Fadiga (material) - Fatigue (material)

Fratura de um braço de manivela de alumínio. Área escura de estrias: crescimento lento de fissuras. Área granular brilhante: fratura súbita.

Na ciência dos materiais , a fadiga é a iniciação e propagação de fissuras em um material devido ao carregamento cíclico. Depois que uma trinca por fadiga é iniciada, ela cresce um pouco a cada ciclo de carregamento, normalmente produzindo estrias em algumas partes da superfície da fratura. A trinca continuará a crescer até atingir um tamanho crítico, o que ocorre quando o fator de intensidade de tensão da trinca excede a tenacidade à fratura do material, produzindo rápida propagação e tipicamente fratura completa da estrutura.

A fadiga tem sido tradicionalmente associada à falha de componentes de metal, o que levou ao termo fadiga do metal . No século XIX, pensava-se que a súbita falha dos eixos ferroviários de metal era causada pela cristalização do metal por causa da aparência quebradiça da superfície da fratura, mas isso foi desmentido desde então. A maioria dos materiais parece apresentar algum tipo de falha relacionada à fadiga, como compósitos, plásticos e cerâmicas.

Para ajudar na previsão da vida de fadiga de um componente, os testes de fadiga são realizados usando cupons para medir a taxa de crescimento da trinca aplicando carregamento cíclico de amplitude constante e calculando a média do crescimento medido de uma trinca ao longo de milhares de ciclos. No entanto, também há uma série de casos especiais que precisam ser considerados, nos quais a taxa de crescimento de trincas é significativamente diferente em comparação com a obtida no teste de amplitude constante. Tais como: a redução da taxa de crescimento que ocorre para pequenas cargas perto do limite ou após a aplicação de uma sobrecarga ; e o aumento da taxa de crescimento de trincas associado a trincas curtas ou após a aplicação de subcarga .

Se as cargas estiverem acima de um certo limite, as rachaduras microscópicas começarão a iniciar em concentrações de tensão , como orifícios, bandas de deslizamento persistentes (PSBs), interfaces compostas ou limites de grão em metais. Os valores de tensão que causam danos por fadiga são normalmente muito menores do que a resistência ao escoamento do material.

Estágios de fadiga

Historicamente, a fadiga foi separada em regiões de fadiga de alto ciclo que requerem mais de 10 4 ciclos até a falha, onde a tensão é baixa e principalmente elástica e a fadiga de baixo ciclo, onde há plasticidade significativa. Experimentos mostraram que a fadiga de baixo ciclo também é o crescimento de fissuras.

Falhas por fadiga, tanto para ciclos altos como baixos, seguem todas as mesmas etapas básicas do processo de iniciação de trinca estágio I, crescimento de trinca estágio II e, finalmente, falha final. Para iniciar o processo, as rachaduras devem nuclear dentro de um material. Este processo pode ocorrer em risers de tensão em amostras metálicas ou em áreas com uma alta densidade de vazio em amostras de polímero. Essas rachaduras se propagam lentamente no início durante o estágio I de crescimento de rachaduras ao longo dos planos cristalográficos, onde as tensões de cisalhamento são mais altas. Uma vez que as rachaduras atingem um tamanho crítico, elas se propagam rapidamente durante o crescimento de rachaduras do estágio II em uma direção perpendicular à força aplicada. Essas rachaduras podem levar à falha final do material, muitas vezes de uma forma catastrófica frágil.

Iniciação de crack

A formação de fissuras iniciais precedendo a falha por fadiga é um processo separado que consiste em quatro etapas discretas em amostras metálicas. O material desenvolverá estruturas celulares e endurecerá em resposta à carga aplicada. Isso faz com que a amplitude da tensão aplicada aumente, dadas as novas restrições à deformação. Essas estruturas celulares recém-formadas acabarão por se decompor com a formação de bandas de deslizamento persistentes (PSBs). O deslizamento no material está localizado nesses PSBs, e o deslizamento exagerado pode agora servir como um concentrador de tensão para a formação de uma rachadura. A nucleação e o crescimento de uma trinca até um tamanho detectável são responsáveis ​​pela maior parte do processo de trinca. É por esta razão que as falhas de fadiga cíclica parecem ocorrer tão repentinamente onde a maior parte das alterações no material não são visíveis sem testes destrutivos. Mesmo em materiais normalmente dúcteis, as falhas por fadiga se assemelham a falhas frágeis repentinas.

