COMPORTAMENTO DOS MATERIAIS SOB CARREGAMENTO E TEMPERATURAS ELEVADAS

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1 Universidade Federal do Pará Curso de Especialização em Construção Naval Módulo: Materiais Aplicados à Indústria Naval Professor: Jorge Teófilo de Barros Lopes REALIZAÇÃO APOIO PARCEIROS PATRIOCÍNIO COMPORTAMENTO DOS MATERIAIS SOB CARREGAMENTO E TEMPERATURAS ELEVADAS 1

2 Introdução Estudar os aspectos gerais da resposta de um sólido sob a ação de um esforço mecânico externo. Serão discutidas as respostas no regime elástico e no regime plástico (cargas estáticas), principalmente dos materiais metálicos, além de algumas características especiais de outras classes de materiais. Também serão estudados os efeitos das taxas de deformação e da temperatura sobre o comportamento mecânicos dos materiais, sob os diversos tipos de carga. Carga estática: quando aplicada de maneira suficientemente lenta, induzindo a uma sucessão de estados de equilíbrio, caracterizando um processo quase-estático. Estudo do comportamento mecânico sob cargas estáticas: ensaios de tração, compressão, flexão, torção e dureza. Carga constante: quando aplicada durante um longo período. Estudo do comportamento em carga constante: ensaio de fluência. 2

3 Ensaio de tração convencional Consiste na aplicação gradativa de carga de tração uniaxial nas extremidades de um corpo de prova padronizado. O resultado de um ensaio de tração é registrado na forma de um gráfico ou diagrama relacionando a carga em função do alongamento, mais comumente, a tensão em função da deformação, onde se distinguem dois comportamentos, o regime elástico e o regime plástico. Ensaio de tração convencional 3

4 Comportamento elástico Grande parte dos sólidos apresentam um comportamento elástico para baixos valores de tensão aplicada: Ao se aplicar uma tensão no sólido ele se deformará; enquanto esse valor de tensão permanecer constante, a deformação também permanecerá constante; se a tensão aplicada for reduzida a zero, o sólido retorna às suas dimensões originais. Comportamento elástico: O comportamento elástico se dá em função das ligações entre as unidades formadoras do material, as quais não chegam a se romper quando da aplicação das baixas tensões. Os átomos se afastam das posições originais quando submetidos à carga, mas não ocupam novas posições. A deformação elástica é reversível, portanto não dissipa energia. 4

5 Comportamento elástico Nesta fase, a grande maioria dos materiais apresenta uma proporcionalidade entre a tensão aplicada e a deformação, dada pela relação: E (E) Constante de proporcionalidade (módulo de elasticidade ou módulo de Young): Fornece uma indicação da rigidez do material (resistência do material à deformação elástica) e depende fundamentalmente das forças de ligação. Comportamento elástico Material Chumbo (Pb) Magnésio (Mg) Alumínio (Al) Prata (Ag) Ouro (Au) Latão (Liga) Titânio (Ti) Cobre (Cu) Níquel (Ni) Aço (Liga) Ferro (Fe) Molibdênio (Mo) Tungstênio (W) Al 2 O 3 Temperatura de fusão ( C) E (GPa) Módulo de elasticidade para alguns metais à temperatura ambiente (Adaptada de CALLISTER, 2012; ASKELAND & PHULÉ, 2003). 5

6 Comportamento elástico: Neste caso, o gráfico da tensão em função da deformação resulta em uma relação linear - a inclinação (coeficiente angular) do segmento linear no diagrama corresponde ao módulo de elasticidade (E) do material (figura). Exemplo: O comportamento elástico de um aço e do alumínio à temperatura de 20 C (figura) mostra que o alumínio deforma elasticamente três vezes mais que o aço. Comportamento elástico Diagrama esquemático tensãodeformação correspondente à deformação elástica para ciclos de carga e descarga. Comparação do comportamento elástico de um aço e do alumínio (Adaptada de ASKELAND & PHULÉ, 2003) 6

