Salvador 2011

� Docente: Adriana Vieira

FADIGAFADIGAFADIGAFADIGA

Curso de Inspeção de Equipamentos e de Soldagem

Características de uma fadiga

É provável que tenha rompido por fadiga se:• Um material é submetido a tensão repetida ou oscilante;• Rompe a tensões inferiores ao limite de resistência à tração

ou até ao limite de escoamento para uma carga estática;• Em condições de Carregamento Dinâmico : repetitivo e

vibração;• Ex: pontes, aeronaves, componentes de máquinas;• A fadiga é responsável por 90% das falhas de serviço

relativas a causas mecânicas ;• A fadiga também é catastrófica e traiçoeira, ocorrendo

repentinamente e sem aviso prévio que a peça vai romper;• A fadiga é de natureza frágil, existindo muito pouca, ou

nenhuma deformação plástica generalizada na fratura.

Aspectos da superfície

• Superfície de fratura (em escala macroscópica) é normal àdireção de tensão principal de tração.

Aspecto da superfície:• A superfície apresenta uma região lisa, decorrente de

fricção entre as superfícies, durante propagação da trinca;• A superfície apresenta uma região áspera, que significa um

rompimento dúctil onde a seção transversal não era mais capaz de suportar a carga aplicada;

A falha sempre ocorre num ponto de concentração de tensão:

• canto vivo ou entalhe• concentrador de tensão metalúrgico – Ex.: inclusão

Fatores que causam fadiga

3 fatores para causar fadiga:• Tensão máxima suficientemente alta• Variação ou flutuação na tensão aplicada grande• Número de ciclos de aplicação da tensão

Outras variáveis que alteram condições de ocorrência da f adiga:

• Concentração de tensão• Corrosão• Temperatura • Sobrecarga• Tensões residuais e tensões combinadas• Estrutura metalúrgica

• Fig.(a) - Ciclo de tensões alternadas de forma senoidal em relação ao tempo e regular;

• Situação idealizada produzida por máquina de fadiga de viga rotativa do tipo R.R.Moore;

• Essa situação pode ser comparada a um eixo rotativo em serviço operando a velocidade constante e sem sobrecargas;

• A tensão máxima e tensão mínima são iguais.

• Fig.(b) – Ciclo de tensões repetidas – valores assimétricos.

• Fig. (c ) – Ciclo de tensões aleatórias.

• Norma ASTM E466 – “Standard Practicefor conducting Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials ”

Ciclo de tensões

Ciclo de tensões

• As tensões devem flutuar;

• As tensões não precisam ser de sinais diferentes. Ambas podem ser de tração ou de compressão. Ainda assim pode ocorrer fadiga;

Um ciclo de tensão flutuante pode ser dividido em 2 componentes:

• Tensão média ou estática σm

• Componente de tensão alternada σa

• Intervalo de tensões:σr = σmax – σmin

• Tensão alternada ou Amplitude da tensão:σa = σr/2 = (σmax – σmin )/2

• Tensão média:σm = (σmax + σmim )/2

Para apresentação dos dados de fadiga:• Razão de tensões: R = σmin /σmax

• A = σa/σm

Ciclo de tensões

Ensaio de fadiga

Diagrama de um equipamento de testes de fadiga para realização de testes giratórios com dobramento. Também existem equipamentos de ensaio onde se utiliza um ciclo alternado de tensões uniaxiais de tração e compressão.

Diferentes corpos de prova que são utilizados nos diferentes

Diferentes corpos de prova para diferentes solicitações nos ensaios de fadiga

Ensaio de fadiga

Ensaio de fadiga

O ensaio pode ser realizado diversificando as solicitações

Ensaio mais usual de fadiga mostrando solicitação de flexão em duas regiões pontos diferentes

Ensaio de fadiga

• Apresentação dos dados experimentais de fadiga;

• Tensão (S - stress) x número de ciclos necessários para a fratura (N - escala logarítmica);

• Pode-se lançar no gráfico σa, σmax ou σmin;

• Somente lança-se no gráfico tensões nominais – não consideramos ajuste para concentrador de tensões;

• A relação S-N é determinada para um valor específico de σm, R ou A;

• A maioria das determinações de propriedades da fadiga dos materiais foram feitas em tensão alternada onde σm=0.

Curva S -N

• Falhas ocorrem após um número grande de ciclos N>105 ciclos;

• A tensão nominal aplicada está dentro do limite elástico do material;

• Entretanto o material se deforma plasticamente de maneira altamente localizada;

• Para σ maiores, a vida em fadiga decresce progressivamente e o número de ciclos para se romper decresce;

• Para σ menores, a vida em fadiga cresce progressivamente e o número de ciclos para se romper também;

Curva S -N

Curva S -N

• A Curva S-N mostra essa relação;

• Abaixo de uma determinada tensão a curva pode torna-se horizontal = LIMITE DE RESISTÊNCIA À FADIGA;

• O Titânio e ao aço apresentam LIMITE DE RESISTÊNCIA À FADIGA. O limite de resistência a fadiga dos aços varia entre 35% e 60% do limite de resistência a tração;

• Abaixo do Limite de resistência à fadiga = material pode suportar um número infinito de ciclos sem se romper;

• Maioria dos materiais não ferrosos, Alumínio, Magnésio, ligas de Cobre, apresentam curva S-N que decresce continuamente com o aumento do número de ciclos;

• Portanto, os materiais não-ferrosos não apresentam um limite de resistência a fadiga.

