Fadiga de materiais Marcas de Praia

Fadiga é o processo pelo qual os materiais perdem suas características iniciais devido a esforços repetitivos. A falha resultante da fadiga pode variar desde a perda de

elasticidade e resistência da peça até sua quebra total. Existe uma outra importante característica no estágio II de fadiga, isto é, as

chamadas “marcas de praia”. Assim como as estrias, as marcas de praia também são semicirculares mas são, entretanto, visíveis a olho nú.

As marcas de praia podem ser originadas através dos diferentes graus de oxidação produzidos nas sucessivas paradas para repouso do equipamento ou pela variação nas condições de carregamento. Estas marcas representam milhares ou mesmo milhões de ciclos e elas apontam para o local de início de propagação de trinca. A proporção entre a etapa de propagação e a ruptura final indicam o grau de sobrecarga da peça ou o coeficiente de segurança aplicado.

A partir de um certo tamanho de trinca, todo o sistema torna-se instável e a seção remanescente do componente não consegue suportar mais a carga aplicada e o material entra em fratura catastrófica. (estágio III).

A maioria das falhas em máquinas acontece 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, a utilização única das teorias de falha estática pode levar a projetos sem segurança quando as solicitações são dinâmicas.

Deste modo, designa-se por fadiga o fenômeno da rotura progressiva de materiais sujeitos a ciclos repetidos de tensão ou deformação (Branco, 1999), ou ainda, uma forma de falha que ocorre em estruturas que estão sujeitas a tensões dinâmicas e oscilantes em pontes, aeronaves e componentes de máquinas (Callister, 1999). Assim, o estudo do fenômeno é de importância crucial na concepção de máquinas e estruturas, visto que a grande maioria das roturas observadas em serviço envolve fadiga.

As falhas por fadiga constituem um custo significativo para a economia. Nos EUA em 1982, por exemplo, foram utilizados U$100 bilhões com a prevenção de falhas por fadiga – aproximadamente 3% do produto interno bruto (PIB) do país naquele ano - em veículos terrestres e ferroviários, aviões de todos os tipos, pontes, guindastes, equipamentos industriais, estruturas marítimas de dois poços de petróleo, entre outros elementos de uso domésticos, brinquedos e equipamentos esportivos (Norton, 2004).

A fadiga é importante no sentido de que ela é a maior causa individual de falhas em metais, sendo estimado que ela compreenda aproximadamente 90% de todas as falhas metálicas. Os polímeros e os cerâmicos (exceto os vidros) também são suscetíveis a esse tipo de falha.

Adicionalmente, ela é catastrófica e traiçoeira, ocorrendo muito repentinamente e sem avisos.

1.1 Histórico A palavra “fadiga” é originada do latim “fatigare” e significa “cansaço”. A definição de

fadiga foi encontrada no relatório intitulado por “General Principles for Fatigue Testing of Metals”, publicado em 1964 pela Organização Internacional para Normalização, em Gênova. Neste relatório, fadiga é definida como um termo que se aplica às mudanças nas propriedades que podem ocorrer em um material metálico devido à aplicação repetida de forças (ou tensões), embora geralmente este termo se aplique especialmente para aquelas mudanças que conduzem à rachadura ou falha. Esta descrição também é válida para a fadiga dos materiais não-metálicos.

Desde a metade do século XIX, uma classificação de cientistas e engenheiros tem feito pioneiras contribuições para entender a fadiga numa ampla variedade de materiais metálicos e não-metálicos, frágeis e dúcteis, monolíticos e compostos, e naturais e sintéticos.

