UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
FALHA
CMA – CIÊNCIA DOS MATERIAIS
2º Semestre de 2014
Prof. Júlio César Giubilei Milan
FALHA - FADIGA
FADIGA
É uma forma de falha que ocorre em estruturas que estão
sujeitas a tensões dinâmicas e oscilantes.
• Falha a um nível de tensão inferior ao limite de
resistência a tração ou ao limite de escoamento para
carga estática.
• Ocorre normalmente após longo período de tensão
repetitiva ou ciclo de deformação.
• Maior causa individual de falha em metais ( 90 %).
• Polímeros e cerâmicos também estão sujeitos.
• Ocorre repentinamente e sem avisos.
FALHA - FADIGA
FADIGA
É de natureza frágil, pouco ou nenhuma deformação
plástica.
“o processo ocorre pela iniciação e propagação de trincas,
em geral a superfície da fratura é perpendicular à direção
de uma tensão de tração aplicada”.
FALHA - FADIGA
A falha por fadiga ocorre normalmente em três estágios:
• Uma pequena trinca surge na superfície após um
longo período de aplicação de carga;
• Descontinuidades superficiais como entalhes, poros, cantos
vivos (projeto), contornos de grãos, regiões com elevada
densidade de discordância;
• Trinca se propaga um pouco a cada ciclo de carregamento;
• Fratura súbita do material, quando a seção é muito
reduzida para suportar a carga aplicada.
Para que a fadiga ocorra, pelo menos parte do ciclo deve ser de
tração
FALHA - FADIGA
Fácil identificação
• Superfície junto a origem tende a ser lisa;
• Torna-se mais irregular com o aumento do tamanho da
trinca;
• Fibrosa na parte final de propagação da trinca.
• Superfície possui “marcas de praia” e estrias
• Marcas de praia se formam quando a carga varia de
modo irregular ou quando é intermitente.
• estrias são bem menores (microscópio) e mostram a
posição da ponta da trinca após cada ciclo.
FALHA - FADIGA
Representação de uma superfície de fratura por fadiga em um eixo de aço,
mostrando a região de início, a região de propagação com marcas de praia e
ruptura final quando o tamanho da trinca ultrapassa um valor crítico para tensão
aplicada.
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning ™ is a trademark used herein under
license.
FALHA - FADIGA
Fig. – Superfície de fratura de um eixo
rotativo de aço que experimentou
falha por fadiga. Os ressaltos de
marcas de praia estão visíveis na foto.
Fig. – Fractografia eletrônica de
transmissão mostrando estrias de fadiga no
alumínio.
FALHA - FADIGA
Fig. – Superfície de falha por
fadiga. Uma trinca se formou na
aresta superior.
FALHA - FADIGA
Ensaio de fadiga rotativa
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning ™ is a trademark used herein under license.
Fig. – Configuração do teste de fadiga rotativa
FALHA - FADIGA
A tensão em qualquer ponto da amostra passa por um
ciclo senoidal completo, da tensão máxima de tração à
tensão máxima de compressão
A tensão máxima que atua na amostra é dada por:
32M
 
d 3
M – momento de flexão
d – diâmetro do corpo de prova
O momento de flexão M = F(L/2)
16 FL
FL
 
