Em publicação de 1995, um grupo de pesquisadores, com participação de Kishimoto (KISHIMOTO et al., 1995), destacou as pesquisas divulgadas, envolvendo fadiga cíclica em materiais cerâmicos.
A seguir será apresentado um pequeno resumo dos pontos mais importantes daquela publicação, com foco na presente revisão bibliográfica.
2.5.18.1 Interferência no Avanço da Trinca.
Tanaka e colaboradores (KISHIMOTO, 1995) descrevem pesquisas de comportamento de resistência sob fadiga, em nitreto de silício, onde avalia efeitos do tipo de onda de tensão sobre a resistência a fadiga, características da distribuição de vida em fadiga e comportamento de crescimento de trinca. Embora o efeito do tipo de onda de tensão não seja possível visualizar no gráfico “S-N”, o fator intensidade de tensão inicial “KI”, determinado por fratura
pré-existente, governa a resistência à fadiga, sob cada condição de tensão, e, é também observado que tal resistência sob onda senoidal é ligeiramente maior do que aquela sob onda retangular. Evolução estatística indicou que a distribuição de vida em fadiga obedece à função de distribuição de Weibull. Pode haver um impedimento à abertura da trinca (consequentemente ao avanço), causado por um número de pequenos fragmentos na superfície da trinca, partículas essa resultante de “esfarelamento” da região deformada, que se
deposita no interior da trinca, gerando forças coesivas entre as paredes da trinca. Estes fragmentos acabam por influenciarem no crescimento da trinca.
2.5.18.2 Trincamento em Temperaturas Elevadas.
Michida et al. (1995) estudaram fadiga em temperaturas elevadas (1000 a 1400ºC) e verificaram que a fadiga (estática e cíclica) sobre o carbeto de silício depende do tempo de carregamento, mas não do ciclo de carregamento. Constataram que o processo de crescimento de trinca em fadiga consiste de três estágios distintos: no primeiro a trinca mostra uma rápida taxa de crescimento, mas a taxa decresce no segundo estágio; no terceiro estágio, uma taxa de crescimento rápido, ou comportamento de travamento de trinca é observado, de acordo com o nível de tensão. Verificaram que a fadiga não pode ser observada no vácuo. Concluíram que a oxidação termo-ativada significa ser dominante em processos de fadiga, em temperaturas elevadas. Ainda, a resistência em curto prazo, em pequenos defeitos (ranhuras, por exemplo), aumenta com a elevação da temperatura, devido ao efeito de fechamento da trinca por oxidação. Entretanto, esta influência não ocorre em amostras polidas. Para temperaturas elevadas, a fadiga estática depende da atmosfera. Ocorre ao ar, mas pode não aparecer quando submetido ao vácuo. Já a fadiga cíclica, em carbeto de silício, é um fenômeno dependente do tempo, pois independe do ciclo de carga ou da razão de tensão, mas do tempo efetivo de atuação da carga.
2.5.18.3 Normalização de Tensão de Tempo Efetivo de Atuação da Carga.
Urashima et al. (1995) estudaram a resistência à fratura e comportamento sob fadiga em três tipos de nitreto de silício, sinterizados sob pressão a gás, com KIC variando de 4 a
9MPam½. Foi utilizado método de trinca por indentação para caracterização de curvas de resistência à fratura, “curvas-R”. Os resultados indicaram que aqueles materiais de mais pronunciada “curva-R”, tinham maiores resistência à fratura, para comprimento inicial de trinca maior. Observações em MEV, das superfícies das trincas, mostraram que o comportamento da curva-R resulta de mecanismos de fratura intergranular. Duas modalidades
de ensaios de fadiga, “Fator intensidade de tensão versus Taxa de crescimento da trinca com a ciclagem” (KImax x dc/dN) e “Medidas de tempo de vida”, foram, ainda, conduzidos em
amostras polidas e pré-trincadas. Ambos os testes foram de flexão a 3 pontos, nas frequências 10 e 200Hz. O material de maior tenacidade mostrou maior resistência à fadiga do que aquele de menor tenacidade, o que pode ser observado no diagrama “KImax x dc/dN”, devido ao efeito
de zona de bloqueio frontal. O comportamento de fadiga cíclica, em material tenacificado, para amostras com e sem pré-trincas, depende do número de ciclos. Para reduzir os efeitos de espalhamento de dados, um diagrama “S-N”, a tensão “S” foi substituída por tensão normalizada “(σmax/σf)”, e o número de ciclo “N”, por “tempo efetivo de carregamento”. O
termo “σf” significa a tensão resistente média, em cada grupo de corpos de provas submetidos
simultaneamente à sinterização. Neste gráfico ficou evidenciado, como era de se esperar, que a elevação de frequência faz com que a falha ocorra em tensões efetivas menores. O tempo efetivo de carregamento seguiu a equação:
ϕ ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ − ϕ + + π = t
∫
π R R sen d t n c eff , c 2 0 2 1 2 1 2 (2.34)Nesta equação “ϕ” é relacionado à onda senoidal de tensão, no ensaio de fadiga por flexão, “R” vem a ser a razão de carregamento e “tc” o tempo de falha sob carregamento cíclico
(tempo efetivo em que o corpo submetido a carregamento cíclico esteve tensionado). Cabe lembrar que a Equação 2.34 pode ser deduzida algebricamente a partir da integração equação diferencial 2.35 (lei de Paris), com o valor do fator intensidade de tensão obtido da Equação 2.18.
