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IntroduçªoEm condiçıes normais de uso, os produtos devem sofrer esforços abaixo do limite de proporcionalidade, ou limite elÆstico, que corresponde à tensªo mÆxima que o material pode suportar.
Em geral, os fabricantes especificam o produto para suportar esforços acima desse limite, ensaiam os materiais, controlam o processo de produçªo e tomam todos os cuidados para que o produto nªo apresente qualquer problema.
Apesar de todas essas precauçıes, Ø possível que, após algum tempo de uso normal, de repente, sem aviso prØvio e sem motivo aparente, o produto simplesmente venha a falhar, deixando o usuÆrio na mªo.
Essa falha Ø típica de um fenômeno chamado fadiga, que Ø o assunto desta aula. VocŒ ficarÆ sabendo o que Ø fadiga, como se determina a resistŒncia à fadiga, como sªo apresentados os resultados deste ensaio, que fatores influenciam a resistŒncia dos metais à fadiga e o que pode ser feito para melhorar essa resistŒncia.
Nªo se deixe vencer pela fadiga! Estude com atençªo, e ao final da aula vocŒ terÆ adquirido uma visªo geral de um tipo de ensaio de importância fundamental nas indœstrias.
VocŒ jÆ sabe que toda mÆquina Ø constituída por um conjunto de componentes. No uso normal, nunca ocorre de todos os componentes falharem ao mesmo tempo. Isso porque cada um tem características próprias, uma das quais Ø o tempo de vida œtil esperado.
O ensaio de resistŒncia à fadiga Ø um meio de especificar limites de tensªo e de tempo de uso de uma peça ou elemento de mÆquina. É utilizado tambØm para definir aplicaçıes de materiais.
É sempre preferível ensaiar a própria peça, feita em condiçıes normais de produçªo. Molas, barras de torçªo, rodas de automóveis, pontas de eixo etc. sªo exemplos de produtos normalmente submetidos a ensaio de fadiga.
Quando nªo Ø possível o ensaio no próprio produto, ou se deseja comparar materiais, o ensaio Ø feito em corpos de prova padronizados.
Ensaio de fadiga Nossa aula
AULALeia com atençªo:
Fadiga Ø a ruptura de componentes, sob uma carga bem inferior à carga mÆxima suportada pelo material, devido a solicitaçıes cíclicas repetidas.
A ruptura por fadiga começa a partir de uma trinca (nucleaçªo) ou pequena falha superficial, que se propaga ampliando seu tamanho, devido às solicitaçıes cíclicas. Quando a trinca aumenta de tamanho, o suficiente para que o restante do material nªo suporte mais o esforço que estÆ sendo aplicado, a peça se rompe repentinamente.
A fratura por fadiga Ø típica: geralmente apresenta-se fibrosa na regiªo da propagaçªo da trinca e cristalina na regiªo da ruptura repentina.
VocŒ pode observar aproximadamente o que acontece na fadiga, dobrando repetidamente um pedaço de arame de aço. Após dobrar algumas vezes, se vocŒ observar atentamente, notarÆ algumas pequenas trincas. Se continuar dobrando, observarÆ que a trinca aumenta de tamanho atØ ocorrer a ruptura do arame.
O estudo da fadiga Ø importante porque a grande maioria das falhas de componentes de mÆquinas, em serviço, se deve à fadiga. E a ruptura por fadiga ocorre sem nenhum aviso prØvio, ou seja, num dado momento a mÆquina estÆ funcionando perfeitamente e, no instante seguinte, ela falha.
Tensıes cíclicas
Na definiçªo de fadiga, destacou-se que ela se deve a esforços cíclicos repetidos. De maneira geral, peças sujeitas a fadiga estªo submetidas a esforços que se repetem com regularidade. Trata-se das tensıes cíclicas.
A tensªo cíclica mais comum Ø caracterizada por uma funçªo senoidal, onde os valores de tensªo sªo representados no eixo das ordenadas e o nœmero de ciclos no eixo das abscissas. As tensıes de traçªo sªo representadas como positivas e as tensıes de compressªo como negativas. A figura a seguir apresenta trŒs tipos de ciclos de tensªo.
