Já alguma vez se perguntou porque é que os metais falham mesmo sob tensão aparentemente baixa? Este artigo explora o fascinante mundo da fadiga nos materiais, revelando como a tensão cíclica conduz a falhas inesperadas. Saiba mais sobre os diferentes tipos de fadiga, os factores que afectam a resistência à fadiga e como os engenheiros combatem estes desafios.
A fadiga refere-se à diminuição do desempenho estrutural dos materiais, em particular dos metais, quando sujeitos a tensões ou deformações cíclicas, acabando por conduzir à falha.
A falha por fadiga é uma forma predominante de falha.
A investigação mostra que as falhas por fadiga são responsáveis por 60 a 70% das falhas em várias máquinas.
Fratura por fadiga A falha é classificada como uma falha por fratura frágil de baixa tensão e é difícil detetar uma deformação plástica significativa durante a fadiga, uma vez que resulta principalmente da deformação plástica local e ocorre em pontos fracos da estrutura.
Embora a frequência possa desempenhar um papel na falha por fadiga, esta está normalmente associada ao número de ciclos e não à frequência.
De acordo com as características da tensão que causa a falha por fadiga, esta pode ser dividida em duas categorias:
Relativamente aos tempos de ciclo, a fadiga pode ainda ser dividida em:
Em termos de propriedades de carga, a fadiga pode ser classificada em:
E com base no ambiente de trabalho da peça de trabalho, a fadiga pode ser dividida em:
Vale a pena notar que o resistência dos materiais e estruturas antes do dano por fadiga é referido como o "limite de fadiga".
Refere-se à fadiga causada por cargas de impacto repetidas.
Quando o número de impactos, N, é inferior a 500 a 1000, as peças podem ficar danificadas e a forma de fratura das peças será semelhante à de um único impacto.
Quando o número de impactos é superior a 105, a fratura da peça é classificada como fratura por fadigaapresentando características típicas de fratura por fadiga.
No cálculo do projeto, se o número de impactos for superior a 100, a resistência deve ser calculada utilizando um método semelhante ao da análise de fadiga.
Sob a influência de tensões de contacto cíclicas, as peças sofrerão danos graduais e permanentes a nível local.
Após um certo número de ciclos, o desenvolvimento de pitting, descamação superficial ou descamação profunda na superfície de contacto é referido como fadiga de contacto.
A fadiga por contacto é um modo comum de falha das engrenagens, rolamentos e árvores de cames.
Os materiais ou peças que sofrem fadiga devido a tensões térmicas cíclicas causadas por alterações de temperatura são designados por fadiga térmica.
As mudanças cíclicas de temperatura resultam em mudanças cíclicas no volume do material.
Quando a capacidade do material para se expandir ou contrair livremente é restringida, é gerada uma tensão térmica cíclica ou uma deformação térmica cíclica.
Existem principalmente dois tipos de stress térmico:
A expansão e contração térmicas das peças são afectadas pelos constrangimentos das peças fixas, conduzindo a tensões térmicas.
Na ausência de restrições externas, temperaturas inconsistentes entre as partes de duas peças resultam em expansão e contração térmicas desiguais, resultando em tensão térmica.
As flutuações de temperatura também provocam alterações na estrutura interna do material, reduzindo a sua resistência e plasticidade.
Sob condições de fadiga térmica, a distribuição da temperatura não é uniforme, levando a uma deformação plástica grave, grandes gradientes de temperatura e concentrações de tensão térmica.
Quando a deformação térmica excede o limite elástico, a relação entre a tensão térmica e a deformação térmica deixa de ser linear e deve ser tratada como uma relação elastoplástica.
As fissuras de fadiga térmica começam na superfície e estendem-se para dentro, perpendicularmente à superfície.
A tensão térmica é proporcional ao coeficiente de expansão térmica, sendo que coeficientes maiores conduzem a uma maior tensão térmica.
Por conseguinte, seleção de materiais deve ter em conta a correspondência de materiais, sem que as diferenças nos coeficientes de expansão térmica sejam demasiado grandes.
Sob as mesmas condições de tensão térmica, quanto maior for o módulo de elasticidade do material, maior será a tensão térmica.
Quanto maior for a variação do ciclo de temperatura, ou seja, a diferença entre as temperaturas limite superior e inferior, maior será a tensão térmica.
Quanto mais baixa for a condutividade térmica do material, mais acentuado será o gradiente de temperatura e maior será o stress térmico durante a aceleração ou arrefecimento rápidos.