7 Comportamento elástico Para alguns materiais, tais como o ferro fundido cinzento, o concreto e diversos polímeros, a região elástica da curva tensão-deformação não é linear. Diagrama esquemático tensão-deformação mostrando um comportamento elástico não-linear Comportamento elástico A diferença na magnitude do módulo de elasticidade dos metais, cerâmicas e polímeros é consequência dos diferentes tipos de ligação atômica existentes nessas três classes de materiais. Tensões compressivas, cisalhantes ou torcionais também induzem um comportamento elástico. Aumento da temperatura o módulo de elasticidade tende a diminuir para praticamente todos os materiais, exceto alguns elastômeros. 7

8 Comportamento elástico Variação do módulo de elasticidade com a temperatura de um PMMA - polimetilmetacrilato (CALLISTER, 2012) Variação do módulo de elasticidade com a temperatura para alguns metais (CALLISTER, 2012) Comportamento viscoelástico Certos polímeros apresentam um comportamento particular, chamado de viscoelástico. Considere um corpo de prova de comprimento inicial L o submetido a um esforço σ no instante t o. Inicialmente ele sofre uma deformação instantânea, puramente elástica ε el, que obedece à lei de Hooke. 8

9 Comportamento viscoelástico Se o esforço é mantido constante, uma deformação viscoelástica ε ve aparece ao longo do tempo, e se estabiliza num tempo t a. A deformação total ε T é igual à soma das duas deformações ε el e ε ve. Essa deformação permanece constante, até que o esforço σ seja eliminado no instante t f. o corpo de prova sofre uma contração elástica praticamente instantânea, de valor absoluto igual a ε el. Comportamento viscoelástico Para que o corpo de prova volte às suas dimensões iniciais (contração adicional em valor absoluto igual à deformação viscoelástica), é necessário um intervalo de tempo igual à dt = t a t o. No tempo t = t f + dt o corpo de prova readquire suas dimensões iniciais, não existindo nenhuma deformação plástica residual. O comportamento viscoelástico é reversível, mas dissipa parte da energia envolvida nas deformações. 9

10 Comportamento elástico e viscoelástico ε σ ε 1 σ 1 t o t f Tensão constante no intervalo de tempo t 1 a t 2 t ε ε T ε el t o t f Deformação elástica ε ve t t o t a t f t f +dt t Deformação viscoelástica Comportamento plástico À medida que o material continua a sofrer incrementos de tensão, após um certo valor se iniciará uma deformação permanente e não recuperável deformação plástica. A deformação plástica ocorre devido à ruptura de ligações dos átomos com os seus vizinhos originais, seguida da formação de ligações com os novos átomos vizinhos - um grande número de átomos ou moléculas se move relativamente uns aos outros. 10

11 Comportamento plástico Dessa forma, mesmo que a tensão causadora da deformação seja removida, os átomos não retornarão às suas posições originais. Mecanismo da deformação plástica: difere para materiais cristalinos e amorfos. Sólidos cristalinos: a deformação plástica ocorre segundo um processo chamado de escorregamento (ou deslizamento) de planos, que envolve o movimento de discordâncias. Comportamento plástico Sólidos não-cristalinos: tal como em líquidos, o processo de deformação ocorre de acordo com um mecanismo de escoamento viscoso. Vários parâmetros podem representar o comportamento plástico dos materiais obtidos diretamente do ensaio de tração ou a partir de outros dados dele levantados: limite de escoamento, limite de resistência à tração, ductilidade e módulo de tenacidade. 11

12 Comportamento plástico Limite de escoamento ( e ou LE): Representa o nível de tensão onde a deformação plástica inicia, ou onde ocorre o fenômeno do escoamento mobilidade das discordâncias e deslizamento de macromoléculas (figura e tabela). Tensão necessária no projeto da maioria das estruturas para assegurar que apenas uma deformação elástica ocorrerá quando da aplicação de tensões. Comportamento Plástico Descontínuo Contínuo 12

13 Comportamento plástico Limite de escoamento ( e ): Material Concreto Alumínio PVC Cobre Latão (70Cu-30Zn) Ferro Níquel σ e MPa Material Aço (1020) Ferro fundido Aço inoxidável Titânio Molibdênio Tungstênio - σ e Mpa Limite de escoamento para alguns materiais (GARCIA et al., 2000; CALLISTER, 2012) Comportamento plástico Limite de resistência à tração ( u ou LRT): É a tensão no ponto máximo da curva tensãodeformação de engenharia, a qual corresponde à tensão máxima que pode ser sustentada por uma estrutura sob tração. Após o escoamento a tensão necessária para continuar o processo de deformação plástica aumenta até alcançar um valor máximo (ponto M). 13

