O documento discute os conceitos de fadiga e fluência em materiais. Apresenta as definições de fadiga segundo a ASTM, os tipos de ensaios de fadiga, os ciclos de tensão utilizados e as etapas do processo de fadiga: nucleação de trincas, propagação e ruptura. Também descreve aspectos da fratura por fadiga e a curva de Wöhler.

1. FADIGA
E
FLUÊNCIA
UNIVERSIDADE
FEDERAL
DE
SANTA
CATARINA
CENTRO
TECNOLÓGICO
ENGENHARIA
DE
MATERIAIS
MECANISMOS
DE
DEFORMAÇÃO
E
FRATURA
GRUPO:
BRUNO,
EDUARDO,
LUIS
FERNANDO
E
VITOR.

2. DEFINIÇÃO
DE
FADIGA
(ASTM)
l “Processo
progressivo
e
localizado
de
modificações
estruturais
permanentes
ocorridas
em
um
material
submeTdo
a
condições
que
produzam
tensões
e
deformações
cíclicas
que
pode
culminar
em
trincas
ou
fratura
após
um
certo
número
de
ciclos.”[1]
l Em
outras
palavras:
ruptura
de
um
componente
por
tensões
cíclicas
aplicadas
no
mesmo.
Com
estas
abaixo
do
limite
de
escoamento.

3. Tipos
de
ensaio
de
fadiga
Flexão
Flexão
rotaTva
Torção
Tração
e
compressão

4. Corpos
de
prova
uTlizados
em
ensaio
de
fadiga.

5. Exemplos
de
ciclos
mais
uTlizados
em
ensaios
de
fadiga.

6. a) Tensão
reversa
ou
alternada.
b) Tensão
repeTda
(campo
de
tração
ou
no
campo
de
tração
e
compressão)
ou
flutuante.
c) Ciclo
de
tensão
irregular
ou
aleatória.
Onde
σmáx
é
o
maior
valor
algébrico
da
tensão
no
ciclo,
σmin
é
o
menor
valor
algébrico
para
a
tensão,
σr
intervalo
de
tensão,
intervalo
entre
σmáx
e
σmin
dado
por:
σr=σmáx-­‐σmin
,σa
amplitude
da
tensão
dado
por:
σa=σr/2
e
σm
é
a
média
das
tensões
máx
e
min
dado
por:
σm=σmáx
+σmin/2

7. l hep://core.materials.ac.uk/repository/alumaeer/metallurgy/
mechanical_properTes/tcp-­‐fractSNCurve.swf

8. l O
processo
ocorre
em
três
etapas:
1. Nucleação
de
uma
fissura
(trinca),
localizado
em
algum
ponto
com
concentração
de
tensão.
Geralmente
na
supermcie
da
peça
onde
há
rugosidade.
l Materias
dúcteis:
Formação
de
planos
de
deslizamento,
proveniente
da
deformação
plásTca
do
grão
mais
desfavoravelmente
orientado.
Os
deslizamento
formam
as
bandas
de
deslizamentos
que
ocasionam
na
supermcie
intrusões
e
saliências.
l Materiais
frágeis
:
a
nucleação
de
trinca
surge
na
interface
matriz
e
inclusão,
logo
não
surge
bandas
de
deslizamentos,
formando
as
trincas
mais
no
interior
do
material

10. 2.
Propagação
da
trinca:
Nestas
irregularidades
surgem
uma
concentração
de
tensão
formando
micro
trincas.
Essas
crescem
paralelamente
ao
plano
de
deslizamento
(geralmente
45˚,
devido
a
tensão
cisalhante
ser
máxima)
até
um
determinado
tamanho,
depois
disso
ela
cresce
perpendicularmente
ao
carregamento.
(Estágio
I
e
II,
respecTvamente).
Logo
no
estágio
I
a
trinca
se
propaga
por
cisalhamento
(movimento
de
discordâncias)
e
no
II
pelas
tensões
traTvas.