A fadiga causada pela ação conjunta de um meio de corrosão e de tensões cíclicas é designada por fadiga por corrosão.
Os danos causados pela ação combinada de um meio de corrosão e de uma tensão estática são designados por corrosão sob tensão.
A principal diferença entre as duas é que a corrosão sob tensão só ocorre em ambientes de corrosão específicos, enquanto a fadiga por corrosão pode ocorrer em qualquer ambiente de corrosão sob a influência de tensões cíclicas.
Para a fissuração por corrosão sob tensão, existe um fator crítico de intensidade de tensão conhecido como KISCC. Se o fator de intensidade de tensão KI for inferior ou igual a KISCC, não ocorrerá fissuração por corrosão sob tensão. No entanto, não existe um fator crítico de intensidade de tensão para a fadiga por corrosão e a fratura ocorrerá enquanto houver tensão cíclica num ambiente de corrosão.
A diferença entre a fadiga por corrosão e a fadiga no ar é que, com exceção do aço inoxidável e do aço nitretado, as superfícies das peças mecânicas sujeitas à fadiga por corrosão ficam descoloradas. Além disso, a fadiga por corrosão resulta num grande número de fissuras, em vez de apenas uma. A curva S-N para a fadiga por corrosão não tem uma parte horizontal.
É importante notar que o limite de fadiga por corrosão é apenas condicional e baseia-se numa determinada vida. Os factores que afectam a corrosão resistência à fadiga são mais complexos do que os que afectam a fadiga no ar. Por exemplo, enquanto a frequência do ensaio de fadiga não tem qualquer efeito sobre o limite de fadiga no ar quando é inferior a 1000 Hz, tem um impacto sobre a fadiga por corrosão em toda a gama de frequências.
Quando um material ou componente mecânico falha, a vida útil total é normalmente composta por três partes:
Um número significativo de estudos de engenharia demonstrou que a vida de iniciação de fendas dos componentes mecânicos representa uma grande parte, mesmo até 90%, da vida total à fadiga durante o serviço efetivo.
Na maioria dos casos, quando a profundidade de uma microfissura atinge cerca de 0,1 mm, esta cresce continuamente ao longo da porção do material ou componente.
A fadiga de materiais metálicos inclui principalmente o seguinte:
Com o aumento da tensão média (tensão estatística), a tensão dinâmica anti-fadiga dos materiais diminui.
Para forças com características iguais, quanto maior for a tensão média σm, menor será a amplitude de tensão σa para um determinado tempo de vida.
Devido às exigências das condições de trabalho ou das técnicas de processamento, os componentes têm frequentemente características como degraus, pequenos orifícios, rasgos de chaveta, etc. Estas características causam mudanças abruptas na secção transversal, levando à concentração local de tensões, o que diminui significativamente o limite de fadiga do material.
As experiências mostraram que a redução do limite de fadiga não é diretamente proporcional ao fator de concentração de tensões.
Para prever com exatidão o desempenho à fadiga de componentes mecânicos, é necessário estimar a vida de iniciação de fendas em regiões de elevada tensão ou defeitos de fabrico.
A análise da literatura salienta que é relevante considerar apenas o impacto de tensão residual na resistência à fadiga do metal sob fadiga de alto ciclo. Isto deve-se ao facto de a tensão residual relaxar muito sob a elevada amplitude de deformação da fadiga de baixo ciclo e, por conseguinte, ter pouco efeito na fadiga de baixo ciclo.
A tensão de compressão residual superficial é vantajosa para componentes sujeitos a carga axial e quando a fenda de fadiga tem origem na superfície. No entanto, é importante ter em atenção o problema do relaxamento da tensão residual causado pela cedência da tensão de tração residual na região do núcleo após a aplicação de uma carga externa.
O efeito da tensão residual na resistência à fadiga do entalhe dos componentes é altamente significativo. Isto deve-se ao facto de a tensão residual conter concentração de tensão e ter um maior impacto no crescimento da fenda de fadiga.
No entanto, a concentração de tensões residuais não está apenas relacionada com a geometria do entalhe, mas também com propriedades dos materiais.
O valor limite de fadiga de um material, denotado como σ-1, é normalmente determinado utilizando uma pequena amostra, com um diâmetro que varia tipicamente entre 7 e 12 mm. No entanto, a secção transversal dos componentes reais é frequentemente maior do que este tamanho.
Os ensaios mostraram que o limite de fadiga diminui à medida que o diâmetro do provete aumenta.
Em particular, o limite de fadiga diminui mais rapidamente para o aço de alta resistência do que para o aço de baixa resistência.
