Ensaios de Impacto, Fluencia e Fadiga

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Ensaios de Impacto, Fluência e Fadiga – Revisão 03 Profa. Lucia Barbosa Página 1 
 
 
 
 
FUNDAÇÃO EDSON QUEIROZ 
UNIVERSIDADE DE FORTALEZA 
 
Centro:________ Disciplina:_______________________ Turma:_________________ 
Data:___/___/___ 
Aluno(a):_______________________________________________Matrícula:_________
 
 
ENSAIOS MECÂNICOS – ENSAIOS DE IMPACTO, FLUÊNCIA E FADIGA 
 
 
5. IMPACTO 
 
5.1 Introdução 
 
Um dos ensaios que permite estudar os efeitos das cargas dinâmicas é o ensaio de 
impacto. Este ensaio é usado para medir a tendência de um metal de se comportar de maneira 
frágil. O choque ou impacto representa um esforço de natureza dinâmica, porque a carga é 
aplicada repentina e bruscamente. 
 
No impacto, não é só a carga aplicada que conta. Outro fator é a velocidade de aplicação 
da carga. Carga aplicada com velocidade traduz-se em energia. O ensaio de impacto consiste 
em medir a quantidade de energia absorvida por uma amostra do material, quando submetida 
à ação de um esforço de choque de valor conhecido. 
 
5.2 Técnica do Ensaio 
 
O método mais comum para ensaiar metais é o golpe, desferido ou aplicado por um peso 
em oscilação. A máquina correspondente é o martelo pendular que pode ser visto na Figura 1. 
 
Figura 1 – Martelo pendular 
 
 
 
O pêndulo é levado até certa posição, onde adquire uma energia inicial. Ao cair, ele 
encontra no seu percurso o corpo de prova, que se rompe. A sua trajetória continua até certa 
altura, que corresponde à posição final, onde o pêndulo apresenta uma energia final. 
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A diferença entre as energias inicial e final multiplicada pelo peso do martelo corresponde 
à energia absorvida pelo material. De acordo com o sistema Internacional de Unidades (SI), a 
unidade de energia adotada é o joule. No entanto, em máquinas mais antigas, a unidade de 
energia pode ser dada em kgf.m, kgf.cm ou kgf.mm. 
 
A máquina é dotada de uma escala que indica a posição do pêndulo e é calibrada de 
modo a indicar a energia potencial. 
 
����A fórmula do cálculo da energia potencial é Ep = m x g x h 
 
Onde: m = massa 
 g = aceleração da gravidade 
 h = altura 
 
No ensaio de impacto, a massa do martelo e a aceleração da gravidade são conhecidos, 
assim como a altura inicial do martelo. A única variável desconhecida é a altura final, que é 
obtida no ensaio. 
 
����O ensaio de impacto mede a tenacidade do material 
 
5.3 Corpos de prova 
 
Nos ensaios de impacto utilizam-se duas classes de corpos de prova com entalhe: 
Charpy e Izod. Há um tipo especial de corpo de prova para ferros fundidos e ligas não ferrosas 
fundidas sob pressão. Esses corpos de prova seguem especificação de normas internacionais, 
baseadas na norma E-23 da ASTM - American Society for Testing and Materials. 
 
a) Corpos de prova Charpy 
Os corpos de prova Charpy são apoiados na máquina de ensaio e compreendem três 
subtipos (A, B e C) de acordo com a forma do entalhe. 
 
����As diferentes formas de entalhe são necessárias para assegurar que haja ruptura do corpo 
de prova, mesmo nos materiais mais dúcteis. 
 
A Figura 2 mostra as formas e dimensões desses três tipos de corpos de prova e dos 
respectivos entalhes. 
 
Figura 2 – Subtipos de corpos de prova Charpy 
 
Obs.: unidades em mm 
 
Quando a queda do martelo não provoca a ruptura do corpo de prova, o ensaio deve ser 
repetido com outro tipo de corpo de prova que apresente entalhe mais severo, de modo a 
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garantir a ruptura. Dos três tipos de corpos de prova apresentados, o tipo C é o que apresenta 
maior área de entalhe, ou seja, o entalhe mais severo. 
 
b) Corpo de prova Izod 
O corpo de prova Izod é engastado (preso) na máquina de ensaio (o que justifica seu 
maior comprimento) e tem a mesma forma do entalhe do corpo de prova Charpy tipo A, 
localizado em posição diferente (não centralizado), como pode ser visto na Figura 3. 
 
