Já alguma vez se perguntou porque é que algumas peças metálicas falham inesperadamente? A resistência à fadiga, um fator crítico na engenharia mecânica, é a resposta. Neste artigo perspicaz, mergulhamos no fascinante mundo da resistência à fadiga e exploramos os vários factores internos e externos que a influenciam. Descubra como a compreensão destes factores pode revolucionar o design, a seleção de materiais e os processos de fabrico de componentes de elevado desempenho. Prepare-se para desvendar os segredos por detrás da longevidade e fiabilidade das peças metálicas!
A resistência à fadiga dos materiais é altamente sensível a vários factores internos e externos.
Os factores externos incluem a forma, o tamanho, o acabamento da superfície e as condições de serviço da peça, enquanto os factores internos incluem a composição, a microestrutura, a pureza e a tensão residual do material.
Uma pequena alteração nestes factores pode causar flutuações ou alterações significativas no desempenho à fadiga do material. Compreender o impacto de vários factores na resistência à fadiga é crucial na investigação da fadiga.
Esta investigação fornece uma base para a conceção estrutural adequada das peças, a seleção apropriada de materiais e a implementação eficaz de tecnologias de processamento a frio e a quente, assegurando que as peças têm um elevado desempenho à fadiga.
Eis o conteúdo em forma de tabela:
| Fator | Descrição |
|---|---|
| Concentração de tensões | A concentração de tensões é uma das principais causas de falha por fadiga nos materiais. Pode ser evitada optimizando a forma, seleccionando raios de transição suaves e utilizando métodos de maquinação de precisão para melhorar a qualidade da superfície dos componentes. |
| Fator de dimensão | Quanto maior for o tamanho do material, mais difícil é controlar o processo de fabrico, o que resulta numa menor densidade e uniformidade da organização do material e em mais defeitos metalúrgicos, que afectam a resistência à fadiga. |
| Estado de processamento da superfície | O estado de processamento da superfície, como a rugosidade da superfície e as marcas das ferramentas de maquinagem, afecta a resistência à fadiga. Os danos na superfície podem causar concentração de tensões e reduzir o limite de fadiga. |
| Composição química | A composição química tem um impacto significativo na resistência à fadiga. Por exemplo, os tratamentos térmicos de superfície, como a cementação e a nitruração, podem melhorar a resistência à fadiga do material na superfície da peça. |
| Tratamento térmico | Um tratamento térmico adequado pode melhorar o desempenho à fadiga dos materiais. Por exemplo, a têmpera de alta frequência, a cementação, a cianetação e a nitruração podem melhorar a resistência à fadiga das molas. |
| Factores ambientais | A humidade ambiental tem um impacto significativo na durabilidade do aço ao crómio de alta resistência e o vapor de água tem um efeito adverso na resistência à fratura da maioria dos metais e ligas. |
| Defeitos metalúrgicos | Os defeitos metalúrgicos, como a presença de inclusões, afectam a resistência à fadiga. As inclusões frágeis (tais como óxidos, silicatos, etc.) representam um risco significativo para o desempenho à fadiga do aço. |
| Corrosão | A corrosão é também um fator importante que afecta a resistência à fadiga, pelo que as medidas anti-corrosão devem ser consideradas no processo de conceção e fabrico. |
| Microestrutura | Ao submeter materiais metálicos a deformações plásticas severas (SPD), podem ser produzidas microestruturas como grãos ultrafinos (UFG) e grãos nanocristalinos (NG), que podem melhorar a resistência à fadiga dos materiais. |
| Carga e ambiente | Os ensaios de fadiga podem ser divididos em ensaios de fadiga à temperatura ambiente, ensaios de fadiga a alta temperatura, ensaios de fadiga a baixa temperatura, etc., de acordo com a carga e o ambiente. Diferentes condições de trabalho têm efeitos diferentes na resistência à fadiga. |
O método convencional de medição da resistência à fadiga envolve a utilização de amostras lisas cuidadosamente processadas.
No entanto, na realidade, as peças mecânicas têm frequentemente várias formas de folgas, tais como degraus, ranhuras, roscas e orifícios para óleo.