14 Comportamento plástico Limite de resistência à tração ( u ou LRT): A partir desse ponto, a tensão diminui até a fratura completa do material (ponto F) - isso ocorre devido à rápida diminuição da seção resistente do corpo de prova ao se ultrapassar a tensão máxima. A deformação até este ponto é uniforme ao longo da região estreita do corpo de prova que se encontra sob tração. Comportamento plástico Limite de resistência à tração ( u ou LRT): Nessa tensão máxima, uma pequena constrição, ou pescoço, começa a se formar em um ponto determinado (início da fratura), e toda a deformação subsequente fica confinada nesta região. Esse fenômeno é conhecido por estricção ou empescoçamento, e a fratura ocorre nessa região do corpo de prova. 14

15 Comportamento plástico Limite de resistência à tração ( u ou LRT): Comportamento da curva tensão-deformação de engenharia até a fratura do material (Adaptada de CALLISTER, 2012). Comportamento plástico Limite de resistência à tração ( u ou LRT): Os limites de resistência à tração podem variar desde 50 MPa para um alumínio, até um valor de 3000 MPa para aços de elevada resistência. À tensão aplicada quando da ocorrência da fratura denomina-se resistência à fratura do material, f. 15

16 Comportamento plástico Ductilidade (Al% ou RA%): Representa uma medida do grau de deformação plástica que o material suportou até a fratura. Um material que experimenta uma deformação plástica muito pequena ou mesmo nenhuma quando da sua fratura é chamado de frágil. Os comportamentos tensão-deformação em tração para materiais dúcteis e frágeis estão ilustrados esquematicamente na figura a seguir: Comportamento plástico Ductilidade (Al% ou RA%): Representação esquemática do comportamento tensão-deformação em tração para materiais dúcteis e frágeis (Adaptado de GARCIA et al., 2000). 16

17 Comportamento plástico Ductilidade (Al% ou RA%): Pode ser expressa quantitativamente tanto pelo alongamento percentual como pela redução de área percentual. l AL% f l l o o 100 Ao Af RA% Ao 100 Comportamento plástico Material Alumínio Cobre Latão (70Cu-30Zn) Ferro Níquel Aço (1020) Titânio Molibdênio σ e MPa u (LRT) MPa AL% (em 50 mm) Propriedades mecânicas de vários metais e ligas no estado recozido (Adaptada de CALLISTER, 2012). 17

18 Comportamento plástico Efeito da temperatura: A elevação da temperatura implica num aumento da mobilidade das discordâncias, num deslizamento mais fácil das macromoléculas ou ainda na ativação de mecanismos de deformação que dependem de difusão, como a ascensão ou escalagem de discordâncias. Comportamento plástico Efeito da temperatura: Esses mecanismos contribuem para uma diminuição dos limites de escoamento e de resistência à tração do material e aumento da ductilidade com a elevação da temperatura. A maioria dos metais possui um grau moderado de ductilidade à temperatura ambiente; contudo, alguns se tornam frágeis à medida que a temperatura é reduzida. 18

19 Comportamento plástico Efeito da temperatura: Variação do módulo de elasticidade com a temperatura de um PMMA - polimetilmetacrilato (CALLISTER, 2012) Ação de cargas constantes Fluência Fundamentos A fluência de materiais é muito importante em alguns tipos de projéteis de engenharia, especialmente naqueles em que as peças ou componentes são colocados em serviço a elevadas temperaturas. Exemplo: pás de turbina, geradores de vapor etc. É em geral um fenômeno indesejável e, com frequência, é o fator limitante da vida útil de uma peça. 19

