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INTRODUÇÃO
Os componentes ou elementos mecânicos são projetados de modo a resistir aos esforços a que
forem submetidos em condições normais de operação. Esses projetos ainda contemplam um
certo grau de garantia denominado de coeficiente de segurança.
Se as condições de uso reais forem mais severas que as condições contempladas no
projeto com certeza, os componentes irão falhar. Essas falhas podem apresentar características
diversas. As dimensões de algum elemento pode sofrer deformações (escoamento, fluência),
também ocorrem rupturas (fratura e fadiga).
Falhas ocorrem devido às condições ambientas (corrosão, abrasividade, etc...). Todos
os materiais possuem um limite de resistência (escoamento), quando submetidos a esforços
inferiores a esse limite teoricamente não apresentará falha. Devemos levar em conta que mesmo
em condições ideais todos os materiais irão apresentar falhas com o tempo, pois, devidos aos
esforços repetitivos a curva de escoamento dos materiais recua em sua posição fato que significa
que sua resistência plástica diminuirá com o tempo. Portanto um bom projeto e o estudo de
falhas irão contribuir diretamente para a vida útil dos elementos.
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DADOS PARA O VALOR DE CARGA
681400240(1)
741866681(8)
729760525(7)
682446374(4)
Soma dos numerais = 20, conforme a tabela o valor da carga será de 7200 lbf.
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1. DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
Segundo COLLINS (2006)1: “ Deformação elástica induzida por força e/ou temperatura é
a falha que ocorre sempre que a deformação (recuperável) em um componente de máquina,
causada pela imposição de cargas ou temperaturas de operação, se torna suficientementeelevada para interferir com a habilidade da máquina em desempenhar satisfatoriamente a sua
função pretendida.”
Na aplicação de esforços mecânicos em qualquer material a deformação elástica irá
ocorrer. Essa deformação ocorre em três fases distintas:
a) Deformação Plástica;
b) Deformação Elástica; e
c) Ruptura
A deformação elástica não promove a ruptura das ligações químicas, ocorre digamos
um alongamento dessas ligações devido a ocorrência de uma força adicional que somando-se
às forças eletrostáticas existentes no material que inicialmente estavam em equilíbrio.
Nessa fase a deformação é proporcional ao esforço aplicado. Essa constante de
proporcionalidade recebe o nome de Módulo de Elasticidade (E), sua equação é E= σ/ε.
Essa deformação é simplesmente resumida pelo deslocamento de átomos ao serem
submetidos a esforços, quando esses esforços cessam estes mesmos átomos voltam a sua posição normal.
Assume-se então que a deformação elástica é retornável, e, pode ocorrer diversas vezes
sem alterar a resistência e a vida útil do material.
No caso de que a força empregada ao material for cisalhante, usa-se o módulo de
cisalhamento G= τ/ γ onde τ é a tensão de cisalhamento e γ é a deformação de cisalhamento E
e G se relacionam pela expressão: E=2G(1+ν). É importante salientar que sempre que se aumenta elasticamente um material em uma
determinada direção esse mesmo material se reduz nas demais. A variável que indica essa
deformação chama-se Coeficiente de Poisson.
2. ESCOAMENTO
Escoamento é a falha que ocorre quando a deformação plástica (não recuperável) em
um componente dúctil da máquina, causada pelas cargas de operação impostas ou movimentos,
1 COLLINS, Jack A. – Projeto Mecânico de Elementos de Máquinas – LTC – Rio de Janeiro - 2006
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se torna elevada o suficiente para interferir com a habilidade da máquina em desempenhar
satisfatoriamente a sua função pretendida.