Estes entalhes resultam em concentração de tensões, fazendo com que a tensão máxima real na raiz do entalhe seja muito maior do que a tensão nominal da peça.
Por conseguinte, o falha por fadiga da peça inicia-se frequentemente a partir destes entalhes.
Fator teórico de concentração de tensões Kt:
Em condições elásticas ideais, a relação entre a tensão máxima real e a tensão nominal na raiz do entalhe é calculada com base na teoria elástica.
Fator de concentração de tensões efetivo (ou fator de concentração de tensões de fadiga) Kf:
O limite de fadiga dos espécimes lisos (σ-1) e o limite de fadiga dos espécimes entalhados (σ-1n) são avaliados.
O fator de concentração de tensões efetivo é afetado não só pelo tamanho e forma do componente, mas também pelas propriedades físicas, processamento, tratamento térmico e outros factores do material.
O fator de concentração de tensões efetivo aumenta com o aumento da nitidez do entalhe, mas é normalmente inferior ao fator de concentração de tensões teórico.
Coeficiente de sensibilidade ao entalhe por fadiga q:
O coeficiente de sensibilidade ao entalhe por fadiga representa a sensibilidade do material ao entalhe por fadiga e é calculado pela seguinte fórmula:
A gama do valor de q está compreendida entre 0 e 1. Quanto mais pequeno for o valor de q, menos sensível é o material a ser caracterizado ao entalhe.
Foi demonstrado que q não é apenas uma constante para o material, mas também depende do tamanho do entalhe.
O valor de q só é considerado independente do entalhe quando o raio do entalhe é maior do que um valor específico, que varia para diferentes materiais ou estados de tratamento.
A não homogeneidade da estrutura do material e a presença de defeitos internos resultam num aumento da probabilidade de falha à medida que o tamanho do material aumenta, diminuindo assim o seu limite de fadiga.
O fenómeno do efeito de tamanho é uma questão significativa quando se extrapolam dados de fadiga de pequenos espécimes de laboratório para peças práticas maiores.
Não é possível reproduzir a concentração de tensões e o gradiente de tensões de peças de tamanho real em amostras pequenas, o que leva a uma desconexão entre os resultados obtidos em laboratório e os resultados obtidos na prática. falha por fadiga de certas partes específicas.
A superfície maquinada contém sempre marcas de maquinação irregulares, que actuam como pequenas fendas, levando à concentração de tensões na superfície do material e reduzindo a sua resistência à fadiga.
A investigação mostra que para o aço e ligas de alumínioO limite de fadiga da maquinagem em desbaste (torneamento em desbaste) é reduzido de 10% a 20% ou mais, em comparação com o polimento longitudinal.
Os materiais com maior resistência são mais sensíveis ao acabamento da superfície.
Na realidade, nenhuma peça funciona sob uma amplitude de tensão estritamente constante.
A sobrecarga e as cargas secundárias podem afetar o limite de fadiga dos materiais.
Os estudos mostram que os danos por sobrecarga e a formação de carga secundária são predominantes nos materiais.
Os danos por sobrecarga referem-se a uma diminuição do limite de fadiga de um material depois de este ter sido submetido a um determinado número de ciclos sob uma carga superior ao seu limite de fadiga.
Quanto maior for o nível de sobrecarga, mais rápido ocorre o ciclo de danos, como mostra a figura abaixo.
Limite de danos por sobrecarga
Em determinadas condições, um número limitado de casos de sobrecarga pode não causar danos no material.
Devido aos efeitos do reforço da deformação, da passivação da ponta da fenda e da tensão de compressão residual, o material também é reforçado, melhorando assim o seu limite de fadiga.
Assim, a ideia de dano por sobrecarga deve ser revista e modificada.
O fenómeno de formação de carga secundária refere-se a um aumento do limite de fadiga de um material após um certo número de ciclos sob tensão que é inferior ao limite de fadiga mas superior a um determinado valor limite.
O impacto da formação de cargas secundárias depende das propriedades do próprio material.
