Já alguma vez se perguntou porque é que os materiais falham sob tensão repetida, mesmo quando os níveis de tensão parecem controláveis? Este artigo analisa os seis factores críticos que afectam as propriedades de fadiga dos materiais. Desde o impacto da tensão média e das formas de carga até à influência do tamanho, do acabamento da superfície, do tratamento da superfície e das condições ambientais, irá descobrir as complexidades que determinam a durabilidade do material. Saiba como estes elementos interagem para prever e melhorar o tempo de vida dos componentes em aplicações de engenharia. Descubra ideias práticas para melhorar a resistência à fadiga no seu próximo projeto.
Fadiga por deformação (Fadiga de baixo ciclo): Este tipo de fadiga ocorre sob altos níveis de tensão e com um número limitado de ciclos. Os danos nos materiais causados pela fadiga por deformação são normalmente regulados pelo valor de deformação aceitável.
Fadiga por tensão (fadiga de alto ciclo): Este tipo de fadiga ocorre sob baixos níveis de tensão e com um elevado número de ciclos. Os materiais são danificados devido à fadiga por tensão, que é normalmente regulada pelo valor de tensão aceitável.
Fadiga secundária: Este tipo de fadiga ocorre quando o nível de tensão desce abaixo de um determinado valor, fazendo com que a fenda deixe de crescer.
As características de fadiga dos materiais são representadas pela relação entre a tensão aplicada (S) e o número de ciclos (N) até à rotura.
Sob uma carga de fadiga, o tipo mais simples de espetro de carga é uma tensão cíclica de amplitude constante.
Quando o rácio de tensão (R) é igual a -1, a relação tensão-vida, obtida a partir de ensaios sob carga cíclica simétrica de amplitude constante, representa a curva básica de desempenho à fadiga do material.
O impacto da alteração do rácio de tensão (R) no desempenho à fadiga será discutido mais tarde.
Como se pode ver na figura acima, o aumento do rácio de tensão R indica que a tensão cíclica média Sm aumenta. E quando a amplitude de tensão Sa é dado, existem:
Sm = (1+R)Sa/(1-R)
Em geral, quando Sa é dado, R aumenta e a tensão média Sm também aumenta.
O aumento da parte de tração em carga cíclica é desfavorável à iniciação e propagação de fissura de fadigao que reduzirá a vida útil à fadiga.
A tendência geral da influência da tensão média na curva S-N é mostrada na figura abaixo.
A curva S-N básica é obtida quando a tensão média, Smé igual a zero.
Quando Sm for superior a zero, o que significa que o material está sujeito a uma tensão média de tração, a curva S-N desloca-se para baixo. Isto implica que a vida do material sob a mesma amplitude de tensão diminui, ou a resistência à fadiga diminui com o mesmo tempo de vida, o que tem um impacto negativo na fadiga.
Quando Sm é menor que zero, o que significa que o material está sujeito a uma tensão média de compressão, a curva S-N desloca-se para cima. Isto indica que a vida do material sob a mesma amplitude de tensão aumenta, ou a resistência à fadiga aumenta sob a mesma vida, e a tensão média de compressão tem um efeito positivo na fadiga.
A relação entre a amplitude das tensões cíclicas (Sa) e a tensão média (Sm) é estudado para um determinado tempo de vida (N), e os resultados são apresentados na figura em anexo.
Observa-se que, à medida que a tensão média (Sm) aumenta, a correspondente amplitude de tensão (Sa) diminui. No entanto, é de notar que a tensão média (Sm) nunca pode exceder a resistência de rutura (Su) do material.
A resistência máxima (Su) é definida como a resistência à tração final de materiais frágeis com elevada resistência ou a limite de elasticidade de materiais dúcteis.
A figura mostra a relação Sa-Sm do material metálico N=10^7, que é normalizada com o limite de fadiga (S-1) e a resistência máxima (Su).
Assim, a relação Sa-Sm sob a condição de vida igual pode ser descrita da seguinte forma:
(Sa/S-1) + (Sm/Sn) = 1
Esta é a curva parabólica na figura, conhecida como a curva de Gerber, e os pontos de dados estão localizados principalmente perto desta curva.
Outra representação é a linha reta apresentada na figura, que é designada por:
n(Sa/S-1) + (Sm/Sn) = 1
A equação mencionada acima é conhecida como a linha Goodman e todos os pontos de teste estão geralmente acima desta linha.
A forma de linha reta é simples e, para uma determinada vida, a relação Sa-Sm estimada é cautelosa, tornando-a uma escolha popular nas práticas de engenharia.
O limite de fadiga dos materiais apresenta a seguinte tendência para várias formas de carga:
S (flexão)>S (alongamento)>S (torção)
Assumindo o mesmo nível de tensão aplicada, o volume da zona de tensão elevada em tração e compressão é igual ao volume total do provete em ensaio. No entanto, no caso da flexão, o volume da zona de alta tensão é significativamente menor.
Falha por fadiga é determinada principalmente por dois factores: a magnitude da tensão aplicada (uma causa externa) e a capacidade do material para resistir à falha por fadiga (uma causa interna). A falha ocorre normalmente em áreas de elevada tensão ou em defeitos do material.
