Falha por Fadiga

A maioria das falhas em máquinas ocorrem devido a cargas que variam no tempo, e não a esforços estáticos. Essas falhas ocorrem, tipicamente, em níveis de tensão significativamente inferiores aos valores da resistência ao escoamento dos materiais. Assim, quando estão envolvidos carregamentos dinâmicos, as teorias de falha para carregamentos estáticos podem levar a projetos sem segurança.

A figura ao lado, mostra uma fratura por fadiga de um parafuso, causada por flexão repetida, unidirecional. O ponto A indica o início da trinca que se propagou, deixando “marcas de praia”, indicada pelo ponto B e finalmente o ponto C indicando a região final da fratura.

As falhas por fadiga sempre têm início com uma pequena trinca, pré-existente pela manufatura do material ou que se desenvolveu ao longo do tempo, pelas deformações cíclicas, ao redor dos pontos de concentração de tensões.

A falha por fadiga é geralmente de natureza frágil mesmo em materiais dúcteis e a fratura ou rompimento do material geralmente ocorre com a formação e propagação de uma trinca que se inicia em pontos onde há imperfeição estrutural ou de composição e/ou de alta concentração de tensões (que ocorre geralmente na superfície). A superfície da fratura é geralmente perpendicular à direção da tensão à qual o material foi submetido. Os esforços alternados que podem levar à fadiga podem ser: Tração, tração e compressão, flexão e torção.

Portanto, é fundamental que o projeto de peças dinamicamente carregadas, sejam elaborados de modo a minimizar a concentração de tensões.

Estágios na Falha por Fadiga:

Costuma-se dividir o processo de fadiga em três ciclos:

Estágio I (Nucleação / Início da Trinca): Corresponde à nucleação da trinca por deformação plástica localizada e o seu crescimento inicial, ao longo de planos de escorregamento, sob a influência de tensões de cisalhamento. As trincas começam a se nuclear e a se propagar por planos orientados a aproximadamente 45° do eixo de tensão. O crescimento das trincas neste estágio é da ordem de micrometros por ciclo. Uma vez iniciada, a trinca se propaga nos correspondentes planos cristalográficos até encontrar contornos de grão. Este estágio NÃO é visível a olho nu na superfície da fratura, pois normalmente não se estende por mais de 2 a 5 grãos. Pode corresponder de 0% a 90% do número total de ciclos que o componente suporta antes de fraturar. A presença de entalhes e altas tensões localizadas reduz a duração deste estágio. Ocorre devido a imperfeições, partículas, inclusões, etc. (em escala microscópica os metais não são homogêneos e isotrópicos) e pontos de concentração de tensão, que contenha uma componente de tensão de tração. Pode ter uma pequena duração para o seu início;

Estágio II (Propagação): Corresponde ao crescimento da trinca num plano perpendicular à direção da tensão principal de tração. A transição do estágio I para o estágio II se dá através da formação de numerosos degraus, também não visíveis a olho nu. Já a fratura no estágio II é sempre visível, pode corresponder à maior parte da área da fratura e é a mais característica do processo de fadiga. A propagação se dá em uma direção perpendicular ao eixo de tensão. Neste estágio, a trinca normalmente apresenta estrias características, visíveis apenas ao microscópio eletrônico, que correspondem às posições da frente de propagação nos vários ciclos de tensões.

Estrias de fadiga: microscopia

Já no aspecto macrográfico a fratura apresenta as chamadas marcas de praia, produzidas devido a alterações no ciclo de tensões, seja no valor ou na frequência de aplicação das tensões; paradas intermediárias também podem produzir estas marcas. As marcas de praia podem se apresentar nítidas, ocupando área considerável na superfície de fratura, ou pequena área e podem ser difíceis de distinguir em consequência do escorregamento entre as superfícies ou de solicitação moderada. 

Fratura por fadiga mostrando marcas de praia.

Em ligas de alumínio de alta resistência a superfície de fadiga pode ser facilmente confundida com fratura frágil. As marcas de praia não se formam quando não há alteração no ciclo de tensões. É o que se observa em corpos de prova fraturados em laboratório sob ciclo constante. Envolve o maior tempo de vida da peça e se houver a presença de corrosão sua velocidade irá aumentar (na corrosão sob fadiga, a trinca aumenta até mesmo sob carregamento estático);

Parede de tubo em contato com ambiente corrosivo

 rompido depois de repetidos ciclos de pressurização.

Estágio III (Falha catastrófica): Corresponde à fratura brusca final que ocorre no último ciclo de tensões quando a trinca desenvolvida progressivamente atinge o tamanho crítico para propagação instável. Assim, a área da fratura desenvolvida progressivamente depende das tensões aplicadas e da tenacidade do material. Em princípio é possível que o material se deforme antes da ruptura final, mas normalmente as fraturas de fadiga são macroscopicamente “frágeis”, ou seja, não apresentam deformações macroscópicas.

Aspectos a ressaltar na fratura por fadiga.

• A área ocupada pela região de fratura brusca final diminui com o aumento da tensão para o mesmo material;
• Múltiplos pontos de nucleação indicam severa concentração de tensões; isto é mais nitidamente observado quando as tensões são elevadas. Estas múltiplas frentes eventualmente se unem à medida que as trincas se propagam. Antes de constituirem uma única frente, as trincas são separadas por degraus, constituindo um aspecto característico conhecido como marcas de catraca;
• A trinca avança mais nas regiões de maior triaxialidade de tensões, adquirindo por isso uma forma convexa (exemplo: high stress, no stress concentration, tension); quando a região de maior triaxialidade é deslocada para a periferia, devido a entalhe, a frente da trinca pode adquirir a forma de M (high stress, mild concentration, tension) ou inverter completamente a curvatura, que passa a côncava (low stress, severe concentration, tension);
• A diferença entre o aspecto das fraturas resultantes de flexão unidirecional e tração é basicamente a localização do início da trinca, que no primeiro caso corresponde à fibra externa mais solicitada a tração;
• Em flexão bidirecional a zona de fratura brusca final é central quando a solicitação máxima for a mesma em ambos os sentidos;
• Em flexão-rotação o centro de curvatura da frente de propagação se desloca em sentido contrário ao da rotação do eixo e a zona de fratura final tende a se deslocar para o centro com o aumento da tensão;
• Em torsão unidirecional a fratura tende a se propagar a 45º com o eixo de torção, formando superfícies em hélice, como é típico em molas helicoidais. Quando a torção é bidirecional a fratura se mantém no plano normal ao eixo com degraus tipo dente de serra;
• Em flexão unidirecional de eixos engastados a fratura tende a se propagar para dentro do engastamento.

REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DA FRATURA

Fonte:

Explanação e anotações das aulas dos professores Maurício de Oliveira na 

disciplina Ensaios Mecânicos da Equipe de Formação de Inspetores – EFI / SINDIPETRO-LP.

Notas de Aula do Prof. Gilfran Milfont / Falhas por Fadiga.