Em geral, os materiais com boa plasticidade devem ter um ciclo de formação mais longo e ser sujeitos a uma tensão de formação mais elevada.
A resistência à fadiga e a resistência à tração têm uma forte correlação em determinadas condições.
Por conseguinte, em condições específicas, qualquer elementos de liga que aumentam a resistência à tração podem também melhorar a resistência à fadiga do material.
Entre os vários factores, o carbono é o que tem um impacto mais significativo na resistência dos materiais.
No entanto, algumas impurezas que se formam inclusões no aço pode ter um efeito negativo na resistência à fadiga.
O efeito do tratamento térmico na resistência à fadiga é em grande parte o efeito da microestrutura, uma vez que diferentes tratamentos térmicos resultam em diferentes microestruturas.
Embora a mesma composição de materiais possa atingir a mesma resistência estática através de vários tratamentos térmicos, a sua resistência à fadiga pode variar muito devido a diferentes microestruturas.
Para um nível de resistência semelhante, a resistência à fadiga da perlite em flocos é visivelmente inferior à da perlite granular.
Quanto mais pequenas forem as partículas de cementita, maior será a resistência à fadiga.
O impacto da microestrutura na propriedades de fadiga dos materiais não está apenas relacionada com as propriedades mecânicas de várias estruturas, mas também com a dimensão do grão e as características de distribuição das estruturas na estrutura composta.
O refinamento do grão pode aumentar a resistência à fadiga do material.
A presença de inclusões ou orifícios criados por elas pode atuar como pequenos entalhes, causando concentração de tensão e deformação sob carga alternada, e tornar-se a fonte de fracturas por fadiga, afectando negativamente o desempenho dos materiais à fadiga.
O impacto das inclusões na resistência à fadiga depende de vários factores, incluindo o tipo, a natureza, a forma, o tamanho, a quantidade e a distribuição das inclusões, bem como o nível de resistência do material e o estado e nível da tensão aplicada.
Os diferentes tipos de inclusões têm propriedades mecânicas e físicas únicas, e o seu efeito sobre propriedades de fadiga varia. As inclusões plásticas, como os sulfuretos, tendem a ter pouco impacto nas propriedades de fadiga do aço, enquanto as inclusões frágeis, como os óxidos e silicatos, têm um efeito adverso significativo.
As inclusões com um coeficiente de expansão maior do que a matriz, como os sulfuretos, têm um impacto menor devido à tensão de compressão na matriz, enquanto as inclusões com um coeficiente de expansão menor do que a matriz, como a alumina, têm um impacto maior devido à tensão de tração na matriz. A compactação da inclusão e do metal de base também afecta a resistência à fadiga.
O tipo de inclusão também pode influenciar o seu impacto. Os sulfuretos, que são fáceis de deformar e estão bem combinados com o metal de base, têm menos impacto, enquanto os óxidos, nitretos e silicatos, que são propensos a separar-se do metal de base, resultam em concentração de tensões e têm um maior efeito adverso.
O impacto das inclusões nas propriedades de fadiga dos materiais varia em diferentes condições de carga. Sob carga elevada, a carga externa é suficiente para induzir o fluxo plástico no material, independentemente da presença de inclusões, e o seu impacto é mínimo.
No entanto, na gama de tensões limite de fadiga do material, a presença de inclusões causa concentração de tensão local e torna-se o fator de controlo da deformação plástica, afectando significativamente a resistência à fadiga.
Por outras palavras, as inclusões afectam principalmente o limite de fadiga do material e têm pouco efeito na resistência à fadiga em condições de tensão elevada. Para melhorar o desempenho à fadiga dos materiais, os métodos de purificação da fundição, como a fundição a vácuo, a desgaseificação a vácuo e a electroslag refusão, pode ser utilizado para reduzir eficazmente o teor de impurezas do aço.
Para além do acabamento da superfície mencionado anteriormente, a influência do estado da superfície também inclui alterações nas propriedades mecânicas da superfície e o efeito de tensão residual na resistência à fadiga.
