Tensões Admissíveis e de Projeto

A grande maioria das falhas de engenharia naval está relacionada com tensões admissíveis e tensões em serviço. As tensões admissíveis são determinadas pelo reconhecimento de quais os possíveis modos de falha que se aplicam ao problema em análise. A resistência do material é geralmente utilizada através de dados de teste tabulados. 

Ultimate Strength Su – quando a peça vai rachar e fraturar. Corresponde numa máquina de teste de tração, à carga aplicada quando a peça quebra. Como regra geral para o aço, uma aproximação é cerca de 500 vezes o número da dureza Brinell (BHN).

Yield Strength Sy – quando a peça é estendida de tal forma que o material não retorna a sua forma original. Numa máquina de teste de tração, uma peça dúctil poderia “pender para baixo”. Se a interferência ou ajuste fosse um problema, isto seria um importante modo de falha. Em geral é boa ideia não projetar perto da do limite de elasticidade (yield strength).

Resistência ao cisalhamento: os eixos SS falham quando há uma sobrecarga excessiva de torque. Dados de resistência ao cisalhamento são mais difíceis de encontrar. Se os dados estiverem indisponíveis, use o máximo. Teoria de cisalhamento:

Figura 1 – Pino danificado devido a tensão cíclica

Fatiga devido à Carga Cíclica

O limite de resistência para o aço e muitos metais é importante. Se a peça pode girar cerca de 10 milhões de ciclos de fadiga em um dado nível de tensão, poder-se-á dizer com razão que a peça não vai falhar em fadiga independentemente de quantos mais ciclos sofra.

A Figura 3 mostra o limite de resistência para o aço e como este é determinado. O material é colocado em uma máquina de teste e sofre cargas cíclicas a um dado nível até chegar à fratura. Denote-se que, após 107 ciclos, há uma tensão superior na qual o material pode ser rodado sem que ocorra falha. Isso é designado de limite de resistência e pode ser usado para determinar se uma peça falhará em teste de fadiga. Em referência à Figura 3, se colocarmos 70.000 lb/in² submetendo tensão num eixo, esperamos que ele falhe. No entanto, uma falha não seria expectável em menos de 50.000 lb/in² independentemente de quantos ciclos sofra. Alguns materiais não têm um limite de resistência conforme definido e podem comportar-se mais como indicado na linha recta.

Figura 2 – Marcas de desgaste numa viga

Quando apenas as tensões estáticas devem ser consideradas, a aceitabilidade das tensões poderiam ser determinadas facilmente. Tudo o que teria de ser feita seria ver se um valor de tensão excedeu um dos critérios de falha. Mas o que acontece quando uma tensão flutuante é sobreposta a uma tensão estática? O limite de resistência sozinho é de pouca utilidade. Para este tipo de falha um diagrama de Goodman modificado é útil (Figura 4).

As etapas para construção são simples uma vez que as tensões tenham sido calculadas.

Figura 3 – Limite de Resistência do Aço.

Figura 4 – Diagrama de Goodman modificado.

Quando os dados não estão disponíveis e é necessária uma verificação rápida dos dados de fadiga, o seguinte poderá ser usado para aço a 106 ciclos. S_e é o limite de resistência de amostra de dobra rotativa polida. Quando não é conhecido, uma estimativa para o aço é metade da resistência à tração final. Os dados CS do fator de acabamento superficial indicado na Tabela 1 é para aços com resistência à tração na gama de 100.000 a 200.000 lb/in²:

Preferencialmente são colocados os fatores de concentração de tensão em S_max e S_min. No entanto, com superfícies altamente corroídas, pode-se negligenciar qualquer fator de concentração de tensão em um primeiro passo.

É importante perceber que quase 90% do tempo de fadiga é usado na produção de uma fenda. Uma vez estabelecida a fissura, não resta muito período de durabilidade. É por isso que os vários acabamentos superficiais afetam muito o limite de resistência.

São produzidos defeitos superficiais que reduzem a vida dos eixos. A Figura 6, corresponde a um gráfico de tempo de fadiga restante quando uma fissura está presente. A corrosão por desgaste, que é uma forma de desgaste, resulta em pequenas fissuras que reduzem bastante a resistência à fadiga e podem causar falhas no eixo. O gráfico ilustra que qualquer fissura, de qualquer tamanho, pode drasticamente reduzir o tempo de fadiga de um componente. Quanto maior a fissura inicial, menor o tempo de vida da peça.

Table 1 – Endurance Limit Factors

Por exemplo, como regra de classificação de fissuras encontradas em eixos de hélices, se uma fissura for encontrada com uma profundidade superior a 0.001 do seu diâmetro, o eixo deverá ser desfeito.

Figure 5 – Gráfico de tempo de fadiga