O limite de resistência determinado pelo ensaio de tração é função da carga máxima atingida durante o teste, após o qual ocorre a ruptura do material. Ficou então estabelecido que o material não se rompa com uma carga menor que aquela, quando submetido a esforços estáticos. Entretanto quando são aplicados esforços dinâmicos, repetidos ou flutuantes a um material metálico, o mesmo pode romper-se com uma carga bem inferior à carga máxima atingida na tração ou compressão. Nesse caso tem-se uma ruptura por fadiga do material. [34] A ruptura por fadiga que surge em componentes estruturais, quando submetidos à tensões dinâmicas, é provocada pela nucleação mais ou menos lenta de trincas de fadiga, por isso que o processo de fadiga é geralmente dividido em quatro fases ou estágios [42], conforme pode ser visto na Figura 29.
Figura 29 – Processo de fadiga dos materiais.
Fonte: [42].
As duas primeiras fases constituem o período de iniciação da trinca, seguida do crescimento macroscópico que constitui o período de propagação da trinca, podendo conduzir à ruptura final. O começo e o fim de cada período não são facilmente definidos à exceção da
ruptura final. A duração de um componente estrutural à fadiga define-se assim, pelo número de ciclos de aplicação da carga até a ruptura, englobando o período de iniciação, propagação e até a sua ruptura. (Figura 30)
Figura 30 – Duração de um componente estrutural à fadiga.
Fonte: [42].
A superfície de fratura por fadiga pode ser reconhecida geralmente a partir do aspecto da sua superfície a qual apresenta duas regiões bem distintas. Uma primeira região (a), lisa de aspecto sedoso e brilhante, resultante da ação da fricção que se verifica entre as superfícies durante a propagação da fenda através da secção do material e uma segunda região (b) de aspecto grosseiro e irregular [42] conforme pode ser visto na Figura 31.
Figura 31 – Aspectos da ruptura por fadiga.
Como a falha por fadiga se dá no ponto de alta tensão localizada, qualquer descontinuidade, seja ela acidental (falha de fundição) ou intencional (rasgo de chaveta, furo para pino, escalonamento de diâmetro) poderá iniciar tal tipo de exteriorização.
1.6.1 Tipos de ensaios de fadiga
Os aparelhos de ensaio de fadiga são constituídos por um sistema de aplicação de cargas, que permite alterar a intensidade e o sentido do esforço, e por um contador de número de ciclos. O teste é interrompido assim que o corpo de prova se rompe.
O ensaio é realizado de diversas maneiras, de acordo com o tipo de solicitação que se deseja aplicar: torção, tração-compressão, flexão e flexão rotativa. [43]
O ensaio mais usual, realizado em corpos de prova extraídos de barras ou perfis metálicos, é o de flexão rotativa. Este consiste em submeter um corpo de prova a solicitações de flexão, enquanto o mesmo é girado em torno de um eixo, por um sistema motriz de contagiros numa rotação determinada e constante, conforme pode ser visualizado na Figura 32.
Figura 32 – Exemplo de um ensaio de fadiga por torção e flexão.
Fonte: [44].
Outro ensaio de fadiga muito usado em materiais frágeis como o ferro fundido é o ensaio de tração-compressão. Este consiste em submeter um corpo de prova a aplicações de cargas alternadas de tração e compressão até que ocorra a sua ruptura e o número de ciclos é registrado em um contador.
A Figura 33 apresenta uma máquina eletromagnética para ensaios de fadiga de tração- compressão.
Figura 33 – Máquina para ensaio de fadiga tração-compressão.
Fonte: [44].
1.6.2 Corpos de prova
Os ensaios de fadiga podem ser realizados com três espécies diferentes de corpos de prova: a própria peça, produtos acabados e corpos de prova para ensaios. A forma do corpo de prova usinado varia muito de acordo com o tipo de solicitação e com as diversas normas propostas para o ensaio de fadiga. Em geral os corpos de prova são de seção circular ou retangular dependendo do produto, tendo na parte útil uma bi conicidade ao longo de seu comprimento com uma lado grande e contínuo, ficando o centro dessa parte útil com uma dimensão mínima. O grande raio usado evita uma concentração de tensão pela ausência de mudança brusca de seção. A Figura 34 apresenta alguns modelos de corpos de prova utilizados em ensaio de fadiga
Figura 34 – Desenhos esquemáticos de corpos de prova, em (a) para ensaio de fadiga por flexão rotativa e (b) para ensaio de fadiga por tração-compressão.
1.6.3 Consequências da fadiga sobre os ferros fundidos
O desempenho da fadiga de um ferro fundido, em particular depende da quantidade, tamanho e forma do componente da grafita livre. Os ferros fundidos podem ser classificados em dois tipos: ferro fundido nodular e ferro fundido cinzento. Cada um desses tipos possui um comportamento diferente. [41]
A) Ferro fundido nodular
Em um teste de fadiga sofrendo uma carga de tração pode-se observar o desprendimento de nódulos de grafita sobre a matriz circundante. Trincas de fadiga iniciam-se não só a partir dos nódulos, mas também de imperfeições de fundição, tais como, inclusões, poros, micro trincas e grupos de grafita de forma irregular. Estas irregularidades iniciam trincas em um estágio mais cedo na vida dos nódulos. Como resultado, a qualidade da peça fundida terá uma grande influência sobre a vida de fadiga das peças fundidas de ferro fundido nodular. Mesmo com uma vida longa, as trincas são observadas muito cedo na vida de ferro fundido nodular. [41] A Figura 35 apresenta a microestrutura típica de um ferro fundido nodular.
Figura 35 – Microestrutura de um ferro fundido nodular.
Fonte: [41].
B) Ferro fundido cinzento
A grafita em um ferro fundido cinzento é muito ramificada e interligada dentro de uma estrutura de células eutéticas. Estas estruturas celulares são compostas de flocos afiados que
fornecem um caminho fácil para a fratura, bem como áreas de alta concentração de tensões. Trincas se iniciam no primeiro ciclo de carregamento sobre os flocos orientados perpendicularmente a tensão de tração aplicada. Como o ferro fundido cinzento já contém trincas, ele não é muito sensível ao entalhe. [41] A Figura 36 apresenta a microestrutura típica de um ferro fundido cinzento.
Figura 36 – Microestrutura de um ferro fundido cinzento.
Fonte: [41].