Entendendo o limite de fadiga de um material

O nível de tensão abaixo do qual um número ilimitado de ciclos de carregamento pode ser dado ao material sem induzir a falha por fadiga é conhecido como limite de fadiga ou limite de resistência. Alumínio e cobre, por outro lado, não falham e eventualmente falham mesmo em pequenas amplitudes de tensão. Alguns metais, como ligas ferrosas e ligas de titânio, têm um limite claro.

A frase "resistência à fadiga" ou "resistência de resistência" é usada quando um material não tem um limite claro e é definido como a maior quantidade de tensão de flexão totalmente reversa que um material pode suportar por um número predeterminado de ciclos antes de falhar por exaustão .



Tensões cíclicas, tensões residuais, características do material, falhas internas, tamanho do grão, temperatura, geometria do projeto, qualidade da superfície, oxidação, corrosão, etc. todos têm impacto na vida em fadiga. Existe um valor teórico de amplitude de tensão para alguns materiais, principalmente aço e titânio, abaixo do qual o material não falhará por nenhum número de ciclos. Esse valor é conhecido como limite de fadiga, limite de resistência ou resistência à fadiga.

Neste artigo, serão discutidas as seguintes questões:

• O que é um limite de fadiga?
• Quem descobre o limite de fadiga?
• Definições de limite de fadiga
• Quais são os valores típicos para o limite de fadiga?

O que é um limite de fadiga?

O nível de tensão abaixo do qual um número ilimitado de ciclos de carregamento pode ser dado ao material sem induzir a falha por fadiga é conhecido como limite de fadiga ou limite de resistência.

Para calcular a vida de fadiga de um material, os engenheiros empregam uma variedade de técnicas. A abordagem tensão-vida, que está entre as mais úteis, é frequentemente caracterizada por uma curva S-N, também conhecida como curva de Wöhler. A figura mostra esta técnica. Traçado em relação à vida útil do componente ou ao número de ciclos até a falha é a tensão aplicada (S) (N).

A vida útil do componente cresce lentamente no início e depois muito rapidamente à medida que a tensão cai de um valor alto. Os dados usados ​​para traçar a curva serão tratados estatisticamente porque a fadiga, como a fratura frágil, tem uma natureza tão variável. A dispersão dos resultados é resultado da sensibilidade à fadiga a vários testes e parâmetros do material que são difíceis de regular adequadamente.

Tensões cíclicas, tensões residuais, características do material, falhas internas, tamanho do grão, temperatura, geometria do projeto, qualidade da superfície, oxidação, corrosão, etc. todos têm impacto na vida em fadiga. Existe um valor teórico de amplitude de tensão para alguns materiais, principalmente aço e titânio, abaixo do qual o material não falhará por nenhum número de ciclos. Esse valor é conhecido como limite de fadiga, limite de resistência ou resistência à fadiga.

Quem descobre o limite de fadiga?

August Wöhler propôs pela primeira vez a ideia de um limite de resistência em 1870. Estudos recentes, no entanto, afirmam que não há limites de resistência para materiais metálicos e que, dados ciclos de tensão suficientes, mesmo a menor tensão resultará em falha por fadiga.

Definições de limite de fadiga

Os seguintes termos são definidos para a curva S-N:

Limite de fadiga

O nível de tensão abaixo do qual a falha por fadiga não ocorre é conhecido como limite de fadiga (às vezes chamado de limite de resistência). Apenas algumas ligas de titânio e ferrosas (à base de ferro) podem atingir esse limite porque a curva S–N para esses materiais se torna horizontal em valores de N mais altos. Outros metais estruturais, como alumínio e cobre, não possuem um ponto de falha claro e gradualmente cedem mesmo sob tensões menores. Os limites padrão para aços variam de 290 MPa a 1/2 da resistência à tração final (42 ksi).

Força de fadiga

De acordo com a ASTM, resistência à fadiga, ou SNf, é o nível de tensão no qual a falha ocorre após um número predeterminado de ciclos (por exemplo, 107 ciclos). MPa a 107 ciclos e um fator de concentração de tensão =3,3.

Vida de fadiga

O comportamento à fadiga de um material é definido pela sua vida em fadiga. De acordo com o gráfico S–N, é o número de ciclos necessários para que a falha ocorra em um determinado nível de tensão.

Existem três etapas distintas que compõem o processo de falha por fadiga:

A iniciação da fratura ocorre quando uma pequena trinca se desenvolve em um local onde há uma concentração de alta tensão. Propagação de trinca, em que cada ciclo de tensão faz com que a trinca avance um pouco. A fase de crescimento da trinca geralmente consome a maior parte da vida em fadiga. Uma vez que a trinca em expansão atinge um tamanho crucial, a falha final acontece extremamente rapidamente.

Em algum ponto de concentração de tensão na superfície de um componente, trincas ligadas à falha por fadiga quase invariavelmente começam (ou “nucleadas”). Qualquer fator que aumente a concentração de tensão e a ocorrência de trincas reduzirá a vida em fadiga. Como resultado, a vida útil à fadiga é melhorada pelo polimento em vez de esmerilhamento para um maior grau de acabamento superficial. A vida à fadiga dos componentes metálicos também será melhorada pelo fortalecimento e endurecimento das camadas superficiais.

Assista ao vídeo abaixo para saber mais sobre um limite de fadiga:

Quais são os valores típicos para um limite de fadiga?

O limite (Se) para aços normalmente varia de 290 MPa a metade da resistência à tração final (42 ksi). (Se) é tipicamente 0,4 vezes a resistência à tração final para ligas feitas de ferro, alumínio e cobre.

Os valores máximos usuais para o cobre são 97 MPa, alumínio 130 MPa (19 ksi) e ferro 170 MPa (24 ksi) (14 ksi). Observe que esses valores se aplicam a amostras de teste que eram lisas e “sem entalhes”. Para amostras com entalhes, o limite de resistência é muito menor.

O limite de fadiga para materiais poliméricos demonstrou representar a tenacidade inerente das ligações covalentes que devem ser quebradas para estender uma trinca. Quando as cargas são mantidas abaixo da resistência inerente, um polímero pode funcionar indefinidamente sem formação de fratura, desde que outros processos termoquímicos não interrompam a cadeia do polímero.

Em resumo

Para calcular a vida de fadiga de um material, os engenheiros empregam uma variedade de técnicas. A abordagem tensão-vida, que está entre as mais úteis, é frequentemente caracterizada por uma curva S-N, também conhecida como curva de Wöhler. A figura mostra esta técnica. Traçado em relação à vida útil do componente ou ao número de ciclos até a falha é a tensão aplicada (S) (N).

O nível de tensão abaixo do qual um número ilimitado de ciclos de carregamento pode ser dado ao material sem induzir a falha por fadiga é conhecido como limite de fadiga ou limite de resistência. Isso é tudo para este artigo, onde as seguintes perguntas estão sendo respondidas:

• O que é um limite de fadiga?
• Quem descobre um limite de fadiga?
• Definições de limite de fadiga
• Quais são os valores típicos para um limite de fadiga?

Espero que você aprenda muito com a leitura, se assim for, por favor, compartilhe com os outros. Obrigado por ler, nos vemos por aí!