Fadiga dos metais



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Fadiga dos metais

1Fadiga


Fadiga mecânica é a degradação das propriedades mecânicas levando à falha do material ou de um componente sob carregamento cíclico.

No geral, fadiga é um problema que afeta qualquer componente estrutural ou parte que move. Exemplos: automóveis nas ruas, aviões (principalmente nas asas) no ar, navios em alto mar, constantemente em choque com as ondas, reatores nucleares etc....(perceba então a importância do fenômeno de fadiga). Pode-se afirmar que 90% das falhas em serviço de componentes metálicos que experimentam movimento de um jeito ou de outro é devido à fadiga. Freqüentemente, a superfície de fratura por fadiga irá mostrar algumas características macroscópicas de fácil identificação e associação ao fenômeno da fadiga, tais como as marcas de praia (ver Figura 1).





Figura 1 – Representação esquemática da superfície de fratura em um aço.

A Figura 1 mostra um esquema da superfície de fratura de um aço que falhou por fadiga. As principais características a serem observadas neste tipo de falha são um ponto ou sítio de iniciação da trinca (geralmente na superfície); uma região de propagação de trinca mostrando as marcas de praia e uma região de fratura rápida, onde o comprimento de trinca excede um valor crítico. Tipicamente, a falha sob carregamento cíclico ocorre a níveis de tensões muito mais baixos do que sobre carregamento monotônico (ensaio de tração).


1.1Parâmetros de fadiga e as curvas S-N


Primeiramente, apresentaremos os parâmetros de fadiga que estão apresentados na Figura 2.



Figura 2 – Parâmetros de fadiga.

Intervalo da tensão cíclica:  = max-min

Amplitude da tensão cíclica: a = (max-min)/2

Tensão média: m = (max+min)/2

Razão de tensão: R = min/max,

onde max e min são os máximos e mínimos níveis de tensões, respectivamente.

A tensão estática aplicada eqüivale à tensão média e é a amplitude da tensão cíclica que provoca a ruptura por fadiga.

Tradicionalmente, o comportamento de um material sobre fadiga é descrito por curvas S-N (ou -N) (ver Figura 3), onde S (ou ) é a tensão e N é o número de ciclos para a falha. Estas curvas são muitas vezes chamadas de Curvas de Wöhler.





Figura 3 – Curvas S-N ou curvas de Wöhler.

Para aços, em geral, observa-se um limite de fadiga (curva A na Figura 3), o qual representa um nível de tensão abaixo do qual o material não falha e pode ser carregado ciclicamente indefinidamente. Este limite de fadiga não existe para materiais não-ferrosos (curva B na figura).


1.2Resistência à fadiga ou vida em fadiga


Tradicionalmente, a vida em fadiga tem sido apresentada na forma de uma curva S-N (Figura 3). De acordo com esta medida, resistência à fadiga refere-se à capacidade de um material resistir a condições de carregamento cíclico. Contudo, na presença de deformação plástica medível, os materiais respondem diferentemente à deformação cíclica do que à tensão cíclica. Assim, espera-se que a resposta em fratura de um material sobre condições cíclicas irá mostrar uma similar diferença. Pode-se então dizer que o mecanismo de fadiga ocorre por efeitos de deformação plástica no material. O carregamento cíclico irá produzir tensões cíclicas que, por sua vez, irão produzir deformações cíclicas. Estas deformações cíclicas são elásticas a um primeiro instante. Contudo, com o tempo, pequenas deformações plásticas surgem a partir de defeitos microestruturais ou descontinuidades geométricas. Estas deformações plásticas são deformações permanentes e crescem com o tempo. Portanto, para que ocorra uma falha por fadiga é necessário que três fatores sejam aplicados simultaneamente no material, isto é, solicitações dinâmicas (cargas cíclicas), solicitações de tração e deformação plástica.

1.3Etapas do processo de fadiga


As rupturas promovidas por processos de fadiga distinguem-se por apresentarem três estágios conhecidos. O primeiro estágio é o que abrange o período de nucleação da falha, onde a iniciação ocorre devido à máxima tensão principal de cisalhamento a 45o com a tensão principal de tração aplicada. O segundo estágio compreende a propagação de uma trinca, na direção ortogonal à tensão de tração. Finalmente, ocorre a ruptura catastrófica, que é o terceiro estágio, no momento em que a seção resistente diminui o suficiente para que não mais suporte um ciclo de carga e rompa por sobrecarga.

1.3.1Nucleação da trinca em fadiga


Trincas de fadiga nucleiam em singularidades ou descontinuidades na maioria dos materiais. Descontinuidades podem estar na superfície ou no interior do material. As singularidades podem ser estruturais (tais como inclusões ou partículas de segunda fase) ou geométricas (tais como riscos). Uma explicação para a nucleação preferencial de trincas de fadiga na superfície pode ser devido ao fato que a deformação plástica é mais fácil na superfície e que os degraus de escorregamento ocorrem também na superfície, além do fato que a máxima tensão estará sempre posicionada em algum ponto da superfície. Contudo, trincas de fadiga também podem iniciar no interior do corpo de prova (em descontinuidades ou defeitos internos). Degraus de escorregamento sozinhos podem ser responsáveis pela nucleação de trincas ou estes podem interagir com defeitos estruturais ou geométricos para formar as trincas. Singularidades superficiais podem estar presentes desde o começo ou podem se desenvolver durante a deformação cíclica, com por exemplo, a formação de intrusões e extrusões, as quais são chamadas de bandas de escorregamento persistentes em metais.

Estas intrusões e extrusões são sítios ou locais preferenciais de nucleação de trincas por fadiga. Um modelo de formação destas imperfeições é apresentado na Figura 4. A Figura 5 apresenta uma foto real destas imperfeições.





