Os efeitos da concentração de tensão na propagação de trincas

Cargas, tensões, características do material e o ambiente são responsáveis ​​pela formação de trincas e falhas do material.

Quando uma estrutura ou uma máquina é projetada, ela deve atender a certos limites de confiabilidade e segurança, dependendo de uma série de fatores: as cargas a que está submetida, o ambiente em que está localizada e a vida útil proposta.

O que são esses limites e quão altos são é uma questão em evolução, e esses conceitos mudaram significativamente nos últimos cem anos. Apenas 50 anos atrás, não tínhamos ideia de por que os navios, aparentemente do nada, quebraram ao meio, ou por que os aviões comerciais quebraram durante o vôo.

Desde a revolução industrial em 19ele século, tivemos uma necessidade cada vez maior de levar adiante nossos projetos de engenharia, o que teve um alto custo de inúmeros desastres terríveis. Pontes quebraram, navios afundaram e prédios desmoronaram, mesmo quando as coisas foram projetadas com base em fatores de segurança estabelecidos.

Ficou claro que estávamos perdendo alguma coisa. O desenvolvimento do campo da mecânica da fratura e nossa compreensão de como as rachaduras se formam e se propagam cresceu muito desde a década de 1950, e agora somos capazes de projetar e projetar coisas que anteriormente seriam consideradas completamente inseguras e não confiáveis.

A relação entre rachaduras e tensões

Existem três fatores principais que são responsáveis ​​pela formação de trincas e, por sua vez, pela falha do material: as cargas (e tensões) às quais o material é submetido, as características do material e o ambiente em que ele é está localizado. .

Em termos de engenharia, o estresse pode ser definido como a quantidade de carga que um único filamento de material suporta. No entanto, esta não é uma representação física verdadeira, pois o estresse pode ser reduzido ao nível atômico, onde observaríamos tanto as forças atrativas quanto repulsivas entre moléculas e átomos, bem como todas as forças ou cargas externas atuando sobre eles. . neles.

Não podemos realmente medir a tensão, pois é uma propriedade interna de um material, e só podemos aproximá-la conhecendo a geometria e as cargas aplicadas.

A tensão é calculada pela fórmula:

σ = F/A

onde F é a carga dada e A é uma seção transversal da peça em questão perpendicular ao vetor de carga.

É muito importante saber que os valores de tensão são uma estimativa, pois existem vários fatores adicionais em jogo que dificultam a estimativa segura de tensões: tensões internas, tensões residuais e concentrações de tensões.

Os fatores acima mencionados são a razão pela qual estruturas aparentemente seguras quebrariam ou cairiam. Se tivéssemos um material perfeitamente homogêneo sem alteração na geometria, poderíamos calcular a tensão com absoluta precisão. Porém, quando há mudanças na geometria, as áreas que estão nas imediações sofrem uma tensão maior que o valor médio. Um exemplo é a concentração de tensão em um furo.

Mudanças repentinas aumentam o valor da concentração de tensão. Isso deve ser levado em consideração ao projetar estruturas; Mesmo que toda a peça tenha sido projetada com alto fator de segurança, pode haver áreas onde os valores de tensões locais sejam superiores à resistência máxima à tração do material. (Descubra a diferença entre força e tenacidade.)

Ainda mais importante, nenhum material é verdadeiramente homogêneo. Existem sempre várias inclusões, descontinuidades e imperfeições que atuam como concentradores locais de microestresse. Além disso, tensões residuais podem ocorrer devido à forma como a peça é produzida e montada, o que também pode fazer com que o nível de tensão exceda o limite seguro.

Como tudo isso influencia na formação de trincas?

Todo material tem um certo limite de energia antes de começar a rasgar. Se tivermos uma combinação de cargas externas, tensões internas, mudança de geometria, mudanças de temperatura e corrosão, é inevitável que ocorra esse rasgo e se forme uma trinca.

Quando essa lacuna aparece, ela é muito fina ou pontiaguda (uma dimensão de trinca é muito maior que a outra). Isso significa que a tensão, devido à concentração de tensão, na ponta da trinca é teoricamente infinita e leva a uma maior ruptura do material e à propagação da trinca. Agora, isso não é tão perigoso quanto parece.

rachaduras e falhas

Felizmente, as mesmas imperfeições no material, mudanças de geometria e tensões residuais podem ser um obstáculo à propagação de trincas. Se uma trinca se depara com uma descontinuidade no material, ela deve ter muito mais energia para superá-la e se propagar ainda mais.

O problema óbvio é que a trinca reduz a superfície de suporte de carga do material, o que significa que o material contínuo restante tem que suportar cada vez mais carga. No entanto, isso significa que ainda podemos usar uma parte fissurada, desde que os níveis de tensão estejam abaixo da resistência máxima à tração.

Em geral, depois que a trinca aparece, no caso de materiais dúcteis, há um período de crescimento estável da trinca que podemos prever com bastante precisão, e podemos continuar a usar a máquina ou a estrutura com segurança, desde que monitoremos regularmente a trinca. . progressão.

Este segundo estágio da vida de uma trinca é seguido pelo estágio final de propagação de trinca instável, onde a trinca cresce rapidamente até a falha completa. Claro, a duração de cada estágio e como a trinca se comporta é um assunto imensamente complicado, o que em nada ajuda na trinca por corrosão sob tensão ou fadiga por corrosão. (Saiba mais sobre como a corrosão afeta a resistência de um material em Os efeitos da corrosão no comportamento de corte dos materiais.)

Os avanços na mecânica da fratura e o uso da análise de elementos finitos são os grandes responsáveis ​​pelo nosso entendimento do comportamento dessa trinca e como podemos preveni-la ou combatê-la.

Podemos influenciar o comportamento da trinca introduzindo tensões residuais intencionais ou alterações geométricas adicionais que equilibram a distribuição de tensões. Por exemplo, podemos interromper a propagação da trinca fazendo um furo na ponta da trinca ou introduzindo tensões internas por soldagem de superfície. Esses métodos devem ser apenas uma solução temporária, pois a degradação adicional do material é inevitável.

No entanto, o principal problema é que realmente não há regras aqui. Cada peça é construída com um material que possui uma microestrutura única, seu regime de trabalho é único e seu ambiente e mudanças ambientais são únicos. Não existe uma equação única que possa nos dizer com certeza onde e quando uma rachadura aparecerá.

No entanto, temos um banco de dados cada vez maior de peças com falha, o que significa que podemos criar modelos cada vez mais precisos que podemos usar para estimar como uma rachadura se comportará quando aparecer. (Consulte Os 3 estágios da análise de falha por corrosão para obter mais informações.) A nova metodologia que desenvolvemos nos permite prever onde tais eventos são mais prováveis ​​e podemos projetar nossas máquinas de acordo.

Todo o processo está longe de ser perfeito, mas o resultado final desse paradigma de engenharia para projetar com base na confiabilidade em vez de fatores de segurança é que temos construções mais confiáveis ​​e seguras, usando menos material com custos de produção mais baixos e manutenção de longo prazo.

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