O interesse em estudar a fadiga começou a expandir com o aumento do uso do aço em estruturas, particularmente pontes em sistemas ferroviários. A primeira pesquisa detalhada do esforço da fadiga nos metais foi iniciada em 1842 com um acidente ferroviário perto de Versailles na França que resultou em muitas mortes. A causa deste acidente foi traçada por uma falha de fadiga originada no eixo frontal da locomotiva. Em 1843, W. J. M. Rankine, um engenheiro ferroviário britânico que ficou famoso pela sua contribuição na engenharia mecânica, reconheceu características de ruptura por fadiga e notou o perigo das concentrações das tensões nos componentes das máquinas. O Instituto dos Engenheiros Mecânicos na Inglaterra começou a explorar a tão falada “Teoria de Cristalização” da fadiga. Esta foi pressuposta que o enfraquecimento dos principais materiais da falha por fadiga era causado pela cristalização da microestrutura subjacente (fundamental). Em 1849, o governo britânico convocou E. A. Hodgkinson para estudar a fadiga dos ferros fundidos usados nas pontes ferroviárias. O comunicado desta comissão (Hodgkinson, 1849) descreve experimentos de curvatura alternada na longarina cujo ponto central era inclinado pela repetição de carga de roda. Neste período, pesquisas sobre fratura por fadiga foram documentadas num trabalho de Braithwaite (1854) que empregou o termo fadiga exclusivamente para denotar o fendilhamento de metais sob repetição de carga.

Um pesquisador chamado Wohler conduziu investigações sistemáticas da falha por fadiga durante o período de 1852 a 1869 em Berlim, onde ele estabeleceu uma estação de ensaio (ou experimento). Ele observou que a força no eixo da ferrovia de aço sujeita a cargas cíclicas era menos perceptível (visível) que as forças estáticas. Os estudos de Wohler envolviam cargas axiais de flexão e de torção compreendendo testes de fadiga nos eixos das ferrovias em escala real para o “Prussian Railway Service” e na variedade dos componentes estruturais usados em pequenas máquinas (ou aparatos). Seu trabalho leva à caracterização do comportamento da fadiga em termos das curvas de tensão da vida de amplitude (S-N) e ao conceito de “limite de resistência” à fadiga. A máquina de flexão rotativa usada hoje para forças cíclicas é conceitualmente a mesma que projetada por Wohler. Embora seu aparato de flexão rotativo tenha velocidade máxima de apenas 72 revoluções por minuto, um de seus corpos-de-prova do teste de fadiga esteve sujeito a 132.250.000 forças cíclicas sem a ocorrência de fratura.

Outro grande pesquisador sobre fadiga foi W. Fairbairn que realizou testes em ferro de vigas rebitado para a “Junta de Comércio Britânico”; em vários casos, 3.100.000 cargas cíclicas foram aplicadas. De acordo com esse experimento, Fairbairn (1864) concluiu que

ferro de vigas rebitado sujeito a forças cíclicas com máximo de 1/3 da última resistência irá falhar. Em 1874, o engenheiro alemão H. Gerger começou a desenvolver métodos para o projeto de fadiga; sua contribuição incluiu o desenvolvimento de métodos para calcular a vida de fadiga para diferentes níveis médios de forças cíclicas.

Em 1910, O. H. Basquin propôs leis empíricas para caracterizar a curva S-N dos metais. Ele mostrou que log do número de repetições de carga pelos níveis de tensão resultaria em uma relação linear sobre um amplo limite de tensão.

Existem diferentes estágios de dano (deformação) por fadiga em componentes onde defeitos podem “nuclear” em uma seção inicial ilesa e propagar de uma maneira estável até resultar em fraturas catastróficas. Para este tipo de situação, uma seqüência de danos por fadiga pode ser amplamente classificada nos seguintes estágios:

1) Mudanças subestrutural e microestrutural que causam nucleação nos danos permanentes;

2) Criação de fissuras microscópicas; 3) O crescimento e a coalescência de defeitos microscópicos para formar fissuras

“dominantes”, que podem eventualmente inclinar para uma falha catastrófica;

4) Propagação estável da macrofissura dominante; 5) Instabilidade estrutural ou fratura completa.

As condições para a nucleação de microdefeitos e a proporção (velocidade) de avanço da fissura por fadiga dominante são fortemente influenciadas por uma grande variedade de fatores mecânicos, microestruturais e ambientais. As principais diferenças entre projetos filosóficos de freqüente equilíbrio diferentes em como se teve início a fissura e os estágios de propagação da fissura por fadiga são quantitativamente considerados.

As conseqüências de falha por fadiga começaram a aparecer quando histórias de desastres, como acidentes de aeronaves envolvendo muitas mortes, foram publicadas. Explica-se melhor a falha por fadiga no item a seguir.

