-
8/14/2019 Ensaio Materiais ensa15
1/7
15
A U L A
15
A U L A
Introduo Em condies normais de uso, os produtosdevem sofrer
esforos abaixo do limite de proporcionalidade, ou limite
elstico,que corresponde tenso mxima que o material pode
suportar.
Em geral, os fabricantes especificam o produto para suportar
esforos acimadesse limite, ensaiam os materiais, controlam o
processo de produo e tomamtodos os cuidados para que o produto no
apresente qualquer problema.
Apesar de todas essas precaues, possvel que, aps algum tempo de
usonormal, de repente, sem aviso prvio e sem motivo aparente, o
produto simples-mente venha a falhar, deixando o usurio na mo.
Essa falha tpica de um fenmeno chamado fadiga, que o assunto
destaaula. Voc ficar sabendo o que fadiga, como se determina a
resistncia fadiga, como so apresentados os resultados deste ensaio,
que fatores influen-ciam a resistncia dos metais fadiga e o que
pode ser feito para melhorar essa
resistncia.No se deixe vencer pela fadiga! Estude com ateno, e
ao final da aula voc
ter adquirido uma viso geral de um tipo de ensaio de importncia
fundamen-tal nas indstrias.
Quando comea a fadiga
Voc j sabe que toda mquina constituda por um conjunto de
componen-tes. No uso normal, nunca ocorre de todos os componentes
falharem ao mesmotempo. Isso porque cada um tem caractersticas
prprias, uma das quais
o tempo de vida til esperado.O ensaio de resistncia fadiga um
meio de especificar limites de tenso
e de tempo de uso de uma pea ou elemento de mquina. utilizado
tambmpara definir aplicaes de materiais.
sempre prefervel ensaiar a prpria pea, feita em condies normais
deproduo. Molas, barras de toro, rodas de automveis, pontas de eixo
etc. soexemplos de produtos normalmente submetidos a ensaio de
fadiga.
Quando no possvel o ensaio no prprio produto, ou se deseja
compararmateriais, o ensaio feito em corpos de prova
padronizados.
Ensaio de fadiga
Nossa aula
-
8/14/2019 Ensaio Materiais ensa15
2/7
15
A U L ALeia com ateno:
Fadiga a ruptura de componentes, sob uma carga bem inferior
cargamxima suportada pelo material, devido a solicitaes cclicas
repetidas.
A ruptura por fadiga comea a partir de uma trinca (nucleao) ou
pequenafalha superficial, que se propaga ampliando seu tamanho,
devido s solicitaescclicas. Quando a trinca aumenta de tamanho, o
suficiente para que o restantedo material no suporte mais o esforo
que est sendo aplicado, a pea se romperepentinamente.
A fratura por fadiga tpica: geralmente apresenta-se fibrosa na
regioda propagao da trinca e cristalina na regio da ruptura
repentina.
Voc pode observar aproximadamente o que acontece na fadiga,
dobrandorepetidamente um pedao de arame de ao. Aps dobrar algumas
vezes, se vocobservar atentamente, notar algumas pequenas trincas.
Se continuar dobrando,observar que a trinca aumenta de tamanho at
ocorrer a ruptura do arame.
O estudo da fadiga importante porque a grande maioria das falhas
decomponentes de mquinas, em servio, se deve fadiga. E a ruptura
por fadigaocorre sem nenhum aviso prvio, ou seja, num dado momento
a mquina estfuncionando perfeitamente e, no instante seguinte, ela
falha.
Tenses cclicas
Na definio de fadiga, destacou-se que ela se deve a esforos
cclicosrepetidos. De maneira geral, peas sujeitas a fadiga esto
submetidas a esforosque se repetem com regularidade. Trata-se das
tenses cclicas.
A tenso cclica mais comum caracterizada por uma funo
senoidal,onde os valores de tenso so representados no eixo das
ordenadas e o nmerode ciclos no eixo das abscissas. As tenses de
trao so representadascomo positivas e as tenses de compresso como
negativas. A figura a seguirapresenta trs tipos de ciclos de
tenso.
-
8/14/2019 Ensaio Materiais ensa15
3/7
15
A U L A
A figura a mostra um grfico de tenso reversa, assim chamado
porqueas tenses de trao tm valor igual s tenses de compresso.
