Já alguma vez se perguntou porque é que as peças metálicas se partem subitamente sem aviso? Este artigo explora o fascinante mundo da fadiga e fratura do metal. Aprenderá como o stress repetido pode levar a uma falha súbita, os tipos de fracturas por fadiga e estudos de casos reais. Prepare-se para descobrir os perigos escondidos nas máquinas do dia a dia!
É importante notar que a tensão que causa a fratura por fadiga é normalmente de baixa magnitude. Além disso, a fratura por fadiga é frequentemente caracterizada pela sua rapidez, natureza altamente localizada e sensibilidade a vários defeitos.
A fadiga de ciclo elevado refere-se à fadiga que ocorre quando o nível de tensão que actua nas peças ou componentes é baixo e o número de ciclos de falha é superior a 100.000. Exemplos de produtos que normalmente apresentam fadiga de alto ciclo incluem molas, veios de transmissão, e fixadores.
Por outro lado, a fadiga de baixo ciclo refere-se à fadiga com um nível de tensão elevado e um número reduzido de ciclos de falha, normalmente inferior a 10.000 vezes. Um exemplo de fadiga de baixo ciclo é o dano por fadiga de vasos de pressão e peças de turbinas.
A fadiga por deformação refere-se à fadiga de baixo ciclo com tensão elevada e tempos de ciclo curtos.
Por outro lado, a fadiga por tensão é caracterizada por uma tensão baixa e tempos de ciclo elevados e é conhecida como fadiga de ciclo elevado.
Na prática, pode ser muitas vezes difícil diferenciar entre fadiga por tensão e fadiga por deformação.
Ambos os tipos podem ocorrer simultaneamente, o que é designado por fadiga composta.
Fadiga por flexão, fadiga por torção, fadiga por tensão e compressão, fadiga por contacto, fadiga por vibração, fadiga por atrito.
Macroscopicamente, o processo de fissuração pode ser dividido em três fases: origem da fissura, zona de propagação e zona de fratura transitória.
A origem da fenda refere-se à área na superfície com ranhuras, defeitos ou concentrações de tensão que servem como condição prévia para o início da fenda.
A zona de propagação da fadiga é caracterizada por uma secção relativamente plana onde a propagação da fadiga ocorre perpendicularmente à direção da tensão, resultando na formação de arcos de fadiga distintos, também conhecidos como marcas de praia ou marcas de concha.
A zona de fratura instantânea é onde a fenda de fadiga se estende rapidamente para resultar numa fratura instantânea. A superfície da fratura apresenta marcas de deslizamento do metal e, em alguns casos, pode haver riscas radioactivas e áreas de lábio de cisalhamento.
Microscopicamente, a caraterística típica da fratura por fadiga é o aparecimento de estrias de fadiga. Além disso, fenómenos de clivagem e quase-clivagem (termos utilizados em cristalografia para descrever pequenos planos vistos em imagens microscópicas) e características microestruturais como covinhas também podem estar presentes em algumas amostras microscópicas.
(1) A fratura por fadiga é caracterizada pela ausência de deformação plástica macroscópica óbvia durante o processo de fratura e, normalmente, não há sinais de aviso antes da fratura. Este facto conduz frequentemente à falha súbita e prejudicial de peças mecânicas.
(2) A tensão que provoca a fratura por fadiga é geralmente baixa, frequentemente inferior à carga de tensão necessária para atingir a limite de elasticidade em condições de carga estática.
(3) Após uma falha por fadiga, é comum observar evidências claras das zonas de iniciação, propagação e fratura final da fenda na superfície da fratura.
Um motociclo numa fábrica teve uma falha mecânica depois de percorrer 2.000 km. Após a desmontagem e inspeção, descobriu-se que a biela da cambota do motor se tinha partido.
A biela, feita de 20CrMnTi, foi cementada na superfície. O princípio de funcionamento da biela está representado na Figura 1, em que o seu movimento recíproco acciona a rotação de duas cambotas de acionamento.