Planos de deslizamento induzidos por PSB resultam em intrusões e extrusões ao longo da superfície de um material, frequentemente ocorrendo em pares. Este deslizamento não é uma mudança microestrutural dentro do material, mas sim uma propagação de deslocamentos dentro do material. Em vez de uma interface suave, as intrusões e extrusões farão com que a superfície do material se pareça com a borda de um baralho de cartas, onde nem todas as cartas estão perfeitamente alinhadas. Intrusões e extrusões induzidas por deslizamento criam estruturas superficiais extremamente finas no material. Com o tamanho da estrutura de superfície inversamente relacionado aos fatores de concentração de tensão, o deslizamento de superfície induzido por PSB pode causar o início de fraturas.

Essas etapas também podem ser totalmente ignoradas se as rachaduras se formarem em um concentrador de tensão pré-existente, como a partir de uma inclusão no material ou de um concentrador de tensão geométrico causado por um canto interno agudo ou filete.

Crescimento de rachadura

A maior parte da vida em fadiga é geralmente consumida na fase de crescimento da trinca. A taxa de crescimento é impulsionada principalmente pela faixa de carregamento cíclico, embora fatores adicionais como estresse médio, ambiente, sobrecargas e subcargas também possam afetar a taxa de crescimento. O crescimento da fissura pode parar se as cargas forem pequenas o suficiente para cair abaixo de um limite crítico.

Rachaduras por fadiga podem crescer a partir de defeitos de material ou de fabricação de até 10 μm.

Quando a taxa de crescimento se torna grande o suficiente, estrias de fadiga podem ser vistas na superfície da fratura. Estrias marcam a posição da ponta da trinca e a largura de cada estriagem representa o crescimento de um ciclo de carregamento. As estrias são resultado da plasticidade na ponta da trinca.

Quando a intensidade da tensão excede um valor crítico conhecido como tenacidade à fratura , ocorrerá uma fratura rápida insustentável , geralmente por um processo de coalescência microvóide . Antes da fratura final, a superfície de fratura pode conter uma mistura de áreas de fadiga e fratura rápida.

Aceleração e retardo

Os seguintes efeitos mudam a taxa de crescimento:

  • Efeito de estresse médio . Uma tensão média mais alta aumenta a taxa de crescimento de rachaduras.
  • Meio Ambiente . O aumento da umidade aumenta a taxa de crescimento de rachaduras. No caso do alumínio, as rachaduras geralmente crescem da superfície, onde o vapor de água da atmosfera é capaz de atingir a ponta da rachadura e se dissociar em hidrogênio atômico que causa fragilização por hidrogênio . As rachaduras que crescem internamente são isoladas da atmosfera e crescem no vácuo, onde a taxa de crescimento é normalmente uma ordem de magnitude mais lenta do que uma rachadura superficial.
  • Efeito de crack curto . Em 1975, Pearson observou que pequenas fissuras crescem mais rápido do que o esperado. As possíveis razões para o efeito de trinca curta incluem a presença da tensão T, o estado de tensão triaxial na ponta da trinca, a falta de fechamento de trinca associada a trincas curtas e a grande zona de plástico em comparação com o comprimento da trinca. Além disso, as fissuras longas normalmente experimentam um limite que as fissuras curtas não têm. Existem vários critérios para fissuras curtas:
    • as rachaduras são normalmente menores do que 1 mm,
    • as rachaduras são menores do que o tamanho da microestrutura do material, como o tamanho do grão, ou
    • o comprimento da rachadura é pequeno em comparação com a zona de plástico.
  • Subcargas . Um pequeno número de cargas insuficientes aumenta a taxa de crescimento e pode neutralizar o efeito das sobrecargas.
  • Sobrecargas . inicialmente as sobrecargas (> 1,5 a carga máxima em uma sequência) levam a um pequeno aumento na taxa de crescimento seguido por uma longa redução na taxa de crescimento.

Características de fadiga

  • Nas ligas metálicas, e para simplificar, quando não há descontinuidades macroscópicas ou microscópicas, o processo começa com movimentos de deslocamento ao nível microscópico, que acabam por formar bandas de deslizamento persistentes que se tornam o núcleo de pequenas fissuras.
  • Descontinuidades macroscópicas e microscópicas (na escala de grão cristalino), bem como características de projeto de componentes que causam concentrações de tensão (orifícios, chavetas , mudanças bruscas de direção de carga, etc.) são locais comuns nos quais o processo de fadiga começa.
  • A fadiga é um processo que possui um grau de aleatoriedade ( estocástico ), muitas vezes apresentando uma dispersão considerável, mesmo em amostras aparentemente idênticas em ambientes bem controlados.
  • A fadiga geralmente está associada a tensões de tração, mas rachaduras por fadiga foram relatadas devido a cargas compressivas.
  • Quanto maior for a faixa de tensão aplicada, menor será a vida útil.
  • A dispersão da vida de fadiga tende a aumentar para vidas de fadiga mais longas.
  • O dano é irreversível. Os materiais não se recuperam quando em repouso.
  • A vida em fadiga é influenciada por uma variedade de fatores, como temperatura , acabamento superficial , microestrutura metalúrgica, presença de oxidantes ou produtos químicos inertes , tensões residuais , contato de desgaste ( atrito ), etc.
  • Alguns materiais (por exemplo, alguns aço e ligas de titânio ) exibem um limite teórico de fadiga abaixo do qual o carregamento contínuo não leva à falha por fadiga.
  • A alta resistência à fadiga de ciclo (cerca de 10 4 a 10 8 ciclos) pode ser descrita por parâmetros baseados em tensão. Uma bancada de teste servo-hidráulica com carga controlada é comumente usada nesses testes, com frequências de cerca de 20–50 Hz. Outros tipos de máquinas - como máquinas magnéticas ressonantes - também podem ser usados ​​para atingir frequências de até 250 Hz.
  • A fadiga de baixo ciclo (carga que normalmente causa falha em menos de 10 4 ciclos) está associada ao comportamento plástico localizado em metais; portanto, um parâmetro baseado em deformação deve ser usado para predição de fadiga em metais. O teste é conduzido com amplitudes de deformação constante, normalmente de 0,01–5 Hz.