20 Ação de cargas constantes Fluência Fundamentos Fluência é o fenômeno observado como uma deformação permanente e dependente do tempo em materiais submetidos a uma tensão constante. O fenômeno é observado em quase todos os tipos de materiais de engenharia, mas para os materiais metálicos adquire importância apenas a temperaturas altas. Ação de cargas constantes Fluência Fundamentos Considera-se temperatura alta para um material metálico, aquela em que processos ligados à difusão começam ter efeitos macroscópicos. O termo alta temperatura a que um material metálico está submetido depende de sua temperatura de fusão. Uma temperatura de 800 C, por exemplo, pode ser alta para o cobre (T f = 1083 C = 1356 K), mas baixa para o tungstênio (T F = 3422 C = 3695 K). 20

21 Ação de cargas constantes Fluência Fundamentos Uma forma de apresentar a temperatura em uma escala única para todos os metais se dá por meio da temperatura homóloga (T H ). Temperatura homóloga (T H ): Define-se como a razão entre a temperatura de serviço do material e a sua temperatura de fusão, ambas em Kelvin. T H = T T f Ação de cargas constantes Fluência Fundamentos Experimentalmente, observa-se que os fenômenos ligados à difusão começam a ter efeitos macroscópicos em um metal quando a sua temperatura homóloga atinge o valor de 0,4 (alguns autores consideram 0,5). Dessa forma, um ambiente com temperatura de 400 C (673 K) já seria suficiente para afetar o cobre (T H = 0,5 > 0,4), mas não o tungstênio (T H = 0,18 < 0,4). 21

22 Ação de cargas constantes Fluência Desenvolvimento da fluência A figura a seguir mostra uma representação esquemática do comportamento típico de fluência sob carga constante em metais. Ação de cargas constantes Fluência ሶ Desenvolvimento da fluência Com a aplicação da carga ocorre uma deformação instantânea, essencialmente elástica. A partir daí, a fluência se desenvolve em três fases (regiões I, II e II da figura): I. Fluência primária ou transiente - caracterizada por uma taxa de fluência ( ε = dε/dt ) continuamente decrescente o material encrua (aumenta a resistência) até conseguir suportar a carga aplicada. 22

23 ሶ 16/03/2018 Ação de cargas constantes Fluência Desenvolvimento da fluência II. Fluência secundária ou em regime estacionário - caracterizada por uma taxa de fluência constante (em geral, apresenta a duração mais longa) e mínima de todo o processo ( ε min ሶ ) explicada com base em um equilíbrio entre os processos concorrentes de encruamento e recuperação (movimentos de discordâncias) torna o material mais macio e retém a sua habilidade em experimentar deformação) a fluência do metal ou liga é máxima. Ação de cargas constantes Fluência Desenvolvimento da fluência III. Fluência terciária aceleração da taxa de fluência precede a ruptura do material que ocorre no tempo t f (tempo de fratura) a velocidade de fluência aumenta devido a estricção do material e também devido à formação de cavidades, particularmente nos contornos de grãos. Os parâmetros ε min e t f caracterizam a resistência à fluência de um material Quanto < o valor de εሶ min e > o de t f mais resistente à fluência será. 23

24 Ação de cargas constantes Fluência Efeito da temperatura e da tensão aplicada Um aumento de temperatura diminui a resistência à fluência de um material aumenta εሶ min e diminui t f. Ação de cargas constantes Fluência Efeito da temperatura e da tensão aplicada De maneira similar, assumindo a temperatura constante, ensaios com tensões variáveis mostram que o aumento da tensão aplicada no processo diminui a resistência à fluência aumenta εሶ min e diminui t f. Metais e cerâmicos cristalinos fluência por difusão (movimento de discordâncias e difusão atômica). Polímeros fluência viscosa, mas a sua taxa aumenta com a tensão e com a temperatura. 24

25 Ação de cargas dinâmicas Taxa de deformação plástica A deformação plástica ocorre por processos individuais, tais como movimentação de discordâncias, maclação, deslizamento de macromoléculas etc.). Dessa forma, necessitam de um certo intervalo de tempo para se completarem. Portanto, a taxa de deformação plástica tem um efeito sensível sobre o comportamento mecânico de um material. Ação de cargas dinâmicas Taxa de deformação plástica Esse efeito será mais notável à medida que cresce o intervalo de tempo utilizado no processo de deformação plástica. O aumento da taxa de deformação de um componente proporciona um aumento da sua resistência mecânica, que será tanto mais elevada quanto maior for o coeficiente de sensibilidade à taxa deformação plástica do material. 25

