Você já se perguntou por que os metais falham mesmo sob estresse aparentemente baixo? Este artigo explora o fascinante mundo da fadiga em materiais, revelando como o estresse cíclico leva a falhas inesperadas. Saiba mais sobre os diferentes tipos de fadiga, os fatores que afetam a resistência à fadiga e como os engenheiros combatem esses desafios.
A fadiga refere-se ao declínio do desempenho estrutural dos materiais, principalmente dos metais, quando submetidos a tensões ou deformações cíclicas, o que acaba levando à falha.
A falha por fadiga é uma forma predominante de falha.
Pesquisas mostram que as falhas por fadiga são responsáveis por 60 a 70% das falhas em várias máquinas.
Fratura por fadiga A falha é classificada como falha de fratura frágil de baixa tensão, e é um desafio detectar uma deformação plástica significativa durante a fadiga, pois ela resulta principalmente da deformação plástica local e ocorre em pontos fracos da estrutura.
Embora a frequência possa desempenhar um papel na falha por fadiga, ela geralmente está associada ao número de ciclos e não à frequência.
De acordo com as características da tensão que causa a falha por fadiga, ela pode ser dividida em duas categorias:
Com relação aos tempos de ciclo, a fadiga pode ser dividida em:
Em termos de propriedades de carga, a fadiga pode ser classificada em:
E com base no ambiente de trabalho da peça, a fadiga pode ser dividida em:
Vale a pena observar que o resistência dos materiais e estruturas antes do dano por fadiga é chamado de "limite de fadiga".
Refere-se à fadiga causada por cargas de impacto repetidas.
Quando o número de impactos, N, for menor que 500 a 1.000, as peças poderão ser danificadas e a forma de fratura das peças será semelhante à de um único impacto.
Quando o número de impactos ultrapassa 105, a fratura da peça é classificada como fratura por fadigaapresentando características típicas de fratura por fadiga.
No cálculo do projeto, se o número de impactos for superior a 100, a resistência deverá ser calculada usando um método semelhante ao da análise de fadiga.
Sob a influência da tensão cíclica de contato, as peças sofrerão danos graduais e permanentes em nível local.
Após um determinado número de ciclos, o desenvolvimento de corrosão, descascamento superficial ou descascamento profundo na superfície de contato é chamado de fadiga de contato.
A fadiga por contato é um modo comum de falha em engrenagens, rolamentos e eixos de comando de válvulas.
Os materiais ou peças que sofrem fadiga devido ao estresse térmico cíclico causado por mudanças de temperatura são chamados de fadiga térmica.
Mudanças cíclicas na temperatura resultam em mudanças cíclicas no volume do material.
Quando a capacidade do material de se expandir ou contrair livremente é restringida, é gerado um estresse térmico cíclico ou uma deformação térmica cíclica.
Há principalmente dois tipos de estresse térmico:
A expansão e a contração térmicas das peças são afetadas pelas restrições das peças fixas, levando ao estresse térmico.
Na ausência de restrições externas, temperaturas inconsistentes entre as partes de duas peças resultam em expansão e contração térmicas desiguais, resultando em estresse térmico.
As flutuações de temperatura também causam alterações na estrutura interna do material, reduzindo sua resistência e plasticidade.
Sob condições de fadiga térmica, a distribuição de temperatura não é uniforme, o que leva a uma grave deformação plástica, grandes gradientes de temperatura e concentrações de tensão térmica.
Quando a deformação térmica excede o limite elástico, a relação entre a tensão térmica e a deformação térmica não é mais linear e deve ser tratada como uma relação elastoplástica.
As rachaduras por fadiga térmica começam na superfície e se estendem para dentro, perpendicularmente à superfície.
A tensão térmica é proporcional ao coeficiente de expansão térmica, sendo que coeficientes maiores levam a uma tensão térmica maior.
Portanto, seleção de materiais deve considerar a correspondência de materiais, sem que as diferenças nos coeficientes de expansão térmica sejam muito grandes.
Sob as mesmas condições de tensão térmica, quanto maior for o módulo de elasticidade do material, maior será a tensão térmica.
Quanto maior for a mudança no ciclo de temperatura, ou seja, a diferença entre as temperaturas limite superior e inferior, maior será o estresse térmico.
Quanto menor for a condutividade térmica do material, mais acentuado será o gradiente de temperatura e maior será o estresse térmico durante a rápida aceleração ou resfriamento.
