Fadiga de Metais
Fonte: Roberto Leon, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Virginia Tech, Blacksburg, VA
A importância de estudar a fadiga metálica em projeto…
- Obtenha cinco amostras de grau A572 com dimensões e configuração da máquina apropriadas para a máquina de feixe rotativo de Moore que está sendo usada. Neste caso, usaremos uma configuração cantilever rotativa com espécimes 2,40 em comprimento e 0,15 em diâmetro com uma pequena seção de pescoço 0,50 in. longa e 0,04 in. em diâmetro mínimo.
- Para as dimensões da amostra e configuração da máquina, calcule o peso necessário para produzir faixas de estresse de dobra iguais a ±75%, ±60%, ±45%, ±30% e ±15% do estresse de rendimento nominal do material utilizado se o menor estresse for tomado como estresse zero. Para este experimento, usaremos um aço A572 Grade com um Fy = 50 ksi, com uma amostra testada em cada uma das faixas de estresse. Uma raiva de estresse de ±15% corresponde a ± (0,15 * 50 ksi) = ±7,5 ksi. Muitos mais espécimes precisarão ser testados em cada faixa de estresse para obter dados estatisticamente válidos.
- Montar o primeiro espécime na máquina; neste caso, precisamos inserir a seção de pescoço perto do meio do feixe e alinhá-la cuidadosamente para que o feixe gire sobre seu centroide. O espécime cantilever é carregado na ponta usando uma carga de ponto gerada por um conjunto de molas e cujo valor é monitorado por uma célula de carga. A carga é aplicada através de um rolamento para que a força seja sempre para baixo à medida que o feixe gira. A velocidade da máquina é fixada em 1400 rpms, o contador de ciclos é definido como zero, e o teste começou. A velocidade, o tamanho da amostra e o estresse aplicado variam de acordo com a máquina de teste.
- Aguarde até que o espécime falhe e regisse o número de ciclos até falhar.
- Repita para os outros espécimes.
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A falha por fadiga em estruturas metálicas que sofrem carregamento cíclico pode ocorrer sem aviso prévio em cargas significativamente abaixo da resistência máxima de uma estrutura. É difícil modelar esse comportamento, por isso é importante avaliar as características de fadiga em laboratório e monitorar as trincas de fadiga no campo.
O colapso da Silver Bridge sobre o rio Ohio chamou a atenção da comunidade de engenharia para a importância da fadiga do metal em 1967. A ponte falhou de forma frágil devido à fadiga por corrosão, matando 46 pessoas. A falha por fadiga ocorreu em uma conexão da barra ocular não visível para os inspetores e provavelmente foi devido a uma falha de fabricação.
A falha por fadiga pode ocorrer à medida que os materiais experimentam muitos ciclos de cargas em tensões que podem ser de apenas 30 a 40% de sua resistência máxima. O crescimento e a propagação de trincas durante esse tipo de carregamento cíclico podem resultar em falha súbita por fadiga com poucos sinais de alerta. A fadiga é um processo complexo com muitos fatores que afetam a resistência à fadiga.
Condições de alto ciclo e baixa faixa de tensão ocorrem em equipamentos ou estruturas com peças móveis ou cargas, como carros em pontes ou máquinas rotativas em uma fábrica. A fadiga de baixo ciclo e alta faixa de tensão ocorre em situações como terremotos.
Este vídeo ilustrará a necessidade de testes laboratoriais de materiais e monitoramento de estruturas sujeitas a cargas repetidas de baixa tensão e alto ciclo para evitar falhas catastróficas por fadiga.
Uma trinca por fadiga geralmente começa em um ângulo com a tensão normal, mas depois gira e cresce perpendicularmente à tensão de tração principal. A trinca se propaga sob tensão de tração ou pura, mas não sob tensão de compressão.
Após carregamento repetido, a rachadura atinge um comprimento crítico e de repente se propaga na velocidade do som, levando à falha imediata. O crescimento inicial da trinca produz marcas de praia características na superfície da fratura por fadiga. Uma superfície de fratura mais áspera é produzida na superfície do material que falha repentinamente.
