Fadiga de materiais ou Marcas de Praia, Notas de aula de Engenharia de Materiais

Baixe Fadiga de materiais ou Marcas de Praia e outras Notas de aula em PDF para Engenharia de Materiais, somente na Docsity! Fadiga de materiais Marcas de Praia Fadiga é o processo pelo qual os materiais perdem suas características iniciais devido a esforços repetitivos. A falha resultante da fadiga pode variar desde a perda de elasticidade e resistência da peça até sua quebra total. Existe uma outra importante característica no estágio II de fadiga, isto é, as chamadas “marcas de praia”. Assim como as estrias, as marcas de praia também são semicirculares mas são, entretanto, visíveis a olho nú. As marcas de praia podem ser originadas através dos diferentes graus de oxidação produzidos nas sucessivas paradas para repouso do equipamento ou pela variação nas condições de carregamento. Estas marcas representam milhares ou mesmo milhões de ciclos e elas apontam para o local de início de propagação de trinca. A proporção entre a etapa de propagação e a ruptura final indicam o grau de sobrecarga da peça ou o coeficiente de segurança aplicado. A partir de um certo tamanho de trinca, todo o sistema torna-se instável e a seção remanescente do componente não consegue suportar mais a carga aplicada e o material entra em fratura catastrófica. (estágio III). A maioria das falhas em máquinas acontece devido a cargas que variam no tempo, e não a esforços estáticos. Essas falhas ocorrem, tipicamente, em níveis de tensão significativamente inferiores aos valores da resistência ao escoamento dos materiais. Assim, a utilização única das teorias de falha estática pode levar a projetos sem segurança quando as solicitações são dinâmicas. Deste modo, designa-se por fadiga o fenômeno da rotura progressiva de materiais sujeitos a ciclos repetidos de tensão ou deformação (Branco, 1999), ou ainda, uma forma de falha que ocorre em estruturas que estão sujeitas a tensões dinâmicas e oscilantes em pontes, aeronaves e componentes de máquinas (Callister, 1999). Assim, o estudo do fenômeno é de importância crucial na concepção de máquinas e estruturas, visto que a grande maioria das roturas observadas em serviço envolve fadiga. As falhas por fadiga constituem um custo significativo para a economia. Nos EUA em 1982, por exemplo, foram utilizados U$100 bilhões com a prevenção de falhas por fadiga – aproximadamente 3% do produto interno bruto (PIB) do país naquele ano - em veículos terrestres e ferroviários, aviões de todos os tipos, pontes, guindastes, equipamentos industriais, estruturas marítimas de dois poços de petróleo, entre outros elementos de uso domésticos, brinquedos e equipamentos esportivos (Norton, 2004). A fadiga é importante no sentido de que ela é a maior causa individual de falhas em metais, sendo estimado que ela compreenda aproximadamente 90% de todas as falhas metálicas. Os polímeros e os cerâmicos (exceto os vidros) também são suscetíveis a esse tipo de falha. Adicionalmente, ela é catastrófica e traiçoeira, ocorrendo muito repentinamente e sem avisos. A foto mostra um bloco de nanotubos de carbono depois de ter sido comprimido cerca de 500.000 vezes. Ao final do experimento, o material não apresentou virtualmente nenhuma diferença em termos de formato, integridade mecânica e condutividade elétrica. Essa resistência é similar à apresentada por alguns dos tecidos do corpo humano, como aqueles que formam os músculos dos nossos ombros e a parede do nosso estômago, que expandem e contraem milhões de vezes ao longo de nossa vida. O contorno de grão também pode se tornar uma importante posição para a nucleação de trincas em carregamentos de grandes amplitudes de deformação. Além disso, impurezas que induzam a fragilização localizada também podem induzir a nucleação, como pode ser visto na figura 2.29. Historia da falha por fadiga O fenômeno da fadiga foi observado pela primeira vez por volta de 1800, quando os eixos de um vagão ferroviário começaram a falhar após um pequeno período em serviço. Apesar de serem feitos de aço dúctil, os mesmos exibiam características de fraturas frágeis e repentinas. Rankine publicou um artigo em 1843, As Causas da Ruptura Inesperada de Munhões de Eixos Ferroviários, no qual dizia que o material havia “cristalizado” e se tornado frágil devido às tensões flutuantes. A nucleação e a propagação de trincas são um processo de deformação plástica muito localizada, e pequenas sobrecargas no ciclo de tensões podem levar a liberação de discordâncias ancoradas, facilitando a sua movimentação e a nucleação de trincas, ou a sua propagação. Nas solicitações mecânicas usuais dos componentes são comuns pequenas sobrecargas de tensões, diferente dos ensaios de laboratório, nos quais todos os parâmetros são controlados. Por isso, existe uma forte tendência por parte de pesquisadores no sentido da extinção do limite de fadiga. Uma das bases para este tipo de preocupação é o fato de grandes sobrecargas, tão comuns em aviões, embarcações e veículos, causarem este destravamento de discordâncias mesmo em materiais que apresentem um limite de fadiga bem definido, podendo prosseguir com a falha por mecanismos de fadiga. Este tipo de acontecimento tira a