12. Ruptura
catastrófica
3.
Ruptura
ocorre
quando
o
tamanho
da
trinca
aTnge
seu
valor
máximo
(K
aTnge
o
KC).
Ou
seja,
quando
aTngimos
o
valor
de
KC
temos
um
estado
de
máxima
triaxialidade
de
tensões
e
mínimo
de
tenacidade.
Para
aTngir
esse
estado
é
necessário
uma
espessura
mínima,
dada
pela
equação
:
Bmin≥2,5(KIC/
LE)2.

13. Aspectos
da
fratura
por
fadiga
• Apresenta
uma
região
fibrosa.
• Marcas
de
praia,
formada
por
cada
parada
da
maquina
ou
por
mudança
de
carga.
• Estrias,
são
formadas
por
cada
ciclo
de
carga
aplicado.
Cada
estria
seria
um
ciclo.

14. Fratura
ocasionada
por
fadiga

15. Esquema
da
formação
de
uma
estria
(ciclo)
A. Tensão
nula
B. Tensão
crescente
C. Tensão
máxima
no
ciclo
D. Tensão
decrescente
E.
Tensão
nula
F. Tensão
crescente
Na
ponta
da
trinca
surge
uma
zona
de
plásTficação
do
material.

16. Zona
de
plásTficação

18. Trinca
propagando
por
fadiga

19. Curva
de
Wöhler
l É
a
forma
mais
simples
de
caracterizar
o
ensaio
de
fadiga.
l A
curva
é
traçada
ensaiando
corpos
de
prova
iguais
com
variadas
tensões
máximas
decrescentes.
O
numero
de
ciclos
é
fornecido
pela
a
maquina
logo
quando
o
corpo
de
prova
rompe.
Para
cargas
maiores
temos
menos
números
de
ciclos
e
carga
menores,
maior
número
de
ciclos.
l Quando
a
tensão
estabiliza
(
numero
de
ciclos
aumentam)
chamamos
de
limite
de
fadiga
(material
II).
Materiais
ferrosos
e
ligas
de
Ttânio
são
bem
definidos,
em
não
ferrosos
o
limite
é
definido
pelo
o
valor
da
tensão
em
um
número
de
ciclos
elevado
(resistência
a
fadiga).(material
I)
l Tensões
abaixo
do
limite
de
fadiga
não
fraturam
o
material
por
fadiga,
não
importando
o
número
de
ciclos
que
a
peça
sofra
(vida
infinita
do
material).

21. Limite
de
fadiga
e
resistência
a
fadiga

22. Fatores
que
influenciam
o
limite
de
fadiga
l
Acabamento
superficial:
quanto
melhor
maior
o
limite
de
fadiga
l Composição
química:
teor
de
impurezas-­‐
quanto
mais
puro
maior
o
limite
de
fadiga
l
Temperatura:
resistência
a
fadiga
tem
um
pequeno
decréscimo
quando
a
temperatura
esta
entre
200-­‐250C
acima
disso
a
resistência
cai
ainda
mais.
l Resistência:
Quanto
maior
a
resistência
mecânica
do
material,
maior
o
seu
limite
de
fadiga
l Tratamentos
termoquímicos
(cementação,
nitretação
etc...)
aumentam
o
limite
da
fadiga
pois
induzem
tensões
de
compressão
na
supermcie
l
Tratamento
mecânico:
shot
peening:
eleva
o
limite
de
fadiga
pois
induz
tensões
compressivas
na
supermcie.

23. l Descarbonetação
(perda
de
carbono
a
parTr
da
supermcie
por
reações
com
a
atmosfera):
faz
cair
a
resistência
nessa
área
reduzindo
o
limite
de
fadiga.
l Corrosão:
Se
prévia
influencia
como
a
redução
do
acabamento
superficial.
Se
simultânea
gera
um
novo
mecanismo
chamado
de
corrosão-­‐fadiga
que
faz
cair
muito
o
limite
de
fadiga.
l Geometria:
componentes
mecânicos
a
serem
ensaiados
podem
conter
variação
brusca
de
secção,
ocasionando
um
concentração
de
tensão
que
pode
ocasionar
o
surgimento
de
trinca.