3. INDENTAÇÃO
Os ensaios de indentação Vickers têm sido amplamente utilizados para a determinação
da dureza superficial em diferentes materiais. Devido à sua grande versatilidade, numerosos
trabalhos estão sendo desenvolvidos neste campo, estudando-se novas metodologias e
aplicações para estes ensaios. Recentes trabalhos propõem a utilização dos ensaios de
indentação como uma ferramenta capaz de avaliar características mecânicas como o módulo de
Young ( E ), a tenacidade à fratura ( KIC ) e uma possível curva de fluxo do comportamento
elasto-plástico destes materiais. Entretanto, a implementação destas metodologias para a
avaliação das propriedades mecânicas e os seus resultados obtidos ainda ocasionam dúvidas no
meio científico. Estas dúvidas são mais intensas quando se pretende avaliar a tenacidade à
fratura de carbonetos de tungstênio com cobalto que, apesar de serem considerados materiais
frágeis, apresentam um certo comportamento dúctil. Estes materiais são utilizados na fabricação
de ferramentas de corte, as quais exigem uma grande dureza superficial aliada a grandes
resistências à compressão e ao desgaste. Devido a estas características mecânicas peculiares,
estes carbonetos são difíceis de serem avaliados através dos ensaios mecânicos convencionais.
Por isso, numerosos trabalhos utilizando testes não convencionais têm sido desenvolvidos para
determinar suas propriedades mecânicas e, dentre estes, os ensaios Vickers têm se destacado.
Contudo, esta técnica de indentação apresenta algumas limitações e complicações,
principalmente na avaliação da tenacidade à fratura, das quais se destaca a diversidade de
equações experimentais encontradas na literatura que utilizam dois possíveis modelos para
prever os mecanismos de nucleação e propagação de trincas.
Em função destas limitações na análise dos ensaios experimentais Vickers e das
diferentes equações semi-empíricas encontradas na literatura para avaliação da tenacidade à
fratura do WC-Co, o uso de uma técnica numérica capaz de avaliar os campos de tensões e de
deformações durante o ciclo do ensaio Vickers pode auxiliar em uma interpretação mais segura
deste ensaio. Na última década, esta metodologia começou a ser estudada através de modelos
discretos de elementos finitos para avaliar o comportamento de diferentes materiais sob ensaio
de indentação. Porém, esta técnica também tem apresentado problemas, principalmente devido
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às limitações computacionais e à dificuldade na implementação de critérios que sejam capazes
de identificar os locais de nucleação e propagação de trincas e o tipo de trinca formada. 2
4.
FRATURA FRÁGIL
É a falha que ocorre quando a deformação elástica, em um componente de máquina que
apresenta comportamento frágil, é conduzido ao extremo, de modo que as ligações Inter
atômicas primárias são quebradas e o componente se separa em duas ou mais partes. Defeitos
preexistentes ou crescimento de trincas propiciam sítios de iniciação para uma rápida
propagação de trincas e falha catastrófica, deixando uma superfície de fratura granular e
multifacetada.
O teste de impacto é o mais antigo entre os ensaios mecânicos. Sua principal origem sedeve aos navios, usados na Segunda Guerra Mundial, que apresentavam rachaduras
catastróficas, tanto em alto mar quanto nos cais. Devido a estes danos, muitas pesquisas em
torno de métodos que fossem capaz de medir as condições adequadas para o funcionamento
ideal dos materiais foram desenvolvidas. Estes eventos ocorreram mais intensamente nos meses
de inverno, mostrando que o aço doce utilizado nas estruturas tornava-se frágil em condições
especiais. A possibilidade de falha nas soldas foi aventada também como causa possível dos
colapsos. Além do caso dos navios, falhas por fratura frágil podem também ocorrer emreservatórios pressurizados, pontes e dutos. A fratura frágil é aquela em que não existe a
deformação plástica e ocorre a partir da formação e propagação de uma trinca. Os dois
principais métodos de ensaio de impacto são Charpy e Izod. Ambos usam o pêndulo como
máquina para fazer os testes. Tendências mais modernas apontam para os testes de impacto
com o uso de torres de queda, capazes de produzir maiores velocidades, adequando os testes ao
desenvolvimento de novos materiais. Este tipo de ensaio é denominado Teste da queda de peso
ou Drop Weight .
3
5. FADIGA
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http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10633/ 3 http://www.lami.pucpr.br
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Fadiga é um tipo de falha que ocorre em materiais expostos a tensões no decorrer de um
período de tempo. A falha por fadiga pode ocorrer em níveis substancialmente mais baixos do
que o de resistência real do material.
