Você já se perguntou por que algumas peças de metal falham inesperadamente? A resistência à fadiga, um fator crítico na engenharia mecânica, é a resposta. Neste artigo perspicaz, vamos nos aprofundar no fascinante mundo da resistência à fadiga e explorar os vários fatores internos e externos que a influenciam. Descubra como a compreensão desses fatores pode revolucionar o projeto, a seleção de materiais e os processos de fabricação de componentes de alto desempenho. Prepare-se para desvendar os segredos por trás da longevidade e da confiabilidade das peças metálicas!
A resistência à fadiga dos materiais é altamente sensível a vários fatores internos e externos.
Os fatores externos incluem a forma, o tamanho, o acabamento da superfície e as condições de serviço da peça, enquanto os fatores internos incluem a composição, a microestrutura, a pureza e a tensão residual do material.
Uma pequena alteração nesses fatores pode causar flutuações ou mudanças significativas no desempenho de fadiga do material. Entender o impacto de vários fatores sobre a resistência à fadiga é fundamental na pesquisa sobre fadiga.
Essa pesquisa fornece uma base para o projeto estrutural adequado das peças, a seleção apropriada de materiais e a implementação eficaz de tecnologias de processamento a frio e a quente, garantindo que as peças tenham alto desempenho em fadiga.
Aqui está o conteúdo em forma de tabela:
| Fator | Descrição |
|---|---|
| Concentração de estresse | A concentração de tensão é uma das principais causas de falha por fadiga em materiais. Ela pode ser evitada com a otimização da forma, a seleção de raios de transição suaves e o uso de métodos de usinagem de precisão para melhorar a qualidade da superfície dos componentes. |
| Fator de tamanho | Quanto maior for o tamanho do material, mais difícil será o controle do processo de fabricação, resultando em menor densidade e uniformidade da organização do material e mais defeitos metalúrgicos, o que afeta a resistência à fadiga. |
| Estado de processamento da superfície | O estado de processamento da superfície, como a rugosidade da superfície e as marcas da ferramenta de usinagem, afeta a resistência à fadiga. Os danos à superfície podem causar concentração de tensão e reduzir o limite de fadiga. |
| Composição química | A composição química tem um impacto significativo na resistência à fadiga. Por exemplo, os tratamentos térmicos de superfície, como a cementação e a nitretação, podem melhorar a resistência à fadiga do material na superfície da peça. |
| Tratamento térmico | O tratamento térmico adequado pode melhorar o desempenho de fadiga dos materiais. Por exemplo, a têmpera de alta frequência, a cementação, a cianetação e a nitretação podem melhorar a resistência à fadiga das molas. |
| Fatores ambientais | A umidade do ambiente tem um impacto significativo sobre a durabilidade do aço cromo de alta resistência, e o vapor de água tem um efeito adverso sobre a resistência à fratura da maioria dos metais e ligas. |
| Defeitos metalúrgicos | Defeitos metalúrgicos, como a presença de inclusões, afetam a resistência à fadiga. As inclusões frágeis (como óxidos, silicatos, etc.) representam um risco significativo para o desempenho de fadiga do aço. |
| Corrosão | A corrosão também é um fator importante que afeta a resistência à fadiga, e as medidas anticorrosão precisam ser consideradas no processo de projeto e fabricação. |
| Microestrutura | Ao submeter materiais metálicos à deformação plástica severa (SPD), é possível produzir microestruturas como grãos ultrafinos (UFG) e grãos nanocristalinos (NG), o que pode melhorar a resistência à fadiga dos materiais. |
| Carga e ambiente | Os testes de fadiga podem ser divididos em testes de fadiga em temperatura ambiente, testes de fadiga em alta temperatura, testes de fadiga em baixa temperatura, etc., de acordo com a carga e o ambiente. Diferentes condições de trabalho têm efeitos diferentes sobre a resistência à fadiga. |
O método convencional de medir a resistência à fadiga envolve o uso de amostras lisas cuidadosamente processadas.