A superfície de um componente é propensa a produzir uma fenda de fadiga e a tensão superficial de um componente sob carga de flexão alternada ou de torção alternada é a maior.
A rugosidade da superfície do componente e a presença de marcas de ferramentas de maquinagem podem afetar a sua resistência à fadiga.
Os danos na superfície, tais como marcas de ferramentas ou marcas de desgaste, actuam como um entalhe na superfície, causando concentração de tensões e reduzindo o limite de fadiga.
Quanto maior for a resistência do material, mais sensível é a entalhes e maior é o efeito da qualidade da superfície maquinada no limite de fadiga.
O comportamento à fadiga de materiais metálicos é influenciada pelo ambiente líquido ou gasoso circundante. A "fadiga por corrosão" refere-se à resposta de materiais metálicos ao efeito combinado de um meio corrosivo e de cargas cíclicas, normalmente num ambiente aquoso.
As diferentes condições ambientais, como a fadiga por corrosão, a fadiga a baixa temperatura, a fadiga a alta temperatura e a variação da pressão e da humidade do ar, podem afetar o comportamento à fadiga dos materiais. Em ambientes atmosféricos, os ciclos de falha de um material são normalmente menores do que em ambientes de vácuo, e a vida de iniciação de fissuras em ambientes de vácuo é mais longa.
Quando a peça de trabalho funciona perto da pressão atmosférica crítica (Pcr), a sua vida à fadiga torna-se altamente sensível. A vida à fadiga dos materiais em ambientes atmosféricos, que é geralmente mais baixa do que em ambientes de vácuo, diminui com o aumento da temperatura, acelerando o crescimento de fissuras.
A humidade ambiental tem um impacto significativo na durabilidade do aço ao crómio de alta resistência. O vapor de água, especialmente à temperatura ambiente, pode enfraquecer a resistência à fratura da maioria dos metais e ligas, dependendo do nível de tensão, da relação de carga e de outras condições de carga.
Existe uma forte interação entre a microestrutura e o ambiente, com o ambiente gasoso a afetar a morfologia da fratura e o mecanismo de deslizamento dos deslocamentos. O ambiente também interage com o fecho da fenda, particularmente na região próxima do limiar. O impacto do ambiente depende da morfologia da superfície da fenda, especialmente na direção da profundidade.
A baixas temperaturas, resistência do metal aumenta enquanto a plasticidade diminui. Como resultado, a resistência à fadiga de alto ciclo dos espécimes lisos é mais elevada a baixas temperaturas, mas a resistência à fadiga de baixo ciclo é mais baixa. Para os espécimes entalhados, a tenacidade e a plasticidade diminuem ainda mais. As baixas temperaturas podem ser particularmente prejudiciais para entalhes e fendas, uma vez que o comprimento crítico da fenda de fadiga na fratura diminui acentuadamente.
A "fadiga generalizada a altas temperaturas" refere-se à fadiga que ocorre a temperaturas superiores às normais. Embora algumas peças possam funcionar a temperaturas superiores à temperatura ambiente, a fadiga a altas temperaturas só é observada quando a temperatura excede 0,5 vezes o ponto de fusão (Tm), ou acima da temperatura de recristalização. A estas temperaturas elevadas, ocorrem tanto a fluência como a fadiga mecânica, resultando na fadiga a altas temperaturas.
A ordem do limite de fadiga sob diferentes cargas é: flexão rotativa < flexão plana < carga de compressão < carga de torção.
Num ambiente corrosivo, o impacto da frequência de carga na progressão da fissura é evidente.
À temperatura ambiente e num ambiente de teste, as frequências convencionais (0,1-100 Hz) têm um impacto mínimo no crescimento de fissuras no aço e no latão.
Em geral, se a frequência de carga do ensaio for inferior a 250 Hz, a influência da frequência na vida à fadiga dos materiais metálicos é mínima.
As fissuras têm normalmente origem na superfície, como na soldadura (ilhó), no aço fundido (solto) ou na subsuperfície (grandes inclusões que alteram o campo de tensão local), mas raramente são encontradas no interior.
O início das fissuras também depende do número, tamanho, tipo e distribuição das inclusões, bem como da direção das forças externas aplicadas.
A força de ligação entre as inclusões e a matriz não deve ser negligenciada.
As microfissuras são os defeitos mais perigosos dos materiais, com uma duração de vida de um milhão de ciclos. As microestruturas controlam o tempo de vida dos materiais, com um tempo de vida de mil milhões de ciclos.