Figura 3 – Corpo de prova Izod 
 
 
 Obs.: unidades em mm 
 
Corpos de prova de ferro fundido e ligas não ferrosas fundidas sob pressão não 
apresentam entalhe como pode ser visualizado na Figura 4, porque já são materiais frágeis. 
 
Figura 4 – Corpo de prova para ferro fundido e ligas não ferrosas fundidas sob pressão 
 
Obs.: unidades em mm 
 
 
5.4 Local de aplicação do golpe do martelo pendular 
 
Em função da colocação do corpo de prova na máquina de ensaio, há diferença na forma 
de aplicação do golpe do martelo pendular nos ensaios Charpy e Izod, como pode ser visto na 
Figura 5. 
 
Figura 5 – Local de aplicação do golpe do martelo nos ensaios Charpy e Izod 
 
 
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No ensaio Charpy o golpe é aplicado na face oposta ao entalhe e no ensaio Izod é 
aplicado no mesmo lado do entalhe. 
 
 O golpe do martelo pendular é aplicado de forma a favorecer a ruptura ou quebra do 
corpo de prova. 
 
5.5 Considerações gerais sobre o ensaio 
 
As dimensões do corpo de prova, a forma e o tamanho do entalhe usado estabelecem 
um determinado estado de tensões que não se distribuem de modo uniforme por todo o corpo 
de prova durante o ensaio. Por esse motivo, esse ensaio não fornece um valor quantitativo real 
da tenacidade do material. 
 
A energia média é um valor relativo e serve apenas para comparar resultados obtidos nas 
mesmas condições de ensaio. Mesmo tomando-se todos os cuidados para controlar a 
realização do ensaio, os resultados obtidos com vários corpos de prova de um mesmo metal 
são bastante diversos. Para chegar a conclusões confiáveis a respeito do material ensaiado, é 
recomendável fazer o ensaio em pelo menos cinco corpos de prova do mesmo material. 
 
5.6 Influência da temperatura 
 
O ensaio de impacto também é muito utilizado para ensaiar materiais a temperaturas 
diferentes da temperatura ambiente, principalmente em temperaturas abaixo da temperatura 
ambiente. A baixa temperatura é um fator de extrema importância no comportamento frágil dos 
metais. 
 
A energia absorvida por um corpo de prova registrada numa máquina de impacto varia 
sensivelmente em função da temperatura de ensaio. Um corpo de prova a uma temperatura T1 
pode absorver muito mais energia do que se ele estivesse a uma temperatura T2, bem menor 
que T1 ou pode absorver praticamente a mesma energia a uma temperatura T3, pouco menor 
ou pouco maior que T1. Há uma faixa de temperatura relativamente pequena, na qual a energia 
absorvida cai apreciavelmente. O tamanho dessa faixa varia com o metal, sendo, às vezes, 
uma queda bastante brusca. 
 
Define-se temperatura de transição, para o aço ou outro metal que a apresente, como a 
temperatura onde há uma mudança nas condições de ruptura do material, passando de dúctil a 
frágil, ou vice-versa. Entretanto, essa passagem não é repentina e o melhor seria definir 
intervalo de temperatura de transição, o que está implícito na definição acima. A determinação 
dessa temperatura ou intervalo de transição é importante porque só é conveniente utilizar um 
material numa região de temperaturas onde se tenha a certeza de que a fratura frágil não 
ocorrerá, quando esse material for solicitado a níveis de tensão no seu campo elástico. 
 
 
6. FLUÊNCIA 
 
6.1 Introdução 
 
Nas aulas anteriores estudou-se que todocorpo de prova submetido a um esforço 
mecânico sofre uma deformação elástica, em maior ou menor grau, antes de apresentar 
deformação plástica ou de se romper. Ou seja, verificou-se que há sempre uma quantidade de 
esforço que não produz deformação permanente. Se o esforço é aliviado neste estágio, as 
dimensões do corpo de prova voltam ao original. 
 
Supõe-se que um produto construído para suportar um esforço estático abaixo de seu 
limite elástico vai durar para sempre. No entanto, esta suposição é errada. No ensaio de 
fluência, dois novos fatores entram em jogo: o tempo e a temperatura. 
 