Curva S -N

Amplitude de tensão (σa) em função do logaritmo do número de ciclos atéa falha por fadiga (N) para:

(a) ligas ferrosas e Titânio

(b) ligas não-ferrosas

• Caracteriza-se propriedades de fadiga do material fornecendo o número de ciclos necessário para causar falha sob um nível de tensão específico: Nf = vida em fadiga;

• Para se construir a curva S-N testa-se um primeiro corpo de prova a uma tensão alta (por ex. 2/3 da tensão limite de resistência) na qual se espera que ocorra fratura num número de ciclos bem baixo;

• A tensão é então diminuída gradativamente para cada corpo de prova até que 2 ou mais amostras não se rompam no ciclo especificado –geralmente 107 ciclos;

• Para materiais que não apresentam limite de resistência a fadiga, o ensaio é interrompido em uma tensão baixa onde a vida em fadiga seja cerca de 108 ciclos ou 5x108 ciclos;

• A curva S-N pode ser feita com 8 a 12 corpos de prova .

Curva S -N

Técnicas estatísticas

Curvas S-N de probabilidade de falha por fadiga para uma liga de Alumínio 7075-T6. A curva do meio representa a probabilidade média da falha.

Estágios da trinca de fadiga

Iniciação da trinca : desenvolvimento inicial dos danos causados, a trinca surge a partir de um ponto de concentração de tensões.

Propagação da trinca: a trinca avança incrementalmente com cada ciclo de tensões

• Estágio I de crescimento de trinca: crescimento da trinca em bandas de deslizamento – propagação da trinca inicial nos planos de alta tensão cisalhante;

• Estágio II de crescimento de trinca – crescimento da trinca nos planos de alta tensão de tração – envolve o crescimento de uma trinca bem definida na direção normal à tensão de tração máxima.

Ruptura final estática – ocorre quando a trinca atinge um tamanho tal que a seção transversal resistente não pode mais suportar a carga. Ocorre muito rapidamente.

• A fração relativa do número total de ciclos para a ruptura que estáassociada a cada estágio depende das condições de ensaio e do material;

FADIGA DE BAIXO CICLO• Para cargas altas e vida em fadiga curta – < =104 a 105 ciclos; • O ESTÁGIO II geralmente é maior em fadiga de baixo-ciclo – o

ESTÁGIO II consome uma fração relativa do número de ciclos; • Caso os esforços sejam grandes, como por exemplo na fadiga de

corpos de prova com entalhes finos, o ESTÁGIO I pode ser não observado.

FADIGA DE ALTO CICLO• Tensões baixas e vida em fadiga longa - > 104 a 105 ciclos;• O ESTÁGIO I geralmente maior em fadiga de alto-ciclo ou baixa tensão.

Características Estruturais da fadiga

CONSIDERAÇÃO ESTRUTURAL MARCANTE

• Trincas de fadiga geralmente surgem numa superfície livre

Exemplos de pontos de nucleação de uma trinca de fadiga :• Riscos superficiais• Ângulos vivos• Rasgos de chaveta• Fios de roscas em parafusos• Mossas• A carga cíclica também pode produzir descontinuidades superficiais

microscópicas – degraus de escorregamento criados a partir de discordâncias – que podem atuar como concentradores de tensão.

• Raras vezes: as trincas de fadiga ocorrem no interior do material. Mesmo nesse caso elas estão associadas a uma superfície livre como por exemplo, a interface entre camada cementada e o metal-base.

Características Estruturais da fadiga

Na região de PROPAGAÇÃO da trinca de fadiga:MARCAS DE PRAIA• Dimensões macroscópicas;• Observadas a olho nu;• As marcas são vistas em componentes que sofreram interrupções

durante o estágio de propagação da trinca cada banda de marcas de praia representa UM PERÍODO DE TEMPO que ocorreu crescimento da trinca.

ESTRIAS DE FADIGA• Dimensões microscópicas;• Vistas em Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) ou Microscópio

Eletrônico de Transmissão (MET);• Cada estria é o avanço da trinca durante UM ÚNICO CICLO de

aplicação de carga;• Largura das estrias depende do intervalo de tensões.

Caracterização da trinca de fadiga

Caracterização da trinca de fadiga

Variações de espaçamento de estrias de fadiga. (a) Liga de Alumínio 7475-T7651 mostrando aumento do espaçamento das estrias de fadiga devido a maior magnitude de tensão alternada (b) menor espaçamento de estrias – variação local na mesma amostra.

Fractografia de fadiga

Superfície de fratura de um eixo rotativo que experimentou fratura por fadiga. As marcas de praia podem ser vistas na foto.

Fractografia de fadiga

Estrias de fadiga em Alumínio. Foto de Microscópio Eletrônico de Transmissão (MET).

• A presença de marcas de praia e/ou estrias CONFIRMA que a falha foi por fadiga;

• A ausência de qualquer uma ou ambas não exclui a fadiga como causa da falha;

• As marcas de praia não irão aparecer na região que ocorre falha rápida (figura no próximo slide).

Fractografia de fadiga

Superfície de fadiga. A trinca formou-se a partir do canto no topo. Logo após apresenta uma região lisa, que corresponde na área que a trinca se propagou lentamente. Na região que apresenta uma superfície rugosa, a trinca se propagou mais rapidamente. A finalização da fratura encontra-se logo abaixo.

Fractografia de fadiga