Linha do tempo da história da pesquisa sobre fadiga

Micrografias que mostram como as rachaduras de fadiga da superfície crescem conforme o material é submetido a novos ciclos. De Ewing & Humfrey, 1903
  • 1837: Wilhelm Albert publica o primeiro artigo sobre fadiga. Ele planejou uma máquina de teste para correntes transportadoras usadas nas minas de Clausthal .
  • 1839: Jean-Victor Poncelet descreve os metais como "cansados" em suas palestras na escola militar de Metz .
  • 1842: William John Macquorn Rankine reconhece a importância das concentrações de tensão em sua investigação de falhas no eixo da ferrovia . O naufrágio do trem Versailles foi causado por falha por fadiga de um eixo de locomotiva.
  • 1843: Joseph Glynn relata a fadiga de um eixo em um tender locomotivo. Ele identifica o rasgo de chaveta como a origem da rachadura.
  • 1848: A Inspeção Ferroviária relata uma das primeiras falhas de pneu, provavelmente de um furo de rebite no piso da roda do vagão. Provavelmente foi uma falha por fadiga.
  • 1849: Eaton Hodgkinson é concedida uma "pequena soma de dinheiro" para relatório ao Parlamento do Reino Unido em seu trabalho em "-se, por experiência direta, os efeitos das mudanças contínuas de carga sobre estruturas de ferro e em que medida eles poderiam ser carregados sem perigo para sua segurança final ".
  • 1854: F. Braithwaite relata sobre falhas comuns de fadiga de serviço e cunhou o termo fadiga .
  • 1860: Teste de fadiga sistemático realizado por Sir William Fairbairn e August Wöhler .
  • 1870: A. Wöhler resume seu trabalho em eixos ferroviários. Ele conclui que a faixa de estresse cíclico é mais importante do que o pico de estresse e apresenta o conceito de limite de resistência .
  • 1903: Sir James Alfred Ewing demonstra a origem da falha por fadiga em fissuras microscópicas.
  • 1910: OH Basquin propõe uma relação log-log para curvas SN, usando os dados de teste de Wöhler.
  • 1940: Sidney M. Cadwell publica o primeiro estudo rigoroso de fadiga em borracha.
  • 1945: AM Miner populariza a hipótese de dano linear de Palmgren (1924) como uma ferramenta prática de projeto.
  • 1952: W. Weibull Um modelo de curva SN.
  • 1954: O primeiro jato comercial do mundo, o de Havilland Comet , sofre desastre quando três aviões se partem no ar, fazendo de Havilland e todos os outros fabricantes redesenharem aeronaves de alta altitude e, em particular, substituir aberturas quadradas como janelas por ovais.
  • 1954: LF Coffin e SS Manson explicam o crescimento de rachaduras por fadiga em termos de deformação plástica na ponta das rachaduras.
  • 1961: PC Paris propõe métodos para prever a taxa de crescimento de rachaduras de fadiga individuais em face do ceticismo inicial e da defesa popular da abordagem fenomenológica de Miner.
  • 1968: Tatsuo Endo e M. Matsuishi desenvolvem o algoritmo de contagem de fluxo de chuva e permitem a aplicação confiável da regra de Miner para carregamentos aleatórios .
  • 1970: W. Elber elucida os mecanismos e a importância do fechamento de trincas na redução do crescimento de uma trinca por fadiga devido ao efeito de cunha da deformação plástica deixada para trás da ponta da trinca.
  • 1973: MW Brown e KJ Miller observam que a vida em fadiga sob condições multiaxiais é governada pela experiência do avião que recebe a maior parte dos danos, e que tanto as cargas de tensão quanto de cisalhamento no plano crítico devem ser consideradas.