Entretanto, na realidade, as peças mecânicas geralmente têm várias formas de folgas, como degraus, rasgos de chaveta, roscas e orifícios para óleo.
Esses entalhes resultam em concentração de tensão, fazendo com que a tensão máxima real na raiz do entalhe seja muito maior do que a tensão nominal da peça.
Como resultado, o falha por fadiga da peça geralmente se inicia a partir desses entalhes.
Fator teórico de concentração de tensão Kt:
Em condições elásticas ideais, a relação entre a tensão máxima real e a tensão nominal na raiz do entalhe é calculada com base na teoria elástica.
Fator de concentração de tensão efetiva (ou fator de concentração de tensão por fadiga) Kf:
O limite de fadiga dos espécimes lisos (σ-1) e o limite de fadiga dos espécimes entalhados (σ-1n) são avaliados.
O fator de concentração de tensão efetivo é afetado não apenas pelo tamanho e pela forma do componente, mas também pelas propriedades físicas, pelo processamento, pelo tratamento térmico e por outros fatores do material.
O fator de concentração de tensão efetivo aumenta com o aumento da nitidez do entalhe, mas normalmente é menor do que o fator de concentração de tensão teórico.
Coeficiente de sensibilidade de entalhe por fadiga q:
O coeficiente de sensibilidade ao entalhe por fadiga representa a sensibilidade do material ao entalhe por fadiga e é calculado pela seguinte fórmula:
O intervalo do valor de q está entre 0 e 1. Quanto menor o valor de q, menos sensível é o material que está sendo caracterizado ao entalhe.
Foi demonstrado que q não é apenas uma constante para o material, mas também depende do tamanho do entalhe.
O valor de q só é considerado independente do entalhe quando o raio do entalhe é maior do que um valor específico, que varia para diferentes materiais ou estados de tratamento.
A não homogeneidade da estrutura do material e a presença de defeitos internos resultam em uma maior probabilidade de falha à medida que o tamanho do material aumenta, diminuindo assim seu limite de fadiga.
O fenômeno do efeito do tamanho é um problema significativo ao extrapolar dados de fadiga de pequenas amostras de laboratório para peças práticas maiores.
Não é possível replicar a concentração de tensão e o gradiente de tensão de peças de tamanho real em amostras pequenas, o que leva a uma desconexão entre os resultados obtidos no laboratório e os resultados obtidos no mercado. falha por fadiga de determinadas partes específicas.
A superfície usinada sempre contém marcas de usinagem irregulares, que funcionam como pequenas lacunas, levando à concentração de tensão na superfície do material e reduzindo sua resistência à fadiga.
Pesquisas mostram que, para aço e ligas de alumínioSe a usinagem de desbaste (torneamento de desbaste) for realizada com um polimento longitudinal, o limite de fadiga é reduzido em 10% a 20% ou mais.
Os materiais com maior resistência são mais sensíveis ao acabamento da superfície.
Na realidade, nenhuma peça opera sob uma amplitude de tensão estritamente constante.
A sobrecarga e as cargas secundárias podem afetar o limite de fadiga dos materiais.
Estudos mostram que os danos por sobrecarga e o treinamento de carga secundária são predominantes nos materiais.
O dano por sobrecarga refere-se a uma diminuição no limite de fadiga de um material depois que ele foi submetido a um determinado número de ciclos sob uma carga maior do que seu limite de fadiga.
Quanto maior for o nível de sobrecarga, mais rápido ocorrerá o ciclo de danos, conforme ilustrado na figura abaixo.
Limite de danos por sobrecarga
Em determinadas condições, um número limitado de instâncias de sobrecarga pode não causar danos ao material.
Devido aos efeitos do reforço da deformação, da passivação da ponta da trinca e da tensão compressiva residual, o material também é reforçado, melhorando assim seu limite de fadiga.
Portanto, a ideia de dano por sobrecarga deve ser revisada e modificada.
O fenômeno da formação de carga secundária refere-se a um aumento no limite de fadiga de um material após um determinado número de ciclos sob tensão que está abaixo do limite de fadiga, mas acima de um determinado valor limite.