Figura 4 – Nucleação de trinca por fadiga nas bandas de escorregamento.



Figura 5 - Extrusões e intrusões em uma chapa de cobre

Estes defeitos ocorrem durante carregamento cíclico e podem crescer e formar uma trinca através de contínua deformação plástica.

Desde que a maioria das falhas por fadiga ocorrem na superfície de um material, a condição da superfície é muito importante. Justamente, o polimento da superfície pode aumentar significativamente a vida em fadiga de um material.

1.3.2Propagação da trinca em fadiga


A propagação corresponde ao crescimento da trinca num plano perpendicular à direção da tensão normal principal (plano de carregamento). Este segundo estágio é o mais característico da fadiga. É sempre visível a olho nú e pode corresponder a uma grande parte da seção resistente. A superfície de fratura tem uma textura lisa e avança de forma semicircular (formação das estrias de fadiga).

Para grandes amplitudes de tensão, uma fração muito grande da vida em fadiga (por volta de 90%) ocorre no estágio de crescimento ou propagação da trinca. Para um componente que possui um entalhe, esta parcela torna-se ainda maior. Visto que, intrinsecamente os processos de fabricação formarão trincas ou defeitos nos materiais, a parte de propagação pode ser uma das etapas mais importantes no processo de fadiga.

Algumas trincas nuclearão na superfície e propagarão de acordo com direções preferenciais (estágio I. Não confundir com o estágio I de nucleação de trinca) nos planos orientados, aproximadamente, a 45o do plano de carregamento (ver Figura 6).



Figura 6 – Estágios I, II e III da propagação de trinca em fadiga.

Durante este estágio, a propagação de trinca é da ordem de poucos micrometros ou menos por ciclo . Após estes estágio, uma trinca dominante de poucas dezenas de milímetros começa a propagar numa direção perpendicular ao plano de carregamento. Este é chamado de estágio II e a superfície de fratura apresenta marcas de estrias ou estriações. Freqüentemente, cada estria representa um ciclo de carregamento (ver Figura 7).





Figura 7 – Estrias de fadiga em uma liga de alumínio.

Existe uma outra importante característica no estágio II de fadiga, isto é, as chamadas “marcas de praia”. Assim como as estrias, as marcas de praia também são semicirculares mas são, entretanto, visíveis a olho nú. As marcas de praia podem ser originadas através dos diferentes graus de oxidação produzidos nas sucessivas paradas para repouso do equipamento ou pela variação nas condições de carregamento. Estas marcas representam milhares ou mesmo milhões de ciclos e elas apontam para o local de início de propagação de trinca (ver Figura 1). A proporção entre a etapa de propagação e a ruptura final indicam o grau de sobrecarga da peça ou o coeficiente de segurança aplicado.



A partir de um certo tamanho de trinca, todo o sistema torna-se instável e a seção remanescente do componente não consegue suportar mais a carga aplicada e o material entra em fratura catastrófica (estágio III).

1.4Fatores que afetam a vida em fadiga dos materiais


Muitos são os fatores que afetam a vida em fadiga dos materiais. Podem ser considerados os expostos a seguir:

  • Efeitos superficiais

  • Tamanho da peça

  • Temperatura

  • Concentração de tensões

  • Fatores microestruturais

Acabamento superficial: Quanto melhor for o acabamento superficial ou melhor quanto mais liso estiver o componente, maior é a resistência à fadiga.

Tamanho da peça: Quanto maior é o componente, menor é a sua resistência à fadiga. De uma maneira mais simples, pode-se associar a influência do tamanho da peça na vida em fadiga, simplesmente, considerando o efeito do acabamento superficial. Assim, é possível imaginar a diminuição da resistência à fadiga com o aumento da dimensão do componente.

Temperatura: Considerando temperaturas abaixo da ambiente, tem sido observado que os metais apresentam um aumento na sua resistência à fadiga com o decréscimo da temperatura. Para mais altas temperaturas, a deformação plástica que é um fator extremamente importante em fadiga, torna-se mais intensa, diminuindo a vida em fadiga.

Concentração de tensões: Todas as descontinuidades tais como entalhes, furos e ranhuras modificam a distribuição de tensões, acarretando em um aumento de tensões localizadas. Com este aumento de tensão localizado, o carregamento torna-se mais severo, diminuindo a vida em fadiga do material.

Efeitos microestruturais: O comportamento em fadiga dos aços é uma função da microestrutura apresentada, bem como do nível de inclusões não metálicas presentes. Um material temperado e revenido tem melhores características quanto à fadiga, que no seu estado normalizado ou recozido. Estes efeitos observados são diretamente relacionados ao aumento no limite de escoamento do material, uma vez que a iniciação de trincas por fadiga envolve deformação plástica localizada. Variações metalúrgicas que dificultem a deformação plástica levam a um aumento na resistência à fadiga. Maiores quantidades de inclusões diminuem a resistência à fadiga dos materiais.

1.5Testes de fadiga


Entre muitas razões para se realizarem testes de fadiga, pode-se citar a necessidade de se desenvolver um melhor entendimento do comportamento em fadiga de um material e a necessidade de se obter mais informações práticas da resposta em fadiga de um componente ou estrutura.

1.5.1Teste de fadiga convencional


Convencionalmente, testes de fadiga tem sido realizados através da aplicação de uma faixa de tensão cíclica (intervalo) em um dado material e se observar o número de ciclos para a falha. Os resultados são apresentados na forma de curvas S-N (ver Figura 3). Existem dois tipos principais de carregamento: testes de fleção-rotação (mais popular) e testes de tensões diretas.








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