Disciplina Discipline PEM5139
Fadiga dos Materiais Metálicos
Fatigue of Metallic Materials

Área de Concentração: 97134

Concentration area: 97134

Criação: 29/11/2022

Creation: 29/11/2022

Ativação: 29/11/2022

Activation: 29/11/2022

Nr. de Créditos: 12

Credits: 12

Carga Horária:

Workload:

Docente Responsável:

Professor:

Carlos Antonio Reis Pereira Baptista

Objetivos:

Apresentar os conceitos fundamentais do comportamento mecânico de materiais metálicos sujeitos a carregamentos cíclicos. Desenvolver os métodos analíticos de projeto e previsão de vida em fadiga. Discutir os avanços recentes nesta área do conhecimento propiciados pelos aperfeiçoamentos dos métodos de ensaio, análise de dados e modelagem, bem como pelas tecnologias de processamento de materiais.

Objectives:

To introduce the fundamentals of the mechanical behavior of metallic materials subjected to cyclic loadings. To develop analytical methods of fatigue design and life prediction. To discuss the recent advances in this field related to testing methodologies, data analysis and modeling, as well as materials processing technologies.

Justificativa:

É amplamente reconhecido que a fadiga é a principal causa de falha de componentes em serviço. Portanto, é importante para o cientista e engenheiro de materiais entender como o dando por fadiga evolui sob condições específicas de carregamento cíclico, culminando com a falha estrutural. A despeito de ter sido um dos principais temas de pesquisa em materiais no último século, o estudo da fadiga dos metais e ligas não perdeu sua importância; ao contrário, tem despertado interesse crescente devido aos novos problemas a serem analisados com o desenvolvimento dos materiais e o uso crescente de novas técnicas de processamento, como a Manufatura Aditiva, bem como com as melhorias das técnicas experimentais e da capacidade computacional.

Rationale:

It is widely acknowledged that fatigue is the main cause of in-service failure of components and structures. Therefore, it is very important to the materials scientists and engineers to understand the process of damage evolution under specific loading conditions, until the final failure. Despite having been one of the main research subjects of materials science during the last century, the research in metal fatigue has not diminished in importance; instead, it is increasingly attracting attention due to the challenges introduced by the use of new alloys, new processing technologies such as Additive Manufacturing as well as improved experimental techniques and increased computational capacity.

Conteúdo:

1) Considerações preliminares: panorama histórico, caracterização das solicitações cíclicas, carregamentos cíclicos e comportamento mecânico, deformação plástica cíclica, nucleação e propagação da trinca, aspectos macroscópicos e microscópicos da fadiga, equipamentos e corpos-de prova para ensaios de fadiga, critérios de projeto em fadiga. 2) As relações tensão-vida: Curvas S/N, efeitos da tensão média, aspectos estatísticos, dano em fadiga, métodos de contagem de ciclos, fatores que afetam as curvas S/N, tensões multiaxiais. 3) Fadiga de baixo ciclo: O enfoque de Coffin-Manson, ensaios de fadiga controlados pela deformação, propriedades mecânicas cíclicas dos materiais, laços de histerese e variáveis de endurecimento internas, efeito da assimetria do ciclo, carregamentos multiaxiais, estimativa de vida de componentes estruturais. 4) Crescimento de trincas por fadiga: Conceitos básicos da Mecânica da Fratura Elástica Linear, zona plástica monotônica e cíclica, curvas da/dN vs. K, efeitos da razão de tensão R, o conceito de fechamento da trinca de Elber, métodos de medida do fechamento, modelagem biparamétrica. O Enfoque Unificado de Sadananda e Vasudevan. Métodos preditivos da propagação de trincas por fadiga, carregamentos de amplitude variável e o efeito de sobrecargas. Modelagem exponencial da propagação de trincas. 5) Análises de confiabilidade de estruturas quanto à fadiga: Enfoques determinístico e probabilístico, tamanho de trinca inicial, os conceitos de EIFS (equivalent initial flaw size) e EPS (equivalent pre-crack size), análises de tolerância ao dano em componentes, monitoramento da saúde de estruturas aeronáuticas. Fractografia quantitativa o conceito de “lead crack”. 6) Fatores que afetam o comportamento em fadiga: Influência da frequência e acabamento superficial, efeitos ambientais, efeitos de entalhe, tensões residuais e resistência à fadiga, relaxação de tensões residuais, influência da microestrutura no comportamento de fadiga de aços, ligas de alumínio e ligas de titânio, fadiga de materiais soldados, comportamento em fadiga de ligas metálicas processadas por técnicas de Manufatura Aditiva. 7) Fadiga em altas temperaturas: fadiga térmica, fadiga isotérmica, fadiga termomecânica em fase e fora de fase, interação fadiga-fluência: ensaios controlados pela deformação com tempos de parada, efeitos metalúrgicos: endurecimento por deformação dinâmica.