26 Ação de cargas dinâmicas Esforço de impacto Esforço de impacto: esforço mecânico aplicado na forma de altas cargas em um intervalo de tempo muito curto (comuns em engenharia - quedas, colisões, acelerações bruscas etc.). A resposta dos materiais a esforços de impacto é, geralmente, muito diferente da obtida no caso de esforços estáticos ou quase estáticos. Taxas de deformação: da ordem de 10² a 10³ s -1, muito maior do que as obtidas com a aplicação de esforços quase estáticos (10-5 a 10-1 s -1 ). Ação de cargas dinâmicas Ensaio de impacto Uma das metodologias de avaliação da resposta do material a esforços de impacto: chamados ensaios de impacto (Izod e Charpy). A carga é aplicada na forma de esforço de impacto obtido por meio da queda de uma massa pendular, de uma altura determinada, sobre a peça a examinar (figura). Resultado do ensaio energia absorvida pelo material até a fratura. 26

27 Ação de cargas dinâmicas Ensaio de impacto Ação de cargas dinâmicas Ensaio de impacto A principal aplicação refere-se à caracterização do comportamento dos materiais, na transição da propriedade dúctil para frágil como função da temperatura. Possibilita determinar a faixa de temperaturas na qual um material muda de dúctil para frágil. Muito utilizado nas indústrias naval e bélica e, em particular, nas construções que deverão suportar baixas temperaturas. 27

28 Ação de cargas dinâmicas Transição Dúctil-Frágil Com o decréscimo da temperatura, os materiais normalmente perdem ductilidade. Alguns materiais, no entanto, apresentam uma mudança excessiva nesse comportamento, o que pode ocorrer em temperaturas de serviço, levando, inclusive, a peça ou componente à fratura. Essa transição é relacionada com a temperatura pela energia de impacto medida no ensaio. Ação de cargas dinâmicas Transição Dúctil-Frágil Temperaturas mais elevadas - energia de impacto relativamente alta, compatível com um modo dúctil de fratura. À medida que a temperatura diminui - energia de impacto cai subitamente ao longo de um intervalo de temperaturas relativamente pequeno, abaixo do qual a energia de impacto tem um valor baixo e essencialmente constante, compatível com um modo de fratura frágil. 28

29 Ação de cargas dinâmicas Transição Dúctil-Frágil Transição dúctil-frágil em uma curva que representa os resultados de um ensaio Charpy em dois tipos de aço. (Adaptada de ASKELAND, 2003). Ação de cargas dinâmicas Transição Dúctil-Frágil Curvas características do resultado do ensaio de impacto em função da temperatura para alguns materiais metálicos (Adaptada de HERTZBERG, 1995). 29

30 Ação de cargas dinâmicas Transição Dúctil-Frágil Aspecto da superfície do corpo de prova ensaiado a impacto Ação de cargas dinâmicas Transição Dúctil-Frágil Na maioria das ligas, a ocorrência de transição dúctil-frágil verifica-se em uma faixa de temperaturas - não existe um critério bem definido para especificar uma temperatura de referência. Direção de retirada do corpo de prova e o sentido do entalhe - podem alterar significativamente os resultados do ensaio, particularmente se as amostras são retiradas de um material encruado. 30

31 Ação de cargas dinâmicas Transição Dúctil-Frágil Efeito da orientação do corpo de prova nas curvas de temperatura de transição Charpy (HERTZBERG, 1995). Ação de cargas dinâmicas Transição Dúctil-Frágil Metais com estrutura CFC - permanecem dúcteis mesmo a temperaturas extremamente baixas (figura). Metais com estrutura CCC e HC - apresentam a transição dúctil-frágil - a temperatura de transição depende tanto da composição química da liga quanto da microestrutura. A diminuição do tamanho de grão em aços diminui a temperatura de transição. 31

32 Ação de cargas dinâmicas Transição Dúctil-Frágil Conteúdo de carbono na composição química dos aços influencia significativamente a temperatura de transição (figura). Do ponto de vista da transição dúctil-frágil, a preferência na especificação de um material para aplicações estruturais recai em temperaturas de transição mais baixas. Ação de cargas dinâmicas Transição Dúctil-Frágil Efeito do teor de carbono nas curvas energiatemperatura de transição para aços (Adaptada de Honeycombe, 1981) 32