A fadiga causada pela ação conjunta de um meio de corrosão e estresse cíclico é chamada de fadiga por corrosão.
Os danos causados pela ação combinada de um meio de corrosão e tensão estática são chamados de corrosão sob tensão.
A principal diferença entre os dois é que a corrosão sob tensão ocorre somente em ambientes de corrosão específicos, enquanto a fadiga por corrosão pode ocorrer em qualquer ambiente de corrosão sob a influência de tensão cíclica.
Para a rachadura por corrosão sob tensão, há um fator crítico de intensidade de tensão conhecido como KISCC. Se o fator de intensidade de tensão KI for menor ou igual a KISCC, não ocorrerá rachadura por corrosão sob tensão. No entanto, não há fator crítico de intensidade de tensão para a fadiga por corrosão e a fratura ocorrerá enquanto houver tensão cíclica em um ambiente de corrosão.
A diferença entre a fadiga por corrosão e a fadiga no ar é que, com exceção do aço inoxidável e do aço nitretado, as superfícies das peças mecânicas submetidas à fadiga por corrosão ficam descoloridas. Além disso, a fadiga por corrosão resulta em um grande número de rachaduras, em vez de apenas uma. A curva S-N para fadiga por corrosão não tem uma parte horizontal.
É importante observar que o limite de fadiga por corrosão é apenas condicional e se baseia em uma determinada vida útil. Os fatores que afetam a corrosão resistência à fadiga são mais complexos do que os que afetam a fadiga no ar. Por exemplo, embora a frequência do teste de fadiga não tenha efeito sobre o limite de fadiga no ar quando é inferior a 1000 Hz, ela tem um impacto sobre a fadiga por corrosão em toda a faixa de frequência.
Quando um material ou componente mecânico falha, a vida útil total geralmente consiste em três partes:
Um número significativo de estudos de engenharia demonstrou que a vida útil de início de trinca de componentes mecânicos é responsável por uma grande parte, até mesmo 90%, da vida útil total de fadiga durante o serviço real.
Na maioria dos casos, quando a profundidade de uma microfissura atinge aproximadamente 0,1 mm, ela crescerá continuamente ao longo da parte do material ou componente.
A fadiga de materiais metálicos inclui principalmente o seguinte:
Com o aumento da tensão média (tensão estatística), a tensão dinâmica antifadiga dos materiais diminui.
Para forças com características iguais, quanto maior a tensão média σmmenor será a amplitude da tensão σa para um determinado tempo de vida.
Devido às exigências das condições de trabalho ou das técnicas de processamento, os componentes geralmente têm características como degraus, pequenos orifícios, rasgos de chaveta etc. Essas características causam mudanças abruptas na seção transversal, levando à concentração local de tensão, o que diminui significativamente o limite de fadiga do material.
Os experimentos mostraram que a redução do limite de fadiga não é diretamente proporcional ao fator de concentração de tensão.
Para prever com precisão o desempenho de fadiga de componentes mecânicos, é necessário estimar a vida útil de início de trinca de regiões de alta tensão ou defeitos de fabricação.
A análise da literatura destaca que é relevante considerar apenas o impacto de tensão residual na resistência à fadiga do metal sob fadiga de alto ciclo. Isso ocorre porque a tensão residual relaxa muito sob a alta amplitude de deformação da fadiga de baixo ciclo e, portanto, tem pouco efeito sobre a fadiga de baixo ciclo.
A tensão compressiva residual da superfície é vantajosa para componentes sujeitos à carga axial e quando a trinca por fadiga se origina da superfície. No entanto, é importante estar ciente do problema do relaxamento da tensão residual causado pelo rendimento da tensão de tração residual na região do núcleo após a aplicação da carga externa.
O efeito da tensão residual sobre a resistência à fadiga do entalhe dos componentes é altamente significativo. Isso ocorre porque a tensão residual contém concentração de tensão e tem um impacto maior no crescimento de trincas por fadiga.
No entanto, a concentração de tensão residual não está ligada apenas à geometria do entalhe, mas também a propriedades do material.
O valor limite de fadiga de um material, denotado como σ-1, geralmente é determinado com o uso de uma pequena amostra, com um diâmetro que normalmente varia de 7 a 12 mm. No entanto, a seção transversal dos componentes reais geralmente é maior do que esse tamanho.
Os testes mostraram que o limite de fadiga diminui à medida que o diâmetro do corpo de prova aumenta.
Em particular, o limite de fadiga cai mais rapidamente para o aço de alta resistência do que para o aço de baixa resistência.
