1. O que é fadiga?
A fadiga refere-se ao declínio no desempenho estrutural dos materiais, particularmente dos metais, quando submetidos a tensões ou deformações cíclicas, levando em última análise à falha.
A falha por fadiga é uma forma predominante de falha.
A pesquisa mostra que as falhas por fadiga são responsáveis por 60 a 70% das falhas em diversas máquinas.
A falha por fratura por fadiga é classificada como falha por fratura frágil de baixa tensão e é um desafio detectar deformação plástica significativa durante a fadiga, pois resulta principalmente da deformação plástica local e ocorre em fraquezas estruturais.
Embora a frequência possa desempenhar um papel na falha por fadiga, ela normalmente está ligada ao número de ciclos e não à frequência.
De acordo com as características das tensões que causam a falha por fadiga, ela pode ser dividida em duas categorias:
- Fadiga mecânica causada por estresse mecânico, e
- Fadiga térmica causada por estresse térmico alternado.
Em relação aos tempos de ciclo, a fadiga pode ser dividida em:
- Ciclo alto,
- Ciclo baixo e
- Fadiga de ciclo ultra-elevada.
Em termos de propriedades de carga, a fadiga pode ser classificada em:
- Fadiga por tensão-compressão,
- Fadiga por torção e
- Fadiga de flexão.
E com base no ambiente de trabalho da peça, a fadiga pode ser dividida em:
- Fadiga de corrosão,
- Fadiga a baixas temperaturas e
- Fadiga por alta temperatura.
É importante notar que a resistência dos materiais e estruturas antes dos danos por fadiga é chamada de “limite de fadiga”.
2. Tipos de fadiga
1. Fadiga por impacto
Refere-se à fadiga causada por cargas de impacto repetidas.
Quando o número de impactos, N, é inferior a 500 a 1000, as peças podem ser danificadas e a forma de fratura das peças será semelhante à de um único impacto.
Quando o número de impactos excede 105, a fratura da peça é classificada como fratura por fadiga, apresentando características típicas de fratura por fadiga.
No cálculo do projeto, se o número de impactos exceder 100, a resistência deverá ser calculada utilizando um método semelhante à análise de fadiga.
2. Fadiga de contato
Sob a influência da tensão de contato cíclica, as peças sofrerão danos graduais e permanentes em nível local.
Após um certo número de ciclos, o desenvolvimento de corrosão, descamação superficial ou descamação profunda na superfície de contato é denominado fadiga de contato.
A fadiga de contato é um modo comum de falha em engrenagens, rolamentos e árvores de comando.
3. Fadiga térmica
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 expandir ou contrair livremente é restrita, é gerada tensão térmica cíclica ou deformação térmica cíclica.
Existem basicamente dois tipos de estresse térmico:
A expansão e contração térmica das peças são afetadas pelas restrições das peças fixas, levando ao estresse térmico.
Na ausência de restrições externas, temperaturas inconsistentes entre partes de duas peças resultam em expansão e contração térmica desiguais, resultando em estresse térmico.
As flutuações de temperatura também provocam alterações na estrutura interna do material, reduzindo sua resistência e plasticidade.
Sob condições de fadiga térmica, a distribuição de temperatura não é uniforme, levando a graves deformações plásticas, grandes gradientes de temperatura e concentrações de deformação 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 fissuras por fadiga térmica começam na superfície e se estendem para dentro, perpendicularmente à superfície.
A tensão térmica é proporcional ao coeficiente de expansão térmica, com coeficientes maiores levando a maior tensão térmica.
Portanto, a seleção de materiais deve considerar a combinação de materiais, sem que as diferenças nos coeficientes de expansão térmica sejam muito grandes.
Sob as mesmas condições de deformação térmica, quanto maior for o módulo de elasticidade do material, maior será a tensão térmica.
Quanto maior for a variação do ciclo de temperatura, ou seja, a diferença entre as temperaturas limite superior e inferior, maior será o estresse térmico.