Content:

1) Preliminary considerations: Historical background, characterization of cyclic loadings, mechanical behavior, cyclic plastic deformation, crack nucleation and propagation, macroscopic and microscopic aspects of fatigue, specimens and testing machines, fatigue design criteria. 2) Stress-life relationships: S/N curves, mean stress effects, statistical aspects, fatigue damage, cycle counting methods, very-high cycle fatigue, factors affecting S/N curves, multiaxial stresses. 3) Low-cycle fatigue: The Coffin-Manson approach, strain-controlled fatigue tests, cyclic mechanical properties of materials, hysteresis loops and internal hardening variables, effect of cycle asymmetry, multiaxial loading, life estimation of structural components. 4) Fatigue Crack Growth: Fundamentals of linear elastic fracture mechanics, monotonic and cyclic plastic zones, da/dN-ΔK curves, stress ratio (R) effects, Elber’s concept of crack closure, methods for closure measurement, two- parameter models of fatigue crack propagation. The Unified Approach, predictive methods, variable amplitude loadings (load spectra), overload effects. Exponential models of fatigue crack growth. 5) Reliability Analyzes: deterministic and stochastic approaches. Initial crack size: The EIFS (equivalent initial flaw size) and EPS (equivalent pre-crack size) concepts. Damage Tolerance analysis of components, health monitoring of aircraft structures. Quantitative fractography and the Lead Crack concept. 6) Factors affecting fatigue behavior: influence of frequency, surface finishing, environment, notch effects, residual stresses, stress relaxation. Influence of microstructure on fatigue behavior of steels, aluminum alloys and titanium alloys. Fatigue of welds. Fatigue behavior of Additive Manufactured alloys. 7) High-temperature fatigue: Thermal fatigue, isothermal fatigue, in-phase and out- of-phase thermo-mechanical fatigue, creep-fatigue interaction: high-temperature strain-controlled tests with dwell-time, metallurgical effects: dynamic strain hardening.

Forma de Avaliação:

1) Listas de Exercícios 2) Trabalhos (relatórios) 3) Prova Final

Type of Assessment:

1) Series of exercises. 2) Group works (reports). 3) Final Exam.

Bibliografia:

1) N.E. DOWLING, S.L. KAMPE, M.V. KRAL. Mechanical Behavior of Materials. Hoboken: Pearson Education. Fifth Edition, 2019, 946p. 2) R. WANHILL, S. BARTER, L. MOLENT. Fatigue Crack Growth Failure and Lifing Analyses for Metallic Aircraft Structures and Components. Dordrecht: Springer, 2020, 99p. 3) R.I. STEPHENS, A. FATEMI, R.R. STEPHENS, H.O. FUCHS. Metal Fatigue in Engineering. New York: John Wiley. Second Edition, 2001, 472p. 4) M. KLESNIL, P. LUKAS. Materials Science Monographs 71: Fatigue of Metallic Materials. Amsterdam: Elsevier. Second Edition, 1992, 270p. 5) Y. LEE, J. PANM, R. HATHAWAY, M. BARKEY. Fatigue Testing and Analysis: Theory and Practice. Amsterdam: Elsevier, 2005, 402p. 6) C. BATHIAS, A. PINEAU (Eds.) Fatigue of Materials and Structures: Fundamentals. Hoboken: John Wiley & Sons, 2010, 511p. 7) S. SURESH. Fatigue of Materials. Cambridge University Press, Second Edition, 2001, 679p. 8) D.R. SOCIE, G.B. MARQUIS. Multiaxial Fatigue. Warrendale: SAE International, 2000. 484P. 9) J.T.P. CASTRO, M.A. MEGGIOLARO Fadiga - Técnicas e Práticas de Dimensionamento Estrutural sob Cargas Reais de Serviço: Vol. I - Iniciação de Trincas (Portuguese Edition). Createspace Books, 2009, 494p. 10) J.T.P. CASTRO, M.A. MEGGIOLARO Fadiga - Técnicas e Práticas de Dimensionamento Estrutural sob Cargas Reais de Serviço: Vol. II - Propagação de Trincas, Efeitos Térmico e Estocásticos (Portuguese Edition). Createspace Books, 2009, 578p. 11) L. MOLENT, S.A. BARBER, R.J.H. WANHILL. The Lead Crack Fatigue Lifing Framework. DSTO-RR-0353, Defence Science and Technology Organisation (Austrália), 2010, 58p. 12) G. CLARK and C. H. WANG (editors). 11th International Fatigue Congress: peer reviewed papers from the 11th International Fatigue Congress 2014, Melbourne (Australia). Published in: Series Advanced Materials Research (2 books set), v. 891-892. Durnten-Zurich: Trans Tech Publications, 2014, 1819p.

Bibliography:

1) N.E. DOWLING, S.L. KAMPE, M.V. KRAL. Mechanical Behavior of Materials. Hoboken: Pearson Education. Fifth Edition, 2019, 946p. 2) R. WANHILL, S. BARTER, L. MOLENT. Fatigue Crack Growth Failure and Lifing Analyses for Metallic Aircraft Structures and Components. Dordrecht: Springer, 2020, 99p. 3) R.I. STEPHENS, A. FATEMI, R.R. STEPHENS, H.O. FUCHS. Metal Fatigue in Engineering. New York: John Wiley. Second Edition, 2001, 472p. 4) M. KLESNIL, P. LUKAS. Materials Science Monographs 71: Fatigue of Metallic Materials. Amsterdam: Elsevier. Second Edition, 1992, 270p. 5) Y. LEE, J. PANM, R. HATHAWAY, M. BARKEY. Fatigue Testing and Analysis: Theory and Practice. Amsterdam: Elsevier, 2005, 402p. 6) C. BATHIAS, A. PINEAU (Eds.) Fatigue of Materials and Structures: Fundamentals. Hoboken: John Wiley & Sons, 2010, 511p. 7) S. SURESH. Fatigue of Materials. Cambridge University Press, Second Edition, 2001, 679p. 8) D.R. SOCIE, G.B. MARQUIS. Multiaxial Fatigue. Warrendale: SAE International, 2000. 484P. 9) J.T.P. CASTRO, M.A. MEGGIOLARO Fadiga - Técnicas e Práticas de Dimensionamento Estrutural sob Cargas Reais de Serviço: Vol. I - Iniciação de Trincas (Portuguese Edition). Createspace Books, 2009, 494p. 10) J.T.P. CASTRO, M.A. MEGGIOLARO Fadiga - Técnicas e Práticas de Dimensionamento Estrutural sob Cargas Reais de Serviço: Vol. II - Propagação de Trincas, Efeitos Térmico e Estocásticos (Portuguese Edition). Createspace Books, 2009, 578p. 11) L. MOLENT, S.A. BARBER, R.J.H. WANHILL. The Lead Crack Fatigue Lifing Framework. DSTO-RR-0353, Defence Science and Technology Organisation (Austrália), 2010, 58p. 12) G. CLARK and C. H. WANG (editors). 11th International Fatigue Congress: peer reviewed papers from the 11th International Fatigue Congress 2014, Melbourne (Australia). Published in: Series Advanced Materials Research (2 books set), v. 891-892. Durnten-Zurich: Trans Tech Publications, 2014, 1819p.

Tipo de oferecimento da disciplina:

Presencial

Class type:

Presencial