A figura a mostra um grÆfico de tensªo reversa, assim chamado porque as tensıes de traçªo tŒm valor igual às tensıes de compressªo.
No grÆfico b todas as tensıes sªo positivas, ou seja, o corpo de prova estÆ sempre submetido a uma tensªo de traçªo, que oscila entre um valor mÆximo e um mínimo.
O grÆfico c representa tensıes positivas e negativas, como no primeiro caso, só que as tensıes de compressªo tŒm valores diferentes das tensıes de traçªo.
Um ciclo de tensªo corresponde a um conjunto sucessivo de valores de tensªo, que se repete na mesma seqüŒncia e no mesmo período de tempo.
Os aparelhos de ensaio de fadiga sªo constituídos por um sistema de aplicaçªo de cargas, que permite alterar a intensidade e o sentido do esforço, e por um contador de nœmero de ciclos.
O teste Ø interrompido assim que o corpo de prova se rompe.
O ensaio Ø realizado de diversas maneiras, de acordo com o tipo de solicitaçªo que se deseja aplicar: - torçªo;
- traçªo-compressªo;
- flexªo;
-flexªo rotativa.
AULAO ensaio mais usual, realizado em corpos de prova extraídos de barras ou perfis metÆlicos, Ø o de flexªo rotativa.
Este ensaio consiste em submeter um corpo de prova a solicitaçıes de flexªo, enquanto o mesmo Ø girado em torno de um eixo, por um sistema motriz com contagiros, numa rotaçªo determinada e constante.
O corpo de prova deve ser usinado e ter bom acabamento superficial, para nªo prejudicar os resultados do ensaio. A forma e as dimensıes do corpo de prova variam, e constituem especificaçıes do fabricante do equipamento utilizado. O ambiente onde Ø feito o ensaio tambØm Ø padronizado.
As formas mais utilizadas de corpo de prova sªo apresentadas nas figuras a seguir.
Para uma mesma tensªo, pode-se obter resultados de ensaio dispersos e que devem ser tratados estatisticamente. Mas, em geral, o ensaio Ø realizado em cerca de 10 corpos de prova, para cada um dos diversos níveis de tensªo.
AULACurva S-N
Os resultados do ensaio de fadiga geralmente sªo apresentados numa curva tensªo-nœmero de ciclos, ou simplesmente curva S-N. O S vem da palavra inglesa stress, que quer dizer tensªo , e N representa o nœmero de ciclos.
Supondo que, para uma certa solicitaçªo de flexªo S1 o corpo de prova se rompa em um certo nœmero de ciclos N1, e para uma solicitaçªo S2 se rompa em N2 ciclos, e assim por diante, pode-se construir o diagrama S-N, com a tensªo no eixo das ordenadas e o nœmero de ciclos no eixo das abscissas.
Observando a curva obtida, nota-se que, à medida que se diminui a tensªo aplicada, o corpo de prova resiste a um maior nœmero de ciclos. Nota-se, tambØm, que diminuindo a tensªo a partir de um certo nível em que a curva se torna horizontal o nœmero de ciclos para o rompimento do corpo de prova torna-se praticamente infinito.
Esta tensªo mÆxima, que praticamente nªo provoca mais a fratura por fadiga, chama-se limite de fadiga ou resistŒncia à fadiga do metal considerado.
Mas, para a maioria dos materiais, especialmente os metais nªo ferrosos como o alumínio, a curva obtida no diagrama S-N Ø decrescente. Portanto, Ø necessÆrio definir um nœmero de ciclos para obter a correspondente tensªo, que serÆ chamada de resistŒncia à fadiga.
Para o alumínio, cobre, magnØsio e suas ligas, deve-se levar o ensaio a atØ 50 milhıes de ciclos e, em alguns casos, a atØ 500 milhıes de ciclos, para neste nœmero definir a resistŒncia à fadiga.
Fatores que influenciam a resistencia à fadiga
Uma superfície mal acabada contØm irregularidades que, como se fossem um entalhe, aumentam a concentraçªo de tensıes, resultando em tensıes residuais que tendem a diminuir a resistŒncia à fadiga.
Defeitos superficiais causados por polimento (queima superficial de carbono nos aços, recozimento superficial, trincas etc.) tambØm diminuem a resistŒncia à fadiga.