24. Crescimento
de
uma
trinca
• Vimos
anteriormente
que
a
propagação
de
um
trinca
pode
ser
descrita
de
duas
formas:
propagação
estável
e
instável
(ruptura).
• Para
projetos
se
torna
essencial
saber
sobre
a
propagação
estavél,
pois
com
isto
podemos
determinar
qual
o
tamanho
de
trinca
é
suportado
pelo
componente.
E
portanto
o
tempo
de
vida
do
mesmo.
• Para
medir
a
velocida
do
crescimento
da
trinca
é
uTlizado
o
seguinte
experimento.

25. Descrição
do
experimento
l Um
corpo
de
prova
com
uma
trinca
inicial
é
ciclado
com
um
amplitudede
tensão
constante.
l Comprimento
da
trinca
é
medido
ao
longo
do
número
de
ciclos.
l A
velocidade
é
fornecida
pela
tangente
(da/dN)
da
curva
a
x
N,
em
uma
dada
amplitude
de
tensão
e
um
certo
número
de
ciclos.
l Se
aumenta
a
amplitude
de
tensão,
aumenta
a
velocidade
de
crescimento
da
trinca
e
portanto
uma
menor
vida
do
componente.

27. Resultados
do
experimento
l Mesmo
a
amplitude
sendo
constante,
surge
dois
aspectos
na
região
localizada
na
frente
da
trinca:
1. Amplitude
de
tensão
está
crescendo
(área
resistente
esta
diminuindo).
2. Amplitude
do
fator
de
intensidade
de
tensão
(ΔK)
cresce
devido
ao
tamanho
de
trinca
aumentar.
ΔK=YΔσ√(πa)
l Visto
isso,
o
objeTvo
é
descobrir
qual
o
fator
que
controla
o
crescimento
da
trinca,
ΔK
ou
Δσ.
Para
isso
foi
feio
outro
experimento.

28. • Para
a
figura
a)
temos
que
ao
longo
dos
ciclos
foi
variada
a
amplitude
de
tensão
aplicada,
diminuindo-­‐a
linearmente
com
o
comprimento
da
trinca,
para
que
resultasse
em
um
Δσ
constante.
• Para
a
figura
b)
temos
que
ao
longo
dos
ciclos
foi
variada,
também,
a
amplitude
de
tensão
aplicada,
com
uma
taxa
inversamente
proporcional
a
√a.
Resultando
em
um
ΔK
constante.
• Com
isso
é
possivel
afirmar
que
o
parâmetro
que
contrala
a
velocidade
da
trinca
é
o
ΔK,
devido
a
sua
velocidade
ser
constante.

29. Curva
de
crescimento
de
trinca
ParTndo
dos
resultados
obTdos
na
curva
axN,
calcula-­‐se
o
ΔK
para
cada
N
e
se
traça
uma
curva
do
Tpo
da/dN
x
ΔK

30. l Essa
curva
nos
mostra
o
comportamento
de
um
material
em
relação
ao
crescimento
da
trinca.
l Existe
três
regiões:
A. Nucleação
da
trinca
B. Crescimento
estável
da
trinca
(equação
de
Paris)
C. Crescimento
instável
da
trinca
l Abaixo
de
ΔKo
não
há
crescimento
de
trinca.
(trinca
estacionária)
l A
maior
parte
da
vida
do
componente
se
passa
na
região
A,
no
estágio
de
nucleação.
Entretanto
se
ela
tem
um
determinado
tamanho
e
se
encontra
no
estágio
B
a
equação
de
Paris
passa
a
ser
úTl
para
determinar
o
tempo
necessário
para
trocar
o
componente.
l å=da/dN

31. EsTmaTva
de
vida
de
fadiga
• O
cálculo
de
vida
residual
sob
fadiga
consiste
em
determinar
o
numero
de
ciclos
que
o
componente
ainda
aguenta
antes
de
romper
(Nif).
Conhecendo
o
valor
inicial
da
trinca
(ai)
e
o
seu
valor
críTco
(af).
Temos:

32.
hep://core.materials.ac.uk/repository/alumaeer/metallurgy/mechanical_properTes/tcp-­‐
fractFaTgueAnalysis.swf

33. Exercícios
de
Fadiga
1

35. Exemplo
2

36. Fluência

37. Fluência
l O
termo
“fluência”
define
o
fenômeno
de
deformação
plásTca,
lenta
e
progressiva
das
ligas
metálicas,
que
ocorre
sob
carga
constante.
As
variáveis
para
o
fenômeno
são
a
tensão,
deformação,
tempo
e
temperatura.
l Em
geral
se
torna
significaTvo
nas
ligas
de
alumínio
em
temperaturas
acima
dos
150ºC
e
nos
aços
acima
de
350ºC.

38. Fatores
que
afetam
a
fluência
Tanto
a
temperatura,
quanto
o
nível
de
tensão
aplicada
e
o
tempo
de
exposição
afetam
as
caracterísTcas
da
fluência.
Essa
influência
pode
ser
observada
pela
figura
abaixo.
Para
os
m e t a i s
a
fl u ê n c i a
s e
t o r n a
importante
apenas
em
temperaturas
superiores
a
aproximadamente
TF
=
Temperatura
de
fusão
do
0,4TF.
Abaixo
desta
temperatura
a
material.
deformação
permanece
constante
indefinidamente.

39. Vídeo
fluência
1

40. Vídeo
fluência
2

41. Deformação
por
fluência
E0
=
Deformação
instantânea,
essencialmente
elásTca.
Fluência
primária
=
taxa
de
fluência
decrescente,
o
material
aumenta
sua
resistência
a
fluência,
ou
seja,
ocorre
o
encruamento.
Fluência
secundária
=
também
conhecida
como
fluência
estacionária,
possui
taxa
constante.
Ocorre
o
equilíbrio
entre
os
processos
de
encruamento
e
recuperação.
Fluência
terciária
=
aceleração
da
taxa
de
fluência
e
fratura.
Alterações
microestruturais
(separação
do
contorno
de
grão,
formação
de
trincas,
cavidades
e
vazios
internos)
e/ou
formação
de
pescoço
(estricção).

43. Equação
de
fluência
Equação
geral
Equação
modificada
O
deslocamento
de
fluência,
C
é
uma
constante
que
depende
do
material
e
do
mecanismo
parTcular
de
fluência,
m
e
b
onde
A,
Q ,
e
n
podem
todos
ser
explicado
são
expoentes
dependentes
do
por
mecanismos
convencionais
(SO
3
≤
n
mecanismo
de
fluência,
Q
é
a
energia
de
≤
10).
aTvação
do
mecanismo
de
fluência,
σ
é
a
tensão
aplicada,
d
é
a
tamanho
de
grão
do
material,
k
é
uma
constante
de
Boltzmann,
e
T
é
a
temperatura
absoluta.

44. Ensaio
de
fratura
sob
fluência
l O
comportamento
das
ligas
metálicas
quando
sujeitas
a
fluência
pode
ser
encarado
sob
dois
aspectos:
l Resistência
à
fluência
l Resistência
à
ruptura
por
fluência.

45. Resistência
à
Fluência
l Consiste
em
aplicar
uma
determinada
carga
em
um
corpo
de
prova,
a
uma
dada
temperatura
e
avaliar
a
deformação
que
ocorre
durante
a
realização
do
ensaio.
IdenTfica,
por
exemplo,
a
tensão
necessária
para
produzir
uma
velocidade
de
fluência
de
0,0001%
por
hora
(ou
1%
em
10.000
horas)
em
determinada
temperatura.
l Se
obtém
gráficos
lineares
com
escala
logarítmica
relacionando
tensão
e
velocidade
de
fluência.
Figura
8.39
callister