Previsão de fadiga

Carregamento de espectro

A American Society for Testing and Materials define a vida em fadiga , N f , como o número de ciclos de tensão de um determinado caráter que um corpo de prova sustenta antes que ocorra a falha de uma determinada natureza. Para alguns materiais, notadamente aço e titânio , existe um valor teórico para a amplitude de tensão abaixo do qual o material não falhará por qualquer número de ciclos, chamado de limite de fadiga ou limite de resistência . No entanto, na prática, vários trabalhos realizados em um número maior de ciclos sugerem que os limites de fadiga não existem para nenhum metal.

Os engenheiros usaram uma série de métodos para determinar a vida de fadiga de um material:

  1. o método stress-life,
  2. o método de vida de tensão,
  3. o método de crescimento de fissuras e
  4. métodos probabilísticos, que podem ser baseados em métodos de crescimento de vida ou de trinca.

Seja usando a abordagem de tensão / deformação ou usando a abordagem de crescimento de trinca, o carregamento de amplitude complexa ou variável é reduzido a uma série de carregamentos cíclicos simples equivalentes à fadiga usando uma técnica como o algoritmo de contagem de fluxo de chuva .

Métodos de vida de estresse e vida de tensão

Uma parte mecânica é frequentemente exposta a uma sequência complexa, muitas vezes aleatória , de cargas, grandes e pequenas. A fim de avaliar a vida segura de tal peça usando os métodos de dano por fadiga ou tensão / deformação, a seguinte série de etapas é geralmente realizada:

  1. O carregamento complexo é reduzido a uma série de carregamentos cíclicos simples usando uma técnica como a análise do fluxo de chuva ;
  2. Um histograma de tensão cíclica é criado a partir da análise do fluxo de chuva para formar um espectro de danos por fadiga ;
  3. Para cada nível de estresse, o grau de dano cumulativo é calculado a partir da curva SN; e
  4. O efeito das contribuições individuais são combinados usando um algoritmo como a regra de Mineiro .

Desde curvas SN são tipicamente gerados para uniaxial carregamento, alguma regra de equivalência é necessária sempre que o carregamento é multiaxial. Para histórias de carregamento simples e proporcionais (carga lateral em uma relação constante com o axial), a regra de Sines pode ser aplicada. Para situações mais complexas, como carregamento não proporcional, a análise do plano crítico deve ser aplicada.

Regra de mineiro

Em 1945, MA Miner popularizou uma regra que havia sido proposta pela primeira vez por A. Palmgren em 1924. A regra, também chamada de regra de Miner ou hipótese de dano linear de Palmgren-Miner , afirma que, onde há k magnitudes de tensão diferentes em um espectro, S i (1 ≤ ik ), cada um contribuindo com n i ( S i ) ciclos, então se N i ( S i ) é o número de ciclos até a falha de uma reversão de tensão constante S i (determinado por testes de fadiga uniaxial) , a falha ocorre quando:

Normalmente, para fins de projeto, presume-se que C seja 1. Isso pode ser considerado como uma avaliação da proporção da vida consumida por uma combinação linear de reversões de tensão em magnitudes variáveis.

Embora a regra de Mineiro possa ser uma aproximação útil em muitas circunstâncias, ela tem várias limitações principais:

  1. Ela falha em reconhecer a natureza probabilística da fadiga e não há uma maneira simples de relacionar a vida prevista pela regra com as características de uma distribuição de probabilidade. Os analistas da indústria costumam usar curvas de projeto, ajustadas para levar em conta a dispersão, para calcular N i ( S i ).
  2. A sequência na qual os ciclos de alta e baixa tensão são aplicados a uma amostra de fato afeta a vida em fadiga, o que a Regra de Mineiro não leva em consideração. Em algumas circunstâncias, os ciclos de baixo estresse seguidos por alto estresse causam mais danos do que seria previsto pela regra. Não considera o efeito de uma sobrecarga ou alta tensão que pode resultar em uma tensão residual compressiva que pode retardar o crescimento de trincas. Alta tensão seguida de baixa tensão podem causar menos danos devido à presença de tensão residual compressiva.

Método de estresse-vida (SN)

Curva SN para um alumínio quebradiço com uma resistência à tração final de 320 MPa

O desempenho da fadiga de materiais é comumente caracterizado por uma curva SN , também conhecida como curva de Wöhler . Isso geralmente é plotado com a tensão cíclica ( S ) contra os ciclos de falha ( N ) em uma escala logarítmica . As curvas SN são derivadas de testes em amostras do material a ser caracterizado (freqüentemente chamados de cupons ou espécimes), onde uma tensão sinusoidal regular é aplicada por uma máquina de teste que também conta o número de ciclos até a falha. Esse processo às vezes é conhecido como teste de cupom . Para maior precisão, mas com menor generalidade, são usados ​​testes de componentes. Cada teste de cupom ou componente gera um ponto no gráfico, embora em alguns casos haja um esgotamento em que o tempo de falha excede o disponível para o teste (ver censura ). A análise de dados de fadiga requer técnicas de estatística , especialmente análise de sobrevivência e regressão linear .