No grfico b todas as tenses so positivas, ou seja, o corpo de
prova estsempre submetido a uma tenso de trao, que oscila entre um
valor mximoe um mnimo.
O grfico c representa tenses positivas e negativas, como no
primeiro caso,s que as tenses de compresso tm valores diferentes
das tenses de trao.
Dica
Um ciclo de tenso corresponde a um conjunto sucessivo de
valoresde tenso, que se repete na mesma seqncia e no mesmo perodo
de tempo.
Tipos de ensaio de fadiga
Os aparelhos de ensaio de fadiga so cons-titudos por um sistema
de aplicao de cargas,que permite alterar a intensidade e o sentido
doesforo, e por um contador de nmero de ciclos.
O teste interrompido assim que o corpode prova se rompe.
O ensaio realizado de diversas maneiras,de acordo com o tipo de
solicitao que se desejaaplicar:- toro;- trao-compresso;- flexo;-
flexo rotativa.
-
8/14/2019 Ensaio Materiais ensa15
4/7
15
A U L AO ensaio mais usual, realizado em corpos de prova
extrados de barrasou perfis metlicos, o de flexo rotativa.
Este ensaio consiste em submeter um corpo de prova a solicitaes
de flexo,enquanto o mesmo girado em torno de um eixo, por um
sistema motriz comcontagiros, numa rotao determinada e
constante.
Corpo de prova
O corpo de prova deve ser usinado e ter bom acabamento
superficial,para no prejudicar os resultados do ensaio. A forma e
as dimenses do corpode prova variam, e constituem especificaes do
fabricante do equipamentoutilizado. O ambiente onde feito o ensaio
tambm padronizado.
As formas mais utilizadas de corpo de prova so apresentadas nas
figurasa seguir.
Para uma mesma tenso, pode-se obter resultados de ensaio
dispersos e quedevem ser tratados estatisticamente. Mas, em geral,
o ensaio realizado em cercade 10 corpos de prova, para cada um dos
diversos nveis de tenso.
-
8/14/2019 Ensaio Materiais ensa15
5/7
15
A U L A Curva S-N
Os resultados do ensaio de fadiga geralmente so apresentados
numa curvatenso-nmero de ciclos, ou simplesmente curva S-N. O S vem
da palavrainglesa stress, que quer dizer tenso, e N representa o
nmero de ciclos.
Supondo que, para uma certa solicitao de flexo S1 o corpo de
provase rompa em um certo nmero de ciclos N1, e para uma solicitao
S2 se rompa
em N2 ciclos, e assim por diante, pode-se construir o diagrama
S-N, com atenso no eixo das ordenadas e o nmero de ciclos no eixo
das abscissas.
Observando a curva obtida, nota-se que, medida que se diminui a
tensoaplicada, o corpo de prova resiste a um maior nmero de ciclos.
Nota-se,tambm, que diminuindo a tenso a partir de um certo nvel em
que a curvase torna horizontal o nmero de ciclos para o rompimento
do corpo deprova torna-se praticamente infinito.
Esta tenso mxima, que praticamente no provoca mais a fratura
porfadiga, chama-se limite de fadiga ou resistncia fadiga do metal
considerado.
Mas, para a maioria dos materiais, especialmente os metais no
ferrososcomo o alumnio, a curva obtida no diagrama S-N decrescente.
Portanto, necessrio definir um nmero de ciclos para obter a
correspondente tenso, queser chamada de resistncia fadiga.
Para o alumnio, cobre, magnsio e suas ligas, deve-se levar o
ensaio a at50 milhes de ciclos e, em alguns casos, a at 500 milhes
de ciclos, para nestenmero definir a resistncia fadiga.
Fatores que influenciam a resistencia fadiga
Uma superfcie mal acabada contm irregularidades que, como se
fossemum entalhe, aumentam a concentrao de tenses, resultando em
tensesresiduais que tendem a diminuir a resistncia fadiga.
Defeitos superficiais causados por polimento (queima superficial
decarbono nos aos, recozimento superficial, trincas etc.) tambm
dimi-nuem a resistncia fadiga.