AULATratamentos superficiais (cromeaçªo, niquelaçªo etc.) diminuem a resistŒncia à fadiga, por introduzirem grandes mudanças nas tensıes residuais, alØm de
conferirem porosidade ao metal. Por outro lado, tratamentos superficiais endurecedores podem aumentar a resistŒncia à fadiga.
O limite de fadiga depende da composiçªo, da estrutura granular, das condiçıes de conformaçªo mecânica, do tratamento tØrmico etc.
O tratamento tØrmico adequado aumenta nªo somente a resistŒncia estÆtica, como tambØm o limite de fadiga.
O encruamento dos aços dœcteis aumenta o limite de fadiga.
O meio ambiente tambØm influencia consideravelmente o limite de fadiga, pois a açªo corrosiva de um meio químico acelera a velocidade de propagaçªo da trinca.
A forma Ø um fator crítico, porque a resistŒncia à fadiga Ø grandemente afetada por descontinuidades nas peças, como cantos vivos, encontros de paredes, mudança brusca de seçıes.
A resistŒncia à fadiga pode ser melhorada
Sempre que possível, deve-se evitar a concentraçªo de tensıes. Por exemplo, um rasgo de chaveta num eixo Ø um elemento que concentra tensªo e, conseqüentemente, diminui a resistŒncia à fadiga.
Os projetos devem prever tensıes contrÆrias favorÆveis (opostas às tensıes principais aplicadas), por meio de processos mecânicos, tØrmicos ou similares. Uma compensaçªo deste tipo Ø encontrada em amortecedores de vibraçıes de motores a explosªo.
Defeitos metalœrgicos como inclusıes, poros, pontos moles etc. devem ser eliminados.
Deve-se selecionar os materiais metÆlicos de acordo com o ciclo de tensıes: para aplicaçıes com baixas tensıes cíclicas, onde a deformaçªo pode ser facilmente controlada, deve-se dar preferŒncia a ligas de alta ductilidade. Para aplicaçıes com elevadas tensıes cíclicas, envolvendo deformaçıes cíclicas predominantemente elÆsticas, deve-se preferir ligas de maior resistŒncia mecânica.
Microestruturas estÆveis, isto Ø, que nªo sofrem alteraçıes espontâneas ao longo do tempo, apresentam maior resistŒncia à fadiga.
De tudo que foi dito sobre fadiga nesta aula, vocŒ deve ter concluído que, no uso normal dos produtos, nós os submetemos permanentemente a ensaios de fadiga, que só terminam quando o produto falha.
PorØm, a indœstria tem que se preocupar com a fadiga antes de lançar o produto no mercado, pois este ensaio fornece informaçıes que afetam diretamente a segurança do consumidor.
A ruptura por fadiga ocorre quando o material estÆ sujeito a: a)()tensıes superiores ao limite de proporcionalidade; b)()tensıes cíclicas repetitivas; c)()tensıes iguais ao limite de proporcionalidade; d) ( ) tensıes estÆticas.
No grÆfico de tensªo reversa: a)()as tensıes de traçªo sªo positivas e as tensıes de compressªo sªo negativas; b)()as tensıes de traçªo sªo negativas e as tensıes de compressªo sªo positivas; c)()todas as tensıes sªo positivas; d)()todas as tensıes sªo negativas.
Sªo exemplos de fatores que diminuem a resistŒncia à fadiga: a)() tratamentos superficiais, descontinuidades na superfície; b)() tratamento tØrmico, tratamentos superficiais endurecedores; c)() meio ambiente isento de agentes corrosivos, bom acabamento superficial; d)() encruamento dos aços dœcteis, formas sem cantos vivos.
O ensaio de fadiga Ø baseado em esforços de: a)()traçªo e torçªo; b)()traçªo e compressªo; c)()flexªo e torçªo; d)()traçªo, compressªo, torçªo e flexªo.
Na curva S-N, o limite de fadiga indica que: a)()se for atingida aquela tensªo, o corpo se romperÆ; b)()mantendo aquela tensªo indefinidamente, o corpo nªo se romperÆ; c)()foi atingido o nœmero mÆximo de ciclos que o material suporta; d)()a partir deste limite, a curva Ø decrescente.