4 1.2 Definição e Caracterização do processo de fadiga

Fadiga é uma falha que pode ocorrer sob solicitações bastante inferiores ao limite de resistência do metal ou outros materiais, isto é, na região elástica. É conseqüência de esforços alternados, que produzem trincas, em geral na superfície, devido à concentração de tensões.

Um exemplo de fadiga está na figura 1.1, em uma barra submetida a um esforço de flexão alternado que pode apresentar pequenas trincas em lados opostos A e B. Com a continuidade do esforço alternado, as trincas aumentam, reduzindo a área resistente da seção. A ruptura de dá quando esta área se torna suficientemente pequena para não mais resistir à solicitação aplicada (C). A fratura por fadiga é facilmente identificável. A área de ruptura C tem um aspecto distinto da restante, que se forma gradualmente.

Figura 1.1 – Uma barra submetida a esforço de flexão. A grande maioria das estruturas de engenharia está sujeita a cargas que são de um

modo geral variáveis no tempo, embora muitas vezes o carregamento seja estático, em uma primeira observação. Uma falha por fadiga ocorre dentro de uma gama bastante ampla de ciclos de carga, desde valores da ordem de 10 ciclos até mais de 108 ciclos. É evidente que o número de ciclos que o componente resiste depende do nível da solicitação, pois com uma carga dinâmica maior tem-se uma vida baixa, sensivelmente reduzida quando comparada com uma situação onde a solicitação cíclica é menor, o que leva a uma maior vida.

Várias são as situações práticas do número de ciclos esperados ao longo da vida do componente. Por exemplo, um reservatório pressurizado, usado para armazenar um fluido sob pressão, é um modelo de carregamento estático, porém quando o fluido é drenado, a pressão baixa ao valor atmosférico. Com uma drenagem a cada dois meses, ao longo da vida útil do reservatório, usualmente de 10 a 20 anos, o número de ciclos de pressurização e despressurização será de 60 a 120 ciclos. Estamos, portanto, na presença de um problema de fadiga, embora com um pequeno número de ciclos esperados ao longo da vida. Outro exemplo é uma mola de suspensão de automóvel. A vida de fadiga para uma mola de suspensão de um automóvel é considerada para projeto como sendo da ordem de 2.105 ciclos. Esta vida considera que a carga atuante seja a carga máxima esperada em serviço. Isto implica em aproximadamente 50 ciclos por dia para uma vida de 10 anos.

Pela análise dos casos citados acima vemos que a possibilidade de uma falha por fadiga ocorre nas mais diferentes situações, com o número de ciclos que a estrutura deve resistir variando em uma ampla faixa. Esta vida deve assegurar uma operação segura, sem falhas, o que implica que as eventuais trincas que tenham se formado no material não comprometam a operação do equipamento.

Em componentes estruturais formados por materiais isentos de defeitos, no caso de existirem pontos com elevado nível de tensões, nestes irá desenvolver-se o processo de nucleação de trincas de fadiga, que pode levar à falha. Para que o processo de nucleação inicie é necessário (ao menos para os materiais dúcteis) que ocorram deformações plásticas, quer sejam estas generalizadas, quer sejam confinadas a um pequeno volume de material. Nas estruturas e máquinas bem projetadas, as tensões nominais devidas ao carregamento externo ficam dentro do regime elástico. No entanto, quer devido a descontinuidades geométricas, descontinuidades metalúrgicas ou ainda devido a sobrecargas quando em operação, o material não estará necessariamente respondendo, como um todo, de uma maneira elástica. Assim, uma análise plástica no estudo de fadiga torna-se necessária, ao menos para regiões do material próximas aos pontos onde

temos concentração de tensão, pois nestes se desenvolve uma plastificação confinada, com o restante do material tendo ainda uma resposta elástica. Nestes pontos com escoamento localizado é que inicia o processo de nucleação das trincas de fadiga.