33 Ação de cargas dinâmicas Transição Dúctil-Frágil Materiais cerâmicos e poliméricos, na sua maioria, apresentam transição dúctil-frágil. Materiais cerâmicos transição somente a temperaturas elevadas (geralmente acima de 1000 C). Materiais poliméricos faixa de transição geralmente abaixo da temperatura ambiente. Introdução No carregamento cíclico a tensão aplicada oscila ao redor de um valor e com uma dada frequência. Muito frequente - ocorre em eixos, engrenagens, molas, estruturas de aeronaves, navios, pontes etc. Observa-se uma forma alternativa de degradação da vida útil do material por um fenômeno chamado fadiga mecânica o componente sofre fratura catastrófica após um determinado tempo em operação. 33

34 Fadiga mecânica A fadiga é responsável por uma parcela grande dos casos de falha de componentes em serviço. Frequentemente, está presente em acidentes graves envolvendo grande quantidade de vítimas fatais (acidentes com trens e aviões, por exemplo) Um dos aspectos mais importantes da fadiga - pode se manifestar mesmo para tensões abaixo do limite de escoamento do material. Observada em todas as classes de materiais. Fadiga mecânica Definição (ASTM, 2002): processo de alteração estrutural permanente, progressivo e localizado, que ocorre em um material sujeito a condições que produzem tensões e deformações cíclicas em um ponto ou em vários pontos, e que podem culminar em trincas ou fratura completa após um número suficiente de ciclos. Sempre inicia com uma pequena trinca, que sob aplicações repetidas de tensão aumenta de tamanho. 34

35 Fadiga mecânica À medida que essa trinca cresce, a seção transversal resistente da peça ou componente diminui, resultando em um aumento de tensão na seção. Finalmente, é atingido o ponto onde a seção resistente remanescente não é mais capaz de suportar a carga aplicada e a peça ou componente fratura. Fadiga mecânica Existe, portanto, um conjunto de variáveis imprescindíveis para que a fratura por fadiga ocorra, sendo que as fundamentais são: 1. uma tensão principal máxima suficientemente alta; 2. uma variação ou flutuação da tensão aplicada suficientemente grande; 3. um número de ciclos de aplicação da tensão suficientemente grande. 35

36 Fadiga mecânica A fratura por fadiga é influenciada por vários outros fatores, de natureza mecânica ou metalúrgica, respectivamente na usinagem do corpo de prova e na fabricação do material. Exemplos - concentração de tensão, corrosão, temperatura, sobrecarga, tensões residuais, tensões combinadas e estrutura metalúrgica, que tendem a alterar as condições de ocorrência da fadiga. Fadiga mecânica Na prática, a forma da onda, a frequência e a amplitude da variação de tensão podem variar com o tempo. Tipos de tensões cíclicas mais comuns: tensão alternada, tensão flutuante e tensão irregular aleatória. As figuras a seguir ilustram os tipos de tensões cíclicas mais comuns. 36

37 Fadiga mecânica Representação esquemática para os ciclos de tensão com amplitude constante: (a) Completamente reverso (σ m = 0); (b) Repetido (σ m 0 e σ min 0) e (c) Pulsante (σ m 0 e σ min = 0). (Adaptada de DAWLING,1993). Fadiga mecânica Exemplos de ciclos de tensão irregulares ou aleatórios: Industria automobilística (SAE, 1988); (b) Indústria aeronáutica (MANESCHY, 1999); (c) Indústria nuclear (MANESCHY, 1999). 37

38 O ensaio de fadiga A fadiga é um fenômeno muito complexo, afetado por diversos fatores externos, conforme já mencionado. Em função disso, os ensaios de fadiga devem ser desenhados de modo a reproduzir, o mais fielmente possível, as condições de uso dos componentes. Entretanto, em muitos casos são executados ensaios padronizados. O ensaio de fadiga Tais ensaios são capazes de fornecer dados quantitativos relativos às características de um material ou componente ao suportar, por longos períodos de tempo, sem se romper, cargas repetitivas ou cíclicas. Curva σ N (Curva de Wöhler, Curva S-N): forma usual de apresentação dos dados do ensaio (fig.). Principais resultados dos ensaios: limite de resistência à fadiga, resistência à fadiga e vida em fadiga. 38