A progressão da curva SN pode ser influenciada por muitos fatores, como razão de tensões (tensão média), frequência de carregamento, temperatura , corrosão , tensões residuais e a presença de entalhes. Um diagrama de vida de fadiga constante (CFL) é útil para o estudo do efeito da razão de tensão. A linha de Goodman é um método utilizado para estimar a influência da tensão média na resistência à fadiga .

Um diagrama Constant Fatigue Life (CFL) é útil para o efeito da taxa de tensão na curva SN. Além disso, na presença de uma tensão constante sobreposta ao carregamento cíclico, a relação de Goodman pode ser usada para estimar uma condição de falha. Ele traça a amplitude da tensão contra a tensão média com o limite de fadiga e a resistência à tração final do material como os dois extremos. Os critérios de falha alternativos incluem Soderberg e Gerber.

Como cupons amostrados de um quadro homogêneo exibirão uma variação em seu número de ciclos até a falha, a curva SN deve ser mais adequadamente uma curva de Probabilidade de Ciclo de Tensão (SNP) para capturar a probabilidade de falha após um determinado número de ciclos de um certo estresse.

Com materiais cúbicos centrados no corpo (bcc), a curva de Wöhler freqüentemente se torna uma linha horizontal com amplitude de tensão decrescente, ou seja, há uma resistência à fadiga que pode ser atribuída a esses materiais. Com metais cúbicos de face centrada (fcc), a curva de Wöhler geralmente cai continuamente, de modo que apenas um limite de fadiga pode ser atribuído a esses materiais.

Método de tensão de vida (ε-N)

Gráfico mostrando a falha por fadiga em função da amplitude da deformação.

Quando as deformações não são mais elásticas, como na presença de concentrações de tensão, a deformação total pode ser usada em vez da tensão como um parâmetro de similitude. Isso é conhecido como método de vida útil de tensão. A amplitude de deformação total é a soma da amplitude de deformação elástica e a amplitude de deformação plástica e é dada por

.

A equação de Basquin para a amplitude da deformação elástica é

onde está o módulo de Young .

A relação para fadiga de alto ciclo pode ser expressa usando a amplitude de deformação elástica

onde é um parâmetro que escala com a resistência à tração obtida pelo ajuste de dados experimentais, é o número de ciclos até a falha e é a inclinação da curva log-log novamente determinada pelo ajuste da curva.

Em 1954, Coffin e Manson propuseram que a vida em fadiga de um componente estava relacionada à amplitude de deformação plástica usando:

.

As equações podem ser combinadas para levar em conta a fadiga de ciclo alto e ciclo baixo dando

.

Métodos de crescimento de fissuras

Uma estimativa da vida de fadiga de um componente pode ser feita usando uma equação de crescimento de trinca , somando a largura de cada incremento de crescimento de trinca para cada ciclo de carregamento. Fatores de segurança ou dispersão são aplicados à vida calculada para levar em conta qualquer incerteza e variabilidade associada à fadiga. A taxa de crescimento usada nas previsões de crescimento de trinca é normalmente medida aplicando milhares de ciclos de amplitude constante a um cupom e medindo a taxa de crescimento da mudança na conformidade do cupom ou medindo o crescimento da trinca na superfície do cupom . Métodos padrão para medir a taxa de crescimento foram desenvolvidos pela ASTM International.

Equações de crescimento de crack , como a equação de Paris-Erdoğan, são usadas para prever a vida útil de um componente. Eles podem ser usados ​​para prever o crescimento de uma rachadura de 10 um até a falha. Para acabamentos normais de fabricação, isso pode cobrir a maior parte da vida útil de fadiga de um componente onde o crescimento pode começar no primeiro ciclo. As condições na ponta da trinca de um componente geralmente estão relacionadas às condições do cupom de teste usando um parâmetro de caracterização, como intensidade de tensão, integral J ou deslocamento da abertura da ponta da trinca . Todas essas técnicas visam igualar as condições da ponta da trinca no componente às dos cupons de teste que fornecem a taxa de crescimento da trinca.

Modelos adicionais podem ser necessários para incluir efeitos de retardo e aceleração associados a sobrecargas ou subcargas na sequência de carregamento. Além disso, os dados de crescimento de pequenas fissuras podem ser necessários para corresponder ao aumento da taxa de crescimento visto com pequenas fissuras.