validade plena deste parâmetro e incentiva que o limite de fadiga seja erradicado. A figura 2.34 apresenta o aspecto e a solicitação mecânica à qual está sujeita uma trinca durante um ciclo do carregamento cíclico. Inicia-se com carga zero (a), sendo a tensão de tração crescente até a tensão máxima (c). Após este ponto máximo, iniciam-se pequenas cargas de compressão (d), aumentando até a máxima carga de compressão (e). Este comportamento é característico de todos os materiais metálicos dúcteis, e inclusive dos polímeros. O ensaio de fadiga Um ensaio de fadiga consiste na aplicação de carga cíclica em um corpo-de- prova apropriado e padronizado segundo o tipo de ensaio a ser realizado. É extremamente utilizado na indústria automobilística, mas principalmente na indústria aeronáutica. Realizam-se ensaios desde pequenos componentes até estruturas completas como asas. Os principais ensaios utilizados são o ensaio de flexão rotativa e o ensaio de fadiga com aplicação longitudinal de cargas. A figura 2.35 mostra um esquema de um equipamento para o ensaio de fadiga rotativa. Um ensaio de fadiga é capaz de fornecer dados quantitativos relativos às características de um material ou componente ao suportar, por longos períodos, sem se romper, cargas repetitivas e/ou cíclicas. Os principais resultados são o limite de fadiga (ơe), resistência à fadiga, e vida em fadiga. Normalmente os resultados de um ensaio de fadiga são representados por uma curva ơ-N ou curva de Wöhler, onde se relaciona a tensão ao número N de ciclos até a ruptura. Contudo os resultados mais completos extraem-se da curva F 0 6 5- N, segundo a norma ASTM E606-92. O trabalho em questão segue esta última norma. Comportamento cíclico e controle do ensaio de fadiga O tratamento da vida em fadiga na realização de ensaios pode ser através das amplitudes de tensão ou através das amplitudes de deformação aplicadas. No caso deste estudo, a análise será feita com base nas amplitudes de deformação. Nos materiais metálicos, quando sujeitos a esforços cíclicos, ocorrem fenômenos de amolecimento ou endurecimento, como pode ser visto nas figuras 2.36 e 2.37. Por este motivo, manter constante a amplitude de tensões durante o ensaio não representará uma situação real de solicitação de um componente. Porém, pode-se observar que a amplitude de tensões se estabiliza após 20% a 40% da vida total do material numa dada solicitação, quando se mantém fixa a amplitude de deformações, como mostra a figura 2.38. Para o caso de fadiga de alto ciclo, cujos ensaios são conduzidos na região de deformação preferencialmente elástica, não é de se esperar a ocorrência de laços de histerese, e a amplitude de tensões pouco varia ao longo do ensaio. Neste caso, fica indiferente o controle do ensaio por tensões ou deformações como procedimento de análise. Contudo, há variação na amplitude de deformação quando ocorre amolecimento ou endurecimento cíclico, dificultando a execução do ensaio. Fora este caso, para as condições de fadiga de baixo ciclo, deve-se estudar este fenômeno em condições de amplitude de deformações fixa, obtendo a amplitude de tensões como resposta a esta deformação imposta depois de atingida à condição de equilíbrio, com a histerese tensão-deformação constante, como pode ser visto na figura 2.39. Figura 2.39: laço de histerese estável em material sujeito a deformação plástica, mostrando ser possível o controle por amplitude de deformações, sendo a amplitude de tensões uma variável de resposta dos ensaios de fadiga após a sua estabilização. Já na figura 2.40 está representada a superposição de três laços de histerese caracterizando a curva ơxF 0 6 5 cíclica. Figura 2.40: Superposição de três laços de histerese, caracterizando a curva ơxF 0 6 5 cíclica. Para fadiga de baixo ciclo, além do ensaio controlado por deformação representar uma situação mais próxima do real, com o ensaio F 0 6 5-N pode-se levantar todas as propriedades de fadiga referentes a um material, como os coeficientes e expoentes das equações 2.19 (Ramberg-Osgood cíclica) e 2.18 (F 0 6 5xN). Influência do acabamento superficial A grande maioria dos defeitos de fadiga se inicia na superfície do material, portanto a condição do acabamento superficial é de extrema importância no desempenho do componente. Na realidade, polindo-se o material, pode-se amplificar a vida em fadiga de um componente. Além disso, outro processo conhecido como “shot peening”, consegue melhorar a vida em fadiga do material. Este processo consiste no bombardeamento da superfície do material com pequenas esferas metálicas, as quais geram tensões residuais de compressão (figura 2.41), amenizando as tensões de tração da solicitação cíclica, amplificando a resistência à fadiga. Figura 2.41: Tensões de compressão geradas pelo “shot speening”. Esse processo consegue aumentar em 15% a resistência às tensões de tração e consegue dobrar a vida em fadiga de um componente (fig 2.42). Essa técnica é muito utilizada nas indústrias automobilística e aeronáutica. Observando-se a figura 2.42, nota-se a maior influência do acabamento. Figura 2.42: Influência do “Shot Speening” e do acabamento superficial no limite de fadiga de aços em diversos níveis de tensão [12].