O impacto do treinamento de carga secundária depende das propriedades do próprio material.
Em geral, os materiais com boa plasticidade devem ter um ciclo de treinamento mais longo e ser submetidos a uma tensão de treinamento maior.
A resistência à fadiga e a resistência à tração têm uma forte correlação sob determinadas condições.
Consequentemente, sob condições específicas, qualquer elementos de liga que aumentam a resistência à tração também podem melhorar a resistência à fadiga do material.
Entre os vários fatores, o carbono tem o impacto mais significativo sobre a resistência dos materiais.
No entanto, algumas impurezas que se formam inclusões em aço pode ter um efeito negativo sobre a resistência à fadiga.
O efeito do tratamento térmico na resistência à fadiga é, em grande parte, o efeito da microestrutura, já que diferentes tratamentos térmicos resultam em diferentes microestruturas.
Embora a mesma composição de materiais possa atingir a mesma resistência estática por meio de vários tratamentos térmicos, sua resistência à fadiga pode variar muito devido às diferentes microestruturas.
Em um nível de resistência semelhante, a resistência à fadiga da perlita em flocos é visivelmente menor do que a da perlita granular.
Quanto menores forem as partículas de cementita, maior será a resistência à fadiga.
O impacto da microestrutura na propriedades de fadiga de materiais não está relacionado apenas às propriedades mecânicas de várias estruturas, mas também ao tamanho do grão e às características de distribuição das estruturas na estrutura composta.
O refinamento de grãos pode aumentar a resistência à fadiga do material.
A presença de inclusões ou orifícios criados por elas pode atuar como pequenos entalhes, causando concentração de tensão e deformação sob carga alternada, e se tornar a fonte de fraturas por fadiga, afetando negativamente o desempenho de fadiga dos materiais.
O impacto das inclusões na resistência à fadiga depende de vários fatores, incluindo o tipo, a natureza, a forma, o tamanho, a quantidade e a distribuição das inclusões, bem como o nível de resistência do material e o estado e o nível da tensão aplicada.
Diferentes tipos de inclusões têm propriedades mecânicas e físicas exclusivas, e seu efeito sobre propriedades de fadiga varia. As inclusões plásticas, como sulfetos, tendem a ter pouco impacto sobre as propriedades de fadiga do aço, enquanto as inclusões frágeis, como óxidos e silicatos, têm um efeito adverso significativo.
As inclusões com um coeficiente de expansão maior do que a matriz, como sulfetos, têm menos impacto devido à tensão de compressão na matriz, enquanto as inclusões com um coeficiente de expansão menor do que a matriz, como a alumina, têm um impacto maior devido à tensão de tração na matriz. A compactação da inclusão e do metal de base também afeta a resistência à fadiga.
O tipo de inclusão também pode influenciar seu impacto. Os sulfetos, que são fáceis de deformar e bem combinados com o metal base, têm menos impacto, enquanto os óxidos, nitretos e silicatos, que são propensos a se separar do metal base, resultam em concentração de tensão e têm um efeito adverso maior.
O impacto das inclusões nas propriedades de fadiga dos materiais varia em diferentes condições de carga. Sob carga alta, a carga externa é suficiente para induzir o fluxo plástico no material, independentemente da presença de inclusões, e seu impacto é mínimo.
Entretanto, na faixa de tensão limite de fadiga do material, a presença de inclusões causa concentração de tensão local e se torna o fator de controle da deformação plástica, afetando significativamente a resistência à fadiga.
Em outras palavras, as inclusões afetam principalmente o limite de fadiga do material e têm pouco efeito sobre a resistência à fadiga em condições de alta tensão. Para melhorar o desempenho de fadiga dos materiais, os métodos de purificação de fundição, como fundição a vácuo, desgaseificação a vácuo e eletroslag refusão, pode ser usado para reduzir efetivamente o teor de impurezas no aço.
Além do acabamento da superfície mencionado anteriormente, a influência do estado da superfície também inclui alterações nas propriedades mecânicas da superfície e o efeito de tensão residual na resistência à fadiga.
