Os critérios de análise de fadiga em metais são baseados no controle da tensão (alto ciclo) ou no controle da deformação (baixo ciclo). De acordo com Suresh (1998), existem três métodos básicos de dimensionamento de fadiga:
Fadiga controlada por tensão (método S-N); Fadiga controlada por deformação (método -N); Mecânica da fratura linear elástica (MFLE).
Em termos de valores (Collins, 1993), a fadiga de baixo ciclo está relacionada às falhas que ocorrem para um alto nível de tensão e baixo número de ciclos (N<10³ ciclos para aços). Por fadiga de alto ciclo, são consideradas falhas que ocorrem para alto número de ciclos (N>104
ciclos para aços). Considerando diferentes materiais, Lee et al. (2005) definiram fadiga de baixo ciclo para tensões acima do limite de escoamento (plásticas), enquanto a de alto ciclo ocorre para tensões abaixo do limite de escoamento (elásticas).
Visto que o presente trabalho irá utilizar o método de fadiga controlada por tensão, que será exposto na seção de Metodologia, será dado ênfase a esse tópico em detrimento aos demais, conforme será descrito no item 2.5.1.
A fadiga de baixo ciclo ocorre quando as tensões cíclicas são de origem térmica ou quando existem concentradores de tensão no componente. As tensões são suficientemente altas para causar deformações plásticas localizadas no material, de forma que a deformação total possui um papel preponderante em regiões de alta concentração de tensão, como em entalhes e locais de solda. Nestes casos, o comportamento à fadiga é melhor avaliado em termos de controle da deformação do que em controle de tensão, de forma que os gráficos são plotados em função da deformação específica e do número de ciclos (MILAN, 1999; OLIVEIRA, 2012). Segundo Fuchs et al. (1980), o comportamento cíclico dos metais (Figura 15) deve ser caracterizado para a obtenção da curva tensão-deformação cíclica, uma vez que os metais podem sofrer amolecimento cíclico ou endurecimento cíclico, ter comportamento estável ou misto quando submetidas a tensões alternadas dependendo do estado inicial do material (temperado, revenido, normalizado, recozido); ver MITCHELL (1978) e MILAN (1999).
Figura 15 – Ilustração do comportamento cíclico dos metais
Fonte: Alba (2018).
Segundo Landgraf et al. (1972), aços de alta resistência e baixa liga, aços baixo carbono e aços de baixa dureza apresentam comportamento misto. Metais puros deformados a
frio e muitos aços submetidos a pequenas amplitudes de deformação sofrem amolecimento cíclico, apresentando diminuição em propriedades como dureza, limite de escoamento e limite de resistência à tração no decorrer dos ciclos (MITCHELL, 1978). De um modo geral, aços temperados, metais recozidos e diversas ligas de alumínio sofrem endurecimento cíclico (MILAN, 1999).
O método da mecânica da fratura linear elástica é utilizado para estimar o tempo de propagação da trinca e requer previamente o conhecimento do seu comprimento inicial. O princípio deste método está na relação entre a tensão aplicada e a distribuição de tensões na ponta da trinca juntamente com o tamanho, forma da trinca, propriedades do material, condições do teste (ambiente e temperatura), forma do componente mecânico e método utilizado para determinação da trinca. Na Tabela 1, é realizada uma breve comparação entre os métodos citados, mostrando vantagens e desvantagens, além das principais aplicações.
Tabela 1 – Comparação entre os métodos de previsão de vida em fadiga.
Método Tensão-Vida (S-N) Deformação-Vida (-N) Mecânica da Fratura (MFLE) Vantagens Simples
Fadiga de alto ciclo Muitos dados de materiais disponíveis
Modela vida total
Fadiga de baixo e alto ciclo Modelos de plasticidade Modelos incluem tensão residual
Reconhece trinca e seus efeitos na resistência
Modela trincas e seu crescimento sob carregamento cíclico Contabiliza efeito de sequência de carregamento
Desvantagens
Empírico e difícil de extrapolar Não abrange efeitos de plasticidade
Não funciona para fadiga de baixo ciclo
Mais complicado de ser aplicado Modela apenas iniciação da trinca
Apenas crescimento de trinca (sem iniciação)
Sensível ao tamanho inicial da trinca
Geometria possui extrema influência
Aplicações Vida longa
Estimativas rápidas
Vida curta e longa Peças que escoam durante carregamento cíclico ou que sofrem esporadicamente picos de tensão acima do escoamento
Trincas pré-existentes
Vida residual remanescente após período de iniciação da trinca Especifica intervalos de inspeção/manutenção
2.5.1 Fadiga controlada por tensão (método S-N) – fadiga de alto ciclo
O método da fadiga controlada por tensão, primeiro a ser utilizado no entendimento e quantificação da fadiga, é baseado nas curvas de Wohler, tensão versus número de ciclos (S- N). Sua aplicação é adequada para componentes submetidos a tensões no regime elástico e quando deformações plásticas são quase nulas, resultando em um alto número de ciclos para a falha (MILAN, 1999; CASTRO, 2007).
A grande desvantagem da curva S-N está no fato dessa curva ignorar o comportamento tensão-deformação e tratar todas as deformações como elásticas. Sua adoção é válida apenas para pequenas deformações plásticas (COLLINS, 1993).
As curvas S-N desenvolvidas por Wohler são a base da teoria de fadiga controlada por tensão, sendo definidas em função da tensão nominal aplicada. Estas curvas são determinadas a partir dos resultados de corpos de prova polidos ou em componentes da própria estrutura, conduzidos pela norma ASTM E-466: 96, com carregamento totalmente reverso (OLIVEIRA, 2012; CASTRO, 2007).
Wohler constatou que a redução da amplitude de tensões aplicada nos corpos de prova implicava no aumento do número de ciclos que o material era capaz de suportar antes de romper. Estas observações levaram-no ao conceito de limite de resistência à fadiga (Se) onde o material não romperá por fadiga para um determinado nível de tensão. Nota-se que o limite de resistência à fadiga varia de acordo com a razão de tensão aplicada ao componente, tipo de carregamento, acabamento superficial, concentradores de tensão e características do ambiente.
As curvas S-N são tipicamente apresentadas em gráficos com os eixos cartesianos nas seguintes escalas: S-N; S-logN; logS-logN. A escala semi-logarítmica (Figura 16b) é frequentemente adotada por facilitar a visualização do limite de resistência à fadiga (Se) (CASTRO, 2007).
Figura 16 – Ilustração das curvas de Wohler S-N: a) linear; b) semi-logarítmica.
(a) (b)