A superfície de um componente é propensa a produzir uma trinca por fadiga, e a tensão da superfície de um componente sob flexão alternada ou carga de torção alternada é a maior.
A rugosidade da superfície do componente e a presença de marcas de ferramentas de usinagem podem afetar sua resistência à fadiga.
Os danos à superfície, como marcas de ferramentas ou marcas de desgaste, atuam como um entalhe na superfície, causando concentração de tensão e reduzindo o limite de fadiga.
Quanto maior a resistência do material, mais sensível ele é a entalhes e maior é o efeito da qualidade da superfície usinada no limite de fadiga.
O comportamento à fadiga de materiais metálicos é influenciada pelo ambiente líquido ou gasoso ao redor. A "fadiga por corrosão" refere-se à resposta de materiais metálicos ao efeito combinado de um meio corrosivo e cargas cíclicas, normalmente em um ambiente aquoso.
Diferentes condições ambientais, como fadiga por corrosão, fadiga em baixa temperatura, fadiga em alta temperatura e variação da pressão e da umidade do ar, podem afetar o comportamento de fadiga dos materiais. Em ambientes atmosféricos, os ciclos de falha de um material geralmente são menores do que em ambientes a vácuo, e a vida útil do início da trinca em ambientes a vácuo é maior.
Quando a peça de trabalho opera próximo à pressão crítica do ar (Pcr), sua vida útil à fadiga se torna altamente sensível. A vida útil à fadiga dos materiais em ambientes atmosféricos, que geralmente é menor do que em ambientes a vácuo, diminui com o aumento da temperatura, acelerando o crescimento de trincas.
A umidade ambiental tem um impacto significativo sobre a durabilidade do aço cromo de alta resistência. O vapor de água, especialmente em temperatura ambiente, pode enfraquecer a resistência à fratura da maioria dos metais e ligas, dependendo do nível de tensão, da taxa de carga e de outras condições de carga.
Há uma forte interação entre a microestrutura e o ambiente, com o ambiente de gás afetando a morfologia da fratura e o mecanismo de deslizamento de deslocamento. O ambiente também interage com o fechamento da trinca, principalmente na região próxima ao limiar. O impacto do ambiente depende da morfologia da superfície da trinca, especialmente na direção da profundidade.
Em baixas temperaturas, resistência do metal aumenta, enquanto a plasticidade diminui. Como resultado, a resistência à fadiga de alto ciclo das amostras lisas é maior em baixas temperaturas, mas a resistência à fadiga de baixo ciclo é menor. Para espécimes entalhados, a resistência e a plasticidade diminuem ainda mais. As baixas temperaturas podem ser particularmente prejudiciais para entalhes e trincas, pois o comprimento crítico da trinca de fadiga na fratura diminui drasticamente.
A "fadiga generalizada de alta temperatura" refere-se à fadiga que ocorre em temperaturas mais altas do que o normal. Embora algumas peças possam operar em temperaturas superiores à temperatura ambiente, a fadiga em altas temperaturas só é observada quando a temperatura excede 0,5 vezes o ponto de fusão (Tm) ou acima da temperatura de recristalização. Nessas temperaturas elevadas, ocorrem tanto a fluência quanto a fadiga mecânica, resultando em fadiga de alta temperatura.
A ordem do limite de fadiga sob diferentes cargas é: flexão rotativa < flexão plana < carga de compressão < carga de torção.
Em um ambiente corrosivo, o impacto da frequência de carga na progressão da trinca é evidente.
À temperatura ambiente e em um ambiente de teste, as frequências convencionais (0,1-100 Hz) têm impacto mínimo sobre o crescimento de trincas em aço e latão.
Em geral, se a frequência de carga do teste for inferior a 250 Hz, a influência da frequência na vida útil à fadiga dos materiais metálicos será mínima.
As rachaduras geralmente se originam na superfície, como na solda (ilhós), no aço fundido (solto) ou na subsuperfície (grandes inclusões que alteram o campo de tensão local), mas raramente são encontradas no interior.
O início das rachaduras também depende do número, do tamanho, do tipo e da distribuição das inclusões, bem como da direção das forças externas aplicadas.
A resistência da ligação entre as inclusões e a matriz não deve ser negligenciada.
As microfissuras são os defeitos mais perigosos dos materiais, com uma vida útil de um milhão de ciclos. As microestruturas controlam a vida útil dos materiais, com uma vida útil de um bilhão de ciclos.
