O que é Vida em Fadiga – Curva S-N – Curva de Woehler – 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.

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.

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 10⁴ 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.

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:
Fadiga