Em muitos casos a fissura, que leva à falha, não passa pelo período de nucleação, pois a peça possui trincas previamente existentes, na forma de defeitos oriundos do processo de fabricação, ou mesmo pelo uso do equipamento. Estes defeitos podem ser, por exemplo, provenientes do processo de fabricação, como soldagem, fundição, forjamento, retífica, ou devidos a um tratamento térmico inadequado, muito severo, ou ainda devido um ataque do meio ambiente agressivo, que leva a uma corrosão na superfície do material. Para certos materiais, observa-se que este resiste indeterminadamente às solicitações se estas forem inferiores a um certo limite. Isto é, pode-se aplicar um número infinito de solicitações e o material não atinge a fadiga. Nos metais, este limite de resistência à fadiga existe para solicitações com amplitude de 0,3 a 0,6 da resistência de ruptura. Contudo, este limite de resistência ainda não foi encontrado para os concretos asfálticos, por exemplo. Então o fenômeno da fadiga está sempre presente, qualquer que seja a amplitude da solicitação.

Propagação de trincas por fadiga

As regiões de maior solicitação mecânica são os pontos favoráveis para a nucleação e propagação de novas trincas. As tensões de compressão não geram propagação das trincas, já as tensões de tração são as responsáveis por este fenômeno.

Em carregamentos de grandes amplitudes de tensões, por volta de 90% da vida em fadiga de um material acaba sendo consumida no crescimento e na propagação das trincas. Para componentes que possuem entalhe, esta parcela pode ser ainda maior.

A propagação de trincas apresenta três estágios definidos (figura 2.30).

No primeiro deles, trincas começam a se nuclear na superfície 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. E assim vai por alguns décimos de milímetro. A partir deste ponto inicia-se o estágio dois, no qual a propagação se dá em uma direção perpendicular ao eixo de tensão. Neste estágio, a trinca normalmente apresenta estrias características, correspondentes ao número de ciclos do carregamento. A ponta desta trinca que se propaga gera muita concentração de tensão, causando deformação plástica local à frente da trinca. Essa zona de deformação plástica cresce até um ponto em que praticamente se iguala à espessura do material, terminando o estágio dois e iniciando-se o estágio três que é a ruptura catastrófica da estrutura, também com crescimento perpendicular ao eixo de tensão, porém de forma instantânea.

As trincas formadas se propagam em cada ciclo de tensão, gerando as estrias (figura 2.31), até a instabilidade determinada pela mecânica da fratura, resultando no aspecto que pode ser visto na figura 2.32, onde se notam as marcas de praia. Nota-se claramente o ponto de nucleação das trincas, a área de propagação e a área de ruptura catastrófica.

A figura 2.33 mostra uma representação esquemática da superfície de fratura de um componente que falhou por fadiga. Nota-se na figura 2.32 o ponto de iniciação da trinca, costumeiramente na superfície, seguida de uma região de propagação da falha, onde estão presentes as chamadas “marcas de praia”. Por fim, nota-se a região de ruptura catastrófica, a qual ocorre no momento em que a trinca atinge um tamanho crítico para os níveis de tensão presentes.

A nucleação e a propagação de trincas são um processo de deformação plástica muito localizada, e pequenas sobrecargas no ciclo de tensões podem levar a liberação de discordâncias ancoradas, facilitando a sua movimentação e a nucleação de trincas, ou a sua propagação. Nas solicitações mecânicas usuais dos componentes são comuns pequenas sobrecargas de tensões, diferente dos ensaios de laboratório, nos quais todos os parâmetros são controlados. Por isso, existe uma forte tendência por parte de pesquisadores no sentido da extinção do limite de fadiga. Uma das bases para este tipo de preocupação é o fato de grandes sobrecargas, tão comuns em aviões, embarcações e veículos, causarem este destravamento de discordâncias mesmo em materiais que apresentem um limite de fadiga bem definido, podendo prosseguir com a falha por mecanismos de fadiga. Este tipo de acontecimento tira a validade plena deste parâmetro e incentiva que o limite de fadiga seja erradicado.

A figura 2.34 apresenta o aspecto e a solicitação mecânica à qual está sujeita uma trinca durante um ciclo do carregamento cíclico. Inicia-se com carga zero (a), sendo a tensão de tração crescente até a tensão máxima (c). Após este ponto máximo, iniciam-se pequenas cargas de compressão (d), aumentando até a máxima carga de compressão (e). Este comportamento é característico de todos os materiais metálicos dúcteis, e inclusive dos polímeros.