Considerando que a probabilidade de defeitos em materiais microscópicos é muito maior do que na superfície do material, a probabilidade de início de trincas sob carga de fadiga de ciclo ultra-alto no material é naturalmente maior do que na superfície.
Os materiais frágeis não passam por redução de tensão ou endurecimento por trabalho.
Se houver um entalhe, a fratura pode ocorrer sob baixa tensão nominal.
Foi observado que, quando há um entalhe, o limite de fadiga do metal diminui, com um impacto maior no limite de fadiga em materiais com menor plasticidade.
A literatura enfatiza que o processo de preparação dos corpos de prova de fadiga é um fator crítico que contribui para a variabilidade dos resultados dos testes.
Por exemplo, os processos de torneamento, fresagem, endireitamento e outros métodos de usinagem afetam a qualidade final da preparação do espécime.
Isso ocorre porque o método de preparação e os fatores de tratamento térmico podem afetar o desempenho de fadiga dos materiais, especialmente o tratamento térmico, dificultando a obtenção de resultados consistentes mesmo com o mesmo lote, tamanho e morfologia dos testes.
É evidente que os fatores de produção e processamento da peça de trabalho farão com que a vida útil real à fadiga das peças se desvie do valor de vida útil esperado calculado por meio da análise.
A dureza do material é um fator fundamental para a resistência à fadiga de alto ciclo (quando N > 106), enquanto a tenacidade é um indicador importante para fadiga de ciclo médio e baixo.
O aço de alta resistência tem baixa tenacidade e, portanto, baixo desempenho em fadiga sob condições de alta tensão. No entanto, ele tem boa resistência à fadiga em condições de baixa tensão.
O aço de baixa resistência tem desempenho moderado em termos de fadiga.
Em geral, quanto maior for o módulo de elasticidade, mais lenta será a taxa de crescimento da rachadura.
O efeito do tamanho do grão no crescimento da trinca só é significativo em casos extremos (△ K → △ Kth e △ Kmax → △ KC) e tem pouco impacto no crescimento da trinca em velocidade média.
A taxa de propagação está relacionada à resistência à fratura KIC (ou KC).
É amplamente aceito que o aumento da resistência do material diminuirá a taxa de crescimento de trincas.
A dispersão dos dados do teste de fadiga pode ser atribuída ao equipamento de teste e à própria amostra.
De acordo com a literatura, um erro de 3% na carga nominal em comparação com a carga real pode resultar em um erro de 60% na vida útil da fadiga e, em casos extremos, um erro de 120% na vida útil.
Embora um erro de 3% seja aceitável em máquinas de teste de fadiga, observa-se que não há dispersão significativa em testes de falha estática, mesmo para materiais com grande dispersão de resistência, como materiais de fundição e vidro.
A variabilidade dos resultados dos testes de fadiga é influenciada pelas propriedades do material, incluindo as propriedades inerentes ao material, o processo de preparação e o ambiente externo do teste. O processo de preparação, especialmente o tratamento térmico, é o fator mais crítico que leva à dispersão dos dados.
As inclusões e as partículas de segunda fase nos materiais também contribuem de forma importante para a dispersão de dados; no entanto, o mecanismo por trás disso ainda é desconhecido.
Método de vida segura:
A tensão de projeto é menor do que o limite de fadiga, e considera-se que não há defeito na estrutura.
Método à prova de falhas:
A tensão de projeto está relacionada à resistência residual no caso de defeitos planares, e esse método de projeto acomoda níveis aceitáveis de tais defeitos.
Método de rachadura de segurança:
Certamente, a propagação de rachaduras que podem ser previstas com certeza é permitida.
Método de falha local:
A tecnologia de teste de fadiga de ciclo ultra-alto, que surgiu na década de 1990, demonstrou que até mesmo pequenos microdefeitos, como inclusão de escória, porosidade e grãos grandes formados por forjamento, podem afetar significativamente a vida útil dos materiais.
Para materiais de aço, quando os dados do teste de fadiga não estão disponíveis, uma curva S-N aproximada pode ser desenhada com base no limite de resistência à tração do material.
Esse método de estimativa, que associa o limite de fadiga com a resistência à tração e o alongamento na ruptura do corpo de prova, é altamente preciso.
Na análise de fadiga de materiais e estruturas, é essencial confiar nos resultados dos testes, e não apenas nos cálculos elástico-plásticos, para obter dados precisos e confiáveis.
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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