Ensaios de fadiga

Os primeiros ensaios de fadiga para pesquisar a resistência a carregamentos cíclicos foram feitos com corpos de prova de seção circular, submetidos a esforços de flexão e postos a girar. Contando-se o número de rotações até a ruptura do corpo de prova, se obtém o número de ciclos que o material suportou até a falha, correspondente ao nível de tensão cíclica atuante. Nesse tipo de ensaio, embora a carga seja constante, a tensão varia senoidalmente com o tempo, devido à rotação do corpo de prova. Em outras situações a tensão varia ciclicamente sobre um valor de tensão média que não é zero, fazendo com que a alternância não seja simétrica, conforme ilustra a Figura 2.6. Isso faz com que seja necessário considerar não só a influência da amplitude da tensão alternante, como também a intensidade da tensão média sobre a resistência à fadiga. A nomenclatura adotada para identificar as tensões atuantes neste caso está ilustrada na Tabela 1.

Nos ensaios de flexão rotativa o material é solicitado por uma tensão cíclica alternante, com tensão média nula. Nesse ensaio, um corpo de prova é posto a girar, submetido a um momento fletor constante, o que faz com que cada ponto do material,

devido à rotação, tenha o seu nível de tensão variando senoidalmente. O corpo de prova assim permanece até que venha a romper. Novos corpos de prova são ensaiados, com diferentes intensidades de carregamento, permitindo uma avaliação do efeito do nível do carregamento cíclico sobre a vida à fadiga do material em questão. Os resultados desses ensaios são usualmente apresentados na forma gráfica, de valores da tensão alternada aplicada contra o número de ciclos da vida, conforme ilustrado na Figura 2.7, conhecida por curva S-N. A Figura 2.7 mostra tensão máxima x vida em flexão rotativa, (onde ımáx = ıa, pois ım = 0 e R= 1,0).

Uma característica importante, e que deve ser levada em consideração em todo e qualquer problema relacionado com fadiga, é a grande dispersão de resultados existente, principalmente para vidas superiores a 104 ciclos. Isso se deve ao processo de nucleação, que fica bastante influenciado pelas heterogeneidades metalúrgicas, que são aleatoriamente dispersas pelo volume do material.

Outros tipos de ensaios realizados são os de tração-compressão, torção cíclica ou de flexão plana. Atualmente, a tendência é de usar predominantemente testes axiais, de tração-compressão. Alguns ensaios são realizados com o uso de carregamentos combinados, ou seja, tração-flexão, tração-torção, flexão-torção, entre outras combinações. O estudo da fadiga é feito tomando por base os dados obtidos com ensaios de tração-compressão, com controle de carga na região a alto ciclo e com controle de deformação na região a baixo ciclo. Os equipamentos de ensaio são na sua grande maioria máquinas eletro-hidráulico servocontroladas, com realimentação do sinal de controle e possibilidade de medida de várias grandezas simultaneamente. Nos ensaios com controle de deformação as curvas são de İa (componente dinâmica da deformação) contra N ou de ǻİ, faixa de variação da deformação, contra a vida N.

A Tabela 1 apresenta a terminologia usada, a definição e as relações entre os parâmetros para um carregamento cíclico de amplitude constante, conforme ilustrado na Figura 2.6 (PADILHA, 2004).

Tabela. 1 - Terminologia, definição e relação entre os parâmetros de um carregamento cíclico de fadiga (PADILHA, 2004).

7(50,12/2*,$ '(),1,d®2 5(/$d®2 IJPi[ 7HQVmRPi[LPD 0DLRUWHQVmRGRFLFOR  IJPtQ 7HQVmRPtQLPD 0HQRUWHQVmRGRFLFOR  IJP 7HQVmRPpGLD 0pGLDGDVWHQV}HV ıP ıPi[ıPtQ IJD 7HQVmRDOWHUQDGD &RPSRQHQWHYDULiYHOGDWHQVmR ıD ıPi[±ıPtQ ¨IJ $PSOLWXGHGDVWHQV}HV 'LIHUHQoDGDVWHQV}HVHPPyGXOR ¨ı ıPi[±ıPtQ $ 5 5D]mRGDVWHQV}HV 5D]mRHQWUHDWHQVmRPtQLPDHPi[LPD 5 ıPtQıPi[ . &RQVWkQFLDGHFDUJD 5D]mRHQWUHDVWHQV}HVPi[LPDHPpGLD . ıPi[ıP 

As curvas S-N são plotadas para amplitudes de tensões constantes, cujos valores estão abaixo do limite elástico do material. O número de ciclos N é considerado como sendo o número de ciclos de tensão necessários para causar a fratura completa do corpo de prova ou da peça. A tensão na qual a curva se mantém na horizontal é um importante parâmetro conhecido como limite de resistência à fadiga. Esse limite é característico de algumas ligas ferrosas, por exemplo, o aço, e ligas a base de titânio, e representa um valor máximo de tensão no qual o material não sofrerá fratura por fadiga, ou seja, abaixo desta tensão não é possível romper o material, não importando o número de ciclos (SCHIJVE, 2003).

103 104 105 106 107 400 600 800 1000 1200 1400 4340:52HRc T ens ão m áxi m a ( M Pa) Ciclos 103 104 105 106 107 400 600 800 1000 1200 1400 52(140 µm)

Figura 2. 7 - Curva S-N - Influência do Cromo eletrodepositado na resistência à fadiga em flexão rotativa do aço AISI 4340: R = 1,0 (VOORWALD et al., 2007).

Para N=107 ciclos, considera-se vida infinita para os metais ferrosos. Os metais não ferrosos, por exemplo, ligas à base de alumínio cobre e magnésio, em geral não apresentam um patamar do limite de fadiga. Com isso, a falha por fadiga irá sempre ocorrer para essas ligas, independente da intensidade da tensão. Para esses materiais, a propriedade de fadiga ou a resposta do material submetido a esse tipo de solicitação é

especificada como uma resistência à fadiga, que corresponde ao valor da tensão para a qual a falha por fadiga não irá ocorrer em um determinado número pré-estabelecido de ciclos, que no caso dessas ligas é da ordem de 108 ciclos (BONORA, 2011).

Para ensaios de fadiga em corpos de prova polidos, com solicitação axial de amplitude constante, o limite superior da região de baixo ciclo varia de 102 a 105 ciclos. Segundo Dieter e Willens (1983), a região de fadiga de baixo ciclo corresponde a N < 104 ciclos (SOUZA, 2002).

Não existe um consenso na literatura sobre um valor fixo para o número de ciclos na curva S-N, que separa nitidamente a região que corresponde à fadiga de alto ciclo da região de baixo ciclo. O número de ciclos que distingue uma região da outra depende da resistência e da ductilidade do material (DIETER, 1984).

Segundo Dieter, o número de alto ciclo corresponde a N > 105 ciclos. Para Willens (1983), fadiga de alto ciclo corresponde a N > 104 ciclos. Nestas condições e, até mesmo para número de ciclos abaixo da faixa de 104 a 105 ciclos, a tensão é considerada elástica, porém, o material sofre deformações plásticas localizadas (SOUZA, 2002).

Neste estudo, para efeito de comparações entre os recobrimentos e o Cromo duro, adotam-se os seguintes valores para fadiga: alto ciclo para N=106 ciclos; médio ciclo, para N=105 ciclos; e baixo ciclo, para N=104 ciclos.