Quanto menor a condutividade térmica do material, mais acentuado será o gradiente de temperatura e maior será o estresse térmico durante a rápida aceleração ou resfriamento.
4. Fadiga por corrosão
A fadiga causada pela ação conjunta de um meio de corrosão e tensão cíclica é chamada de fadiga por corrosão.
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 apenas em ambientes de corrosão específicos, enquanto a fadiga por corrosão pode ocorrer em qualquer ambiente de corrosão sob a influência de tensões cíclicas.
Para a corrosão sob tensão, existe um fator crítico de intensidade de tensão conhecido como KISCC. Se o fator de intensidade de tensão KI for menor ou igual a KISCC, a corrosão sob tensão não ocorrerá. No entanto, não existe um 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 sujeitas à fadiga por corrosão ficam descoloridas. Além disso, a fadiga por corrosão resulta em um grande número de fissuras, em vez de apenas uma. A curva SN para fadiga por corrosão não possui uma porção horizontal.
É importante notar que o limite de fadiga por corrosão é apenas condicional e é baseado em uma determinada vida útil. Os fatores que afetam a resistência à fadiga por corrosão são mais complexos do que aqueles que afetam a fadiga ao ar. Por exemplo, embora a frequência do teste de fadiga não tenha efeito no limite de fadiga no ar quando for inferior a 1000 Hz, ela tem impacto na fadiga por corrosão em toda a faixa de frequência.
3. Vida cansada
Quando um componente material ou mecânico falha, a vida útil total geralmente consiste em três partes:
1. Vida de iniciação ao crack
Um número significativo de estudos de engenharia demonstrou que a vida útil de iniciação de fissuras de componentes mecânicos é responsável por uma grande parte, até 90%, da vida total de fadiga durante o serviço real.
2. Vida estável de crescimento de fissuras
Na maioria dos casos, quando a profundidade de uma microfissura atinge aproximadamente 0,1 mm, ela crescerá continuamente ao longo da porção do material ou componente.
3. A instabilidade se estende à vida da fratura
4. Forma de fadiga de materiais metálicos
A fadiga de materiais metálicos inclui principalmente o seguinte:
- Deformação Plástica Geral;
- Deformação Plástica por Fadiga de Baixo Ciclo;
- Deformação plástica por fadiga de alto ciclo;
- Microdeformação plástica de fadiga de ciclo ultra-alto do tamanho do cristal.
5. Fatores que afetam a resistência à fadiga de materiais e estruturas
1. Estresse médio
Com o aumento da tensão média (tensão estatística), a tensão dinâmica anti-fadiga dos materiais diminui.
Para forças com características iguais, maior será a tensão média σeumenor será a amplitude de tensão σa para uma determinada vida.
2. Concentração de estresse
Devido às exigências das condições de trabalho ou técnicas de processamento, os componentes muitas vezes apresentam características como degraus, pequenos furos, rasgos de chaveta, etc. Estas características causam mudanças abruptas na seção transversal, levando à concentração de tensão local, o que diminui significativamente o limite de fadiga do o material.
Experimentos mostraram que a redução no limite de fadiga não é diretamente proporcional ao fator de concentração de tensão.
Para prever com precisão o desempenho em fadiga de componentes mecânicos, é necessário estimar a vida de início de trinca em regiões de alta tensão ou defeitos de fabricação.
3. Estresse residual
A revisão da literatura destaca que é relevante considerar apenas o impacto da tensão residual na resistência à fadiga do metal sob fadiga de alto ciclo. Isto ocorre porque a tensão residual relaxa muito sob a alta amplitude de deformação da fadiga de baixo ciclo e, portanto, tem pouco efeito na fadiga de baixo ciclo.
A tensão de compressão residual superficial é vantajosa para componentes sujeitos a carga axial e quando a trinca por fadiga se origina na superfície. No entanto, é importante estar ciente do problema do relaxamento da tensão residual causado pelo escoamento da tensão de tração residual na região do núcleo após a aplicação de carga externa.
