Desde 1850, sabemos que o metal submetido a tensões flutuantes falhará com uma tensão muito menor do que a necessária para causar a ruptura de uma única tração quase-estática. A falha geralmente ocorre sem aviso e resulta em uma fratura de aparência frágil sem deformação significativa. A fadiga do metal é um processo de várias etapas e é frequentemente descrita como tendo quatro estágios.
Estágio 1: Iniciação da Trinca - Uma parte é danificada quando uma microfissura se forma em um ponto de alta concentração de tensão. Pontos de alta concentração de tensão geralmente estão localizados em entalhes, bordas afiadas ou cantos. O recozimento é usado para reparar metais danificados no estágio 1.
Estágio 2: Estágio I do Crescimento da Trinca - A rachadura inicial se aprofunda em planos de alta tensão de cisalhamento e se torna bem definida.
Estágio 3: Estágio II do Crescimento da Trinca - A rachadura bem definida cresce em uma direção normal à tensão máxima de tração.
Estágio 4: Falha dúctil - Quando a trinca atinge um comprimento crítico, a seção transversal restante não pode suportar as forças aplicadas e a peça falha.
Teste de Ciclo
Os testes de fadiga são realizados com maior frequência sob carga de amplitude constante baseada em estresse. As amostras de teste podem ser submetidas a uma variedade de geometrias de formas de onda. No entanto, os sinusóides são mais prevalentes. A Fig. 2 mostra uma forma de onda sinusoidal baseada em estresse mostrando ciclos de tensão totalmente invertidos. As tensões máxima e mínima são iguais e opostas em um teste de ciclo totalmente invertido. Por convenção, as tensões de compressão são negativas.
A maioria dos testes de fadiga baseados no estresse é realizada usando carga totalmente invertida. No entanto, existem muitos exemplos em que a carga totalmente invertida não é executada porque não é possível ou se durante o serviço normal, um componente só é submetido a forças em uma direção. Exemplos de carga repetida no ciclo de estresse incluem testes de fadiga somente de compressão em implantes de quadril e testes somente de tensão em aços laminados (materiais finos entortam em compressão).
Propriedades da Forma da Onda
As seguintes definições e equações são usadas para expressar uma forma de onda baseada em tensão (consulte as Figs. 2 e 3 para maiores explicações).
Faixa de Tensão, Sr - diferença entre as tensões máxima e mínima.
Sr = Smax – Smin
Onde: Smax = stress máximo
Smin = estresse mínimo
Amplitude de Estresse, Sa - metade da faixa de estresse, Sr.
Sa = Sr / 2 = (Smax - Smin) / 2
Tensão Média, Sm - média do estresse máximo e mínimo.
Sm = (Smax + Smin) / 2
Relação de Tensões, R - é igual a -1 para carga totalmente invertida.
R = (Smin / Smax )
Relação de Amplitude, A - infinito para carregamento totalmente invertido.
A = Sa / Sm = (1-R) / (1 + R)
Força da Aplicação
A maioria dos testes de fadiga é realizada pela aplicação de forças de flexão flutuantes, forças axiais ou forças de torção a uma amostra. As fórmulas para calcular o estresse para cada modo de carregamento são as seguintes.
Estresse de Flexão
A tensão máxima de flexão ocorre na superfície da amostra onde c é maior.
Sbending = Mc / I
Onde: M = momento (força x distância)
c = distância do eixo neutro a um ponto
I = momento de inércia (fórmula baseada na forma da amostra, arredondada = πR 4/4)
Estresse Axial Puxa - Empurra
Saxial = P / A
Onde: P = força axial
A = área da seção transversal da amostra.
Estresse Torcional
A tensão máxima de torção ocorre na superfície da amostra onde r é maior.
Storque = Tr / J
Onde: T = torque (força x distância)
r = distância do centro a um ponto
J = momento polar de inércia (fórmula baseada na forma da amostra, arredondada = πR 4/2)
Teste de Estresse de Vida
Entre 1852 e 1870, os primeiros testes sistemáticos de fadiga foram realizados em amostras de laboratório projetadas especificamente por August Wohler, um engenheiro ferroviário alemão. Esses testes permitiram a Wohler relacionar seus resultados experimentais com as tensões nos eixos de locomotivas. Em 1870, Wohler compilou um relatório de seu trabalho experimental que continha várias conclusões conhecidas como leis de Wohler.
