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!
Fadiga: A fadiga é o dano estrutural progressivo e localizado que ocorre em materiais sujeitos a cargas cíclicas. Envolve o início e a propagação de fissuras microscópicas sob níveis de tensão significativamente abaixo do limite de elasticidade do material.
Fratura por fadiga: A fratura por fadiga é a falha final de um material ou componente devido ao efeito cumulativo de tensões ou deformações cíclicas. Este fenómeno ocorre em três fases distintas:
As principais características da fratura por fadiga incluem:
A fadiga de alto ciclo (HCF) ocorre quando os componentes são submetidos a níveis de tensão relativamente baixos, resultando em falha após mais de 105 ciclos. Este tipo de fadiga está tipicamente associado à deformação elástica e é comum em componentes como molas, veios de transmissão e fixadores. A HCF é caracterizada por uma deformação plástica mínima e é frequentemente regida por abordagens baseadas em tensões no projeto e na análise.
A fadiga de baixo ciclo (LCF), pelo contrário, envolve níveis de tensão elevados que conduzem à falha em 104 ciclos ou menos. A FCL é predominante em componentes que experimentam uma deformação plástica significativa durante cada ciclo de carga, como vasos de pressão, pás de turbinas e componentes de reactores nucleares. Este tipo de fadiga é tipicamente analisado utilizando abordagens baseadas na deformação, devido à pronunciada deformação plástica envolvida.
A análise da fadiga baseada na deformação está principalmente associada à LCF, onde a deformação plástica domina. Esta abordagem considera componentes de deformação elástica e plástica e é crucial para materiais que exibem plasticidade cíclica significativa.
A análise de fadiga baseada em tensões é geralmente aplicada a cenários de HCF, onde as tensões permanecem predominantemente na gama elástica. Este método é adequado para componentes concebidos para funcionar abaixo do limite de elasticidade do material.
Na prática, a distinção entre fadiga baseada em tensões e fadiga baseada em deformações pode ser pouco clara, especialmente na região de transição entre HCF e LCF (normalmente 104 a 105 ciclos). Muitos componentes de engenharia experimentam uma combinação de ambos os regimes, conduzindo ao que é designado por fadiga composta. Nestes casos, podem ser necessários métodos analíticos avançados que incorporem abordagens de tensão e deformação para uma previsão exacta da vida útil.
A fadiga pode ainda ser classificada com base na natureza das cargas aplicadas:
Macroscopicamente, o processo de fratura por fadiga pode ser dividido em três fases distintas: iniciação da fenda, propagação da fenda e fratura final.
A fase de iniciação da fenda ocorre em locais de concentração de tensões, tais como imperfeições superficiais, entalhes ou descontinuidades metalúrgicas. Estes actuam como pontos de nucleação para a formação de microfissuras sob condições de carga cíclica.
A zona de propagação da fenda é caracterizada por uma superfície relativamente lisa e plana, perpendicular à direção da tensão principal. Esta zona apresenta estrias de fadiga distintas, também conhecidas como marcas de praia ou marcas de progressão. Estes padrões concêntricos irradiam para o exterior a partir do local de iniciação, indicando um crescimento incremental da fenda em cada ciclo de carga.
A zona de fratura final representa a área onde ocorre o crescimento rápido e instável de fendas, levando à falha súbita do componente. Esta região apresenta normalmente uma textura mais rugosa com características como covinhas (em materiais dúcteis) ou facetas de clivagem (em materiais frágeis). Podem estar presentes lábios de cisalhamento nas extremidades, indicando deformação plástica localizada.
Microscopicamente, a marca da fratura por fadiga é a presença de estrias de fadiga, visíveis sob grande ampliação. Estas linhas finas e paralelas representam a posição da frente da fenda após cada ciclo de tensão. Adicionalmente, dependendo do material e das condições de carga, podem ser observadas outras características microestruturais:
A compreensão destas características macro e microscópicas é crucial para a análise de falhas, uma vez que fornecem informações valiosas sobre o historial de carga, as condições ambientais e o comportamento do material durante o processo de fadiga.
(1) A fratura por fadiga distingue-se pela ausência de deformação plástica macroscópica significativa durante o processo de rutura. Esta caraterística resulta frequentemente na falha súbita e catastrófica de componentes mecânicos sem sinais de aviso prévio. A ausência de deformação visível torna as falhas por fadiga particularmente insidiosas, uma vez que podem ocorrer sem qualquer indicação aparente de falha iminente, conduzindo a avarias inesperadas e potencialmente perigosas em máquinas ou estruturas críticas.
(2) Os níveis de tensão cíclica que causam a fratura por fadiga são normalmente muito inferiores ao limite de elasticidade do material em condições de carga estática. Este fenómeno é atribuído ao mecanismo de dano cumulativo da fadiga, em que as fissuras microscópicas se iniciam e propagam sob cargas repetidas, mesmo em tensões que seriam consideradas seguras em aplicações estáticas. O limite de fadiga ou limite de resistência, que representa o nível de tensão abaixo do qual é improvável a ocorrência de falha por fadiga num determinado número de ciclos, é frequentemente utilizado no projeto para mitigar este risco.
(3) O exame pós-falha das superfícies de fratura por fadiga revela zonas distintas que fornecem informações valiosas sobre o processo de falha. Estas zonas incluem tipicamente:
a) Zona de iniciação da fenda: Frequentemente caracterizada por uma região lisa e semicircular onde se origina a fenda de fadiga, normalmente num ponto de concentração de tensões ou num defeito do material.
b) Zona de propagação da fenda: Apresenta marcas de praia ou estrias características, que representam o crescimento gradual da fenda em cada ciclo de carga. O espaçamento e o padrão destas marcas podem indicar o historial de carga e a taxa de crescimento da fenda.
c) Zona de fratura final: Apresenta um aspeto rugoso e irregular, muitas vezes com evidência de fratura dúctil ou frágil, dependendo das propriedades do material. Esta zona representa a falha rápida da secção transversal remanescente quando esta já não consegue suportar a carga aplicada.
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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