O efeito da tensão residual na resistência à fadiga 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 apenas ligada à geometria do entalhe, mas também às propriedades do material.
4. Efeito de tamanho
O valor limite de fadiga de um material, denotado como σ-1, é geralmente determinado utilizando uma pequena amostra, com um diâmetro que normalmente varia de 7 a 12 mm. No entanto, a secção transversal dos componentes reais é muitas vezes maior que este tamanho.
Os testes mostraram que o limite de fadiga diminui à medida que o diâmetro da amostra aumenta.
Em particular, o limite de fadiga cai mais rapidamente para aços de alta resistência do que para aços de baixa resistência.
5. Estado de superfície do membro
A superfície de um componente é propensa a produzir trincas por fadiga, e a tensão superficial de um componente sob flexão alternada ou carga de torção alternada é maior.
A rugosidade da superfície da peça e a presença de marcas de ferramentas de usinagem podem afetar sua resistência à fadiga.
Danos superficiais, como marcas de ferramentas ou marcas de desgaste, atuam como um entalhe superficial, causando concentração de tensão e reduzindo o limite de fadiga.
Quanto maior a resistência do material, mais sensível ele será aos entalhes e maior será o efeito da qualidade da superfície usinada no limite de fadiga.
6. Fatores ambientais
O comportamento à fadiga dos materiais metálicos é influenciado pelo ambiente líquido ou gasoso circundante. Fadiga por corrosão” refere-se à resposta dos 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 por baixa temperatura, fadiga por alta temperatura e variação de pressão e umidade do ar, podem afetar o comportamento de fadiga dos materiais. Em ambientes atmosféricos, os ciclos de falha de um material são normalmente menores do que em ambientes de vácuo, e a vida útil de iniciação de trincas em ambientes de vácuo é mais longa.
Quando a peça opera perto da pressão crítica do ar (Pcr), sua vida à fadiga torna-se altamente sensível. A vida à fadiga dos materiais em ambientes atmosféricos, que é geralmente menor do que em ambientes de vácuo, diminui com o aumento da temperatura, acelerando o crescimento de fissuras.
A umidade ambiental tem um impacto significativo na durabilidade do aço cromo de alta resistência. O vapor de água, especialmente à 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.
Existe uma forte interação entre a microestrutura e o ambiente, com o ambiente gasoso afetando a morfologia da fratura e o mecanismo de deslizamento das discordâncias. O ambiente também interage com o fechamento de fissuras, particularmente na região próxima ao limiar. O impacto do ambiente depende da morfologia da superfície da fissura, especialmente na direção da profundidade.
Em baixas temperaturas, a resistência do metal aumenta enquanto a plasticidade diminui. Como resultado, a resistência à fadiga de ciclo alto de amostras lisas é maior em baixas temperaturas, mas a resistência à fadiga de ciclo baixo é menor. Para amostras entalhadas, a tenacidade e a plasticidade diminuem ainda mais. As baixas temperaturas podem ser particularmente prejudiciais para entalhes e fissuras, uma vez que o comprimento crítico da fissura por fadiga na fratura diminui drasticamente.
“Fadiga generalizada a altas temperaturas” refere-se à fadiga que ocorre em temperaturas superiores ao normal. Embora algumas peças possam operar em temperaturas superiores à temperatura ambiente, a fadiga em alta temperatura 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 em alta temperatura.
7. Tipo de carga
A ordem do limite de fadiga sob diferentes cargas é: flexão rotativa
Num ambiente corrosivo, o impacto da frequência de carregamento na progressão da fissura é evidente.
À temperatura ambiente e num ambiente de teste, as frequências convencionais (0,1-100 Hz) têm impacto mínimo no crescimento de fissuras no aço e no latão.
Em geral, se a frequência de carga de teste for inferior a 250 Hz, a influência da frequência na vida à fadiga dos materiais metálicos é mínima.
8. Defeitos materiais
As trincas normalmente se originam na superfície, como na solda (ilhó), no aço fundido (solto) ou na subsuperfície (grandes inclusões que alteram o campo de deformação local), mas raramente são encontradas no interior.