39 O ensaio de fadiga Curvas de fadiga mostrando o limite de resistência à fadiga O ensaio de fadiga Limite de resistência à fadiga (S e ou σ Rf ): Limite de tensão tal que, para valores inferiores do mesmo, o corpo de prova nunca sofrerá ruptura por fadiga ocorre, para materiais ferrosos em geral, ligas de Ti, ligas de (figura). Resistência à fadiga (S f ou σ f ): Tensão na qual ocorre ruptura do CP para um número arbitrário de ciclos de aplicação de carga (na prática, entre 10 7 e 10 8 ciclos) maioria das ligas não ferrosas (Al, Cu, Mg etc.). 39

40 O ensaio de fadiga Vida em fadiga (N f ): Consiste no número de ciclos que causará a ruptura do CP para um determinado nível de tensão. Curvas de fadiga, onde e representa: (A) o limite de fadiga; (B) a resistência à fadiga O ensaio de fadiga Curvas de fadiga, onde e representa: (a) o limite de fadiga; (b) a resistência à fadiga (DOWLING, 1993). 40

41 O ensaio de fadiga Curvas de fadiga, onde e representa: (a) o limite de fadiga; (b) a resistência à fadiga (Adaptada de REE-HILL, 1985). O ensaio de fadiga Curvas de fadiga para diversos polímeros. 41

42 Fadiga de baixo e alto ciclo Em função do número de ciclos necessários para que a fratura ocorre, o ensaio pode ser dividido em: Fadiga de baixo ciclo e fadiga de alto ciclo. Fadiga de alto ciclo baixos níveis de tensão (ruptura acima de 10 4 ciclos) deformações predominantemente elásticas. Fadiga de baixo ciclo altos níveis de tensão (ruptura abaixo de 10 4 ciclos) caracterizada por deformação plástica cíclica acentuada. Influência da temperatura Em temperaturas inferiores à ambiente, os ensaios indicam que a resistência à fadiga aumenta com o decréscimo da temperatura. Quando se considera a aplicação de cargas dinâmicas em altas temperaturas, a resistência à fadiga geralmente diminui quando a temperatura aumenta acima da ambiente. O aço doce é uma exceção, pois apresenta um máximo na resistência à fadiga entre 200 e 300 C (DIETER, 1981). 42

43 Influência da temperatura À medida que a temperatura é elevada bem acima da ambiente, torna-se importante o fenômeno da fluência e, em altas temperaturas, este fenômeno será a causa principal da fratura. Por exemplo, nos aços-liga resistentes ao calor, até 700 C a fadiga é a causa principal de ruptura, enquanto que para temperaturas mais elevadas a fluência passa a predominar (BRANCO, 1985). Influência da temperatura A transição de falha por fadiga para falha por fluência com o aumento da temperatura resultará em uma mudança do tipo de fratura que passará de transgranular, característico da fadiga, para a intercristalina por fluência. Portanto, os ensaios de fadiga em alta temperatura dependem do tempo, ou seja, da frequência de aplicação das tensões. 43

44 Outros fatores que influenciam a fadiga Acabamento superficial - Quanto melhor maior o limite de fadiga. Composição química quanto mais puro o material, maior o seu limite de fadiga. Resistência mecânica quanto maior a resistência mecânica do material, maior o seu limite de fadiga. Tratamento mecânico eleva o limite de fadiga, pois induzem tensões compressivas na superfície. Outros fatores que influenciam a fadiga Tratamentos termoquímicos (cementação, nitretação etc.) aumentam o limite de fadiga, pois induzem tensões compressivas na superfície do material. Descarbonetação reduz a resistência mecânica na superfície, reduzindo o limite de fadiga. Corrosão se prévia, influencia como a redução do acabamento superficial; se simultânea gera um novo mecanismo chamado de corrosão-fadiga, que reduz muito o limite de fadiga. 44

45 Outros fatores que influenciam a fadiga Geometria componentes ensaiados podem conter variações bruscas de seções (concentradores de tensão), que podem ocasionar a nucleação de trincas. 45