A alteração das propriedades mecânicas da camada superficial pode ser devida à composição química e à microestrutura diferentes da camada superficial ou ao fortalecimento da deformação da superfície.
Tratamentos térmicos de superfície, como carburização, nitretaçãoe carbonitretação, podem não apenas aumentar a resistência ao desgaste dos componentes, mas também melhorar sua resistência à fadiga, principalmente à fadiga por corrosão e à corrosão por pite.
O impacto do tratamento térmico químico da superfície sobre a resistência à fadiga depende muito do modo de carregamento, da concentração de carbono e nitrogênio na camada, da dureza e do gradiente da superfície, da relação entre a dureza da superfície e a dureza do núcleo, da profundidade da camada e do tamanho e da distribuição da tensão de compressão residual formada durante o tratamento. tratamento de superfície.
Diversos testes demonstraram que, desde que um entalhe seja usinado primeiro e depois tratado com tratamento térmico químico, de modo geral, quanto mais nítido for o entalhe, maior será a melhoria na resistência à fadiga.
O efeito do tratamento de superfície nas propriedades de fadiga varia de acordo com o modo de carregamento.
Sob carga axial, não há distribuição desigual de tensão ao longo da profundidade da camada, o que significa que a tensão na superfície e abaixo da camada é a mesma.
Nesse cenário, o tratamento de superfície só pode melhorar o desempenho da fadiga da camada de superfície, já que o material do núcleo não é reforçado, limitando assim a melhoria da resistência à fadiga.
Sob condições de flexão e torção, a tensão é concentrada na camada superficial e a tensão residual do tratamento de superfície e da tensão externa são sobrepostos, reduzindo a tensão real na superfície.
Ao mesmo tempo, o reforço do material da superfície melhora a resistência à fadiga sob condições de flexão e torção.
Em contrapartida, os tratamentos térmicos químicos, como cementação, nitretação e carbonitretação, podem reduzir muito a resistência à fadiga do material se a resistência da superfície do componente for reduzida devido a descarburação durante o tratamento térmico.
Da mesma forma, a resistência à fadiga dos revestimentos de superfície, como Cr e Ni, diminui devido ao efeito de entalhe causado por rachaduras nos revestimentos, à tensão de tração residual causada pelos revestimentos no metal de base e à fragilização por hidrogênio causada pela absorção de hidrogênio durante o processo de galvanoplastia.
A têmpera por indução, a têmpera por chama na superfície e a têmpera em casca de aço de baixa temperabilidade podem resultar em uma certa profundidade da camada de dureza da superfície e formar uma tensão compressiva residual favorável na camada da superfície, tornando-a um método eficaz para melhorar a resistência à fadiga dos componentes.
Laminação de superfície e injeção descascamento também pode criar uma certa profundidade de camada de endurecimento por deformação na superfície dos corpos de prova e produzir tensão compressiva residual, o que também é uma forma eficaz de aumentar a resistência à fadiga.
A melhoria da resistência à fadiga dos materiais por meio da otimização das condições de processamento da superfície pode ser obtida de várias maneiras:
Introdução da tensão compressiva residual: Perto do final do processamento do componente, métodos como shot peening são usados para introduzir uma certa magnitude e profundidade de tensão compressiva. Isso pode melhorar efetivamente a integridade da superfície e aumentar a vida útil e a resistência à fadiga. É amplamente aceito que a tensão compressiva residual é um mecanismo de fortalecimento essencial para aumentar a resistência à fadiga e à corrosão por tensão dos materiais de engenharia.
Otimização da deformação da superfície: A busca do endurecimento do processamento em nanoescala pode sacrificar a ductilidade em favor da resistência, mas acelera a propagação de trincas, o que é prejudicial à fadiga. Portanto, a busca excessiva do efeito de endurecimento da deformação da superfície deve ser evitada para impedir impactos adversos no desempenho da fadiga.