20CrMnTi é uma liga de aço estrutural com um teor de carbono de aproximadamente 0,2%, teor de manganês de aproximadamente 1% e teor de titânio de aproximadamente 1%. Este material é normalmente utilizado para componentes de veios e requer cementação.
Fig. 1
A biela avariada apresentava duas fracturas. No ressalto do rolamento na extremidade da fratura da biela, são visíveis muitas fissuras paralelas à fratura [Figura 3 (a)]. Um dos lados da extremidade da fratura apresenta um forte traço de fricção [Figura 3 (b)], com uma profundidade de desgaste de 0,5 mm. Adicionalmente, pode ser visto um traço de oxidação azul-acinzentado a alta temperatura numa extremidade do arco do rolamento perto do lado da fricção [Figura 3 (c)].
A fratura 1 é relativamente lisa e plana com um bordo desgastado, e o arco de fadiga é visível no meio [Figura 3 (d)]. No entanto, não foi encontrado nenhum arco de fadiga na fratura 2.
Fig. 2
Fig. 3
A Figura 4 (a) na Fratura 1 mostra um arco de fadiga sob um microscópio eletrónico de varrimento. A tendência do arco permite a determinação da origem da fadiga.
A fonte de fadiga está localizada no canto superior direito da Figura 4 (d). A ampliação local revela que a maioria dos tecidos finos na área da fonte foram sujeitos a desgaste, embora a caraterística da aresta radial ainda seja visível (Figura 4 (b)).
A Figura 4 (c) mostra riscas de fadiga e fissuras secundárias na zona de crescimento por fadiga.
Em contraste, a fratura 2 apresenta covinhas mas não apresenta riscas de fadiga. Pode deduzir-se que a fratura 1 é a fratura primária e a fratura 2 é uma fratura secundária.
Fig. 4
Recolher amostras do corpo da biela e analisar a sua composição química, incluindo a fração mássica (%).
Os resultados da análise estão em conformidade com os requisitos de composição química especificados em GB/T3077-1999 para 20CrMnTi.
Com base nos resultados da inspeção, a composição química do material da peça avariada cumpre os requisitos técnicos. No entanto, a extremidade quebrada da biela apresenta fricção severa num dos lados.
Uma análise da extremidade do arco da chumaceira, perto da superfície de fricção, revelou a presença de uma película de óxido cinzento-azulado, que é uma mistura de óxido de ferro preto (Fe3O4) e óxido de ferro vermelho (Fe2O3) formado a temperaturas acima de 400 ℃. Isso indica que o atrito entre a biela e o veio de saída provocou um sobreaquecimento nesta zona.
A análise SEM da superfície da fratura mostra que a origem da fenda de fadiga se encontrava no canto perto da película de óxido, na região de alta temperatura. A combinação da oxidação da superfície e da alta temperatura aumenta a probabilidade de geração de fissuras e de danos por fluência.
Além disso, o atrito leva a uma superfície metálica rugosa, que pode causar concentração de tensões na superfície e aumentar a possibilidade de fadiga. A origem da fratura ocorre frequentemente no ponto de tensão máxima de tração.
De acordo com a análise das forças que actuam na biela, a maior tensão de tração está presente na secção 1 da fratura, tornando-a suscetível à formação de fissuras perto do canto da superfície de fricção. A presença de carbonetos grosseiros nesta zona agrava o problema, uma vez que perturba a continuidade da estrutura da matriz, acelera a formação e a propagação de fissuras, reduz a resistência à fadigae, eventualmente, conduz à fratura por fadiga.
Os carbonetos excessivos na superfície cementada da biela são o resultado de um processo de cementação incorreto. A formação de carbonetos grosseiros e em bloco deve-se principalmente à elevada concentração de carbono, que é mais provável ocorrer nos cantos afiados da peça de trabalho, reduzindo assim significativamente a sua vida útil.