Costuma ocorrer subitamente sem aviso prévio, é um dos, senão o maior responsável
pelas falhas ocorridas em metais, pode atuar também em polímeros e materiais cerâmicos.
Podemos destacar alguns fatores que atuam ativamente no que diz respeito a vida de fadiga,
entre eles: nível médio de tensão (quanto maior o valor médio de tensão menor é a vida), efeitos
de superfície (as trincas que originam o processo de falha se dão na superfície do material, nos
alertando que as condições superficiais afetam extremamente a vida de fadiga).
Algumas medidas de tratamento superficial podem atenuar esse problema, destacamosa eliminação de cantos vivos nos elementos desde sua concepção no projeto, aliados a
tratamentos superficiais que vão desde o polimento para eliminar arranhões e marcas até
tratamentos superficiais como a carbonetação que geram tensões compressivas que compensam
parcialmente as tensões externas criando camadas mais duras na superfície.
6. CORROSÂO
Corrosão é um termo amplo, implicando que uma peça da máquina se torna incapaz de
desempenhar a função pretendida por causa da deterioração não desejada do material. Como
resultado de uma interação química ou eletroquímica com o meio ambiente. A corrosão
frequentemente interage com outros modos de falha tais como o desgaste ou fadiga. Suas
principais formas são:
a) Ataque químico direto, talvez o mais comum tipo de corrosão, envolve o ataque
corrosivo da superfície da peça da máquina exposta ao meio corrosivo quaseuniformemente sobre toda a superfície exposta;
b) Corrosão galvânica, é uma corrosão também classificada de eletroquímica acelerada,
que ocorre quando dois metais não similares em contato elétrico se tornam parte de um
circuito completado por uma poça de conexão ou filme de eletrólito ou meio corrosivo,
levando a um fluxo de corrente que resulta em corrosão;
c) Corrosão por fenda, é um processo de corrosão acelerado, altamente localizado dentro
de fendas, trincas e juntas, onde um pequeno volume de solução estagnada é aprisionadoem contato com o material corroído;
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d) Corrosão por pites, é um ataque muito localizado, que leva o desenvolvimento de uma
rede de furos ou pites que penetram no metal;
e) Corrosão Inter granular, é o ataque localizado que ocorre nos contornos de grãos de
certas ligas de cobre, cromo, níquel. Alumínio, magnésio e zinco, quando estas são
tratadas termicamente de modo inadequado ou soldadas. A formação de células
galvânicas locais, que precipitam os produtos de corrosão nos contornos de grão
degradam seriamente a resistência do material devido ao processo corrosivo
intergranular. 4
7.
DESGASTE
Desgaste é uma mudança cumulativa nas dimensões, não desejada, causada pela remoção
gradual de partículas discretas de superfícies móveis em contato, usualmente deslizantes,
predominantemente como resultado de ação mecânica. O desgaste não é um processo simples,
mas um número de processos diferentes que podem ocorrer de forma independente ou
combinada, resultando na remoção de material das superfícies em contato, por meio de uma
combinação complexa de cisalhamento local, sulcagem, goivagem, soldagem, rasgamento e
outros.
Desgaste adesivo ocorre devido à elevada pressão local e soldagem de pontos ásperos de
contato, seguido de deformação plástica induzida por movimento e ruptura das ligações ásperas,
com conseqüente remoção ou transferência de metal.
Desgaste abrasivo ocorre quando as partículas do desgaste são removidas da superfície por
sulcagem, goivagem e ação cortante da aspereza de uma superfície de acoplamento de maior
dureza ou por partículas duras aprisionadas entre as superfícies acopladas.
Quando as condições para o desgaste adesivo ou desgaste abrasivo coexistem com
condições que levam à corrosão, o processo interage sinergicamente, produzindo o desgaste
corrosivo. Como descrito anteriormente, o desgaste por fadiga superficial é um fenômeno de
desgaste associado com superfícies curvas em contato rolante ou deslizante, no qual a tensão
cisalhante crítica subsuperficial inicia microtrincas que se propagam para a superfície,
desagregando partículas microscópicas e formando pites de desgaste.