Quando a tensão cíclica máxima (Smáximo) na figura é igual, o grande volume de material na área de alta tensão durante os ciclos de tensão e compressão aumenta a probabilidade de defeitos e início de fissuras. Por conseguinte, sob o mesmo nível de tensão, a vida do provete sob carga cíclica de tensão-compressão é mais curta do que sob flexão.
Por outras palavras, para a mesma vida útil, a resistência à fadiga em ciclos de tração-compressão é menor do que em ciclos de flexão. A vida à fadiga diminui ainda mais durante a torção, mas o volume tem pouco impacto.
As diferenças na vida à fadiga sob diferentes estados de tensão podem ser explicadas por diferentes critérios de falha, mas não serão discutidas aqui.
O impacto das diferentes dimensões dos provetes no desempenho à fadiga pode também ser atribuído ao volume variável da zona de tensão elevada.
Quando o nível de tensão permanece constante, um tamanho de amostra maior resulta num volume maior de material na área de alta tensão.
A fadiga ocorre no ponto mais fraco do material, dentro da área de tensão elevada. Quanto maior o volume, maior a probabilidade de defeitos ou pontos fracos.
Por conseguinte, a resistência à fadiga dos componentes de grandes dimensões é inferior à dos espécimes de pequenas dimensões. Isto significa que, para uma determinada vida N, a resistência à fadiga dos componentes de grandes dimensões diminui. Além disso, para um determinado nível de tensão, a vida à fadiga dos componentes de grandes dimensões também diminui.
É evidente, a partir do conceito de localidade de fadiga, que uma superfície rugosa no espécime leva a um aumento da concentração local de tensões, o que reduz a vida de iniciação da fenda.
A curva S-N básica do material é determinada através da medição do espécime padrão com um bom acabamento, o que é conseguido através da retificação fina.
Regra geral, as fissuras de fadiga têm sempre origem na superfície. Para melhorar o desempenho à fadiga, são frequentemente utilizados vários métodos, para além da melhoria do acabamento da superfície. Estes métodos têm como objetivo introduzir compressão tensão residual na superfície de alta tensão do componente, com o objetivo de aumentar a vida à fadiga.
Se a tensão cíclica for a indicada na sequência 1-2-3-4, e a tensão média for representada por Sma adição de uma compressão tensão residual Sres resultará num novo nível de tensão de 1′-2′-3′-4′, que é uma sobreposição da sequência de tensão original e -Sres. Isto leva a uma redução da tensão média para S'mresultando num melhor desempenho em termos de fadiga.
Os métodos mais comuns para melhorar a vida à fadiga dos componentes incluem a granalhagem da superfície descasqueA extrusão a frio de peças e a introdução de tensões residuais de compressão na sua superfície.
A resistência do material tem um impacto direto no seu desempenho à fadiga. Uma maior resistência do material conduz a um menor nível de tensão cíclica e, por conseguinte, a uma vida útil mais longa e a melhores efeitos de extensão da vida útil.
O shotpeening é especialmente eficaz em áreas com gradientes de tensão ou concentrações de tensão de entalhe.
Superfície nitretação ou tratamentos de cementação podem melhorar a resistência da superfície do material e induzir tensões residuais de compressão, o que contribui para melhorar o desempenho à fadiga.
Os resultados dos ensaios indicam que os tratamentos de nitruração ou de cementação podem duplicar o limite de fadiga do aço. Este efeito é ainda mais pronunciado nos provetes com entalhes.
A curva S-N dos materiais é normalmente obtida à temperatura ambiente e em condições atmosféricas.
A fadiga em ambientes corrosivos, como a água do mar, os ácidos e os álcalis, é designada por fadiga por corrosão.
A presença de meios corrosivos tem um efeito prejudicial sobre a fadiga.
A fadiga por corrosão é um processo complexo que envolve acções mecânicas e químicas e o seu mecanismo de falha é complexo.
Existem vários factores que influenciam a fadiga por corrosão, e a tendência geral é a seguinte:
(1) O efeito da frequência do ciclo de carga é significativo. Em ambientes não corrosivos, a frequência tem pouco efeito na curva S-N dos materiais numa gama de frequências relativamente ampla (como 200Hz). No entanto, em ambientes corrosivos, à medida que a frequência diminui, o tempo experimentado pelo mesmo número de ciclos aumenta, proporcionando tempo suficiente para que a corrosão tenha um impacto significativo no declínio do desempenho à fadiga.
(2) A semi-imersão em meios corrosivos (como a água do mar) é mais desfavorável do que a imersão total.
(3) Os aços resistentes à corrosão com boa resistência à fadiga por corrosão têm um melhor desempenho do que os aços-carbono comuns, que registam uma diminuição significativa do seu limite de fadiga, ou mesmo o seu desaparecimento total, em ambientes corrosivos.
(4) O limite de fadiga dos materiais metálicos aumenta geralmente com a diminuição da temperatura. No entanto, com a diminuição da temperatura, a resistência à fratura do material também diminui, levando à fragilidade a baixa temperatura. Quando ocorrem fissuras, é mais provável que ocorra uma fratura por instabilidade. As temperaturas elevadas reduzem a resistência dos materiaispodem causar fluência e são desfavoráveis à fadiga. Também deve ser notado que a tensão residual de compressão introduzida para melhorar o desempenho à fadiga também desaparecerá com o aumento da temperatura.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
PT 
EN 
ES 
FR 
RU 
DE 