Normalmente, uma técnica de contagem cíclica, como a contagem cíclica de fluxo de chuva, é usada para extrair os ciclos de uma sequência complexa. Esta técnica, junto com outras, tem funcionado com métodos de crescimento de fissuras.

Os métodos de crescimento de fissuras têm a vantagem de poder prever o tamanho intermediário das fissuras. Essas informações podem ser usadas para agendar inspeções em uma estrutura para garantir a segurança, enquanto os métodos de tensão / vida útil apenas fornecem uma vida até a falha.

Lidando com a fadiga

Superfície de fratura em uma haste de vidro mostrando marcas de praia em torno do local de iniciação.

Projeto

O projeto confiável contra falha por fadiga requer educação completa e experiência supervisionada em engenharia estrutural , engenharia mecânica ou ciência dos materiais . Existem pelo menos cinco abordagens principais para seguro de vida para peças mecânicas que exibem graus crescentes de sofisticação:

  1. Projeto para manter o estresse abaixo do limite do limite de fadiga (conceito de vida infinita);
  2. Fail-safe , degradação suave e projeto tolerante a falhas : instruir o usuário a substituir peças quando eles falham. Projete de forma que não haja um único ponto de falha e de forma que, quando qualquer uma das partes falhar completamente, isso não leve à falha catastrófica de todo o sistema.
  3. Projeto de vida segura : Desenho (conservadora) para uma vida fixo após o qual o usuário é instruído a substituir a peça com um novo (o chamado lifed parte, conceito tempo de vida finito, ou "seguro de vida" prática design); obsolescência planejada e produto descartável são variantes projetadas para uma vida útil fixa, após a qual o usuário é instruído a substituir todo o dispositivo;
  4. Tolerância a danos : É uma abordagem que garante a segurança da aeronave assumindo a presença de trincas ou defeitos mesmo em aeronaves novas. Cálculos de crescimento de rachaduras, inspeções periódicas e reparo ou substituição de componentes podem ser usados ​​para garantir que os componentes críticos que podem conter rachaduras permaneçam seguros. As inspeções geralmente usam testes não destrutivos para limitar ou monitorar o tamanho de possíveis rachaduras e exigem uma previsão precisa da taxa de crescimento de rachaduras entre as inspeções. O projetista define a programação de algumas verificações de manutenção de aeronaves com frequência suficiente para que as peças sejam substituídas enquanto a rachadura ainda está na fase de "crescimento lento". Isso é frequentemente referido como design tolerante a danos ou "aposentadoria por justa causa".
  5. Gerenciamento de risco : garante que a probabilidade de falha permaneça abaixo de um nível aceitável. Esta abordagem é normalmente usada para aeronaves em que níveis aceitáveis ​​podem ser baseados na probabilidade de falha durante um único voo ou durante a vida útil de uma aeronave. Presume-se que um componente tenha uma trinca com uma distribuição de probabilidade de tamanhos de trinca. Esta abordagem pode considerar a variabilidade em valores como taxas de crescimento de trincas, uso e tamanho crítico de trincas. Também é útil para considerar danos em vários locais que podem interagir para produzir multi-site ou danos por fadiga generalizada . As distribuições de probabilidade que são comuns na análise de dados e no projeto contra fadiga incluem a distribuição log-normal , distribuição de valores extremos , distribuição de Birnbaum-Saunders e distribuição de Weibull .

Testando

O teste de fadiga pode ser usado para componentes como um cupom ou um artigo de teste em escala real para determinar:

  1. a taxa de crescimento de trinca e vida de fadiga de componentes, como um cupom ou um artigo de teste em escala real.
  2. localização de regiões críticas
  3. grau de segurança contra falhas quando parte da estrutura falha
  4. a origem e a causa do defeito de iniciação da fissura a partir do exame fractográfico da fissura.

Esses testes podem fazer parte do processo de certificação, como para a certificação de aeronavegabilidade .

Reparar

  1. Drill Stop fadiga rachaduras que começaram a propagar às vezes pode ser parado por perfuração buracos, chamados de limitadores de profundidade , na ponta da rachadura. Resta a possibilidade de uma nova fissura começando na lateral do buraco.
  2. Misture . Pequenas rachaduras podem ser removidas e a superfície trabalhada a frio ou granulada.
  3. Furos de tamanho grande . Buracos com rachaduras crescendo a partir deles podem ser perfurados em um buraco maior para remover rachaduras e bucha para restaurar o buraco original. As buchas podem ser de contração a frio Buchas de ajuste de interferência para induzir tensões residuais compressivas benéficas. O furo superdimensionado também pode ser trabalhado a frio puxando-se um mandril superdimensionado através do furo.
  4. Patch . As rachaduras podem ser reparadas com a instalação de um patch ou encaixe de reparo. Remendos compostos têm sido usados ​​para restaurar a resistência das asas da aeronave após a detecção de rachaduras ou para diminuir a tensão antes da rachadura, a fim de melhorar a vida útil à fadiga. Os remendos podem restringir a capacidade de monitorar rachaduras por fadiga e podem precisar ser removidos e substituídos para inspeções.