A falha por fadiga é definida pelo número de ciclos e pela faixa de tensão até a falha. À medida que a faixa de tensão aplicada aumenta, o número de ciclos até a falha diminui. A maioria dos metais e ligas ferrosas tem um limite de resistência abaixo do qual não falharão, independentemente do número de ciclos. Os ciclos em uma determinada faixa de tensão são aleatórios na carga cíclica da vida real. Por causa disso, há mais de uma faixa de tensão e mais de um número correspondente representando ciclos até a falha.
A regra do minerador é usada definindo um conjunto de faixas de tensão e agrupando os ciclos nessas faixas. O número de ciclos de carga esperados é dividido pelos ciclos até a falha para cada faixa de tensão e somado. Se a soma for maior que 1, é possível que haja falha por fadiga. Embora não haja base física para esta equação, ela é útil para fins de projeto de engenharia. Um grande número de faixas de tensão e ciclos até a falha podem ser testados usando um teste de feixe rotativo.
Neste teste, uma configuração de flexão cantilever é usada enquanto a amostra é girada. A carga a ser aplicada é determinada usando o limite de escoamento para calcular um conjunto de faixas de tensão. Por exemplo, um aço estrutural típico tem um limite de escoamento de 50 ksi, e o cálculo para a primeira faixa de tensão de mais ou menos 15% dá uma carga de mais ou menos 7,5 ksi. Esta carga é aplicada e a amostra experimenta tensão total e compressão total durante cada revolução.
Uma curva SN é produzida relacionando a faixa de tensão com o valor logarítmico do número de ciclos até a falha. Na próxima seção, testaremos amostras de aço usando uma máquina de viga mais rotativa para produzir uma curva SN para o material.
Obtenha cinco amostras de grau A572 para serem testadas usando uma configuração de cantilever rotativo em uma máquina de viga rotativa Moore. As dimensões das amostras utilizadas e as distâncias até os pontos de carregamento são específicas da máquina de ensaio utilizada.
Essas dimensões podem variar de acordo com sua própria configuração de teste. Nossos espécimes têm 2,40 polegadas de comprimento e 0,15 polegadas de diâmetro. A pequena seção de pescoço de cada espécime tem 0,50 polegadas de comprimento e 0,04 polegadas de diâmetro.
Monte a primeira amostra na máquina com a seção de gargalo perto do meio da viga. Meça a distância do centro da amostra até o ponto de carga. Alinhe cuidadosamente as amostras para que a viga gire livremente e sem oscilar e, em seguida, aplique uma carga na extremidade do cantilever. O corpo de prova cantilever é carregado na ponta usando uma carga pontual gerada por um conjunto de molas e cujo valor é monitorado por uma célula de carga. A carga é aplicada através de um rolamento de modo que a força seja sempre para baixo à medida que a viga gira.
A velocidade da máquina é definida em 1400 rpms, o contador de ciclos é definido como 0 e o teste é iniciado. A velocidade, o tamanho da amostra e a tensão aplicada variam de acordo com a máquina de teste. Aguarde até que a amostra falhe e registre o número de ciclos até a falha. Remova a amostra com falha da máquina de teste e inspecione suas superfícies de fratura.
Repita, testando uma amostra em cada uma das faixas de tensão a serem testadas. Muitos outros corpos de prova precisariam ser testados em cada faixa de tensão para obter dados estatisticamente válidos.
Tabule as faixas de tensão e o número de ciclos e plote os resultados. A tensão de escoamento real do corpo de prova foi de 65,3 ksi e sua resistência à tração foi de 87,4 ksi. As faixas de tensão mostradas aqui correspondem entre 23% e 92% do rendimento.
Os dados mostram que para uma faixa de tensão acima de 15 ksi e ciclos inferiores a 100.000, há uma diminuição na relação linear entre a faixa de tensão e o log do número de ciclos. A linha de melhor ajuste indica então para uma faixa de tensão de 25 ksi, o número de ciclos até a falha é de cerca de 31.000.
Abaixo de uma faixa de tensão de 15 ksi, nenhuma falha é indicada. Este é considerado o limite de resistência. A confiabilidade do limite de resistência pode ser melhorada testando mais amostras entre 10 ksi e 20 ksi.
Se o histórico de carga cíclica de uma ponte for assumido como consistindo em vários ciclos e faixas de tensão, e conhecermos o comportamento de fadiga do material, podemos usar a regra de Miner para calcular os ciclos até a falha.
