento dos Materiais: Efeitos Particulares

A

E

EfeitoBauschinger

Histerese Elástica

ComportamentoAnelástico

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Custos com falhas mecânicas EUA: US$ 119 bi [1982]

– 4% do PIB Chega a 10% do PIB quando inclusas falhas for corrosão e desgaste

Motivação Econômica

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Processos de Fabricação: Estrutura do CursoPlasticidade Fundamentos da Conformação Tecnologias de Conformação Processos Não-Convencionais

Comportamento mecânico Tipos de Falhas Análise de tensão e deformação Relações plásticas Escoamento plástico

Classificação Modelos preditivos Influências: atrito, temperatura; taxa de deformação e anisotropia. Ensaios de conformabilidade

Trefilação Laminação Forjamento Extrusão Estampagem Estiramento Repuxamento

Soldagem a Ponto Metalurgia do Pó

Fdx

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Caracterização dos tipos de falha mais associados aos processos de fabricação de conformação mecânica

Objetivos Específicos1. Apresentar conceitos de deformação plástica e elástica excessiva, incluindo fenômenos de fluência e instabilidade plástica2. Sumarizar tipos de falha de fratura, entre modos de fratura frágil e fadiga

Objetivo da aula

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1. DIETER, G. E. Mechanical Metallurgy - SI Metric Edition. Mc Graw-Hill Book Co., Singapore, 1988. 2. CETLIN, P.R.; HELMAN, H. Fundamentos da conformação mecânica dos metais. 2.ed. Artliber editora, São Paulo, 2015.3. DOWLING, N.E. Mechanical Behavior of Materials: Engineering Methods for Deformation, Fracture and Fatigue. 4.ed. Pearson Education Limited, Essex, 2013.4. WULPI, D.J. Understanding how components fail. 2.ed. Metals Park: ASM International, 2000.5. ANDERSON, T.L. Fracture Mechanics: Fundamentals and Applications. Boca Raton: CRC Press, 2005. 610p

Processos de Fabricação I (MT-717): Literatura de Referência

1 2 3 4 5

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Fechamentos5.Fratura4.Deformação Excessiva3.Classificação das Falhas2.Introdução1.

Agenda

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Classificação das Falhas

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Deformação Excessiva Fratura

Estática Dinâmica

Elástica Plástica Fluência

Carregamento Estático Cíclico (Fadiga)

Frágil DúctilRuptura por Fluência Ambiental

Alto CicloBaixo Ciclo

Crescimento de trincaCorrosão sob tensão

Classificação das Falhas

MT-717Foco em falhas dos processos de conformação

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Falha por Deformação Mudança do formato ou de dimensões físicas de um componente, que causem a perda parcial/total de sua(s) função(ões)

Falha por Fratura Separação do componente em duas ou mais partes

Falha por Corrosão Perda de material em função de ação química

Falha por Desgaste Perda de material da superfície devido à abrasão ou adesão entre superfícies em contato

Classificação das Falhas

MT-717Foco em falhas dos processos de conformação

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Fechamentos5.Fratura4.Deformação Excessiva3.Classificação das Falhas2.Introdução1.

Agenda

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Deformação Elástica Excessiva Deformação excessiva em equilíbrio

– Eixo demasiadamente flexível: desgaste em rolamentos e interferência no engrenamento

Flambagem ou deflexão repentina– Coluna delgada: carregamento axial excede a carga crítica de Euler– Tubo de parede fina: pressão externa ultrapassa valor crítico

Deformação Excessiva

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Adição de elementos de liga: Modificação da resistência ao escoamento, Sem alteração significativa do módulo de elasticidade

Deformação Excessiva

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Deformação Plástica Excessiva Escoamento: material ultrapassa o limite elástico Deformação gerada irreversível (permanente)

Deformação Excessiva

Tensão

Deformação

L0

A0 L0+δLF

F

0,2%

σe ou σyLimite de Escoamento

Alongamento

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Tensão de Cisalhamento Crítica ResolvidaDeformação Excessiva: Deformação Plástica

Direção de escorregamento Plano de escorregamento

Limite para a tensão de cisalhamento – no plano de escorregamento – ao longo da direção de escorregamento

Para um cristal, equivalente ao limite de escoamento da curva

P

Pcos

A/cos

A

5,0)(45)(

coscoscoscoscos/cos

max

omax

RR

R AP

APR

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Alta Temperatura: Encruamento não relevante → Deformação por Fluência Fluência

Deformação dependente do tempo Fenômeno termicamente ativado Deformação contínua sob aplicação de carregamento ou tensão constante

Deformação Excessiva: Deformação Plástica

Primária Secundária(mínima taxa de deformação) Terciária

I II III

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Instabilidade Plástica Geração/distribuição de deformações não uniformes que precedem a fratura

Fenômenos concorrentes1. Aumento da tensão em função da redução da seção transversal2. Aumento da capacidade de carregamento em função do encruamento

