A Mecânica da Fratura

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE MECÂNICA

CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA MECÂNICA

PIETRO CALDEIRA SETIN

FADIGA

PONTA GROSSA

2017

PIETRO CALDEIRA SETIN

FADIGA

Trabalho apresentado como avaliação parcial da disciplina de Mecânica dos Sólidos C para o 2°semestre/2017 com a proposta de relacionar os conteúdos abordados em sala de aula com práticas realizadas no laboratório.

Orientador: Prof. Dr. Anderson Geraldo Marenda Pukasiewicz

PONTA GROSSA

2017

1. INTRODUÇÃO

A fadiga é um fenômeno muito comum e tem influência direta em inúmeras situações da engenharia. Estando presente em mecanismos, máquinas, veículos e estruturas, este fenômeno age de forma discreta, porém com resultados catastróficos.

A repetição de esforços (cargas cíclicas), mesmo aqueles muito abaixo do limite de resistência do material, pode causar rupturas em componentes mecânicos. Isso ocorre por que em cada um desses esforços o material, que não é perfeito, (todos os materiais estão sujeitos a defeitos microscópicos) vai acumulando pequenos danos que, eventualmente, resultam em falha do componente.

O fenômeno da fadiga vem sendo estudado por 150 anos e teve altas contribuições partindo do contexto das minas de extração mineral, onde os componentes mais abordados eram os eixos, as engrenagens e as vigas. Esse tipo de falha mecânica representa aproximadamente 80% do total de falhas mecânicas e constitui gastos para a indústria em aproximadamente 3% do PIB (dados estatísticos a respeito dos EUA).

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Figura 1 – Hélices de uma turbina eólica

O estudo da fadiga é normalmente abordado por três diferentes perspectivas: tensão normal, deformação normal e mecânica da fratura. O escopo deste texto se estende, brevemente, pelas três abordagens.

1. CONCEITOS INICIAIS

Quando estudamos o fenômeno da fadiga devemos levar em consideração alguns fatores de grande importância, eles são: rugosidade da peça, variações geométricas, tratamentos térmicos, condições ambientais, e diferentes configurações de carga (carregamentos variados). Além disso, é importante ter ciência de que todos os materiais reais apresentam diferentes planos cristalográficos, cada um desses voltado para uma direção, o que os confere pequenas variações nas propriedades mecânicas. Essa característica é chamada anisotropia.

As discordâncias, por exemplo, se propagam de forma preferencial nas regiões chamadas de bandas de deslizamento, o que faz com que essas regiões concentrem discordâncias e, dessa forma, caracterizem um ponto propício para a nucleação de trincas. Após essa trinca ter início neste ponto (onde há alta concentração de defeitos) ela irá se propagar preferencialmente no sentido da tensão máxima aplicada.

Uma fratura por fadiga é facilmente reconhecida, pois a peça fraturada apresenta marcas claras de iniciação, propagação de trinca e fratura. Qualquer profissional que conheça a teoria deste fenômeno é capaz de reconhecer visualmente um elemento que se rompeu através da fadiga. Na figura abaixo podemos identificar claramente os três estágios do fenômeno:

• Iniciação: geralmente acontece na superfície da peça, ocasionada por algum defeito geométrico, entalhe ou impacto inesperado;
• Propagação da trinca: é a região das marcas de praia, indicam o crescimento lento e constante da trinca;
• Fratura: é onde a peça rompe subitamente e de forma catastrófica, região com aspecto de fratura frágil.

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Figura 2 – Elemento metálico fraturado

Como foi dito na introdução deste texto, a fadiga é um tipo de falha mecânica que ocorre mediante esforços cíclicos. Perante isso, é interessante definir, para posteriores cálculos, alguns parâmetros importantes a respeito desses ciclos. Na figura abaixo se pode ver:

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Figura 3 – Regime cíclico de tensão

        A amplitude de tensão (σa) indica a carga, positiva ou negativa, a qual a peça está sendo submetida, a partir de um valor de tensão média (σm). A diferença máxima entre as tensões sofridas (Δσ) é chamada de alcance máximo, e o valor que representa a razão entre essas tensões é chamado de razão de tensão (R).

1. MECANISMOS DE FALHA POR FADIGA

Trincas de fadiga geralmente tem origem em descontinuidades, isso acontece devido a concentração de tensões nessas regiões. Essa concentração pode ser causada por defeitos internos, geométricos e/ou até por grandes tensões existentes na própria superfície da peça.

A superfície de uma peça metálica que está submetida a tensões cíclicas apresenta regiões de inclusões e extrusões, isso acontece devido à própria movimentação cíclica. Quando uma tensão positiva é aplicada (tração) ocorre o deslizamento em um sentido das bandas de deslizamento, mas quando uma tensão negativa é aplicada (compressão) o deslizamento acontece no sentido oposto das bandas. Quando uma região de inclusão é criada a probabilidade dela se tornar uma trinca é altíssima. A imagem abaixo ilustra melhor esse fenômeno:

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Figura 4 – Origem de inclusões e extrusões

        A propagação da trinca, após sua nucleação, constitui o processo mais duradouro do fenômeno da falha por fadiga. Cerca de 90% do tempo necessário para se realizar um ensaio de fadiga é dedicado simplesmente para que a trinca se propague. Esta porcentagem pode ser ainda maior em ensaios que contemplem corpos de prova com entalhes.

        Vamos definir, a partir da imagem abaixo, os três principais estágios da propagação de uma trinca:

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Figura 5 – Estágios de propagação de trinca

O primeiro estágio é considerado por muitos autores como uma extensão da nucleação da trinca. Nesse estágio, conforme abordado anteriormente nesse texto, a trinca tem origem nas descontinuidades superficiais e se propaga através dos planos cristalográficos em um regime de cisalhamento com um ângulo de aproximadamente 45° em relação a carga aplicada. Neste estágio não há grande crescimento de trinca, apenas alguns micrômetros (ou menos) por ciclo aplicado.