O início das fissuras também depende do número, tamanho, tipo e distribuição das inclusões, bem como da direção das forças externas aplicadas.
A força de ligação entre as inclusões e a matriz não deve ser negligenciada.
As microfissuras são os defeitos mais perigosos dos materiais, com vida útil de um milhão de ciclos. As microestruturas controlam a vida útil dos materiais, com uma vida útil de um bilhão de ciclos.
Dado que a probabilidade de defeitos em materiais microdimensionados 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.
Materiais frágeis não sofrem redução de tensão ou endurecimento por trabalho.
Se houver um entalhe, a fratura pode ocorrer sob baixa tensão nominal.
Observou-se que quando existe um entalhe, o limite de fadiga do metal diminui, com maior impacto no limite de fadiga em materiais com menor plasticidade.
9. Método de processamento
Tem sido enfatizado na literatura que o processo de preparação de corpos de prova de fadiga é um fator crítico que contribui para a variabilidade dos resultados dos ensaios.
Por exemplo, os processos de torneamento, fresamento, endireitamento e outros métodos de usinagem impactam a qualidade final da preparação da amostra.
Isso ocorre porque o método de preparação e os fatores de tratamento térmico podem afetar o desempenho à fadiga dos materiais, principalmente do 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 farão com que a vida real à fadiga das peças se desvie do valor de vida esperado calculado através da análise.
10. Propriedades dos materiais
A dureza do material é um fator chave na 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 à fadiga sob condições de alta tensão. No entanto, apresenta boa resistência à fadiga sob condições de baixo estresse.
O aço de baixa resistência apresenta desempenho moderado à fadiga.
Em geral, quanto maior o módulo de elasticidade, mais lenta será a taxa de crescimento da fissura.
O efeito do tamanho do grão no crescimento da trinca é significativo apenas 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 tenacidade à fratura KIC (ou KC).
É amplamente aceito que aumentar a tenacidade do material diminuirá a taxa de crescimento de trincas.
6. Discrição dos dados do teste de fadiga
A dispersão dos dados do teste de fadiga pode ser atribuída ao equipamento de teste e à própria amostra.
Segundo a literatura, um erro de 3% na carga nominal em relação à carga real pode resultar em um erro de 60% na vida à fadiga e em casos extremos, um erro de 120% na vida.
Embora um erro de 3% seja aceitável em máquinas de teste de fadiga, nota-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 nos resultados do teste de fadiga é influenciada pelas propriedades do material, incluindo propriedades inerentes do material e pelo processo de preparação e ambiente externo do teste. O processo de preparação, principalmente o tratamento térmico, é o fator mais crítico que leva à dispersão dos dados.
Inclusões e partículas de segunda fase nos materiais também contribuem importantes para a dispersão dos dados, no entanto, o mecanismo por trás disso ainda é desconhecido.
7. Desenvolvimento de métodos de dimensionamento de fadiga estrutural
Método de vida seguro:
A tensão de projeto é inferior ao 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 planos, e este método de projeto acomoda níveis aceitáveis de tais defeitos.
Método de quebra de segurança:
Certamente, é permitida a propagação de fissuras que podem ser previstas com certeza.
Método de falha local:
A tecnologia de teste de fadiga de ciclo ultra-alto, que surgiu na década de 1990, demonstrou que mesmo pequenos microdefeitos, como inclusão de escória, porosidade e grãos grandes formados por forjamento, podem impactar significativamente a vida útil dos materiais em fadiga.
Para materiais de aço, quando os dados do teste de fadiga não estão disponíveis, uma curva SN aproximada pode ser desenhada com base no limite de resistência à tração do material.
Este método de estimativa, que associa o limite de fadiga à resistência à tração e ao alongamento na ruptura da amostra, é altamente preciso.
Na análise de fadiga de materiais e estruturas, é essencial confiar nos resultados dos testes, em vez de apenas nos cálculos elástico-plásticos, para obter dados precisos e confiáveis.