Leis de Wohler
Materiais podem ser induzidos a falhar por muitas repetições de estresse, todos os quais são inferiores à força estática. Amplitudes de tensão (ou faixa de tensão) são decisivas para a destruição da coesão do material.
A tensão máxima é de influência apenas na medida em que quanto maior ela é, menores são as amplitudes de tensão (ou faixas de tensão), que levam à falha. Isso se traduz em aumentar a tensão média diminui o número de ciclos para falha.
O teste de estresse de vida é baseado no trabalho de Wohler e requer múltiplos testes de fadiga de amplitude constante em amostras idênticas para gerar um diagrama S-N ou Wohler. Figs. 4 e 5 são diagramas da máquina de teste de fadiga de Wohler e os diagramas S-N para o aço usado nos eixos, respectivamente. O teste de vida sob tensão é o tipo mais comum de teste de fadiga e é projetado para determinar a vida útil segura ou infinita ou a resistência à fadiga de um material ou componente.
O Diagrama S-N ou de Wohler
Em testes de fadiga baseados em estresse, amostras múltiplas de tamanho, forma e composição idênticas são submetidas a diferentes níveis de amplitude de tensão (Sa) ou faixa de tensão (Sr), e o número de ciclos até a falha (N) é medido para cada. Vários tipos de instrumentos e máquinas são usados para aplicar cargas cíclicas e incluem máquinas de dobrar e dobrar em ângulo (Fig. 7), sistemas de teste axial servo-hidráulico ou servo-elétrico (Fig. 8) e motores elétricos testadores de fadiga de torção (Fig. 9). Os dados S-N resultantes para cada amostra idêntica são plotados em um gráfico log-log ou semi-log. A regressão é usada para ajustar uma curva através dos pontos, resultando em um diagram SN como mostrado na Fig. 6. Dependendo do tipo de carga cíclica, a ordenada (eixo y) representará a amplitude de tensão (Sa), faixa de tensão (Sr) ou tensão máxima (Smax).
O diagrama S-N para alguns materiais, incluindo transições de aço e titânio, para uma inclinação zero em um nível de tensão específico. Conforme mostrado na Fig. 6, o ponto no qual a inclinação transita para zero é chamado de limite de resistência. Materiais sujeitos a tensões abaixo do limite de resistência nunca falharão sob carga cíclica. A porção da curva com inclinação negativa é definida como a região de vida finita e a porção de inclinação horizontal ou zero da curva é a região de vida infinita.
Muitas ligas não ferrosas, como o alumínio e o cobre, e compósitos, como o plástico reforçado com fibra, exibem um diagrama S-N com inclinação negativa apenas. Os diagramas S-N de declive negativo não têm limite de resistência definido (consulte o diagrama S-N de alumínio na Fig. 6). Materiais exibindo diagramas S-N sem um limite de resistência definido, relatam a resistência à fadiga como uma tensão abaixo da qual a falha não será esperada em menos do que um número especificado de ciclos. A resistência à fadiga ou limite de resistência eficaz para estes materiais é por vezes definido como a tensão que causa falha num número especificado de ciclos (i.e. 108).
Variabilidade de Dados de Fadiga
A fadiga pode ser caracterizada como um processo aleatório que resulta em uma dispersão dos dados do teste. Essa variabilidade complica a análise dos dados e seu uso subsequente em aplicativos da vida real. Métodos estatísticos são empregados para determinar o uso mais eficiente de um número limitado de espécimes de teste necessários para dar um grau específico de confiança nos resultados. Esses métodos são usados para auxiliar na seleção de níveis de estresse discretos e no número de testes a serem realizados em cada nível de estresse. Também é importante saber se os dados do teste são para fins exploratórios, para pesquisa e desenvolvimento, para projeto ou para confiabilidade. Por exemplo, a Tabela 1 do Método de Teste Padrão ASTM D3479 para Fadiga Tensão-Tensão de Compósitos de Matriz de Polímero especifica um número mínimo de amostras como seis para trabalho preliminar, 12 para pesquisa e desenvolvimento e 24 para análise de projeto e confiabilidade. Uma revisão do Capítulo 3, Planejamento S-N e Testes de Resposta, Manual STP-588 em Planejamento Estatístico e Análise de Experiências de Fadiga é recomendada para aqueles que realizam testes de fadiga de estresse de vida.