] 
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6.2 Definição 
 
����Fluência é uma deformação plástica que ocorre em um material submetido a uma carga 
constante ou praticamente constante em função do tempo. 
 
A temperatura tem um papel importantíssimo nesse fenômeno. A fluência ocorre devido à 
movimentação de defeitos, que sempre existem na estrutura cristalina dos metais. Não haveria 
fluência se estes defeitos não existissem. 
 
6.3 O tempo e a temperatura 
 
Os ensaios mecânicos avaliados anteriormente são realizados num curto espaço de 
tempo, isto é, os corpos de prova ou peças são submetidos a um determinado esforço por 
alguns segundos ou, no máximo, minutos. 
 
Porém, nas condições normais de uso, os produtos sofrem solicitações diversas por 
longos períodos de tempo. O uso mostra que, em algumas situações, os produtos apresentam 
deformações permanentes mesmo submetidos a solicitações abaixo do seu limite elástico. 
Estas deformações ocorrem com mais frequência em situações de uso do produto que 
envolvem altas temperaturas. E quanto maior a temperatura, maior a velocidade de 
deformação. 
 
O controle da temperatura é muito importante nos ensaios de fluência. Pequenas 
variações de temperatura podem causar significativas alterações da velocidade de fluência. 
 
6.4 Técnica do ensaio 
 
Na maioria dos casos avalia-se a fluência de um material submetendo-o ao esforço de 
tração. Os corpos de prova utilizados nos ensaios de fluência são semelhantes aos usados nos 
ensaios de tração. 
 
O ensaio é executado através da aplicação de uma carga uniaxial constante de tração a 
um corpo de prova de mesma geometria dos utilizados nos ensaios de tração, a uma 
temperatura elevada e constante, em uma máquina de ensaio de fluência que pode ser 
visualizada na Figura 6. O tempo de aplicação da carga é estabelecido em função da vida útil 
esperada para o componente/material ensaiado. São medidas as deformações que ocorrem 
em função do tempo. 
 
 Figura 6 – Esboço de máquina de ensaio de fluência 
 
 
O equipamento usado para a realização do ensaio permite aplicar uma carga de tração 
constante ao corpo de prova, o qual fica dentro de um forno elétrico de temperatura constante 
e controlável. Um extensômetro é acoplado ao equipamento para medir a deformação em 
função do tempo. Como os extensômetros são instrumentos de precisão, não suportam altas 
temperaturas. Por isso, são ligados aos corpos de prova por meio de hastes de extensão. 
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Os ensaios de fluência são muito longos, podendo durar de um mês até pouco mais de 
um ano. Por isso seu uso se restringe a atividades de pesquisa e desenvolvimento de novos 
materiais e ligas metálicas. 
 
6.5 Gráfico de fluência 
 
Ao se traçar um gráfico relativo à deformação por fluência em função do tempo, a uma 
temperatura constante, obtém-se uma curva como a da Figura 7. 
 
 Figura 7 – Curva típica de gráfico de fluência 
 
 
Nesse gráfico é possível visualizar três estágios de fluência: 
I – Fluência primária ou transitória 
A velocidade de fluência diminui com o tempo 
II – Fluência secundária ou estacionária 
A velocidade de fluência quase não é afetada pelo tempo 
III – Fluência Terciária 
A velocidade de fluência aumenta rapidamente com o tempo 
 
Observações: 
1 – Nem sempre o último estágio de fluência acontece; 
2 – A velocidade de fluência corresponde à inclinação da curva em qualquer ponto 
(dv= dx/dt); 
3 – εo é a deformação inicial do corpo de prova logo na aplicação da carga; 
4 – Fenômeno significativo em: 
• Ligas de alumínio: T > 150°C 
• Aços: T > 350°C 
 
6.6 Aplicações práticas 
 
A fluência é importante no estudo de aplicação de materiais onde cada vez mais os 
esforços são grandes e as temperaturas de trabalho oscilam em torno de 500°C a 1000°C. 
• Foguetes e aviões a jato; 
• Caldeiras; 
• Turbinas a vapor; 
• Instalações e refinarias de petróleo; 
• Equipamentos da indústria química; 
• Instalações nucleares. 
 
6.7 Materiais resistentes a fluência 
 
Os materiais mais resistentes a fluência são aqueles que apresentam: 
• Alta temperatura de fusão; 
• Baixa taxa de difusão (CFC melhor que o CCC); 
• Presença de elementos de liga como Tungstênio (W), Molibdênio (Mo) e Titânio (Ti). 
 