A alteração das propriedades mecânicas da camada superficial pode dever-se a uma diferente composição química e microestrutura da camada superficial, ou ao reforço da deformação da superfície.
Tratamentos térmicos de superfície, como a cementação, nitretaçãoe a carbonitretação, podem não só aumentar a resistência ao desgaste dos componentes, mas também melhorar a sua resistência à fadiga, nomeadamente a resistência à fadiga por corrosão e à corrosão por picadas.
O impacto do tratamento térmico químico da superfície na resistência à fadiga depende em grande medida do modo de carga, da concentração de carbono e azoto na camada, da dureza e do gradiente da superfície, da relação entre a dureza da superfície e a dureza do núcleo, da profundidade da camada e da dimensão e distribuição da tensão de compressão residual formada durante tratamento de superfície.
Numerosos testes mostraram que, desde que um entalhe seja maquinado primeiro e depois tratado com tratamento térmico químico, de um modo geral, quanto mais nítido for o entalhe, maior será a melhoria da resistência à fadiga.
O efeito do tratamento de superfície nas propriedades de fadiga varia consoante o modo de carregamento.
Sob carga axial, não há distribuição desigual de tensão ao longo da profundidade da camada, o que significa que a tensão na superfície e abaixo da camada é a mesma.
Neste cenário, o tratamento de superfície só pode melhorar o desempenho à fadiga da camada superficial, uma vez que o material do núcleo não é reforçado, limitando assim a melhoria da resistência à fadiga.
Em condições de flexão e torção, a tensão concentra-se na camada superficial e a tensão residual do tratamento de superfície e da tensão externa são sobrepostos, reduzindo a tensão real na superfície.
Ao mesmo tempo, o reforço do material da superfície melhora a resistência à fadiga em condições de flexão e torção.
Em contrapartida, os tratamentos térmicos químicos como a cementação, a nitruração e a carbonitruração podem reduzir significativamente a resistência à fadiga do material se a resistência da superfície do componente for reduzida devido a descarbonização durante o tratamento térmico.
Do mesmo modo, a resistência à fadiga dos revestimentos de superfície, como o Cr e o Ni, diminui devido ao efeito de entalhe causado por fissuras nos revestimentos, à tensão de tração residual causada pelos revestimentos no metal de base e fragilização por hidrogénio causada pela absorção de hidrogénio durante o processo de galvanoplastia.
A têmpera por indução, a têmpera superficial por chama e a têmpera em casca de aço de baixa temperabilidade podem resultar numa certa profundidade da camada de dureza superficial e formar uma tensão de compressão residual favorável na camada superficial, tornando-a um método eficaz para melhorar a resistência à fadiga dos componentes.
Laminagem de superfícies e granalha descasque pode também criar uma certa profundidade de camada de endurecimento por deformação na superfície dos espécimes e produzir tensão de compressão residual, que é também uma forma eficaz de aumentar a resistência à fadiga.
A melhoria da resistência à fadiga dos materiais através da otimização das condições de processamento da superfície pode ser conseguida de várias formas:
Introdução da tensão residual de compressão: Perto do final do processamento do componente, são utilizados métodos como o shot peening para introduzir uma certa magnitude e profundidade de tensão de compressão. Isto pode efetivamente melhorar a integridade da superfície e aumentar a resistência e a vida à fadiga. É amplamente aceite que a tensão de compressão residual é um mecanismo de reforço crítico para aumentar a resistência à fadiga e a resistência à corrosão sob tensão dos materiais de engenharia.
Otimização da deformação da superfície: A busca do endurecimento por processamento em nanoescala pode sacrificar a ductilidade pela resistência, mas acelera a propagação de fissuras, o que é prejudicial à fadiga. Por conseguinte, a procura excessiva do efeito de endurecimento da deformação da superfície deve ser evitada para prevenir impactos adversos no desempenho à fadiga.
Reforço de rolamento: Como uma das técnicas de reforço mecânico de superfícies, o processo de reforço por laminagem pode efetivamente melhorar o desempenho à fadiga, a resistência ao desgaste, a resistência à corrosão e a tolerância aos danos dos materiais. Esta técnica tem sido aplicada a tratamentos de modificação de superfícies, tais como as lâminas de motores de aeronaves.