Quando 1 > 2– Escoamento Instável– Deformação localizada

Deformação Excessiva: Deformação Plástica

P

PEstricção (“Empescoçamento”)

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Instabilidade Plástica: Estricção DIFUSA

– Máximo valor na capacidade de carga do material– Simetria em relação ao eixo de tração (semicírculo)– Precede a estrição localizada

LOCALIZADA– Aspecto geométrico do material– Deformação plana na direção da largura– Aparição de bandas de cisalhamento

Deformação Excessiva: Deformação Plástica

Estricção Difusa

Estricção Localizada

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Instabilidade Plástica: EstricçãoDeformação Excessiva: Deformação Plástica

Estricção Difusa Estricção Localizada

DEFORMAÇÃO

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Deformação Excessiva: Deformação Plástica

P

P

Instabilidade Plástica Fenômenos concorrentes

1. Aumento da tensão em função da redução da seção transversal2. Aumento da capacidade de carregamento em função do encruamento

Quando 1 > 2– Carga máxima

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Deformação Excessiva: Deformação Plástica

P

P

Instabilidade Plástica A partir de dP = 0 e = P/A

Do conceito de Volume constante:

Do conceito de deformação

Portanto:

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Deformação Excessiva: Deformação Plástica Instabilidade Plástica

A partir de dP = 0 e = P/A

Do conceito de Volume constante:

Do conceito de deformação

Portanto:

Critério de Instabilidade

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Deformação Excessiva: Deformação Plástica Instabilidade Plástica

A partir de e;

Considerando comportamento pela aproximação de Hollomon ( )

Ponto de carga máxima:

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Deformação Excessiva: Deformação Plástica Instabilidade Plástica

A partir de e; Conhecendo os coeficiente da aproximação de Hollomon ( K, n )

– Obtém-se a tensão de resistência mecânica (σU)

Exemplo:– Aço baixo carbono, recozido: K = 530 MPa; n = 0,26

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Deformação Excessiva: Deformação Plástica Instabilidade Plástica

Explicitada pelo uso da deformação de engenharia (e)

Construção de Considèreede

d 1

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Deformação Excessiva: Deformação Plástica Instabilidade Plástica

Explicitada pelo uso da deformação de engenharia (e)

Reta entre ponto e= -1 (A) e tangente da curva σ–e (C) → carga máxima

Construção de Considère

eded

1

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Instabilidade Plástica nos Processos de Conformação Embutimento (Estampagem Profunda)

Deformação Excessiva: Deformação Plástica

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Fechamentos5.Fratura4.Deformação Excessiva3.Classificação das Falhas2.Introdução1.

Agenda

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Modos de fratura Fratura Frágil Fratura Dúctil Fratura Intergranular Fratura de quasi-clivagem Fadiga

Fratura

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Pouca ou nenhuma deformação antes da fratura Falha catastrófica: não há indícios visíveis antes da falha

Material: alta dureza/resistência, pouca tolerância a descontinuidades Abaixo do limite de escoamento (regime elástico) Em microescala, ocorre pelo modo de clivagem

Fratura Frágil

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Mecanismos de geração Sobrecarga monotônica (não cíclica) de material frágil ou encruado Fadiga de alto ciclo (n > 104 ciclos)

Fratura Frágil

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Ocorre em materiais dúcteis quando: Concentradores de tensão

– Defeito em solda, trinca, concentrador geométrico (entalhe, chaveta) Tensão residual trativa

– Potencializa a tensão atuante, até promover microdeformaçãoplástica na ponta do concentrador de tensão Baixa temperatura

– Fenômeno de “Transição dúctil-frágil”

Fratura Frágil

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Considerável deformação permanente antes da fratura Indícios visíveis antes da falha

Materiais de baixa dureza e resistência, mas considerável tolerância a descontinuidades Acima do limite de escoamento (regime plástico) Em microescala, ocorre pelo modo de cisalhamento

Fratura Dúctil

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Mecanismos de geração Sobrecarga monotônica (não cíclica) de material dúctil Fadiga de baixo ciclo (n < 104 ciclos) Ruptura sob tensão

Fratura Dúctil

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Características da Superfície Fraturada: MACROESCALA Estricção/Empescoçamento → Formato Taça-Cone Superfície está a 45° da direção da tensão principal trativa Formação de “dimples” (microvazios): aspecto rugoso Bordas de cisalhamento → Formato Taça-Cone

Fratura Dúctil

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Fratura Dúctil x Fratura Frágil

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Carregamento repetitivo → estado cíclico de tensões Encruamento localizado

Nessa região, trinca se inicia e propaga até atingir dimensão crítica– Fratura progressiva, falha dependente do tempo

Falha ocorre em tensão inferior ao limite de resistência mecânica

Fadiga

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Características da Superfície Fraturada: MACROESCALA Pouca ou nenhuma deformação plástica Formação de “Marcas de praia”

