Você já se perguntou por que os materiais falham sob tensão repetida, mesmo quando os níveis de tensão parecem controláveis? Este artigo analisa os seis fatores críticos que afetam as propriedades de fadiga dos materiais. Desde o impacto da tensão média e das formas de carga até a influência do tamanho, do acabamento da superfície, do tratamento da superfície e das condições ambientais, você descobrirá as complexidades que determinam a durabilidade do material. Saiba como esses elementos interagem para prever e aumentar a vida útil dos componentes em aplicações de engenharia. Descubra insights práticos para melhorar a resistência à fadiga em seu próximo projeto.
Fadiga por deformação (fadiga de baixo ciclo): Esse tipo de fadiga ocorre sob altos níveis de tensão e com um número limitado de ciclos. Os danos aos materiais causados pela fadiga por deformação são geralmente regulados pelo valor de deformação aceitável.
Fadiga por estresse (fadiga de alto ciclo): Esse tipo de fadiga ocorre sob baixos níveis de estresse e com um alto número de ciclos. Os materiais são danificados devido à fadiga por tensão, que normalmente é regulada pelo valor de tensão aceitável.
Fadiga secundária: Esse tipo de fadiga ocorre quando o nível de tensão cai abaixo de um determinado valor, fazendo com que a trinca pare de crescer.
As características de fadiga dos materiais são representadas pela relação entre a tensão aplicada (S) e o número de ciclos (N) até a falha.
Sob uma carga de fadiga, o tipo mais simples de espectro de carga é uma tensão cíclica de amplitude constante.
Quando a relação de tensão (R) é igual a -1, a relação tensão-vida, obtida de testes sob carga cíclica simétrica de amplitude constante, representa a curva básica de desempenho de fadiga do material.
O impacto da alteração da taxa de tensão (R) no desempenho da fadiga será discutido posteriormente.
Conforme mostrado na figura acima, o aumento da taxa de tensão R indica que a tensão cíclica média Sm aumenta. E quando a amplitude de tensão Sa é dado, existem:
Sm = (1+R)Sa/(1-R)
Em geral, quando Sa é dado, R aumenta e a tensão média Sm também aumenta.
O aumento da parte de tração na carga cíclica é desfavorável para o início e a propagação de trinca por fadigao que reduzirá a vida útil da fadiga.
A tendência geral da influência da tensão média na curva S-N é mostrada na figura abaixo.
A curva S-N básica é obtida quando a tensão média, Smé igual a zero.
Quando Sm for maior que zero, o que significa que o material está sujeito a uma tensão média de tração, a curva S-N se desloca para baixo. Isso implica que a vida útil do material sob a mesma amplitude de tensão diminui, ou a resistência à fadiga diminui com a mesma vida útil, o que tem um impacto negativo sobre a fadiga.
Quando Sm for menor que zero, o que significa que o material está sujeito a uma tensão média de compressão, a curva S-N se desloca para cima. Isso indica que a vida útil do material sob a mesma amplitude de tensão aumenta, ou a resistência à fadiga aumenta sob a mesma vida útil, e a tensão média de compressão tem um efeito positivo sobre a fadiga.
A relação entre a amplitude da tensão cíclica (Sa) e a tensão média (Sm) é estudado para uma determinada vida (N), e os resultados são mostrados na figura a seguir.
Observa-se que, à medida que a tensão média (Sm) aumenta, a amplitude de tensão correspondente (Sa) diminui. No entanto, deve-se observar que a tensão média (Sm) nunca pode exceder a resistência máxima (Su) do material.
A resistência final (Su) é definida como a resistência à tração final de materiais frágeis com alta resistência ou a resistência ao escoamento de materiais dúcteis.
A figura mostra a relação Sa-Sm do material metálico N=10^7, que é normalizada com o limite de fadiga (S-1) e a resistência máxima (Su).
Assim, a relação Sa-Sm sob a condição de vida igual pode ser descrita da seguinte forma:
(Sa/S-1) + (Sm/Sn) = 1
Essa é a curva parabólica na figura, conhecida como curva de Gerber, e os pontos de dados estão localizados principalmente perto dessa curva.
Outra representação é a linha reta mostrada na figura, que é conhecida como:
n(Sa/S-1) + (Sm/Sn) = 1
A equação mencionada acima é conhecida como linha de Goodman e todos os pontos de teste geralmente estão acima dessa linha.
A forma de linha reta é simples e, para uma determinada vida, a relação Sa-Sm estimada é cautelosa, o que a torna uma escolha popular nas práticas de engenharia.
O limite de fadiga dos materiais apresenta a seguinte tendência para várias formas de carga:
S (flexão)>S (alongamento)>S (torção)
Considerando o mesmo nível de tensão aplicada, o volume da zona de alta tensão em tensão e compressão é igual ao volume total do corpo de prova em teste. Entretanto, no caso de flexão, o volume da zona de alta tensão é significativamente menor.
Falha por fadiga é determinada principalmente por dois fatores: a magnitude da tensão aplicada (uma causa externa) e a capacidade do material de resistir à falha por fadiga (uma causa interna). Normalmente, a falha ocorre em áreas de alta tensão ou em defeitos do material.