-
8/14/2019 Ensaio Materiais ensa15
6/7
15
A U L ATratamentos superficiais (cromeao, niquelao etc.)
diminuem a resistn-cia fadiga, por introduzirem grandes mudanas nas
tenses residuais, alm deconferirem porosidade ao metal. Por outro
lado, tratamentos superficiaisendurecedores podem aumentar a
resistncia fadiga.
O limite de fadiga depende da composio, da estrutura
granular,das condies de conformao mecnica, do tratamento trmico
etc.
O tratamento trmico adequado aumenta no somente a resistncia
esttica,como tambm o limite de fadiga.
O encruamento dos aos dcteis aumenta o limite de fadiga.
O meio ambiente tambm influencia consideravelmente o limite de
fadiga,pois a ao corrosiva de um meio qumico acelera a velocidade
de propagaoda trinca.
A forma um fator crtico, porque a resistncia fadiga
grandementeafetada por descontinuidades nas peas, como cantos
vivos, encontros de
paredes, mudana brusca de sees.
A resistncia fadiga pode ser melhorada
Sempre que possvel, deve-se evitar a concentrao de tenses. Por
exemplo,um rasgo de chaveta num eixo um elemento que concentra
tenso e, conse-qentemente, diminui a resistncia fadiga.
Os projetos devem prever tenses contrrias favorveis (opostas s
tensesprincipais aplicadas), por meio de processos mecnicos,
trmicos ou similares.Uma compensao deste tipo encontrada em
amortecedores de vibraesde motores a exploso.
Defeitos metalrgicos como incluses, poros, pontos moles etc.
devemser eliminados.
Deve-se selecionar os materiais metlicos de acordo com o ciclo
de tenses:para aplicaes com baixas tenses cclicas, onde a deformao
pode ser facil-mente controlada, deve-se dar preferncia a ligas de
alta ductilidade. Paraaplicaes com elevadas tenses cclicas,
envolvendo deformaes cclicas pre-dominantemente elsticas, deve-se
preferir ligas de maior resistncia mecnica.
Microestruturas estveis, isto , que no sofrem alteraes
espontneasao longo do tempo, apresentam maior resistncia
fadiga.
De tudo que foi dito sobre fadiga nesta aula, voc deve ter
concludo que,no uso normal dos produtos, ns os submetemos
permanentemente a ensaios defadiga, que s terminam quando o produto
falha.
Porm, a indstria tem que se preocupar com a fadiga antes de
lanaro produto no mercado, pois este ensaio fornece informaes que
afetam direta-mente a segurana do consumidor.
-
8/14/2019 Ensaio Materiais ensa15
7/7
15
A U L A Marque com um X a resposta correta.
Exerccio 1A ruptura por fadiga ocorre quando o material est
sujeito a:a) ( ) tenses superiores ao limite de
proporcionalidade;b) ( ) tenses cclicas repetitivas;c) ( ) tenses
iguais ao limite de proporcionalidade;d) ( ) tenses estticas.
Exerccio 2No grfico de tenso reversa:a) ( ) as tenses de trao so
positivas e as tenses de compresso so
negativas;b) ( ) as tenses de trao so negativas e as tenses de
compresso so
positivas;c) ( ) todas as tenses so positivas;d) ( ) todas as
tenses so negativas.
Exerccio 3
So exemplos de fatores que diminuem a resistncia fadiga:a) ( )
tratamentos superficiais, descontinuidades na superfcie;b) ( )
tratamento trmico, tratamentos superficiais endurecedores;c) ( )
meio ambiente isento de agentes corrosivos, bom acabamento
superficial;d) ( ) encruamento dos aos dcteis, formas sem cantos
vivos.
Exerccio 4O ensaio de fadiga baseado em esforos de:a) ( ) trao e
toro;b) ( ) trao e compresso;c) ( ) flexo e toro;d) ( ) trao,
compresso, toro e flexo.
Exerccio 5Na curva S-N, o limite de fadiga indica que:a) ( ) se
for atingida aquela tenso, o corpo se romper;b) ( ) mantendo aquela
tenso indefinidamente, o corpo no se romper;c) ( ) foi atingido o
nmero mximo de ciclos que o material suporta;d) ( ) a partir deste
limite, a curva decrescente.
Exerccios