Dado que a probabilidade de defeitos em materiais microscópicos é muito maior do que na superfície do material, a probabilidade de iniciação de fissuras sob carga de fadiga de ciclo ultra-alto no material é naturalmente maior do que na superfície.
Os materiais frágeis não sofrem redução de tensão ou endurecimento por trabalho.
Se houver um entalhe, a fratura pode ocorrer sob uma tensão nominal baixa.
Observou-se que quando há um entalhe, o limite de fadiga do metal diminui, com um maior impacto no limite de fadiga em materiais com menor plasticidade.
Tem sido salientado na literatura que o processo de preparação dos provetes de ensaio de fadiga é um fator crítico que contribui para a variabilidade dos resultados dos ensaios.
Por exemplo, os processos de torneamento, fresagem, endireitamento e outros métodos de maquinação têm impacto na qualidade final da preparação do espécime.
Isto deve-se ao facto de o método de preparação e os factores de tratamento térmico poderem afetar o desempenho à fadiga dos materiais, particularmente o tratamento térmico, tornando difícil obter resultados consistentes mesmo com o mesmo lote, tamanho e morfologia dos ensaios.
É evidente que os factores de produção e processamento da peça de trabalho farão com que a vida à fadiga real das peças se desvie do valor de vida esperado calculado através da análise.
A dureza do material é um fator-chave na resistência à fadiga de ciclo elevado (quando N > 106), enquanto a tenacidade é um indicador importante para a fadiga de médio e baixo ciclo.
O aço de alta resistência tem uma baixa tenacidade e, por conseguinte, um baixo desempenho à fadiga em condições de tensão elevada. No entanto, tem uma boa resistência à fadiga em condições de baixa tensão.
O aço de baixa resistência tem um desempenho moderado à fadiga.
Em geral, quanto maior for o módulo de elasticidade, mais lenta será a taxa de crescimento da fissura.
O efeito do tamanho do grão no crescimento da fissura só é significativo em casos extremos (△ K → △ Kth e △ Kmax → △ KC), e tem pouco impacto no crescimento da fissura a média velocidade.
A taxa de propagação está relacionada com a resistência à fratura KIC (ou KC).
É amplamente aceite que o aumento da tenacidade do material diminuirá a taxa de crescimento de fissuras.
A dispersão dos dados do ensaio de fadiga pode ser atribuída ao equipamento de ensaio e à própria amostra.
De acordo com a literatura, um erro de 3% na carga nominal em relação à carga real pode resultar num erro de 60% na vida à fadiga e, em casos extremos, num erro de 120% na vida.
Embora um erro de 3% seja aceitável em máquinas de ensaio de fadiga, nota-se que não há dispersão significativa em ensaios de falha estática, mesmo para materiais com grande dispersão de resistência, como materiais de fundição e vidro.
A variabilidade dos resultados dos ensaios de fadiga é influenciada pelas propriedades do material, incluindo as propriedades inerentes ao material e o processo de preparação e o ambiente externo do ensaio. O processo de preparação, particularmente o tratamento térmico, é o fator mais crítico que conduz à dispersão dos dados.
As inclusões e as partículas de segunda fase nos materiais também contribuem de forma importante para a dispersão dos dados, no entanto, o mecanismo subjacente é ainda desconhecido.
Método de vida segura:
A tensão de projeto é inferior ao limite de fadiga, e considera-se que não existe qualquer defeito na estrutura.
Método de segurança:
A tensão de projeto está relacionada com a resistência residual no caso de defeitos planares, e este método de projeto permite níveis aceitáveis de tais defeitos.
Método da fenda de segurança:
É certo que é permitida a propagação de fissuras que podem ser previstas com certeza.
Método de falha local:
A tecnologia de ensaios de fadiga de ciclo ultra-alto, que surgiu na década de 1990, demonstrou que mesmo pequenos micro-defeitos, tais como inclusão de escória, porosidade e grãos grandes formados por forjamento, podem afetar significativamente a vida à fadiga dos materiais.
Para os materiais de aço, quando não estão disponíveis dados de ensaios de fadiga, pode ser traçada uma curva S-N aproximada com base no limite de resistência à tração do material.
Este método de estimativa, que associa o limite de fadiga à resistência à tração e ao alongamento na rutura do provete, é altamente preciso.
Na análise da fadiga de materiais e estruturas, é essencial confiar nos resultados dos ensaios e não apenas nos cálculos elástico-plásticos para obter dados exactos e fiáveis.
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 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT_BR 
RU 
KO