Exercícios - Falha e Mecânica da Fratura
Cite pelo menos duas situações nas quais a possibilidade de uma falha é parte integrante do projeto de um componente ou produto.
1-
2- Estime
as resistências coesivas teóricas à tração para as cerâmicas listadas na Tabela abaixa.
3- Qual
é a magnitude da tensão máxima que existe na extremidade de uma trinca interna que possui um raio de curvatura de 2,5.10 -4 mm e um comprimento de trinca de 2,5.10 -2 mm quando uma tensão de tração de 170 MPa é aplicada?
4-
Estime a resistência à fratura teórica para um material frágil quando se tem o conhecimento de que a fratura ocorre mediante a propagação de uma trinca de superfície com formato elíptico que possui comprimento de 0,25 mm e que possui um raio de curvatura de 1,2.10 -3 mm, quando uma tensão de 1200 MPa é aplicada. 5- Um corpo de prova de um material cerâmico que possui um módulo de elasticidade de 300 GPa é puxado em tração com uma tensão de 900 MPa. Informar se o corpo de prova irá fraturar numa situação em que o seu "defeito mais sério" é uma trinca interna com comprimento de 0,3 mm e raio de curvatura na extremidade de 5.10 -4 mm. Porquê? 2
Se a energia de superfície específica para um vidro de cal de soda é de 0,30 J/m , usando os dados da Tabela 12.5 a cima, calcule a tensão crítica exigida para a propagação de uma trinca de superfície com comprimento de 0.05 mm.
6-
7- Um
componente em poliestireno não deve falhar quando uma tensão de tração de 1,25 MPa for aplicada. Determine o comprimento máximo permissível para uma trinca de superfície se a energia de superfície do poliestireno é de 0.50 J/m 2. Assuma um módulo de elasticidade de 3 GPa.
8- Uma
porção de um corpo de prova de tração está mostrada a seguir:
(a) Calcule a magnitude da tensão no ponto P quando a tensão aplicada externamente é de 100 MPa . (b) Quanto o raio de curvatura no ponto P terá que ser aumentado para reduzir essa tensão em 20%? Um orifício cilíndrico com 25 mm de diâmetro passa através da espessura de uma chapa de aço de 15 mm de espessura, 100 mm de largura, e 400 mm de comprimento (ver Fig. 8.8a abaixo). 9-
d/w (a) Calcule a tensão na aresta deste orifício quando uma tensão de tração de 50 MPa é aplicada em uma direção ao longo do comprimento. (b) Calcule a tensão na aresta do orifício quando a mesma tensão da parte (a) é aplicada em uma direção ao longo da largura. 10- Para cada uma das ligas metálicas listadas na Tabela 8.1, calcule a espessura mínima do componente para a qual a condição de deformação plana é válida.
11- Um
corpo de prova feito a partir de uma liga de aço 4340, que possui uma tenacidade à fratura em deformação plana de 45 MPa.m 1/2 , está exposto a uma tensão de 1000 MPa. Dizer se esse corpo de prova irá experimentar fratura, se tem conhecimento de que a maior trinca de superfície possui 0,75 mm de comprimento. Por quê? Admita que o parâmetro Y possui um valor de 1,0. Um dado componente de uma aeronave é fabricado a partir de uma liga de alumínio que possui uma tenacidade à fratura em deformação plana de 35 MPa.m 1/2 . Foi determinado que a fratura ocorre quando se tem um nível de tensão de 250 MPa e o comprimento máximo (ou crítico) de uma trinca interna é de 2,0 mm . Para esses mesmos componentes e liga, dizer se a fratura irá ocorrer em um nível de tensão de 325 MPa se o comprimento máximo de uma trinca interna for de 1,0 mm . Por quê? 12-
Suponha que o componente de uma asa de avião seja fabricado a partir de uma liga de alumínio que possui uma tenacidade à fratura em deformação plana de 40 MPa.m 1/2. Foi determinado que a fratura resulta em um nível de tensão de 365 MPa, quando o comprimento máximo de uma trinca interna é de 2,5 mm. Para esses mesmos componentes e liga, calcule o nível de tensão no qual a fratura irá ocorrer para um comprimento crítico de trinca interna de 4,0 mm. 13-
Uma grande chapa é fabricada a partir de uma liga de aço que possui uma tenacidade à fratura em deformação plana de 55 MPa.m 1/2 . Se, durante o seu uso em operação, a chapa está exposta a uma tensão de tração de 200 MPa, determine o comprimento mínimo de uma trinca de superfície que irá levar à fratura da chapa. Assuma um valor de 1,0 para Y. 14-
Calcule o comprimento de trinca interna máxima permissível para um componente em uma liga de alumínio 7075- T651 (Tabela 8.1 a cima) que encontra-se carregado a uma tensão que equivalente à metade do seu limite de escoamento. Assuma que o valor de Y seja de 1,35. 15-
Um componente estrutural na forma de uma placa de grandes dimensões deve ser fabricado a partir de 1/2 uma liga de aço que possui uma tenacidade à fratura em deformação plana de 77 MPa.m e um limite de escoamento de 1400 MPa. O limite de resolução das dimensões do defeito do aparelho para detecção de defeitos é de 4.0 mm. Se a tensão de projeto é de metade do limite de escoamento e o valor de Y é de 1,0, determine se um defeito crítico para essa placa está ou não s ujeito a detecção. 16-
