O que é Fadiga de Material – Falha por Fadiga – Definição

Na ciência dos materiais, a fadiga é o enfraquecimento de um material causado por carregamento cíclico que resulta em danos estruturais progressivos, quebradiços e localizados. Uma vez iniciada a trinca, cada ciclo de carregamento aumentará a trinca em uma pequena quantidade, mesmo quando repetidas tensões alternadas ou cíclicas são de intensidade consideravelmente abaixo da resistência normal. As tensões podem ser devidas a vibração ou ciclagem térmica. O dano por fadiga é causado por:

• ação simultânea do estresse cíclico,
• tensão de tração (seja aplicada diretamente ou residual),
• tensão plástica.

Se qualquer um desses três não estiver presente, uma trinca de fadiga não será iniciada e propagada. A maioria das falhas de engenharia são causadas por fadiga.

Embora a fratura seja do tipo frágil, pode levar algum tempo para se propagar, dependendo tanto da intensidade quanto da frequência dos ciclos de tensão. No entanto, há muito pouco, se houver, aviso antes da falha se a rachadura não for notada. O número de ciclos necessários para causar falha por fadiga em um determinado pico de tensão é geralmente muito grande, mas diminui à medida que a tensão aumenta. Para alguns aços macios, as tensões cíclicas podem continuar indefinidamente, desde que o pico de tensão (às vezes chamado de resistência à fadiga) esteja abaixo do valor limite de resistência. Um bom exemplo de falha por fadiga é quebrar uma haste ou fio de aço fino com as mãos depois de dobrá-lo para frente e para trás várias vezes no mesmo lugar. Outro exemplo é um impulsor de bomba desequilibrado, resultando em vibrações que podem causar falha por fadiga. O tipo de fadiga mais preocupante em usinas nucleares é a fadiga térmica. A fadiga térmica pode surgir de tensões térmicas produzidas por mudanças cíclicas de temperatura. Grandes componentes como o pressurizador, o vaso do reator e a tubulação do sistema do reator estão sujeitos a tensões cíclicas causadas por variações de temperatura durante a inicialização do reator, mudança no nível de potência e desligamento.

Em usinas nucleares, os requisitos fundamentais durante o projeto e a fabricação para evitar falhas por fadiga são diferentes para casos diferentes.

• Pressurizador. A pressão no circuito primário dos PWRs é mantida por um pressurizador, um vaso separado que é conectado ao circuito primário (hot leg) e parcialmente preenchido com água que é aquecida até a temperatura de saturação (ponto de ebulição) para a pressão desejada por meio de eletricidade submersa aquecedores. Para um pressurizador, as variações de carga são bastante baixas, mas a frequência do ciclo é alta. Portanto, um aço de alta resistência à fadiga e de alta resistência à tração é desejável.
• Vaso de pressão do reator. O corpo do vaso do reator é construído em aço carbono de baixa liga de alta qualidade e todas as superfícies que entram em contato com o refrigerante do reator são revestidas com um mínimo de cerca de 3 a 10 mm de aço inoxidável austenítico para minimizar a corrosão. O vaso de pressão do reator e a tubulação, ao contrário, estão sujeitos a grandes variações de carga, mas a frequência do ciclo é baixa; portanto, alta ductilidade é o principal requisito para o aço. Mangas térmicas são usadas em alguns casos, como bicos de pulverização e linhas de aumento, para minimizar tensões térmicas. Os limites de taxa de aquecimento e esfriamento são baseados no impacto na futura vida de fadiga da planta. Os limites de aquecimento e resfriamento garantem que a vida de fadiga da planta seja igual ou maior que a vida operacional da planta. Além disso, as modificações do projeto da planta incluem, por exemplo, o aquecimento dos tanques ou reservatórios de água do Sistema de Resfriamento Central de Emergência (ECCS) para reduzir a diferença de temperatura entre a água injetada e o material do RPV.
• Tubulação Primária. A maioria das falhas por fadiga mecânica em tubulações são resultado de vibrações que não são ocorrências incomuns. Praticamente todo sistema de tubulação que contém um fluido fluindo exibe algum grau de vibração. A causa da vibração pode ser diferente. Pulsações de pressão e movimento de equipamentos rotativos conectados estão entre as causas mais comuns de vibração em sistemas de tubulação.
• Geradores de Vapor. Geradores de vapor são trocadores de calor usados ​​para converter água de alimentação em vapor a partir do calor produzido no núcleo de um reator nuclear. Cada gerador de vapor pode conter de 3000 a 16000 tubos, cada um com cerca de 19 mm de diâmetro. Se o fornecimento de água de alimentação do gerador de vapor falhar por qualquer motivo, medidas de emergência devem ser tomadas rapidamente e isso é feito por um sistema de introdução de água fria na carcaça do gerador de vapor para evitar que o feixe de tubos e a placa de tubos superaqueçam perigosamente. Para evitar choque térmico severo, especialmente no espelho Se o fornecimento de água de alimentação do gerador de vapor falhar por qualquer motivo, o sistema de alimentação de água de emergência inicia sua ação e introduz água fria no gerador de vapor para evitar que o feixe de tubos e o espelho superaqueçam perigosamente . Isso causa tensões significativas, especialmente no espelho.