Frequência do Ciclo de Forma de Onda
Uma amostra de teste de fadiga é submetida a mais de 10 milhões de ciclos (107) para determinar seu limite de resistência, ou resistência à fadiga, resultando em um único teste com duração de dias e às vezes semanas. Como resultado, há um ímpeto para aplicar o ciclo de estresse a uma alta frequência, a fim de reduzir o tempo de duração de cada teste. O teste de vida de estresse de metais sob carga axial é regido pela Prática Padrão ASTM E466 para a Condução de Testes de Fadiga Axial de Amplitude Constante Controlada por Força de Materiais Metálicos. A ASTM E466 recomenda frequências entre 0,01 Hz e 100 Hz (10-2 a 102). No entanto, a produção localizada que ocorre quando uma rachadura se propaga através do corpo de prova pode causar aquecimento da amostra.
Os metais são bons condutores térmicos e qualquer energia convertida em calor é facilmente dissipada. Assim, o teste de vida de estresse de metais é geralmente independente de frequência. Os plásticos, por outro lado, são mais propensos a serem aquecidos localmente por altas taxas de inversões de tensão devido à sua incapacidade de dissipar o calor. Isso, juntamente com seus pontos de fusão mais baixos, pode resultar em menores resistências à fadiga em altas frequências.
Em geral, 5 Hz é a frequência máxima recomendada para testar plásticos. Os compósitos de matriz reforçados com fibra têm propriedades mecânicas adaptadas que dependem da direção de carregamento em relação às fibras incorporadas no compósito. A direção de carregamento em relação às fibras e a quantidade de resina na matriz são parâmetros importantes quando se considera as frequências de teste.
Maiores quantidades de resina na matriz produzem maior histerese (isto é, cepas dentro da resina), resultando num material mais susceptível ao aquecimento a frequências mais altas. As especificações de teste composto de matriz geralmente limitam a frequência de teste a 5 Hz ou menos. Independentemente do material, no início de qualquer regime de teste de fadiga, a temperatura deve ser monitorada para garantir que não afete os resultados.
Uma Nota Final
As muitas variáveis associadas ao tipo de material, à geometria da amostra e ao uso em serviço de uma peça ou componente complicam o projeto e a implementação de um regime apropriado de teste de fadiga. Como todos os testes de fadiga, os resultados são adequados para aplicação no projeto somente quando as condições de teste da amostra simularem realisticamente as condições de serviço. Este artigo apresenta os conceitos básicos para o teste de fadiga durante a vida em estresse. Para aqueles que são novos no teste de fadiga e planejam conduzir seus próprios testes, o autor recomenda revisar as especificações de teste ASTM e as referências listadas aqui.
Os testes de crescimento de trinca de mecânica de fratura e vida de fratura são dois tipos alternativos de testes de fadiga amplamente utilizados atualmente. Cada um dos três métodos é empregado por diferentes motivos de projeto. O teste de estresse é usado para determinar a vida infinita segura de um componente. O teste de vida de deformação é usado para determinar a vida finita segura e a mecânica de fratura para medir a tolerância a danos de uma peça.
Lista Parcial das Especificações ASTM de Teste de Fadiga Baseadas na Vida Útil em Stress
- ASTM D3479 Standard Test Method for Tension-Tension Fatigue of Polymer Matrix Composites
- ASTM D7774 Standard Test Method for Flexural Fatigue Properties of Plastics
- ASTM D7791 Standard Test Method for Uniaxial Fatigue Properties of Plastics
- ASTM E466 Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials
- ASTM E467 Practice for Verification of Constant Amplitude Dynamic Forces in an Axial Fatigue Testing System
- ASTM E468 Standard Practice for Presentation of Constant Amplitude Fatigue Test Results for Metallic Materials
- ASTM E739 Practice for Statistical Analysis of Linear or Linearized Stress-Life (S-N) and Strain-Life (-N) Fatigue Data
- ASTM E1012 Practice for Verification of Testing Frame and Specimen Alignment Under Tensile and Compressive Axial Force Application
- ASTM E1823 Terminology Relating to Fatigue and Fracture Testing
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