Melhoria de vida

Exemplo de uma ponte rodoviária de aço tratada com HFMI para evitar fadiga ao longo da transição da solda.
  1. Mude o material . Mudanças nos materiais usados ​​nas peças também podem melhorar a vida útil à fadiga. Por exemplo, as peças podem ser feitas de metais com melhor resistência à fadiga. A substituição completa e o redesenho das peças também podem reduzir, se não eliminar, os problemas de fadiga. Assim, as pás e hélices do rotor do helicóptero em metal estão sendo substituídas por equivalentes compostos . Eles não são apenas mais leves, mas também muito mais resistentes à fadiga. São mais caros, mas o custo extra é amplamente compensado por sua maior integridade, já que a perda de uma pá do rotor geralmente leva à perda total da aeronave. Um argumento semelhante foi feito para a substituição de fuselagens de metal, asas e caudas de aeronaves.
  2. Induzir tensões residuais Peening uma superfície pode reduzir tais tensões de tração e criar tensões residuais compressivas , o que evita o início de fissuras. As formas de peening incluem: shot peening , usando projéteis de alta velocidade, tratamento de impacto de alta frequência (também chamado de impacto mecânico de alta frequência) usando um martelo mecânico e peening a laser que usa pulsos de laser de alta energia. O polimento de baixa plasticidade também pode ser usado para induzir tensões de compressão em filetes e mandris de trabalho a frio podem ser usados ​​para furos. Os aumentos na vida e na resistência à fadiga estão proporcionalmente relacionados à profundidade das tensões residuais de compressão transmitidas. Shot peening transmite tensões residuais compressivas de aproximadamente 0,005 polegadas (0,1 mm) de profundidade, enquanto o peening a laser pode ir de 0,040 a 0,100 polegadas (1 a 2,5 mm) de profundidade, ou mais profundo.
  3. Tratamento criogênico profundo . O uso de tratamento Deep Cryogenic demonstrou aumentar a resistência ao fracasso por fadiga. Demonstrou-se que as molas usadas na indústria, em corridas de automóveis e em armas de fogo duram até seis vezes mais quando tratadas. A verificação de calor, que é uma forma de fadiga térmica cíclica, foi muito atrasada.
  4. Re-perfilagem . Alterar a forma de uma concentração de tensão, como um furo ou recorte, pode ser usado para estender a vida útil de um componente. A otimização de forma usando algoritmos de otimização numérica tem sido usada para diminuir a concentração de tensão nas asas e aumentar sua vida útil.

Falhas de fadiga notáveis

Acidente de trem em Versalhes

Desastre do trem de Versalhes
Desenho de uma falha de fadiga em um eixo por Joseph Glynn, 1843

Após as celebrações do Rei Louis-Philippe I no Palácio de Versalhes , um trem voltando para Paris caiu em maio de 1842 em Meudon depois que a locomotiva da frente quebrou um eixo. As carruagens atrás se amontoaram nos motores destruídos e pegaram fogo. Pelo menos 55 passageiros morreram presos nas carruagens trancadas, incluindo o explorador Jules Dumont d'Urville . Este acidente é conhecido na França como "Catastrophe ferroviaire de Meudon". O acidente foi testemunhado pelo engenheiro de locomotivas britânico Joseph Locke e amplamente divulgado na Grã-Bretanha. Foi amplamente discutido por engenheiros, que buscaram uma explicação.

O descarrilamento foi o resultado de um eixo da locomotiva quebrado . A investigação de Rankine de eixos quebrados na Grã-Bretanha destacou a importância da concentração de tensões e o mecanismo de crescimento de rachaduras com carregamento repetido. Seu e outros artigos sugerindo um mecanismo de crescimento de fissuras por meio de esforços repetidos, entretanto, foram ignorados, e as falhas por fadiga ocorreram em uma taxa cada vez maior no sistema ferroviário em expansão. Outras teorias espúrias pareciam ser mais aceitáveis, como a ideia de que o metal havia de alguma forma "cristalizado". A noção baseava-se no aspecto cristalino da região de fratura rápida da superfície da trinca, mas ignorava o fato de o metal já ser altamente cristalino.

de Havilland Comet

As partes recuperadas (sombreadas) dos destroços de G-ALYP e o local (com setas) da falha