Para evitar a formação de carbonetos grosseiros, é fundamental controlar rigorosamente o potencial de carbono da atmosfera de cementação durante o processo de cementação. Isto ajudará a evitar um potencial de carbono excessivo, que leva à formação de carbonetos grosseiros na superfície da peça de trabalho.
A fratura da biela da cambota é o resultado de uma fratura por fadiga. A causa da fratura deve-se à forte fricção sofrida pela biela durante a utilização, que resulta numa concentração local de tensões e em temperaturas elevadas, reduzindo a resistência à fadiga do material. A presença de carbonetos de grandes dimensões e em blocos nos cantos da superfície da biela acelerou ainda mais o crescimento e a propagação das fissuras.
A redução da rugosidade das peças de fricção durante a fase de projeto pode reduzir a concentração de tensões e melhorar a resistência à fadiga das peças. Isto também ajudará a reduzir as temperaturas elevadas causadas pelo atrito e a diminuir o risco de danos por fluência.
Para melhorar o processo de cementação, é importante abordar a formação de carbonetos excessivos na superfície cementada da biela, que é causada por um processo de cementação incorreto. Os carbonetos grosseiros e em blocos são principalmente o resultado de uma elevada concentração de carbono, que é mais provável que se forme nos cantos afiados da peça de trabalho e diminua significativamente a sua vida útil.
Por conseguinte, o controlo rigoroso do potencial de carbono da atmosfera de cementação durante o processo de cementação é essencial para evitar a formação de carbonetos grosseiros na superfície da peça de trabalho devido a um potencial de carbono excessivo.
Muitas vezes é difícil modificar as condições de serviço das peças, pelo que é essencial otimizar ao máximo a conceção das peças, começando pelos efeitos de superfície.
Ao evitar a concentração de tensões superficiais em materiais estruturais e peças mecânicas, a acumulação de deslizamento de deslocação é impedida e a deformação plástica é contida. Isto torna mais difícil a formação e o crescimento de fissuras de fadiga, aumentando o limite de fadiga ou a resistência à fadiga.
No projeto, é aconselhável evitar cantos quadrados ou afiados, buracos e ranhuras. Nos casos em que o tamanho da secção muda subitamente, como no ombro de um veio escalonado, recomenda-se a utilização de um filete de transição com um raio suficiente para reduzir a concentração de tensões.
Se o aumento do raio do filete de transição não for viável devido a restrições estruturais, podem ser cortadas ranhuras mais finas ou cortes inferiores no veio de maior diâmetro.
Existe uma concentração significativa de tensões na extremidade da superfície de encaixe do cubo e do veio. Para melhorar esta situação, pode ser cortada uma ranhura de alívio de carga no cubo e a parte de encaixe do veio pode ser engrossada para reduzir a diferença de rigidez entre o cubo e o veio, reduzindo a concentração de tensões na extremidade da superfície de encaixe.
Em soldaduras de fileteA soldadura com ranhura resulta numa concentração de tensões muito melhor do que a soldadura sem ranhura.
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Para reforçar a camada superficial dos componentes, são utilizados métodos mecânicos como a laminagem e o tiro descasque podem ser utilizados. Estes métodos formam uma camada de tensão de pré-compressão na superfície do componente, reduzindo a tensão de tração da superfície que é propensa à formação de fissuras e melhorando a resistência à fadiga. Outros métodos, como o tratamento térmico e o tratamento químico, como a têmpera de alta frequência, a cementação e a nitretaçãotambém pode ser utilizado.
A granalhagem envolve a utilização de pequenas esferas de aço com um diâmetro de 0,1-1 mm para impactar a superfície da amostra a alta velocidade, removendo cantos afiados, rebarbas e outras concentrações de tensão. A superfície é comprimida até uma profundidade de 1/4-1/2 do diâmetro da esfera de aço, gerando tensão residual na superfície da peça e restringindo o crescimento de fissuras por fadiga.
Granalhagem
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.
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