Tecnologias de modificação de superfícies: Através de tecnologias de modificação da superfície, a dureza da superfície do material, a resistência ao desgaste e a resistência à corrosão podem ser melhoradas, reduzindo simultaneamente a probabilidade de danos por fadiga. A otimização da integridade do material pode reduzir os defeitos internos e a tensão residual, melhorando assim o seu desempenho à fadiga.
Influência do tratamento térmico e da microestrutura: Diferentes estados de tratamento térmico produzem diferentes microestruturas, pelo que o efeito do tratamento térmico na resistência à fadiga é essencialmente a influência da microestrutura. Ao controlar o processo de tratamento térmico, é possível obter uma microestrutura mais propícia ao aumento da resistência à fadiga.
O impacto específico da humidade ambiental na resistência à fadiga de diferentes materiais reflecte-se principalmente nos seguintes aspectos:
Para o aço ao crómio de alta resistência, a humidade ambiental tem um impacto significativo na sua durabilidade. Em determinadas condições de humidade e calor, a vida à fadiga do material é afetada, acelerando a propagação de fissuras.
O desempenho à fadiga dos materiais metálicos também é afetado pelo ambiente circundante, especialmente no caso da fadiga por corrosão. Esta refere-se à resposta dos materiais metálicos sob os efeitos interactivos de meios corrosivos e cargas cíclicas, sendo frequentemente utilizada para descrever o comportamento à fadiga de materiais em ambientes aquosos.
Os estudos sobre o desempenho à fadiga por tração dos laminados compósitos de fibra de carbono em diferentes condições ambientais (tais como o estado seco à temperatura ambiente, o estado seco a baixa temperatura e o estado húmido a alta temperatura) indicam que os ambientes húmidos e quentes são um dos principais factores que afectam as propriedades mecânicas destes materiais compósitos.
A investigação sobre a tendência e o mecanismo de degradação do desempenho à fadiga do CFRP (polímero reforçado com fibra de carbono) num ambiente húmido e quente mostra que tais condições causam diferentes formas e graus de danos na matriz do CFRP, nas fibras e na interface fibra-matriz, levando à degradação das propriedades mecânicas do CFRP.
Sob um ambiente de 60 ℃ / 95% RH, o desempenho à fadiga das juntas adesivas de CFRP / liga de alumínio diminui com o aumento do tempo de envelhecimento, e o declínio na resistência à fadiga é mais percetível nos estágios iniciais do envelhecimento.
Estudos revelaram que os ambientes húmidos têm um impacto significativo tanto no mecanismo como no grau de danos por fadiga. Quanto mais elevada for a humidade relativa, mais graves serão os danos por fadiga.
Os efeitos da corrosão na resistência à fadiga de metais e ligas sob diferentes condições ambientais reflectem-se principalmente nos seguintes aspectos:
Impacto da pré-corrosão: A pré-corrosão pode afetar significativamente a curva S-N de fadiga e o comportamento de iniciação de fendas de fadiga das ligas de alumínio, mas não tem impacto no comportamento de propagação de fendas. A vida de iniciação da fenda após a pré-corrosão representa apenas menos de 20% da vida total, levando a um declínio acentuado na vida de fadiga.
Deformação em ambientes corrosivos: Os materiais metálicos médicos sofrem uma certa deformação durante os processos de fadiga em ambientes de ar convencionais. No entanto, esta deformação é exacerbada em ambientes corrosivos, afectando assim o desempenho à fadiga.
Desgaste e corrosão em ambientes marinhos: Estudos sobre as propriedades de corrosão e desgaste de materiais metálicos em ambientes marinhos indicam que o mecanismo de desgaste passa gradualmente do desgaste abrasivo para um mecanismo dominado pela fadiga por corrosão acelerada pelo desgaste.
Diminuição da resistência à fadiga em ambientes erosivos: Em condições ambientais erosivas, o grau de diminuição da resistência à fadiga dos metais ou ligas depende do estado do ambiente e das condições de ensaio. Por exemplo, o limite aparente de resistência à fadiga observado no aço ao ar já não é visível em ambientes corrosivos.