Tabulados abaixo encontram-se dados que foram coletados a partir de uma série de ensaios de impacto Charpy com um ferro fundido dúctil: 17-
(a) Plote os dados na forma da energia de impacto em função da temperatura. (b) Determine uma temperatura de transição dúctil-frágil como se ndo aquela temperatura que corresponde à média entre as energias de impacto máxima e mínima. (c) Determine uma temperatura de transição dúctil-frágil como sendo aquela temperatura na qual a energia de impacto é de 80 J. Explique sucintamente por que as ligas metálicas CCC e HC podem experimentar uma transição dúctil-frágil com a diminuição da temperatura, enquanto ligas CFC não experimentam esse tipo de transição. 18-
Um ensaio de fadiga foi conduzido onde a tensão média era de 50 MPa e a amplitude da tensão era de 225 MPa. (a) Calcule os níveis de tensão máximo e mínimo. (b) Calcule a razão de tensão. (c) Calcule a magnitude do intervalo de tensões. 19-
20-
Três corpos de prova de fadiga, idênticos, representados por A, B e C, são fabricados a partir de uma liga não ferrosa. Cada um está sujeito a um dos ciclos de tensão máxima-mínima listados abaixo; as frequências são as mesmas para os todos os três ensaios.
(a) Classifique as vidas em fadiga desses três corpos de prova em ordem decrescente, da mais longa para a mais curta. (b) Então, justifique essa classificação usando um gráfico esquemático S-N. 21-
Cite cinco fatores que podem levar à dispersão em dados de vida em fadiga.
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Faça um esboço esquemático do comportamento em fadiga apresentado por certo metal para o qual a razão de tensão R possui um valor de +1. Liste quatro medidas que podem ser tomadas para aumentar a resistência à fadiga de uma liga metálica. 23-
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Forneça a temperatura aproximada na qual a deformação por fluência se torna uma consideração importante para cada um dos seguintes metais: níquel, cobre, ferro, tungstênio, chumbo e alumínio. Superponha sobre o mesmo gráfico de deformação em função do tempo as curvas de fluência esquemáticas tanto para uma tensão de tração constante como para uma carga constante e explique as diferenças de comportamento. 25-
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Os seguintes dados de fluência foram coletados para uma liga de alumínio a 400°C e sob uma tensão constante de 25 MPa. Plote os dados no formato de deformação em função do tempo, então determine a taxa de fluência em regime estacionário ou mínima. Observação: A deformação inicial e instantânea não está incluída.
Um corpo de prova com 750 mm de comprimento feito a partir de uma liga carbono-níquel com baixo teor de liga (Fig. 8.39) deve ser exposto a uma tensão de tração de 40 MPa a 538°C. Determine o seu alongamento após 5000 h. Assuma que o valor total de ambos os alongamentos por fluência, instantâneo e primário, seja de 1,5 mm. 27-
Fig.8.39
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Para uma amostra cilíndrica de uma liga carbono-níquel com baixo teor de liga (Fig. 8.39 a cima) originalmente com 10 mm de diâmetro e 500 mm de comprimento, qual é a carga de tração necessária para produzir um alongamento total de 3,2 mm após 10.000 h a 427°C? Assuma que a soma dos alongamentos por fluência, instantâneo e primário, seja de 0.8 mm. Se um componente fabricado a partir de uma liga carbono-níquel com baixo teor de liga (Fig. 8.38) tiver que ser exposto a uma tensão de tração de 60 MPa a uma temperatura de 538°C, estime o tempo de vida até a ruptura. 29-
Fig. 8.38 Um componente cilíndrico construído a partir de uma liga carbono-níquel com baixo teor de liga possui um diâmetro de 12 mm. Determine a carga máxima que pode ser aplicada para que esse componente sobreviva a 649°C por 500 h. 30-
(a) Estime a energia de ativação para a fluência (isto é usando Eq. 8.34) para a liga carbono-níquel com baixo teor de liga que apresenta o comportamento de fluência em regime estacionário mostrado na Fig. 8.39. Use os dados coletados a um nível de tensão de 55 MPa e a temperaturas de 427°C e 538 ºC. Admita que o expoente da tensão n seja independente da temperatura, (b) Estime é r a uma temperatura de 649°C. 31-
Eq. 8.34 Dados de fluência em regime estacionário tomados para um aço inoxidável a um nível de tensão de 70 MPa estão listados abaixo: 32-
Tendo o conhecimento de que o valor do expoente de tensão n para esta liga é de 7, calcule a taxa de fluência em regime estacionário a uma temperatura de 1250 K e um nível de tensão de 50 MPa. Cite três técnicas metalúrgicas/de processamento que são empregadas para aprimorar a resistência à fluência de ligas metálicas. 33-