Na Figura 2.42 está o gráfico dos resultados para amostras polidas, sob diferentes tipos de carregamento e, na Figura 2.43, a comparação entre frequências de carregamentos, para amostras do mesmo material. O material, com superfície polida, ali utilizado, trazia as seguintes características: densidade 3,30g/cm3, dureza (HV30) 1340, módulo de Young (E) 300GPa, resistência á flexão 700MPa, tenacidade à fratura (KIC) 9,0MPam½.
Figura 2.42 - Resultados de ensaios de fadiga cíclica e estática, aplicada em Nitreto de Silício. “Tensão normalizada X Tempo efetivo”, para falha. O valor “n” foi determinado pelo método dos mínimos quadrados (URASHIMA et al., apud KISHIMOTO et al., 1995).
Figura 2.43 - Comparação de resultados de “Tensão normalizada vs Número de ciclos”, para falha, em carregamento cíclico sob duas diferentes frequências, no Nitreto de Silício (URASHIMA et al., 1995).
2.5.18.4 Análise Estatística de Fadiga em Cerâmicas Submetidas a Carregamento Cíclico.
Em simulação numérica pelo método “Monte Carlo”, Hoshide (1995) apresentou pesquisa, onde formulou características de fadiga, em cerâmicas, com base em análises de crescimento de trinca de falhas inerentes. A simulação numérica em dois materiais, alumina e nitreto de silício, foi dirigida para investigar o efeito da razão de tensão sobre a resistência à fadiga e seu relacionamento sobre as propriedades do material. A simulação chegou aos seguintes resultados:
• A probabilidade cumulativa de vida em fadiga aumenta com a elevação da taxa de carregamento;
• A vida mínima aumentou e aproximou o valor extremo, ao mesmo tempo em que a taxa descarregando da tensão foi aumentada, embora não fosse afetada pela taxa de tensão do carregamento.
2.5.18.5 Previsão de Tempo de Vida sob Fadiga
Uma alternativa para a Equação 2.34 seria determinar o tempo de vida sob fadiga, em função do número de ciclos. A lei de Paris (PARIS, 1962), referente a propagação de trincas, nos oferece a equação:
( )
nK
C
dN
da
=
Δ
(2.35)Para quem os termos “a” é o tamanho instantâneo da trinca, “N” é o número de ciclos de carregamento até produzir “a”, os valores das constantes “C” e “n” são determinadas experimentalmente e “ΔK” a variação do fator intensidade de tensão, desde o início até que a trinca alcance a dimensão “a”. O valor do fator de intensidade de tensão máximo é dado pela Equação 2.36.
eq max
max
a
K
=σ
π
(2.36)Nesta equação “σmax” é a tensão máxima aplicada e “aeq” significa o tamanho da trinca
Com um grupo de operações é possível chegar a um valor de “N”, número de ciclos, correspondente àquele de colapso, isto é, Nfalha = f(σmax, aeq). Depois de devidas substituições
e uma integração, chega-se à Equação 2.37.
( )
( )
{
}
(
)
n n n n f n i f CF n a a N max 2 0 2 1 2 1 2 2σ
π
− − = − − (2.37)Nesta equação F0 significa um fator de correção.
2.5.18.6 Relação entre os Comportamentos de Fadiga Estática e Cíclica.
Em trabalho publicado pelo grupo de pesquisadores liderados por Fernàndez (1999), os autores estudaram as características de fadiga e fratura, estabelecendo comparações entre uma zircônia de granulação fina com adição de espinélio, “(MG, Y)-PSZ” e outra zircônia de granulação normal, “MG-PSZ”, sob carregamento cíclico (R=0,2) e carregamento estático (R=1), sendo “R” a relação entre as cargas mínima e máxima. Foi observada a ocorrência de evidente diferença entre as taxas de crescimento de trinca, em ambos os tipos de carregamento e, ainda, grandes diferenças entre os efeitos de razão de carregamento, como evidencia a Figura 2.44. Pode-se observar, nesta figura, que a zircônia de granulação fina apresenta taxas de crescimento de trinca inferiores àquelas da zircônia de granulação normal. Tal fato pode ser atribuido também à presença de fase dispersa (espinélio), que atua como bloqueador ao avanço da trinca; isto tanto em fadiga cíclica quanto em solicitação estática. Outro fato importante que se observa é que a tenacidade à fratura, em ambos os materiais, é sempre maior quando em solicitação estática.
Figura 2.44 - Dados experimentais correspondendo a crescimento de trinca sob fadiga, de (MG,Y)-PSZ de granulação fina e MG-PSZ granulação normal, ambas envelhecidas, sob fadiga cíclica e estática (FERNANDEZ et al., 1999).
2.5.19 Resumo das Principais Publicações Relativas à Fadiga de Cerâmicas Diretamente