Embora a causa primária do fenômeno de falha por fadiga não seja bem conhecida, ela aparentemente surge da formação inicial de uma pequena trinca resultante de um defeito ou deslizamento microscópico nos grãos do metal. A trinca se propaga lentamente a princípio e depois mais rapidamente quando a tensão local é aumentada devido a uma diminuição na seção transversal de suporte de carga. O metal então fratura. Falha por fadiga pode ser iniciado por rachaduras e entalhes microscópicos e até mesmo por marcas de retificação e usinagem na superfície; portanto, tais defeitos devem ser evitados em materiais submetidos a tensões (ou deformações) cíclicas. As operações da planta são realizadas de maneira controlada para mitigar os efeitos do estresse cíclico. Limitações de aquecimento e resfriamento, limitações de pressão e curvas de operação da bomba são usadas para minimizar o estresse cíclico.

Referência especial: Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.

Fadiga Térmica

A fadiga térmica é um tipo específico de mecanismo de falha por fadiga que é induzido por tensões cíclicas (expansão e contração térmica) de flutuações repetitivas na temperatura (aquecimento e resfriamento) do equipamento. Este tipo de fadiga é muito importante especialmente na engenharia de energia, aeronáutica e engenharia automotiva.

Tensões térmicas surgem nos materiais quando eles são aquecidos ou resfriados. As tensões térmicas afetam a operação das instalações, tanto por causa dos grandes componentes sujeitos a tensões quanto porque são efetuadas pela maneira como a planta é operada. No resfriamento, tensões de tração residuais são produzidas se o metal for impedido de se mover (contrair) livremente. As rachaduras de fadiga podem iniciar e crescer à medida que o ciclo continua. As concentrações de tensão podem ser reduzidas por meio de alterações de projeto apropriadas que levem em consideração a expansão e a contração térmicas. Por exemplo, loops de expansão e foles em sistemas de tubulações e tubulações de temperatura elevada aproveitam esse princípio. Em usinas nucleares, os limites de taxa de aquecimento e esfriamento são baseados no impacto na futura vida de fadiga da usina. Os limites de aquecimento e resfriamento garantem que a planta s vida em fadiga é igual ou maior que a vida operacional da planta. Além disso, as modificações do projeto da planta incluem, por exemplo, o aquecimento dos tanques ou reservatórios de água do Sistema de Resfriamento Central de Emergência (ECCS) para reduzir a diferença de temperatura entre a água injetada e o material do RPV.

Fadiga de alto ciclo x Fadiga de baixo ciclo

A fadiga foi separada em regiões de fadiga de alto ciclo e fadiga de baixo ciclo. A principal diferença entre fadiga de alto e baixo ciclo é o número de ciclos até a falha. A transição entre LCF e HCF é determinada pelo nível de tensão, ou seja, transição entre deformações plásticas e elásticas.