Reforço de rolagem: Como uma das técnicas mecânicas de reforço de superfície, o processo de reforço por laminação pode melhorar efetivamente o desempenho de fadiga, a resistência ao desgaste, a resistência à corrosão e a tolerância a danos dos materiais. Essa técnica foi aplicada a tratamentos de modificação de superfície, como os de lâminas de motores de aeronaves.
Tecnologias de modificação de superfície: Por meio de tecnologias de modificação de superfície, a dureza da superfície do material, a resistência ao desgaste e a resistência à corrosão podem ser aprimoradas e, ao mesmo tempo, reduzir a probabilidade de danos por fadiga. A otimização da integridade do material pode reduzir os defeitos internos e a tensão residual, melhorando, assim, seu desempenho em fadiga.
Influência do tratamento térmico e da microestrutura: Diferentes estados de tratamento térmico produzem diferentes microestruturas, de modo que o efeito do tratamento térmico na resistência à fadiga é essencialmente a influência da microestrutura. Ao controlar o processo de tratamento térmico, é possível obter uma microestrutura mais propícia ao aumento da resistência à fadiga.
O impacto específico da umidade ambiental sobre a resistência à fadiga de diferentes materiais reflete-se principalmente nos seguintes aspectos:
No caso do aço cromo de alta resistência, a umidade ambiental tem um impacto significativo em sua durabilidade. Em determinadas condições de umidade e calor, a vida útil do material à fadiga é afetada, acelerando a propagação de trincas.
O desempenho da fadiga dos materiais metálicos também é afetado pelo ambiente ao redor, especialmente no caso da fadiga por corrosão. Isso se refere à resposta dos materiais metálicos sob os efeitos interativos do meio corrosivo e das cargas cíclicas, geralmente usados para descrever o comportamento de fadiga dos materiais em ambientes aquosos.
Estudos sobre o desempenho de fadiga por tração de laminados compostos de fibra de carbono em diferentes condições ambientais (como temperatura ambiente seca, baixa temperatura seca e alta temperatura úmida) indicam que ambientes úmidos e quentes são um dos principais fatores que afetam as propriedades mecânicas desses materiais compostos.
A pesquisa sobre a tendência de degradação e o mecanismo do desempenho de fadiga do CFRP (polímero reforçado com fibra de carbono) em um ambiente úmido e quente mostra que essas condições causam diferentes formas e graus de danos à matriz, às fibras e à interface fibra-matriz do CFRP, levando à degradação das propriedades mecânicas do CFRP.
Em um ambiente de 60°C/95% RH, o desempenho de fadiga das juntas adesivas de CFRP/liga de alumínio diminui com o aumento do tempo de envelhecimento, e o declínio na resistência à fadiga é mais perceptível nos estágios iniciais do envelhecimento.
Estudos descobriram que ambientes úmidos têm um impacto significativo sobre o mecanismo e o grau de dano por fadiga. Quanto maior a umidade relativa, mais grave é o dano por fadiga.
Os efeitos da corrosão na resistência à fadiga de metais e ligas sob diferentes condições ambientais são refletidos principalmente nos seguintes aspectos:
Impacto da pré-corrosão: A pré-corrosão pode afetar significativamente a curva S-N de fadiga e o comportamento de iniciação de trincas por fadiga das ligas de alumínio, mas não tem impacto sobre o comportamento de propagação de trincas. A vida útil do início da trinca após a pré-corrosão é responsável por menos de 20% da vida útil total, levando a um declínio acentuado na vida útil da fadiga.
Deformação em ambientes corrosivos: Os materiais de metal médico sofrem certa deformação durante os processos de fadiga em ambientes de ar convencionais. Entretanto, essa deformação é exacerbada em ambientes corrosivos, afetando assim o desempenho da fadiga.
Desgaste e corrosão em ambientes marinhos: Estudos sobre as propriedades de corrosão e desgaste de materiais metálicos em ambientes marinhos indicam que o mecanismo de desgaste passa gradualmente do desgaste abrasivo para um mecanismo dominado pela fadiga por corrosão acelerada pelo desgaste.