Como esperado, em termos percentuais, as faixas de estresse mais altas têm um impacto muito maior no acúmulo de danos. A estrutura parece estar próxima de sua capacidade de vida em fadiga de projeto, pois o valor está próximo de 1,0.
Agora que você aprecia os papéis do carregamento cíclico, teste e monitoramento na falha por fadiga, vamos dar uma olhada em exemplos de como a fadiga afeta as estruturas que usamos todos os dias.
As pontes experimentam carga cíclica diariamente. Felizmente, uma falha catastrófica foi evitada na ponte do rio Brandywine em Wilmington, Delaware. Uma rachadura significativa descoberta por um corredor na trilha abaixo em 1997 foi encontrada se propagando a partir de um defeito de empunhadura. Reparos foram feitos e a ponte continua a transportar 6 faixas de tráfego enquanto é monitorada em seu uso.
Engenheiros submergiram a fuselagem em uma piscina para simular pressurização e despressurização depois que 3 aviões explodiram em vôo na década de 1950. Foi determinado que, após carregamentos repetidos devido a concentrações de tensão nos cantos das janelas, ocorreu falha por fadiga. Como resultado, o design moderno de aviões inclui cantos mais arredondados para neutralizar essa força e reduzir as concentrações de tensão.
Você acabou de assistir à Introdução à Fadiga dos Metais, de JoVE. Agora você deve entender a ideia de carregamento cíclico e seu efeito na falha por fadiga de metais.
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Q1: Why does metal fatigue occur at stresses below the ultimate strength?
Metal fatigue occurs under cyclic loading at stresses typically 30-40% of ultimate strength. Repeated stress cycles cause crack initiation and propagation perpendicular to principal tensile stress. After many cycles, cracks reach critical length and suddenly propagate at sound speed, causing immediate failure without significant prior warning or deformation.
Q2: What is the endurance limit and how does it affect fatigue design?
The endurance limit is the maximum stress range below which a metal will not fail regardless of cycle count. Most ferrous alloys exhibit this threshold. In S-N curve testing, stress ranges below the endurance limit show no failure. Engineers use this value to design structures for infinite fatigue life, improving reliability by testing multiple specimens near the threshold stress range.
Q3: How does the rotating beam test produce an S-N curve?
A rotating beam test applies cantilever bending loads to rotating specimens, creating full tension and compression cycles. Multiple specimens are tested at different stress ranges determined from yield strength percentages. Results plot stress range versus logarithmic cycles to failure, revealing the relationship between applied stress and fatigue life, establishing the material's fatigue characteristics.
Q4: What is Miner's rule and when is it used in fatigue assessment?
Miner's rule predicts fatigue failure by summing damage fractions across multiple stress ranges. Each stress range's expected cycles are divided by cycles-to-failure for that range, then summed. If the total exceeds 1.0, fatigue failure is possible. Though lacking physical basis, it is useful for engineering design when structures experience variable cyclic loading histories.
Q5: How do fatigue cracks initiate and propagate in metals?
Fatigue cracks typically initiate at angles to normal stress, then turn and grow perpendicular to principal tensile stress. Cracks propagate under tensile or shear stress but not under compressive stress. Initial growth produces characteristic beach marks on fracture surfaces. Once cracks reach critical length, they propagate rapidly at sound speed, causing sudden failure with characteristic rough fracture surfaces.
Q6: What factors influence fatigue resistance in structural materials?
Fatigue resistance is affected by multiple factors including stress amplitude, mean stress, frequency, stress concentrations, material properties, surface conditions, grain size, temperature, and corrosion. Environmental conditions and combined stresses also play roles. This complexity underscores the need for routine inspection of structures subjected to repeated loadings like bridges, cranes, vehicles, and aircraft.
Q7: Why is laboratory testing and field monitoring essential for fatigue assessment?
Laboratory testing establishes material fatigue characteristics through S-N curves and stress-strain characteristics of steels, enabling engineers to predict failure. Field monitoring detects crack propagation before catastrophic failure. The Silver Bridge collapse demonstrated that fatigue cracks can initiate from manufacturing flaws hidden from inspectors, making continuous assessment critical for public safety.