Fadiga dos Materiais
3. FADIGA DOS MATERIAIS
3.1 Introdução.
3.2 Início e crescimento de trinca por fadiga.
3.3 Estudo da fadiga: concentração de tensão, acabamento superficial,
efeito de tamanho e efeito de carga.
3.4 Resposta cíclica de um material em termos de laços de histerese.
3.5 Fadiga de alta deformação e baixo ciclo.
3.6 Previsão de vida à fadiga: curva de Wolher, curva de Paris.
3.7 Dimensionamento de eixo a flexo-torção.
3.8 Prevenção de falhas em componentes mecânicos.
3.9 Exercícios.
3.10 Testes.
2a Prova Bimestral
Fadiga:
Significado: Sensação penosa
causada
pelo
esforço
ou
trabalho intenso.
Fadiga:
Redução gradual da capacidade de carga do componente, pela
ruptura lenta do material, consequência do avanço quase
infinitesimal das fissuras que se formam no seu interior. Este
crescimento de trinca ocorre em cada flutuação do estado de
tensão
Fadiga é um tipo de falha mecânica, causada
primariamente pela aplicação repetida de carregamentos
(tensões ou deformações) variáveis, sendo caracterizada
pela geração e propagação lenta e gradual de trincas que
levam à ruptura e ao colapso súbito do componente.
É um fenômeno complexo, de caráter extremamente
estatístico, dependente de diversos fatores como:
carregamento, geometria, microestrutura do material,
fatores ambientais (temperatura, meio, umidade, etc.) e
processos de fabricação (tensões residuais, acabamento
superficial, defeitos, etc.).
A maioria das falhas que ocorrem em componentes
mecânicos é decorrente da fadiga (80% a 90%). Em
geral, os níveis de tensão em que ocorre a ruptura em
carregamento variável são muito inferiores aos
necessários para ruptura em carregamento estático.
Resumo Histórico
~1830-1860:
•Contexto da Revolução Industrial Européia;
•Uso intensivo de metais em construções mecânicas
(pontes, indústria ferroviária, máquinas têxteis, etc.);
•Aumento do número de acidentes e mortes: 1842 em
Versailles ~60 mortes em acidente ferroviário (primeiro
laudo técnico detalhado);
•Inglaterra: Pesquisas em elementos de máquinas
descrevendo fratura e características microestruturais.
Resumo Histórico
1860-1900:
Wöhler (1860- Alemanha, Indústria Ferroviária):
•Primeiro estudo experimental sistemático. Ensaios em
escala real de componentes sob carregamento cíclico.
•Cargas cíclicas << Cargas Estáticas;
•Levantamento de dados S-N (Tensão vs. N. Ciclos);
•Conceitos de limite para vida infinita ou Limite de
Resistência à Fadiga (grande maioria dos aços);
Resumo Histórico
•
•
•
•
• 1860-1900:
Bauschinger (1886):
Confirmação dos estudos de Wöhler.
Constatação da variação das propriedades elásticas
devido
a
cargas
cíclicas
(Encruamento
ou
Amaciamento);
Fim do sec. XIX: Primeiros conceitos de “projeto” e
dimensionamento quanto à fadiga. ~80 artigos técnicos
publicados na última década.
Resumo Histórico
• 1900~1950:
• Ewing & Humfrey (1903, Suécia):
• Interpretação das propriedades microestruturais de
materiais cristalinos. Teoria de Cristalização;
• Definição das “bandas de deslocamento” em materiais
cristalinos;
• Estudos dos micromecanismos da fratura;
• Colapso do componente devido a uma única trinca
“dominante”;
Resumo Histórico
• 1900~1950:
• Primeiras leis empíricas para o Limite de Resistência
(Basquin 1910), Relação S-N;
• Medição de laços de histerese em plasticidade cíclica
(Baristow 1910, Inglaterra);
• Estudos em vibrações, efeitos de tratamentos
térmicos e processos de fabricação;
• 1926/27: Primeiros livros (EUA e Inglaterra);
• ~1920-1930: Reconhecimento científico dos estudos
em fadiga;
Resumo Histórico
• 1900~1950:
• Palmgren (1924)/ Miner (1954): Definição do conceito
de Acúmulo de Dano. Regra de acúmulo linear de dano
(Regra de Miner).
• Coffin & Manson (1954): Consideração dos efeitos da
deformação plástica. Conceito de “deformação”
cíclica. Levantamento de curvas -N (Relações de
Coffin-Manson ). Fadiga de baixo ciclo.
Resumo Histórico
• 1950-2000:
• Preocupação em definir bases matemáticas
sólidas. Métodos analíticos compatíveis com os
experimentos;
• Grande avanço da Mecânica da Fratura com
base nos conceitos de análise de tensões,
Inglis (1913) e conceitos de energia em
fratura, Griffith (1921);
Resumo Histórico
• 1950-2000:
• Paris & Anderson (1961):
• Fator de concentração de tensões em trincas (K);
• Teorias de propagação de trincas (da/dN) em função
de K em carregamentos estáticos e cíclicos;
Resumo Histórico
• 1950-2000:
• Avanços
nos
estudos
em
propriedades
microestruturais (microscopia eletrônica, laser, raiosX, etc), efeitos ambientais e processos de
fabricação,carregamentos complexos (aleatórios e
multiaxiais), materiais diversos, análise estatística,
etc. (últimas 4 décadas).