Características de fadiga por corrosão em ambientes de corrosão atmosférica severa: Há ainda muitas questões a estudar no domínio da falha por fadiga por corrosão das ligas de alumínio sob o acoplamento de ambientes de corrosão atmosférica severa e condições de carga dinâmica de comboios de alta velocidade. Isto indica que a corrosão tem um impacto significativo na resistência à fadiga de metais e ligas nestes ambientes específicos.
Características da curva S-N da fadiga por corrosão: A curva S-N da fadiga por corrosão não tem parte horizontal, indicando que o limite de fadiga por corrosão é o valor sob uma determinada vida, ou seja, existe apenas um limite condicional de fadiga por corrosão. Isto sugere que os factores que afectam a resistência à fadiga num ambiente de corrosão são mais complexos do que no ar.
Desempenho à fadiga em ambientes corrosivos específicos: Estudos sobre o desempenho à fadiga de materiais de liga de alumínio aeroespacial num ambiente de corrosão de NaCl 3,5% indicam que o desempenho à fadiga num ambiente corrosivo tem um impacto significativo na resistência à fadiga de metais e ligas.
A influência da microestrutura (grãos ultrafinos, nanogrãos) na resistência à fadiga dos materiais metálicos reflecte-se principalmente nos seguintes aspectos:
A relação entre o ajuste do tamanho do grão e a resistência à fadiga:
A investigação indica que, para materiais com uma composição específica, quando a sua granulometria é ajustada numa vasta gama para alterar a resistência, a resistência à fadiga do material aumentará com o aumento da resistência à tração, e depois diminuirá. Isto implica que, dentro de um determinado intervalo, a redução do tamanho do grão pode aumentar a resistência à fadiga do material, mas quando o tamanho do grão é reduzido até um certo ponto, os grãos excessivamente refinados podem levar a um declínio na resistência à fadiga.
O efeito da fração volumétrica do contorno de grão:
Os materiais de grão ultrafino e nanométricos têm grãos pequenos e uma grande fração de volume nos limites dos grãos, o que lhes confere propriedades únicas e excelentes. No entanto, estes materiais produzem um grande número de defeitos durante o processo de refinamento do grão, levando a reduções significativas na tenacidade e plasticidade, ao desaparecimento da capacidade de endurecimento por trabalho, afectando assim o desempenho à fadiga de baixo ciclo.
O impacto da deformação plástica na resistência à fadiga:
Ao submeter materiais metálicos a deformação plástica severa (SPD), podem ser produzidas microestruturas como grãos ultrafinos e nano-grãos, melhorando assim a resistência à fadiga do material. No entanto, após ser tratada com SPD, a resistência à fadiga de metais puros representados pelo cobre parece atingir um valor de saturação, indicando que existem certas limitações para melhorar ainda mais a resistência à fadiga através da otimização do processo SPD.
O papel da energia da falha de empilhamento:
Durante a deformação cíclica, com a diminuição da energia de falha de empilhamento, a instabilidade microestrutural causada pelo crescimento de grão e as bandas de cisalhamento altamente localizadas mostram uma melhoria notável. Isto sugere que o mecanismo microscópico de danos por fadiga do material mudará gradualmente do crescimento de grão dominado pela migração dos limites do grão para outras formas, afectando o desempenho à fadiga.
A diferença no desempenho à fadiga sob controlo de tensão e controlo de deformação:
A refinação dos grãos dos materiais metálicos em grãos ultrafinos ou nano-grãos pode melhorar o seu desempenho à fadiga de alto ciclo em condições de tensão controlada, mas reduz frequentemente o seu desempenho à fadiga de baixo ciclo em condições de tensão controlada. Isto deve-se principalmente ao facto de, depois de os grãos serem refinados até ao nível submicrónico ou nanométrico, a microestrutura do material mudar, afectando o desempenho à fadiga.
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 
DE 
ES 
FR 
NL 
RU 