– Linha identifica posição quando o carregamento foi interrompido

Fadiga

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Carregamento repetitivo → estado cíclico de tensões Fratura progressiva, falha dependente do tempo

Exemplo: engrenagem submetida a carregamento cíclico de flexão

Fadiga

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Características da Superfície Fraturada: MICROESCALA Estrias: microdeformaçõesplástica progressivas Acompanham o ciclo de carregamento Não confundir com “Marcas de praia”

– entre duas marcas de praia, podem haver várias estrias– Estrias identificam avanço da trinca por ciclo; marcas de praia a posição na parada do carregamento

Fadiga

1 Estria

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Definições de regime de fadiga Baixo Ciclo (LCF – Low Cycle Fatigue), n < 104 ciclos Alto Ciclo (HCF – High Cycle Fatigue), n > 104 ciclos Durabilidade/Vida Infinita (Endurance), n > {106-108} ciclos

Fadiga

107 N [ciclos]

Tensão

Aplica

da S1S2S3

LCF Vida InfinitaHCF

104

Amostra#1

Método da escada (Staircase)

Tensão FalhaResiste

Amostra#2

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47

Método da escada (staircase) Inicialmente submete-se o CDP à resistência à fadiga média esperada. Se o CDP sobreviver 107 ciclos ele é descartado e o próximo CDP é submetido a uma tensão acima da tensão anterior Quando um CDP falhar abaixo de 107 ciclos o número de ciclos é anotado e o próximo CDP é submetido a uma tensão abaixo da anterior Essa abordagem busca balancear o número de CDP’s que sobrevivem e os que falham O método é apropriado quando há disponibilidade de um número grande de CDP’s (ao menos 25)

Fadiga

Método da escada (Staircase)

Tensão FalhaResiste

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48

Método da escada: aplicação em virabrequinsFadiga

LathetailstockLatheheadstock

Crankshaft

Support Roller Head

Deep Rolling HeadRollers

Crankpin

Roller headRollers

Residual stress fieldαrFr

Rotatio

n

Support roller

B

A

EF D

C

Force (F

r)

Angular sector [-]A AF F FB B CC D DE E

(a) (b) Crankpin

(a) (b) (c)7891011

Node rows:

Mesh refinement along fillet depth

3 mmzθ

R

Cyl. CS6

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49

Método da escada: aplicação em virabrequinsFadiga

Bottom:tensile stresses

Top: compressive stresses

*critical region

Hoop stressMode II Mode IIIMode I

Crack propagation path

Mb Mb

F Combustion forcesCylindrical coordinate system

r: radialθ: hoopz: axial

z

θ rFillet radius region

TORSION ASSEMBLY BENDING ASSEMBLY

0

1243

65

0

7

8

91234567

Test rig base and structureElectrodynamic shakerInertia armsAccelerometerForce transducerArm strain-gagesCrankpin specimen with SGShaker amplifierAcquisition and control systemUser interface

89

N° Name Cycles B.M. F - NF B.M. lev. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 171 6RC 1.8E+06 F 32 10RC 8.5E+05 F 2 F3 11RC 1.0E+07 NF 1 F F F F F F4 12RC 2.3E+06 F 0 NF NF F NF NF NF F F5 13RC 1.0E+07 NF -1 NF NF6 14RC 6.5E+06 F -27 15RC 7.3E+06 F -38 16RC 1.0E+07 NF -49 17RC 1.0E+07 NF -5

10 18RC 5.2E+06 F11 19RC 1.0E+07 NF12 20RC 1.0E+06 F13 9RC 1.0E+07 NF14 2RA 5.8E+06 F15 3RA 6.6E+06 F16 4RA 1.0E+07 NF17 5RA 1.9E+06 FBen

ding m

oment

concea

led for

confide

ntiality

reason

s

B.M. co

ncealed

Test

BENDING FATIGUE TESTS:• ωn~60 Hz• Infinite life 107 cycles• Total running time ~550 h• 4 bending moment levels• 10 failures• 7 non-failures

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50

Propagação de trinca sob fadiga Região I: valor limite Kth abaixo do qual não hácrescimento observável de trinca Região II: equação de Paris

onde K = Kmax(max) Kmin(min) = variação do fator de concentração de tensão Região III: crescimento acelerado de trinca onde K se aproxima de Kc (tenacidade à fratura) do material Para chapas K = (a)1/2

Fadiga

Região I Região II Região IIIK (escala log)

da/dN

(escala

log)trin

cas de

fadiga

não

propag

adoras

crescim

ento

instáve

l de trin

casp

da/dN = A(K)p para a região linear

Kth

pKAdNda )(

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51

Fechamentos5.Fratura4.Deformação Excessiva3.Classificação das Falhas2.Introdução1.

Agenda

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52

Objetivos EspecíficosDeformação Excessiva

1

Fratura2


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