47. Resistência
à
Ruptura
por
Fluência
l Se
obtém
neste
ensaio
o
tempo
necessário
para
causar
a
ruptura
do
material
sob
a
ação
de
uma
determinada
tensão
e
temperatura
constante.
Figura
8.38
Callister

49. Mecanismos
de
deformação
por
fluência
l Para
uma
dada
tensão
e
temperatura
cada
mecanismo
possui
uma
dada
velocidade,
e
o
mecanismo
predominante
de
deformação
é
o
que
apresenta
máxima
velocidade.
l Em
fluência
os
dois
mecanismos
de
deformação
são:
1. Movimento
de
discordâncias
2. Difusão

50. Movimento
de
discordância
Ascenção
de
discordância
l Atua
sobre
tensão
intermediária
e
temperatura
média
elevada.
Uma
discordância
pode
alterar
o
plano
de
escorregamento
através
de
ascensão.
(imagem)
Deslizamento
de
contorno
de
grão
l Quando
grão
se
alongam
pela
fluência,
deveriam
aparecer
espaços,
entretanto,
pelo
o
deslizamento
de
grãos
isso
não
ocorre.

51. Difusão
Difusão
volumétrica
(Nabarro-­‐Herring)
l Quando
a
temperatura
é
relaTvamente
alta,
há
autodifusão
em
movimento
aleatório.
Nabarro
e
Herrins
propuseram
que
quando
existe
uma
força
aplicada
surge
uma
direcionalidade
no
movimento
atômico.
Difusão
por
contorno
de
grão(Coble)
l Coble
postulo
o
mesmo
principio
de
nabarro
hering,
porém
considerou
que
a
difusão
ocorre
pelo
contorno
de
grão.

52. l hep://core.materials.ac.uk/repository/doitpoms/tlp/creep/
creep_deformaTon.swf

53. Extrapolação
de
dados
l Na
práTca
o
tempo
de
serviço
das
peças
sujeitas
a
temperaturas
acima
da
ambiente
pode
se
estender
por
vários
anos,
torna-­‐se
problemáTco
realizar
ensaios
que
cubram
períodos
de
tempo
tão
longos.
Desse
modo
para
ter-­‐se
uma
idéia
melhor
das
propriedades
de
fluência
,
é
frequentemente
necessário
extrapolar
os
dados
obTdos
nos
ensaios
de
duração
relaTvamente
curta.

54. Exercícios
de
fluência

55. Resolução

56.
l Comprimento
inicial
=
750mm
l Alongamento
inicial
=
1,5mm
l Tempo
=
5000h
l Taxa
fluência
(gráfico)
=
0,20
%/1000h

59. 3
–
Dados
de
fluência
em
regime
estacionário
tomados
para
refratário
a
um
nível
de
tensão
de
140
Mpa
estão
listados
abaixo.
T(K)
1090
1200
Tendo
o
conhecimento
de
que
o
valor
do
expoente
de
tensão
n
para
esta
liga
é
de
8,5,
calcule
a
taxa
de
fluência
em
regime
estacionário
a
uma
temperatura
de
1300K
e
nível
de
tensão
de
83MPa

61. Referências
l [1]
FUCHS,
H.
O.
STEPHENS,
R.
I.
Metal
faTgue
in
engineering
John
Wiley
&
Sons
:
New
York
1980
cap
3
l DIETER,
George
Ell.
Metalurgia
mecânica.
Guanabara
Koogan;
Rio
de
Janeiro,
1981.
P.334-­‐418
l CALLISTER,
William
D.
Ciência
e
engenharia
de
materiais:
uma
introdução.
7.
ed.
Rio
de
Janeiro
(RJ):
LTC,
2008.
xx,
705p.
l BERNADINI
Pedro
A.
N.
“Análise
de
falhas
em
materiais”
l Site
pesquisado
l hep://core.materials.ac.uk/
l hep://www.youtube.com/watch?v=iBuuVd0JlIM
l hep://www.youtube.com/watch?v=JgqqnwN4IYA&feature=related
l hep://www.youtube.com/watch?v=Soforp-­‐V90o&feature=related