4 Fases do desenvolvimento da fratura por fadiga

Para um componente com uma fenda inicial de tamanho a0, quando sujeito a cargas estáticas, desde que a tensão de funcionamento (σ) seja inferior à tensão crítica (σc), o componente funcionará de forma segura e fiável sob o nível de tensão estática. A rotura frágil só ocorrerá quando σ=σc ou K1=K1c.

No entanto, se o componente sofrer tensões alternadas com um valor de σ<σc, a fenda inicial a0 aumentará gradualmente de tamanho sob a influência das tensões alternadas. Quando atingir a dimensão crítica de a=ac, o componente tornar-se-á instável e ficará danificado.

O processo de crescimento do tamanho inicial da fenda a0 até ao tamanho crítico ac é designado por crescimento subcrítico da fenda de fadiga ou fase de vida residual da macrofenda a0, conforme ilustrado na Figura 1.

Fig. 1

A vida à fadiga total (N) de um material consiste em duas fases: a vida de iniciação (Ni) e a vida de propagação (Np) desde o crescimento da fenda até à fratura.

O processo de fratura por fadiga é complexa e influenciada por muitos factores, mas pode geralmente ser dividida em quatro fases com base no desenvolvimento de fissuras:

N = N_i + N_p

1. Fase de nucleação da fenda

Quando um componente é sujeito a cargas alternadas e não tem fissuras ou defeitos, mesmo que a tensão nominal seja inferior ao limite de elasticidade do material, a superfície do componente pode ainda assim sofrer deslizamento em áreas localizadas devido ao material irregular.

Isto deve-se ao facto de a superfície do componente se encontrar num estado de tensão plana, tornando-a suscetível de escorregar sem qualquer deformação plástica. Com o tempo, os repetidos processos cíclicos de deslizamento resultam na formação de extrusão de metal e de bandas de deslizamento por extrusão, criando o núcleo para microfissuras.

2. Fase de propagação da microfissura

Uma vez formado o núcleo da fenda, a microfenda propaga-se ao longo da superfície de deslizamento de 45° sob a influência da tensão principal.

Nesta fase, a profundidade da fissura na superfície é muito pequena, apenas cerca de dez microns, e há muitas fissuras ao longo da banda de deslizamento, como se mostra na Figura 2.

Esta é a fase inicial do crescimento da fissura.

3. Fase de crescimento da macrofissura

Esta fase marca a transição das microfissuras para as macrofissuras.

A taxa de crescimento da fenda aumenta e a direção de crescimento é perpendicular à tensão de tração, com uma única fenda a crescer.

É geralmente aceite que o comprimento da fenda no intervalo de 0,01 mm a ac representa a fase de crescimento da macrofenda, também conhecida como a segunda fase de crescimento da fenda.

4. Fase final da fratura

Quando o tamanho da fenda atinge o tamanho crítico ac, a propagação da instabilidade ocorrerá e a fratura ocorrerá rapidamente.

Este é um processo típico de fratura por fadiga para componentes com superfícies lisas e sem fissuras iniciais.

Para materiais de alta resistência, devido à sua elevada limite de elasticidadeEm virtude da elevada sensibilidade aos entalhes e da presença de inclusões internas e de partículas duras, as fissuras formam-se muitas vezes diretamente nos pontos de concentração de tensões macro e as primeiras fissuras surgem ao longo das inclusões e da interface da matriz, dando início à fase de crescimento estável de macrofissuras em vez da fase de crescimento inclinado de microfissuras.

A fase de crescimento de macrofissuras é a fase mais significativa para a análise da fadiga do ponto de vista da mecânica da fratura.