Quando a tensão cíclica máxima (Smáximo) na figura é igual, o grande volume de material na área de alta tensão durante os ciclos de tensão e compressão aumenta a probabilidade de defeitos e início de trincas. Portanto, sob o mesmo nível de tensão, a vida útil do corpo de prova sob carga cíclica de tensão-compressão é menor do que sob flexão.
Em outras palavras, para a mesma vida útil, a resistência à fadiga sob ciclos de tensão-compressão é menor do que sob flexão. A vida útil da fadiga diminui ainda mais durante a torção, mas o volume tem pouco impacto.
As diferenças na vida útil da fadiga sob diferentes estados de tensão podem ser explicadas por diferentes critérios de falha, mas não serão discutidas em mais detalhes aqui.
O impacto de diferentes tamanhos de amostras no desempenho da fadiga também pode ser atribuído ao volume variável da zona de alta tensão.
Quando o nível de tensão permanece constante, um tamanho de amostra maior resulta em um volume maior de material na área de alta tensão.
A fadiga ocorre no ponto mais fraco do material dentro da área de alta tensão. Quanto maior o volume, maior a probabilidade de defeitos ou pontos fracos.
Portanto, a resistência à fadiga dos componentes de grande porte é menor do que a das amostras de pequeno porte. Isso significa que, para uma determinada vida útil N, a resistência à fadiga dos componentes de grande porte diminui. Além disso, sob um determinado nível de estresse, a vida útil à fadiga dos componentes de grande porte também diminui.
O conceito de localidade de fadiga deixa claro que uma superfície áspera no corpo de prova leva a um aumento na concentração de tensão local, o que reduz a vida útil do início da trinca.
A curva S-N básica do material é determinada medindo-se a amostra padrão com um bom acabamento, o que é obtido por meio de retificação fina.
Como regra geral, as trincas por fadiga sempre se originam na superfície. Para melhorar o desempenho da fadiga, vários métodos são frequentemente empregados, além de melhorar o acabamento da superfície. Esses métodos têm o objetivo de introduzir uma compressão tensão residual na superfície de alta tensão do componente, com o objetivo de aumentar a vida útil da fadiga.
Se a tensão cíclica for a mostrada na sequência 1-2-3-4, e a tensão média for representada por SmA adição de uma compressão tensão residual Sres resultará em um novo nível de estresse de 1′-2′-3′-4′, que é uma superposição da sequência de estresse original e -Sres. Isso leva a uma redução na tensão média para S'mresultando em um melhor desempenho em termos de fadiga.
Os métodos comuns para aumentar a vida útil dos componentes em caso de fadiga incluem o jateamento de superfície descascamentoA extrusão a frio de peças e a introdução de tensão compressiva residual em sua superfície.
A resistência do material tem um impacto direto sobre seu desempenho em fadiga. A maior resistência do material leva a um menor nível de estresse cíclico e, portanto, a uma vida útil mais longa e a melhores efeitos de extensão da vida útil.
O shot peening é especialmente eficaz em áreas com gradientes de tensão ou concentrações de tensão de entalhe.
Superfície nitretação ou tratamentos de cementação podem melhorar a resistência da superfície do material e induzir tensão residual compressiva, o que contribui para melhorar o desempenho em fadiga.
Os resultados dos testes indicam que os tratamentos de nitretação ou carburação podem dobrar o limite de fadiga do aço. Esse efeito é ainda mais pronunciado em amostras com entalhes.
A curva S-N dos materiais é normalmente obtida em temperatura ambiente e condições atmosféricas.
A fadiga em ambientes corrosivos, como água do mar, ácidos e álcalis, é chamada de fadiga por corrosão.
A presença de meios corrosivos tem um efeito prejudicial sobre a fadiga.
A fadiga por corrosão é um processo complexo que envolve ações mecânicas e químicas e seu mecanismo de falha é complexo.
Há vários fatores que influenciam a fadiga por corrosão, e a tendência geral é a seguinte:
(1) O efeito da frequência do ciclo de carga é significativo. Em ambientes não corrosivos, a frequência tem pouco efeito sobre a curva S-N dos materiais em uma faixa de frequência relativamente ampla (como 200 Hz). Entretanto, em ambientes corrosivos, à medida que a frequência diminui, o tempo experimentado pelo mesmo número de ciclos aumenta, proporcionando tempo suficiente para que a corrosão tenha um impacto significativo no declínio do desempenho da fadiga.
(2) A semi-imersão em meios corrosivos (como a água do mar) é mais desfavorável do que a imersão completa.
(3) Os aços resistentes à corrosão com boa resistência à fadiga por corrosão têm melhor desempenho do que os aços carbono comuns, que apresentam uma redução significativa em seu limite de fadiga, ou até mesmo seu desaparecimento completo, em ambientes corrosivos.
(4) O limite de fadiga dos materiais metálicos geralmente aumenta com a diminuição da temperatura. Entretanto, com a diminuição da temperatura, a resistência à fratura do material também diminui, levando à fragilidade em baixas temperaturas. Quando ocorrem rachaduras, é mais provável que ocorra uma fratura por instabilidade. As altas temperaturas reduzem a resistência dos materiaispodem causar fluência e são desfavoráveis à fadiga. Deve-se observar também que a tensão compressiva residual introduzida para melhorar o desempenho da fadiga também desaparecerá com o aumento da temperatura.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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