 5,09 3
3
d
d
L – distância entre o ponto de
aplicação de carga e o mandril
F – carga
FALHA - FADIGA
O corpo de prova fratura após um número de ciclos.
A curva S-N mostra os valores de tensão (S) em função do
número de ciclos (N) para ruptura da amostra.
Fig. – Curvas S-N que relacionam a tensão máxima com o número de ciclos até a
fratura para um aço ferramenta e uma liga de alumínio
FALHA - FADIGA
Ensaio de fadiga → indica o n° de ciclos que uma peça pode
sobreviver com aquele carregamento antes de fraturar.
Limite de fadiga → tensão abaixo da qual há 50 % de
probabilidade de que a falha por fadiga nunca ocorra
(importante no projeto)
Vida em fadiga → indica quanto tempo um componente
resiste sob uma tensão específica
Resistência à fadiga → é a tensão máxima na qual a fratura
por fadiga não ocorrerá para um dado número de ciclos
FALHA - FADIGA
A curva ‘Tensão-Número de ciclos’ é um gráfico que relaciona
o número de ciclos até a fratura com a tensão aplicada
Quanto menor a tensão, maior é o número de
ciclos que o material tolera. Ligas ferrosas
normalmente possuem um limite de fadiga.
Para tensões abaixo deste valor o material
não apresenta fadiga.
S1
Ligas não ferrosas não possuem um
limite de fadiga. A fadiga sempre
ocorre mesmo para tensões baixas e
grande número de ciclos.
Limite de fadiga
(35 a 60%) do
limite de
resistência (T.S.)
Vida de fadiga a
uma tensão S1
Número de ciclos até a fratura, N
FALHA - FLUÊNCIA
• Nível médio de tensão
 Quanto maior o valor médio da tensão, menor é a vida.
• Efeitos de superfície
 A maior parte das trincas que iniciam o processo de falha
se origina na superfície do material. Isto implica que as
condições da superfície afetam fortemente a vida de
fadiga.
 Projeto da superfície: evitando cantos vivos.
 Tratamento da superfície:
 Eliminar arranhões ou marcas através de polimento.
 Tratar a superfície para gerar camadas mais duras (carbonetação /
nitretação / deposição de filmes finos) e que geram tensões
compressivas que compensam parcialmente a tensão externa.
FALHA - FLUÊNCIA
FLUÊNCIA
Componentes em serviço a temperaturas elevadas → tensões
mecânicas estáticas → Deformação conhecida por Fluência
Def.: deformação permanente e dependente do tempo de
materiais quando estes estão submetidos a uma carga ou
tensão constante
• Indesejável;
• Fator de limitação de vida útil;
• Ocorre em todos materiais;
• Metais – importante a temperaturas superiores a
aproximadamente 0,4 Tf;
• Polímeros amorfos (plásticos e borracha) → especialmente
sensíveis à deformação por fluência.
FALHA - FLUÊNCIA
Esboço do aparelho utilizado para análise de fluência
FALHA - FLUÊNCIA
Deformação por
fluência, 
Ensaio (ASTM E 139) → corpo de prova a uma carga ou tensão
constante, mantendo a temperatura constante.
Tempo, t
Fig. – Curva típica de fluência para deformação em função do tempo a um nível constante de
tensão e a temperaturas elevadas constantes. A taxa de fluência mínima /t corresponde à
inclinação do segmento linear na região secundária. O tempo de vida até a ruptura tr
corresponde ao tempo total necessário até a ocorrência da ruptura.
FALHA - FLUÊNCIA
Inicialmente ocorre uma deformação instantânea
Curva de fluência (3 regiões)
• Fluência primária ou transiente
Taxa de fluência continuamente decrescente → aumento da
resistência a fluência ou encruamento
• Fluência secundária ou regime estacionário
Taxa constante linear (longa duração) → equilíbrio entre
encruamento e recuperação
• Fluência terciária
Aceleração na taxa de fluência e fratura → alterações
microestruturais e metalúrgicas. Separação do contorno de grão,
formação de trincas, cavidades e vazios internos.
FALHA - FLUÊNCIA
• Para metais → corpos de prova iguais ao do ensaio de
tração
• Materiais frágeis → compressão uniaxial
cilindros retos ou paralelepípedos
L/D  2 – 4
• Parâmetro mais importante → inclinação da porção
secundária /t → Taxa de fluência em regime
estacionário r
FALHA - FLUÊNCIA
• Temperatura e nível de tensão influenciam a fluência
Fig. – Influência da tensão  e da temperatura T sobre o comportamento a fluência.
FALHA - FLUÊNCIA
• Abaixo de 0,4 Tf → após a deformação inicial, a deformação
é independente do tempo;
• Aumentando T ou 
1. Deformação instantânea aumenta;
2. Taxa de fluência no regime estacionário aumenta;
3. Tempo de vida até a ruptura é diminuído.
FALHA - FLUÊNCIA
• Outra forma de apresentar os resultados
→ log  x log tempo
Fig. – Tensão (escala logarítmica) em função do tempo de vida até a ruptura (escala
logarítmica) para uma liga carbono níquel com baixo teor de liga a três temperaturas
diferentes.
FALHA - FLUÊNCIA
• Relação empírica
taxa de fluência no regime estacionário
  k1
• K1 e n – constantes para o material
n
FALHA - FLUÊNCIA
n – inclinação da curva
Fig. – Tensão (escala logarítmica) em função da taxa de fluência em regime
estacionário (escala logarítmica) para uma liga carbono níquel com baixo teor de
liga a três temperaturas diferentes.
FALHA - FLUÊNCIA
• Quando a influência da temperatura é incluída
taxa de fluência no regime estacionário
 Qf
 
n  RT
r  k2 e



K2 e Qf – constantes
K2– energia de ativação para fluência
FALHA - FLUÊNCIA
Fatores que afetam a fluência
• Tamanho de Grão, TG
(grãos menores permitem maior
escorregamento em aplicações
que envolvem a fluência)
• Módulo de elasticidade, E
• Temperatura de fusão, Tf
Quanto maior estes
fatores, maior a
resistência à
fluência
FALHA - FLUÊNCIA
Materiais comumente empregados em aplicações que
envolvem fluência
• Aços inoxidáveis;
• Metais refratários;
• Superligas (Co – Ni)
Formação de solução sólida e fase dispersa
insolúvel na matriz
FALHA - FLUÊNCIA
Técnicas de processamento
Fig. – (a) palheta de turbina policristalina – técnica convencional de fundição
(b) Estrutura de grãos orientada em colunas – solidificação direcional
(c) Palheta monocristalina.