• Modelos de acúmulo de dano mais adequados, com
base na Mecânica do Contínuo: Mecânica do Dano:
Kachanov (1958) e Rabotnov (1959), Lemaitre,
Chaboche e Krajcinovic (1980-2000);
Requisitos Para Que Ocorra Fadiga
• Componente trativa
– Necessário para que a trinca cresça
• Tensões cíclicas
– Necessária para que o dano seja cumulativo
• Número de ciclos
– Grande o suficiente para que haja ruptura
Vida em Fadiga
• Iniciação da trinca – desenvolvimento
prematuro de dano por fadiga, podendo
ser removido por recozimento adequado;
• Crescimento de bandas de deslizamento
–aprofundamento da trinca inicial em
planos de alta tensão cisalhante. É
frequentemente chamado de estágio I
de crescimento de trinca;
Vida em Fadiga
• Crescimento da trinca em planos de alta
tensão trativa – envolve o coalescimento de
trincas gerando uma ou mais trincas principais
com direção bem definida, normal à direção
principal de carregamento, normalmente
chamado de estágio II de crescimento de
trinca;
• Ruptura final estática por sobretensão –
ocorre por falta de seção resistente, quando a
trinca atinge determinado tamanho a fratura
se dá por tensão plana cisalhante.
Concentração de Tensão
• Na presença de concentradores de tensão, a
tensão externa aplicada tem seu valor ampliado
localmente;
• Nesses locais, o campo de tensões pode ser alto o
suficiente para que o material se deforme
plasticamente.
Nucleação e Crescimento
de Bandas de Deslizamento
•
•
Ao longo dos ciclos cresce o número e a densidade de bandas e a
deformação plástica acumulada em cada uma delas;
Nos locais de deformação plástica mais severa as bandas de
deslizamento recebem a denominação de bandas de deslizamento
persistentes.
Fator de Schmid. A tensão cisalhante é resolvida no sistema de deslizamento.
Nucleação e Crescimento
de Bandas de Deslizamento
Bandas de Deslizamento
• Essa
deformação
plástica é extermamente
localizada
e
se
manifesta na forma de
bandas de deslizamento;
• A
concentração
de
tensão cresce com o
aumento do número de
bandas de deslizamento
fazendo com que o
material acumule cada
vez mais deformação
plástica, surgindo novas
bandas de deslizamento.
e
d
a
b
c
Intrusões e Extrusões
• Um conjunto de bandas formam intrusões e
extrusões na superfície do material.
Bandas de Deslizamento Persistentes
Iniciação de Trincas (estágio I)
• Em orientações cristalinas
com
fator
de
Schmid
elevado,
a
deformação
plástica é mais severa, sendo
as bandas de deslizamento
desses grãos chamadas de
bandas
de
deslizamento
persistentes;
• Nas bandas de deslizamento
persistentes a concentração
de tensões é mais intensa;
• Quando o material não é mais
capaz
de
acumular
deformação
plástica
nas
bandas
de
deslizamento
persistentes uma ou mais
trincas são nucleadas.
Propagação de Trincas (estágio II)
• Com o crescente número de ciclos a(s)
trinca(s) se propagam de maneira dúctil
crescendo enquanto na componente trativa, e
fechando a ponta da trinca na componente
compressiva
Marcas de Praia
• A propagação da
trinca forma relevos
característicos
da
fadiga, são chamados
de marcas de praia
(macroscópicas)
e
estrias de fadiga
(microscópicas)
Marcas de praia na zona
escura onde houve a
propagação da fissura por
fadiga em braço de eixo
manivela
de
alumínio.
Parte clara ruptura final
catastrófica
Estrias de Fadiga
Ruptura Final Estática
• Ao
atingir
um
determinado
tamanho a seção
resistente
remanescente
do
material não suporta
mais
a
tensão
aplicada. O material
sofre então ruptura
final estática por
sobretensão
Fatores que Afetam a Vida em Fadiga
•
•
•
•
•
Temperatura;
Deslizamento;
Deslizamento Cruzado;
Microestrutura;
Design das Peças.
Efeitos da Superfície
• Superfícies
livres
de
entalhes,
arranhões e outros concentradores de
tensão estão menos sujeitas à fadiga;
• Melhorias nas propriedades tribológicas
do material ampliam a vida em fadiga;
• Tensões
residuais
compressivas
aumentam a vida em fadiga.
Efeitos da Temperatura
• Em altas temperaturas a vida em fadiga
é menor, além de competir com o
mecanismo de fratura por fluência para
temperaturas homólogas > 0.5;
• Em baixas temperaturas a vida em
fadiga é a maior, devido inclusive à baixa
taxa de movimentação de lacunas,
entretanto
observa-se
fadiga
em
temperaturas de 4K.
Efeitos do Deslizamento
• Se o deslizamento for concentrado em
determinados locais ao longo do volume
do material a vida em fadiga é
comprometida;
• Caso o deslizamento ocorra de forma
homogênea em todo o material a vida em
fadiga é superior.
Efeitos do Deslizamento Cruzado
• Materiais com alta energia de falha de
empilhamento produzem mais deslizamento
cruzado, promovendo a formação de bandas de
deslizamento;
• Se o deslizamento cruzado é reduzido, como
nos materiais com baixa energia de falha de
empilhamento, a concentração de deformação
plástica é inibida, suprimindo o dano por
fadiga;
• Na prática, o controle sobre a energia de
falha de empilhamento do material é limitado.
Efeitos da Microestrutura
• Microestruturas
com
resistência
mecânica superiores são preferíveis;
• Estruturas martensíticas revenidas são
largamente utilizadas;
• Um decrécimo na temperatura de
revenimento promove maior vida em
fadiga.
Efeitos do Design das Peças
• É o fator mais importante;
• A ausência de cantos vivos, entalhes e
arranhões garantem um bom design;
• Um design comprometedor anula os
ganhos com o controle sobre os fatores
metalúrgicos.