Departamento de Engenharia Mecânica
Área Científica de Mecânica dos Meios Sólidos
Materiais / Materiais I
Guia para Trabalho Laboratorial
ENSAIO DE FADIGA
1. Introdução
Um metal sujeito a ciclos repetidos de tensão pode sofrer fractura a tensões inferiores à sua
tensão de rotura, e até inferiores à tensão de cedência1. A fractura resultante de condições de
carregamento dinâmico denomina-se fractura por fadiga, e é a causa mais frequente de colapso
em engenharia (cerca de 90% dos casos)2. Deste modo, a prevenção do fenómeno de fadiga tem
grande importância tecnológica no projecto e concepção de vários equipamentos e componentes,
como sejam automóveis, aviões, compressores, bombas, bielas ou turbinas, que em condições de
serviço se encontram submetidos a esforços flutuantes no tempo.
A fractura por fadiga inicia-se pela formação de uma pequena fissura, relativamente cedo na vida
do componente, e geralmente num ponto da superfície exterior2. Esta fissura progride lentamente
para o interior do material perpendicularmente ao eixo principal de tracção, sob a forma de uma
fenda estreita e aguçada. A frente da fissura avança uma pequena distância em cada ciclo de
tensão, até que a secção da peça ainda não afectada é tão pequena que já não consegue
suportar a carga aplicada e sofre uma fractura normal em tracção. A fractura por fadiga é
facilmente reconhecível, uma vez que a superfície de fractura compreende duas partes distintas:
uma associada à progressão da fissura em cada ciclo de fadiga, que fica assinalada por pequenas
estrias concêntricas e outra resultante da fractura (dúctil ou frágil) do material.
A resistência de um material à fadiga pode ser avaliada através de vários tipos de ensaios,
nomeadamente pelo ensaio de flexão rotativa alternada. Neste tipo de ensaio, um provete
normalizado, ao sofrer rotação fica sujeito a tensões alternadas de tracção e compressão com
igual intensidade (Figura 1). O provete em flexão rotativa está submetido a um momento flector M
constante, sendo a tensão máxima σ na menor secção circular do provete calculada a partir da
Equação 1:
σ=
M
v [Pa]
I
[
(1)
onde I = (πd4)/64 é o momento de inércia (d é o diâmetro da menor secção circular do provete) e v
é a distância da linha neutra à periferia do provete.
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Fig. 1. Ciclos fadiga em tensão alternada2. σa: tensão alternada. σr: gama de tensões
(σr =σmáx - σmín).
Os resultados do ensaio permitem obter curvas S-N, em que a tensão S necessária para provocar
a fractura é representada em função do número de ciclos N ao fim do qual ocorre a fractura. A
duração ou tempo de vida à fadiga do provete corresponde pois ao número de ciclos de aplicação
de carga até à fractura. O número de ciclos, N, relaciona-se com a duração do ensaio através da
seguinte expressão (Equação 2):
N = duração de ensaio (h) x velocidade do ensaio (rpm) x 60
(2)
As curvas S-N são construídas a partir de valores experimentais (pontos) por ajuste. Dada a
natureza estatística do fenómeno de fadiga, é necessária a realização de um grande número de
testes (3 a 5) por cada valor de força aplicada. O número de ciclos de tensão que um metal
suporta até à fractura aumenta com a diminuição da tensão (Figura 2). Para determinados
materiais para engenharia, como os aços e as ligas de titânio, a curva S-N torna-se horizontal a
uma certa tensão limite, denominada tensão limite de fadiga, σf.o. Abaixo desta tensão, o material
pode suportar um número infinito de ciclos sem sofrer fractura. A tensão limite de fadiga está
geralmente compreendida entre 0,35 e 0,6 vezes o valor da tensão de rotura do material, σR:
σf.o ∈ [0,35σR - 0,6σR]
A maioria dos metais não ferrosos, como as ligas de alumínio, de magnésio e de cobre, têm uma
curva S-N que decresce gradualmente com o aumento do número de ciclos, pelo que estes
materiais não possuem um limite de fadiga. Neste caso, a resistência à fadiga é determinada a um
número arbitrário de ciclos2, convencionalmente 108 ciclos.
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Fig. 2. Curvas de fadiga típicas para aços macios e ligas de alumínio2.
2. Procedimento Experimental
2.1. Objectivo
Familiarização com a máquina de ensaios de fadiga por flexão rotativa. Determinação da curva
S-N do aço prata CrV e da respectiva tensão limite de fadiga.
2.2. Equipamento e Material
-
Máquina de ensaios de fadiga CENTINEL 3 (velocidade de rotação do motor igual a
2973 rpm).
-
Provetes normalizados (Fig. 3) do aço prata CrV, com tensão de rotura (σR)
aproximadamente igual a 750 MPaa.
Fig. 3. Provete normalizado para ensaios de fadiga.
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A composição do aço é indicada na Tabela 1.
Tabela 1. Composição química do aço CrV.
Elemento de liga
C
Si
Mn
Cr
V
%
1,10 - 1,25
0,15 – 0,30
0,20 – 0,40
0,50 – 0,80
0,07 – 0,12
2.3. Método Experimental
A curva S-N do aço é obtida a partir de ensaios de fadiga com seis valores de força aplicada,
compreendidos entre 0,6σR e 0,35σR. Realizam-se 3 ensaios por cada valor de força aplicada.
Antes de dar início ao ensaio:
1. Meça o diâmetro da secção crítica do provete normalizado.
2. A partir da Equação 1 calcule o valor do momento correspondente à tensão a exercer.
Os ensaios deverão ser efectuados de acordo com as instruções do equipamento.
3.
Questionário
A partir dos resultados experimentais tempo até à fractura vs. carga aplicada, responda às
seguintes questões:
1. Represente a curva S-N do aço em estudo.
2. Qual a tensão limite de fadiga correspondente?
3. Compare a tensão limite de fadiga determinada com a tensão de rotura do aço. Comente
os resultados.
4. Observe e descreva a superfície de fractura de um dos provetes utilizados.
4. Bibliografia
1. MOURA BRANCO, C. – Mecânica dos Materiais. Lisboa: Fundação Calouste Gulbenkian.
2. DIETER, G. – Mechanical Metallurgy. London: McGraw Hill, 1988.
a
Segundo indicação do fornecedor, Manuel Pousada, Lda.
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