• Fadiga de alto ciclo requer mais de 10 ⁴ ciclos até a falha, onde a tensão é baixa e principalmente elástica.
• A fadiga de baixo ciclo é caracterizada pela deformação plástica repetida (ou seja, em cada ciclo) e, portanto, o número de ciclos até a falha é baixo. Na região plástica, grandes mudanças na deformação podem ser produzidas por pequenas mudanças na tensão. Experimentos mostraram que a fadiga de baixo ciclo também é o crescimento de trincas.

Falhas por fadiga, tanto para ciclo alto quanto para ciclo baixo, seguem todas as mesmas etapas básicas do processo de iniciação de trinca, crescimento de trinca estágio I, crescimento de trinca estágio II e, finalmente, falha final.

Vida útil em fadiga – Curva SN

A American Society for Testing and Materials define a vida em fadiga, N _f , como o número de ciclos de tensão de um caráter especificado que um corpo de prova sustenta antes que ocorra uma falha de uma natureza especificada. A vida em fadiga é afetada por tensões cíclicas, tensões residuais, propriedades do material, defeitos internos, tamanho do grão, temperatura, geometria do projeto, qualidade da superfície, oxidação, corrosão, etc. Para alguns materiais, principalmente aço e titânio, existe um valor teórico para a tensão amplitude abaixo da qual o material não falhará por qualquer número de ciclos, chamado de limite de fadiga, limite de resistência ou resistência à fadiga.

Os engenheiros usam vários métodos para determinar a vida à fadiga de um material. Um dos mais úteis é o método tensão-vida, comumente caracterizado por uma curva SN, também conhecida como curva de Wöhler. Este método é ilustrado na figura Ele plota a tensão aplicada (S) contra a vida útil do componente ou o número de ciclos até a falha (N). À medida que a tensão diminui de algum valor alto, a vida útil do componente aumenta lentamente no início e depois rapidamente. Como a fadiga, como a fratura frágil, tem uma natureza tão variável, os dados usados ​​para plotar a curva serão tratados estatisticamente. A dispersão nos resultados é consequência da sensibilidade à fadiga a uma série de parâmetros de teste e material que são impossíveis de controlar com precisão.

Os seguintes termos são definidos para a curva SN:

• Limite de Fadiga. O limite de fadiga (às vezes também chamado de limite de resistência) é o nível de tensão abaixo do qual a falha por fadiga não ocorre. Este limite existe apenas para algumas ligas ferrosas (à base de ferro) e de titânio, para as quais a curva S-N se torna horizontal em valores de N mais altos. Outros metais estruturais, como alumínio e cobre, não têm um limite distinto e eventualmente falharão mesmo com pequenas amplitudes de tensão. Os valores típicos do limite para aços são 1/2 do limite de resistência à tração, até um máximo de 290 MPa (42 ksi).
• Força de fadiga. A ASTM define a resistência à fadiga, S_Nf, como o valor da tensão na qual a falha ocorre após um número especificado de ciclos (por exemplo, 10⁷ ciclos). A 10⁷ ciclos e o fator de concentração de tensão = 3,3.
• Fadiga Vida. A vida em fadiga caracteriza o comportamento de fadiga de um material. É o número de ciclos para causar falha em um nível de tensão especificado, conforme obtido do gráfico S-N

O processo de falha por fadiga é caracterizado por três etapas distintas:

• Iniciação de trinca, na qual uma pequena trinca se forma em algum ponto de alta concentração de tensão.
• Propagação da trinca, durante a qual essa trinca avança incrementalmente a cada ciclo de tensão. A maior parte da vida à fadiga é geralmente consumida na fase de crescimento da trinca.
• Falha final, que ocorre muito rapidamente quando a trinca em avanço atinge um tamanho crítico.

As trincas associadas à falha por fadiga quase sempre iniciam (ou nucleam) na superfície de um componente em algum ponto de concentração de tensão. Qualquer coisa que leve à concentração de tensões e ao desenvolvimento de trincas reduzirá a vida útil à fadiga. Portanto, aumentar o grau de acabamento da superfície, o polimento em comparação com a retificação, melhora a vida à fadiga. Aumentar a resistência e a dureza das camadas superficiais dos componentes metálicos também melhorará a resistência à fadiga.

Ciência de materiais:

1. Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
2. Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
4. Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Veja acima:
Modos de falha