Diminuição da resistência à fadiga em ambientes erosivos: Em condições ambientais erosivas, o grau de redução da resistência à fadiga de metais ou ligas depende da condição do ambiente e das condições de teste. Por exemplo, o limite aparente de resistência à fadiga observado no aço ao ar não é mais aparente em ambientes corrosivos.
Características de fadiga por corrosão em ambientes agressivos de corrosão atmosférica: Ainda há muitas questões a serem estudadas no campo da falha por fadiga por corrosão de ligas de alumínio sob o acoplamento de ambientes agressivos de corrosão atmosférica e condições de carga dinâmica de trens de alta velocidade. Isso indica que a corrosão tem um impacto significativo sobre a resistência à fadiga de metais e ligas nesses ambientes específicos.
Características da curva S-N da fadiga por corrosão: A curva S-N de fadiga por corrosão não tem parte horizontal, o que indica que o limite de fadiga por corrosão é o valor sob uma determinada vida útil, ou seja, há apenas um limite condicional de fadiga por corrosão. Isso sugere que os fatores que afetam a resistência à fadiga em um ambiente de corrosão são mais complexos do que no ar.
Desempenho de fadiga em ambientes corrosivos específicos: Estudos sobre o desempenho de fadiga de materiais de liga de alumínio aeroespacial em um ambiente de corrosão de NaCl 3,5% indicam que o desempenho de fadiga em um ambiente corrosivo tem um impacto significativo na resistência à fadiga de metais e ligas.
A influência da microestrutura (grãos ultrafinos, nanogrãos) na resistência à fadiga dos materiais metálicos se reflete principalmente nos seguintes aspectos:
A relação entre o ajuste do tamanho do grão e a resistência à fadiga:
Pesquisas indicam que, para materiais de uma composição específica, quando o tamanho do grão é ajustado em uma ampla faixa para alterar a resistência, a resistência à fadiga do material aumentará com o aumento da resistência à tração e, em seguida, diminuirá. Isso implica que, em uma determinada faixa, a redução do tamanho do grão pode aumentar a resistência à fadiga do material, mas quando o tamanho do grão é reduzido até certo ponto, grãos excessivamente refinados podem levar a um declínio na resistência à fadiga.
O efeito da fração de volume do contorno de grão:
Os materiais de grão ultrafino e nanométricos têm grãos pequenos e uma grande fração de volume de contorno de grão, o que lhes confere propriedades únicas e excelentes. No entanto, esses materiais produzem um grande número de defeitos durante o processo de refinamento de grãos, o que leva a reduções significativas na tenacidade e na plasticidade e ao desaparecimento da capacidade de endurecimento por trabalho, afetando, assim, o desempenho da fadiga de baixo ciclo.
O impacto da deformação plástica na resistência à fadiga:
Ao submeter materiais metálicos à deformação plástica severa (SPD), é possível produzir microestruturas como grãos ultrafinos e nanogrãos, melhorando assim a resistência à fadiga do material. No entanto, após ser tratada com SPD, a resistência à fadiga de metais puros representados pelo cobre parece atingir um valor de saturação, indicando que há certas limitações para melhorar ainda mais a resistência à fadiga por meio da otimização do processo SPD.
O papel da energia de falha de empilhamento:
Durante a deformação cíclica, com a diminuição da energia de falha de empilhamento, a instabilidade microestrutural causada pelo crescimento de grãos e as bandas de cisalhamento altamente localizadas na tensão apresentam uma melhora notável. Isso sugere que o mecanismo microscópico de danos por fadiga do material mudará gradualmente do crescimento de grãos dominado pela migração de limites de grãos para outras formas, afetando o desempenho da fadiga.
A diferença no desempenho da fadiga sob controle de tensão e controle de deformação:
O refinamento dos grãos de materiais metálicos em grãos ultrafinos ou nanogrãos pode melhorar o desempenho de fadiga de alto ciclo em condições controladas por tensão, mas geralmente reduz o desempenho de fadiga de baixo ciclo em condições controladas por tensão. Isso ocorre principalmente porque, depois que os grãos são refinados até o nível submicrônico ou nanométrico, a microestrutura do material muda, afetando o desempenho da fadiga.
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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