Handhalde kamera og tilskodarposisjon

Falhas por fadiga estão associadas a tensões cisalhantes e a deformações plásticas, e sua progressão é fortemente influenciada pela aplicação de cargas trativas (que resultam em uma tensão média positiva). Em um material cristalino a deformação plástica ocorre pelo movimento de discordâncias, sob a ação de tensões cisalhantes. Este movimento tem como resultado final o deslocamento relativo entre dois planos atômicos. Este deslizamento é mais acentuado quando a tensão cisalhante é maior, e, para um dado carregamento, a deformação plástica é preponderante na direção da máxima tensão de cisalhamento. Para um material policristalino, onde os grãos possuem uma orientação aleatória dos planos atômicos, a deformação plástica se inicia nos grãos mais

desfavoravelmente orientados, ou seja, naqueles cujos planos de deslizamento estão alinhados com a direção da tensão cisalhante máxima. Portanto é possível que ocorra um deslizamento apenas em uns poucos grãos, enquanto o restante do material mantém- se perfeitamente elástico. Neste caso como a deformação plástica tem magnitude muito pequena é bastante difícil detectar. Para um material real, não é possível afirmar que, mesmo para tensões abaixo da tensão limite de proporcionalidade, ou do limite elástico, ocorram apenas deformações elásticas.

O processo de fadiga resultante de tensões dinâmicas pode ser divido em três etapas básicas (Figura 2.1): i) nucleação da trinca, ii) propagação da trinca, ou crescimento macroscópico, iii) ruptura final.

Figura 2.1 – Representação gráfica da estrutura do processo de fadiga.

A primeira etapa referente ao surgimento (ou nucleação) da trinca seguido pelo seu crescimento, não perceptível ao olho nu, em zonas de alta concentração de tensão ou regiões de baixa resistência local como defeitos de superfície (Figura 2.2a). 1

No caso dos materiais dúcteis, a nucleação de fissuras ocorre pela formação de planos de deslizamento provenientes da deformação plástica no grão mais desfavoravelmente orientado (Figura 2.2c). Estes planos de deslizamento surgem já nos primeiros ciclos do carregamento, e com o prosseguimento da solicitação, novos planos vão se formando, para acomodar as novas deformações plásticas, pois, devido ao encruamento do material, cada plano atua uma única vez, apenas durante meio ciclo. Deste modo o conjunto de planos de deslizamento forma uma banda de deslizamento, cuja densidade de planos vai gradativamente aumentando. Após um número de ciclos da ordem de 1%

1

Ranhuras, pequenas trincas de usinagem, pontos de corrosão, mau acabamento superficial ou pontos que sofreram deformação localizada (Fig. 2.2b) e principalmente, formas que compõem cantos em ângulos retos ou entalhes resultantes de falhas de projetos e os defeitos internos tais como, contornos de grão, porosidade acentuada e solidificação

da vida em fadiga as bandas de deslizamento já estão plenamente formadas na superfície do material (Branco,1996).

Para as regiões livres de defeitos, as trincas podem ser nucleadas por concentração localizada de tensão, provocadas por deformações locais em bandas de deslizamento particulares. (Garcia et al, 2000). A Figura 2.2 apresenta os elementos de nucleação de trincas em componentes sujeitos a esforços cíclicos.

Figura 2.2 – Nucleação de trincas em componentes sujeitos a esforços cíclicos (Garcia et al, 2000).

A Figura 2.3 ilustra os dois mecanismos físicos atuando no processo do crescimento das trincas. Sob uma carga cíclica, planos deslizantes na micro-estrutura do grão do material se movem para frente e para trás, provocando micro extrusões e intrusões na superfície do componente (Figura 2.2c).

Figura 2.3 – Mecanismo de crescimento da trinca.

A trinca é pequena demais para ser visualizada (apenas 10 mícron de altura). São consideradas trincas embrionárias (Estágio I). Quando a micro trinca no Estágio I atinge as bordas do grão, o mecanismo a transfere para o grão adjacente. As micro trincas no Estágio I crescem na direção do cisalhamento máximo, atingindo 450 na direção da aplicação da carga. Ao atingir o tamanho de aproximadamente três grãos, a trinca altera seu

comportamento tornando-se grande o suficiente para formar uma concentração geométrica de tensão (Estágio II). As trincas no Estágio II criam, então, uma zona de tração plástica em sua extremidade e, além desse ponto, crescem na direção perpendicular ao da carga aplicada.

Para um caso particular de tensão média não nula a Figura 2.4 permite observar que a concentração de tensão2 na ponta da trinca, favorece o deslizamento de planos de 45° com o plano da trinca. Além disso, em resposta à deformação plástica localizada, a ponta da trinca torna-se curva com a aplicação de tensões de tração, sendo que na recuperação da tensão (ou tensão de compressão), a ponta é comprimida, formando novamente uma ponta aguda. Deste modo, o processo volta a repetir em cada ciclo de tensão, com um avanço relativo do comprimento da trinca de

∆

Figura 2.4 – Processo de avanço de trinca por fadiga, (Garcia et al, 2000 – modificado)

2

Como se pode observar a tensão média óB, mostrada no gráfico de tensão alternada (Figura 2.4), revela que a estrutura opera em regime cíclico sob tração.

Ainda, segundo Garcia et al (2000), a trinca em fadiga avança de maneira progressiva e cíclica, e a cada novo ciclo de tensão (abertura/fechamento), deixa na macroestrutura da superfície de fratura, marcas características que podem ser observadas ao microscópio eletrônico, chamadas de marcas de praia ou “beach marks”, conforme se vê na Figura 2.5A.

Essas marcas apresentam-se curvadas em relação à origem da falha, permitindo investigações que conduzam a identificação do ponto de início do processo de fratura. Pode-se observar que, de maneira geral nas marcas de praia, as bandas mais claras representam uma propagação basicamente plana (níveis de tensão mais baixos), já as mais escuras, correspondem a uma propagação tortuosa e, mostrando-se rugosas (níveis de tensão mais elevados). Dentro das marcas de praia há dezenas ou centenas de estrias.

Figura 2.5 – Aparência típica de superfície onde ocorreu fratura por fadiga.

A terceira e última etapa é a ruptura final, também chamada de falha catastrófica (zona B mostrada na Figura 2.5), a qual ocorre quando é atingido o limite de tenacidade à fratura ou o valor crítico do comprimento da trinca, ac, momento em que a seção

transversal da peça remanescente não suporta a carga aplicada.

No detalhe esquemático da Figura 2.5, vê-se a representação de processo de fratura por fadiga cujo material é aço, mostrando o início da trinca (normalmente na superfície), a área de propagação da trinca de fadiga (marcas de praia) e a área da ruptura final. A ruptura pode apresentar características diversas: dúcteis ou frágeis, dependendo do material e dos níveis e do tipo de tensão a que a peça é submetida. Assim, por exemplo,

elementos submetidos à tensão média negativa (em flexão cíclica sob compressão) terão a dinâmica do processo de falha por fadiga diferente daqueles submetidos a tensões médias positivas (operando sob tração e esforços cíclicos de flexão), pois neste caso há uma tendência a favorecer o crescimento da trinca.