Dominando Limites de Fadiga: Como Materiais Resistem a Ciclos Infinitos de Tensão

O nível de tensão abaixo do qual um número ilimitado de ciclos de carga pode ser aplicado a um material sem induzir falha por fadiga é conhecido como limite de fadiga ou limite de resistência. Por outro lado, alumínio e cobre não possuem esse limite bem definido e eventualmente falham mesmo sob amplitudes de tensão pequenas. Alguns metais, como ligas ferrosas e ligas de titânio, apresentam um limite claro.

O termo "resistência à fadiga" é usado quando um material não possui um limite claro e é definido como a maior quantidade de tensão de flexão completamente invertida que um material pode suportar por um número predeterminado de ciclos antes de falhar por exaustão.

Tensões cíclicas, tensões residuais, características do material, defeitos internos, tamanho de grão, temperatura, geometria do projeto, qualidade da superfície, oxidação, corrosão, etc., todos afetam a vida à fadiga. Existe um valor teórico de amplitude de tensão para alguns materiais, notadamente aço e titânio, abaixo do qual o material não falhará por qualquer número de ciclos. Esse valor é conhecido como limite de fadiga, limite de resistência ou resistência à fadiga.

Neste artigo, as seguintes questões serão discutidas:

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

O que é limite de fadiga?

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

Para calcular a vida à fadiga de um material, engenheiros empregam diversas técnicas. A abordagem tensão-vida, entre as mais úteis, é frequentemente caracterizada por uma curva S-N, também conhecida como curva de Wöhler. A figura exibe essa técnica. Plotam-se a tensão aplicada (S) contra a vida do componente ou número de ciclos até a falha (N).

A vida do componente cresce lentamente no início e depois rapidamente à medida que a tensão diminui de um valor alto. Os dados usados para traçar a curva são tratados estatisticamente, pois a fadiga, como a fratura frágil, tem natureza variável. A dispersão dos resultados resulta da sensibilidade da fadiga a vários parâmetros de ensaio e do material que são difíceis de controlar adequadamente.

Tensões cíclicas, tensões residuais, características do material, defeitos internos, tamanho de grão, temperatura, geometria do projeto, qualidade da superfície, oxidação, corrosão, etc., todos afetam a vida à fadiga. Existe um valor teórico de amplitude de tensão para alguns materiais, notadamente aço e titânio, abaixo do qual o material não falhará por qualquer número de ciclos. Esse valor é conhecido como limite de fadiga, limite de resistência ou resistência à fadiga.

Quem descobriu o limite de fadiga?

August Wöhler propôs pela primeira vez a ideia de um limite de resistência em 1870. Estudos recentes, no entanto, argumentam que não existem limites de resistência para materiais metálicos e que, dado um número suficiente de ciclos de tensão, até mesmo a menor tensão eventualmente 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 (também chamado de limite de resistência). Apenas algumas ligas de titânio e ferrosas (baseadas em ferro) atingem esse limite, pois a curva S-N para esses materiais torna-se horizontal em valores maiores de N. Outros metais estruturais, como alumínio e cobre, não possuem um ponto de falha claro e cedem gradualmente mesmo sob tensões menores. Limites padrão para aços variam de 290 MPa a 1/2 da resistência à tração final (42 ksi).

Resistência à fadiga

Segundo a ASTM, resistência à fadiga, ou SNf, é o nível de tensão no qual a falha ocorre após um número predeterminado de ciclos (ex.: 10⁷ ciclos). Por exemplo, a liga de titânio Ti-6Al-4V recozida tem resistência à fadiga de aproximadamente 240 MPa a 10⁷ ciclos com fator de concentração de tensão = 3,3.

Vida à fadiga

O comportamento à fadiga de um material é definido por sua vida à fadiga. Segundo o gráfico S-N, é o número de ciclos necessários para que a falha ocorra em um dado nível de tensão.

Três etapas distintas compõem o processo de falha por fadiga:

Iniciação da fratura: ocorre quando uma microfissura se desenvolve em um local de concentração de alta tensão. Propagação da trinca: cada ciclo de tensão faz a trinca avançar um pouco. A fase de crescimento da trinca frequentemente consome a maior parte da vida à fadiga. Uma vez que a trinca em expansão atinge um tamanho crítico, a falha final ocorre muito rapidamente.

Em algum ponto de concentração de tensão na superfície de um componente, trincas associadas à falha por fadiga quase invariavelmente se iniciam (ou "nucleiam"). Qualquer fator que aumente a concentração de tensão e a ocorrência de trincas encurtará a vida à fadiga. Como resultado, a vida à fadiga é melhorada por polimento em vez de retificação para um grau superior de acabamento superficial. A vida à fadiga de componentes metálicos também será melhorada pelo endurecimento e reforço das camadas superficiais.

Assista ao vídeo abaixo para aprender mais sobre limite de fadiga:

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Quais são os valores típicos para um limite de fadiga?

O limite (Se) para aços tipicamente 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 de ferro, alumínio e cobre.

Os valores máximos usuais para cobre são 97 MPa, alumínio 130 MPa (19 ksi) e ferro 170 MPa (24 ksi) (14 ksi). Note que esses valores aplicam-se a corpos de prova lisos e "sem entalhes". Para corpos de prova 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 rompidas para estender uma trinca. Quando as cargas são mantidas abaixo da resistência inerente, um polímero pode rodar indefinidamente sem formação de trinca, desde que outros processos termoquímicos não rompam a cadeia polimérica.

Resumo

Para calcular a vida à fadiga de um material, engenheiros empregam diversas técnicas. A abordagem tensão-vida, entre as mais úteis, é frequentemente caracterizada por uma curva S-N, também conhecida como curva de Wöhler. A tensão aplicada (S) é plotada contra a vida do componente ou número de ciclos até a falha (N).

O nível de tensão abaixo do qual um número ilimitado de ciclos de carga pode ser aplicado a um material sem induzir falha por fadiga é conhecido como limite de fadiga ou limite de resistência. Neste artigo, as seguintes questões foram respondidas:

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

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