Dois jatos de passageiros do De Havilland Comet quebraram no ar e caíram com alguns meses de diferença um do outro em 1954. Como resultado, testes sistemáticos foram conduzidos em uma fuselagem imersa e pressurizada em um tanque de água. Após o equivalente a 3.000 voos, os investigadores do Royal Aircraft Establishment (RAE) concluíram que o acidente foi devido a uma falha da cabine de pressão na janela do Localizador Automático de Direção no telhado. Essa 'janela' era na verdade uma das duas aberturas para as antenas de um sistema de navegação eletrônico em que painéis opacos de fibra de vidro ocupavam o lugar da janela de 'vidro'. A falha foi resultado da fadiga do metal causada pela repetida pressurização e despressurização da cabine da aeronave. Além disso, os suportes em torno das janelas eram rebitados, não colados, conforme as especificações originais da aeronave exigiam. O problema foi agravado pela técnica de construção de rebite de punção empregada. Ao contrário da rebitagem de broca, a natureza imperfeita do orifício criado pela rebitagem por punção causou rachaduras por defeito de fabricação que podem ter causado o início de rachaduras por fadiga ao redor do rebite.

O fragmento do telhado da fuselagem do G-ALYP em exibição no Museu da Ciência em Londres, mostrando as duas janelas do ADF nas quais ocorreu a falha inicial.

A cabine de pressão do Comet foi projetada para um fator de segurança confortavelmente superior ao exigido pelos Requisitos de Aeronavegabilidade Civil Britânicos (2,5 vezes a pressão de teste à prova de cabine em oposição à exigência de 1,33 vezes e uma carga final de 2,0 vezes a pressão da cabine) e o acidente causou uma revisão nas estimativas dos requisitos de resistência de carga segura das cabines de pressão de aviões comerciais.

Além disso, foi descoberto que as tensões em torno das aberturas da cabine de pressão eram consideravelmente mais altas do que o previsto, especialmente em recortes de cantos agudos, como janelas. Como resultado, todos os futuros aviões a jato teriam janelas com cantos arredondados, reduzindo muito a concentração de tensão. Esta foi uma característica distintiva notável de todos os modelos posteriores do Cometa. Investigadores da RAE disseram em uma investigação pública que os cantos agudos próximos às aberturas das janelas dos Cometas agiam como locais de iniciação para rachaduras. O revestimento da aeronave também era muito fino e as rachaduras de tensões de fabricação estavam presentes nos cantos.

Alexander L. Kielland emborcando a plataforma de petróleo

Fraturas no lado direito da plataforma Alexander L. Kielland

O Alexander L. Kielland era uma plataforma de perfuração semissubmersível norueguesa que virou enquanto trabalhava no campo de petróleo Ekofisk em março de 1980, matando 123 pessoas. O naufrágio foi o pior desastre em águas norueguesas desde a Segunda Guerra Mundial. A plataforma, localizada a aproximadamente 320 km a leste de Dundee , Escócia, era propriedade da Stavanger Drilling Company da Noruega e estava sendo alugada pela empresa norte-americana Phillips Petroleum no momento do desastre. Sob chuva forte e neblina, no início da noite de 27 de março de 1980, mais de 200 homens estavam de folga nas acomodações no Alexander L. Kielland . O vento soprava com rajadas de 40 nós com ondas de até 12 m de altura. A plataforma tinha acabado de ser retirada da plataforma de produção da Edda . Minutos antes das 18h30, os que estavam a bordo sentiram um 'estalo agudo' seguido por 'algum tipo de tremor'. De repente, a plataforma inclinou mais de 30 ° e depois se estabilizou. Cinco dos seis cabos de ancoragem estavam quebrados, com um cabo restante evitando que a plataforma virasse. A lista continuou a aumentar e às 18:53 o cabo da âncora restante quebrou e a plataforma virou de cabeça para baixo.

Um ano depois, em março de 1981, o relatório investigativo concluiu que a plataforma desabou devido a uma rachadura de fadiga em uma de suas seis braçadeiras (braçadeira D-6), que conectou a perna D colapsada ao resto da plataforma. Isso foi rastreado até uma pequena solda em ângulo de 6 mm que uniu uma placa de flange não-resistente a esta braçadeira D-6. Esta placa de flange continha um dispositivo de sonar usado durante as operações de perfuração. O perfil ruim da solda em ângulo contribuiu para uma redução em sua resistência à fadiga. Além disso, a investigação encontrou quantidades consideráveis ​​de rasgamento lamelar na placa do flange e trincas a frio na solda de topo. Trincas a frio nas soldas, aumento das concentrações de tensão devido à placa de flange enfraquecida, o perfil de solda pobre e tensões cíclicas (que seriam comuns no Mar do Norte ) pareciam desempenhar coletivamente um papel no colapso da plataforma.

Outros

Veja também

Referências

Leitura adicional

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