Fadiga – A principal causa raiz das falhas mecânicas - O que é?  Como identificar e prevenir?

A maioria dos componentes mecânicos estão submetidos a carregamentos cíclicos que estão sujeitos a falha por fadiga. Diversas pesquisas sobre fadiga foram feitas para identificar o percentual de falhas mecânicas que são ocasionadas por este fenômeno, e pode-se dizer que esse número é de 50 a 90% de todas as falhas mecânicas. [INCRÍVEL]

O que é Fadiga?

A definição de fadiga segundo a norma ASTM é a seguinte:

“Processo progressivo e localizado de modificações estruturais permanentes ocorridas em   um   material   submetido   a   condições   que   produzam tensões   e deformações cíclicas que pode culminar em trincas ou fratura após um certo número de ciclos. ”

Pela sequência mostrada acima, vemos que o fenômeno de fadiga é ocasionado por cargas cíclicas, que após um determinado tempo de trabalho leva a trinca e/ou ruptura total do componente.

Do ponto de vista microscópico, a fadiga é um fenômeno complexo, onde existem variáveis metalúrgicas difíceis de modelar com precisão, o que acabam variando os resultados na prática de um caso para outro. Em condições reais existem muitos fatores que podem influenciar a vida de fadiga, como por exemplo descontinuidades granular do material, temperatura de operação, exposição a corrosão, efeitos de tensões médias, variação das tensões de forma aleatória, entre outros.

Métodos para Cálculo de Fadiga

Mesmo diante de vários pontos complexos mostrados, a estimativa de vida de fadiga deve ser realizada nos projetos, para garantir que este fenômeno não ocorra. Os principais métodos de estudo da fadiga são: método S-N, e-N e mecânica da fratura. Um breve descritivo desses métodos é proposto abaixo:

• Método S-N – baseado na curva de tensão pelo número de ciclos do componente, considera a vida de fadiga até a ruptura total. Método mais antigo e mais utilizado, indicado para fadiga de alto ciclos onde a deformação é predominantemente elástica.
• Método e-N - baseado na curva de deformação pelo número de ciclos do componente, considera a vida de fadiga até a nucleação da trinca. Método mais complexo, indicado para fadiga de baixo e alto ciclo, com deformações plástica e elástica.
• Mecânica da Fratura – cálculo da vida no estágio de propagação da trinca, considerando o início da contagem de ciclos com a nucleação da trinca. Método bastante complexo, sensível a condições iniciais da trinca.

As curvas de fadiga dos componentes, são levantadas através de ensaios mecânicos considerando determinados materiais, amplitude e tipo de carregamento, correlacionando a tensão ou deformação com o número de ciclos até a falha ou nucleação da trinca do corpo de prova, como destacado acima.

Figura 2 - curva de fadiga S-N

Para a verificação da vida de fadiga em componentes mecânicos, é necessário conhecer as tensões e deformações atuantes no equipamento, para posterior cálculo do número de ciclos até a nucleação da trinca ou falha do componente.

A denominação “vida infinita” significa que o componente possui uma vida tão longa com relação a fadiga que não vai falhar por esse fenômeno. Em aços carbonos, o número de ciclos considerado como vida infinita deve ser superior a  10^6 ou 10^7 , variando de literatura para literatura. Ao contrário desse termo, “vida finita” significa que o componente vai falhar por fadiga em um determinado número de ciclos, sendo dividido ainda em fadiga de baixo e alto ciclo, dependendo do número de ciclos até a nucleação da trinca ou falha total do componente.

Os carregamentos cíclicos variam em função do tempo, de maneira determinística e/ou aleatória dependendo do equipamento e condição de trabalho que está submetido. Em condições de carregamento determinístico o carregamento pode ser previsto por equações,  sendo que para estes casos o cálculo de fadiga são realizados utilizando a metodologia convencional S-N e e-N. De maneira geral, os procedimentos para a contabilização da vida de fadiga, podem ser expressos pelos processos abaixo:

Como identificar falhas por fadiga?

A fadiga possui uma fratura típica, que muitas vezes pode ser identificada a olho nu. As etapas durante a falha de fadiga, deixam pistas na região fraturada, como pode ser observado abaixo:

A primeira etapa é a iniciação ou também chamada nucleação da trinca, onde pode-se considerar a trinca nessa fase quando ela possui aproximadamente 1mm.

Após essa primeira etapa, ocorre a propagação da trinca onde pode ser observado as chamadas marcas de praia que são “estrias” na superfície da fratura que se formam durante a propagação da trinca.

Em um determinado momento, a área restante dessa região acaba diminuindo a ponto que a falha é catastrófica (de uma vez só).

Obs – dependendo do tipo de carregamento, a localização e tamanho das 03 regiões explicadas acima podem se alterar.

Figura 3 - fratura por fadiga de um eixo, submetido a carregamento de torção

Como prevenir?

Agora que você já consegue analisar a região de fratura e caracterizar como falha por fadiga, é importante identificar como prevenir para que a falha não ocorra mais. Basicamente, deve-se analisar dois “campos” da engenharia:

• Falha Mecânica – nesse caso, as tensões e/ou tipo de carregamento ocasionaram a falha. Deve-se analisar as forças atuantes no equipamento, o tipo de carregamento submetido, a ocorrência de forças excessivas ou qualquer carregamento que não seja da condição nominal do equipamento. Nesse caso, os ensaios experimentais de vibração e extensômetria, juntamente com a análise de elementos finitos são utilizados.
• Falha metalúrgica – nesse caso, a falha é oriunda de defeitos metalúrgicos, que podem ser resultado do processo de fabricação, descontinuidades na superfície fraturada, defeitos pontuais em ligações cristalinas, entre outros. Para identificar a falha metalúrgica, deve ser realizado ensaios químicos, metalográficos e caracterização das propriedades mecânicas do material e análise da região fraturada para identificar a causa raiz.

Com todas as informações deste artigo, já deu para perceber que se em algum momento você se deparar com alguma falha mecânica, pelo menos desconfie de fadiga, afinal ela é a grande vilã das falhas mecânicas.

Até aqui, escrevemos muitas informações sobre fadiga, e portanto fizemos um resumo para que este assunto seja bem fixado em sua cabeça!

Resumo

• A fadiga é o principal causador das falhas mecânicas;
• Fenômeno baseado em carregamento cíclicos que leva a nucleação da trinca até a ruptura final do componente;
• Para o cálculo de fadiga, é necessário conhecer as tensões e/ou deformações atuantes na peça sob análise. Essas tensões podem ser calculadas de forma analítica para objetos simples, e com o auxílio da ferramenta de Elementos Finitos em peças complexas;
• Além das tensões, outro ponto importante é o tipo de carregamento, caracterizando com amplitudes constantes ou variáveis. Esse fator é extremamente importante para a contagem de ciclos de fadiga.
• Após o conhecimento das tensões e tipo de carregamento, o cálculo da vida de fadiga pode ser calculado pelo método S-N, e-N e mecânica da fratura.
• Com os resultados, pode-se caracterizar a vida do componente sob análise, como “finita” ou “infinita”.
• As falhas de fadiga podem ser investigadas nas áreas mecânicas e metalúrgica, para que adequações ao projeto sejam realizadas evitando a falha por este fenômeno!

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