4 COLLINS, Jack A. – Projeto Mecânico de Elementos de Máquinas – LTC – Rio de Janeiro - 2006
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O desgaste por deformação surge como resultado de repetidas deformações elásticas na
superfície desgastada que produzem uma rede de trincas, as quais crescem de acordo com a
descrição de fadiga superficial já apresentada.5
8. FLAMBAGEM
Alguns tipos de esforços tendem a provocar instabilidades físicas nos elementos que os
suportam. Na Figura 1 temos a representação de uma barra reta, sem esforços externos atuantes.
Na realidade, o "reto" geométrico não existe na prática e podemos considerar a barra
ligeiramente curva, conforme representação, de forma exagerada, em (b) da mesma figura.
Figura 1 – Fonte: MSPC http://www.mspc.eng.br/matr/im01/rmat501.gif em 04/04/2016.
Se um esforço de tração é aplicado como em (c) da figura, a tendência é uma redução
da curvatura, ou seja, uma aproximação com a reta ideal e, com o aumento da força, a falha
ocorre apenas pelo escoamento (plastificação) ou ruptura do material. Se a barra é comprimida
como em (d) da figura, as forças atuantes tendem a aumentar a curvatura original. Isso não
significa que qualquer valor da força de compressão provoca esse aumento. A prática e a teoria
demonstram que existe um limite acima do qual a essa falha, denominada flambagem, ocorre.
Tal limite depende do material e das características geométricas da barra. Em outras
palavras, podemos dizer que a flambagem de uma barra comprimida é a sua perda de
estabilidade pela aplicação de um esforço de compressão acima de um valor crítico. Essa
instabilidade ocorre devido a pequenas curvaturas como vimos e também a outros desvios,
como assimetrias, excentricidades, desalinhamentos, etc. Em muitos casos as tensões que
provocam a flambagem são inferiores às tensões máximas de compressão dos materiais. Assim,
5COLLINS, Jack A. – Projeto Mecânico de Elementos de Máquinas – LTC – Rio de Janeiro - 2006
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a sua análise é importante no caso de elementos esbeltos de máquinas e de estruturas. Para as
últimas, colunas são em geral as partes mais susceptíveis à flambagem.
Figura 2 – Amantes da ferrovia http://www.amantesdaferrovia.com.br/photo/flambagem em 04/04/2016
9. MODOS DE FALHA PREDOMINANTES EM GUINDASTES
As falhas mais comuns nos Guindastes são:
a) Deformação elástica, que ocorre se a carga içada for muito maior do que a carga
suportada, se for levada ao extremo a estrutura tente a se romper completamente;
b) Desgaste corrosivo, é aquele que ocorre em todos os ambientes normais em
praticamente todos os materiais;
c) Flambagem, onde os esforços tendem a provocar instabilidades físicas nos
elementos que os suportam.
10. MATERIAL UTILIZADO NO EIXO DO MOITÃO
O material em que foi confeccionado o eixo do moitão foi o aço ABNT 1020 LQ = 210
Mpa.
11. FALHA NO EIXO DO MOITÃO
As falhas mais prováveis que podem ocorrer no eixo do moitão são, fratura por
cisalhamento, torção e desgaste por atrito.
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12. DIMENCIONAMENTO DO EIXO MOITÃO
Dados:
LQ – 210 Mpa
F= 7200 lbf correspondente a 32,02 kN
r = 210
2 = 105
r =
=
= 32020105
= 105
= 304,95 mm2
√ ∗ 4
304,95 ∗ 4
= ,
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
COLLINS, Jack A. – Projeto Mecânico de Elementos de Máquinas – LTC – Rio de Janeiro – 2006
Apostila Telecurso 2000 –
Curso Profissionalizante de Mecânica –
Editora Globo.
PROVENZA, Francesco – Projetista de Máquinas 71ª Ed. 1996 – Editora F. Provenza
SITES:
Amantes da ferrovia <http://www.amantesdaferrovia.com.br/photo/flambagem> em
04/04/2016
MSPC < http://www.mspc.eng.br/matr/im01/rmat501.gif > em 04/04/2016.
UFRJ <http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10633/> em 04/04/2016.
PUC-PR <http://www.lami.pucpr.br > em 04/04/2016.
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