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7. FADIGA 
 
7.1 Introdução 
 
Em condições normais de uso, os produtos devem sofrer esforços abaixo do limite 
elástico que corresponde à tensão máxima que o material pode suportar sem deformação 
permanente. 
 
Apesar de todas as precauções, é possível que, após algum tempo de uso normal, de 
repente, sem aviso prévio e sem motivo aparente, um produto simplesmente venha a falhar. 
Esta falha é típica de um fenômeno chamado de fadiga. 
 
Toda máquina é constituída por um conjunto de componentes. Em uso normal, é 
improvável que todos os componentes falhem ao mesmo tempo. Isso porque cada um tem 
características próprias, uma das quais é o tempo de vida útil esperado. 
 
O ensaio de resistência à fadiga é um meio de especificar limites de tensão e de tempo 
de uso de uma peça ou elemento de máquina. É utilizado também para definir aplicações de 
materiais. É sempre preferível ensaiar a própria peça, feita em condições normais de produção. 
Molas, barras de torção, rodas de automóveis e pontas de eixo são exemplos de produtos 
normalmente submetidos a ensaios de fadiga. 
 
Quando não é possível o ensaio no próprio produto ou se deseja comparar materiais, o 
ensaio é feito em corpos de prova padronizados. 
 
7.2 Definição 
 
����Fadiga é a tendência que o material apresenta de romper sob a aplicação de tensões 
cíclicas ou alternadas repetitivas de grandeza muito inferior à resistência do material. 
 
A ruptura por fadiga começa a partir de uma trinca ou pequena falha superficial que se 
propaga, ampliando seu tamanho, devido às solicitações cíclicas. Quando a trinca aumenta de 
tamanho, o suficiente para que o restante do material não suporte mais o esforço que está 
sendo aplicado, a peça ou componente rompe repentinamente. 
 
A fratura por fadiga é típica: geralmente apresenta-se fibrosa na região da propagação da 
trinca e cristalina na região da ruptura repentina, como pode ser visto na Figura 8. 
 
Figura 8 – Aspecto típico da fratura por fadiga 
 
 
 
O estudo da fadiga é importante porque a grande maioria das falhas de componentes de 
máquinas, em serviço, se deve à fadiga. 
 
7.3 Ciclos típicos de tensão por fadiga 
 
Na definição de fadiga, destacou-se que ela se deve a ocorrência de esforços cíclicos 
que se repetem com regularidade. Trata-se, portanto, de tensões cíclicas. 
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����Um ciclo de tensão corresponde a um conjunto sucessivo de valores de tensão que se 
repetem na mesma sequênciae no mesmo período de tempo. 
 
A tensão cíclica mais comum é caracterizada por uma função senoidal, onde os valores 
de tensão são representados no eixo das ordenadas e o número de ciclos no eixo das 
abscissas. As tensões de tração são representadas como positivas e as tensões de 
compressão como negativas. A Figura 9 apresenta três tipos de ciclos de tensão. 
 
Figura 9 – Exemplos de ciclos de tensão por fadiga 
 
 
• Figura (a): mostra um gráfico de tensão reversa, assim chamado porque as tensões 
de tração têm valor igual às tensões de compressão; 
• Figura (b): mostra um gráfico onde todas as tensões são positivas, ou seja, o corpo 
de prova está sempre submetido a uma tensão de tração que oscila entre um valor 
máximo e um valor mínimo; 
• Figura (c): mostra um gráfico de tensões positivas e negativas, como no gráfico (a), 
só que as tensões de compressão têm valores diferentes das tensões de tração. 
 
7.4 Técnica do ensaio 
 
O ensaio de fadiga consiste em submeter uma série de corpos de prova a cargas 
(tensões) de valor conhecido que produzam tensões cíclicas e que levem o material à ruptura, 
após certo tempo. Nesse ensaio são necessários muitos corpos de prova do mesmo material, 
devido à necessidade de se pesquisar várias intensidades de tensões (geralmente de 8 a 10 
corpos de prova). 
 
O processo é repetido para cada tipo de carga (tensão) e o corpo de prova é submetido a 
tensões decrescentes até a sua ruptura. Verifica-se que, à medida que a tensão é diminuída, o 
tempo decorrido até a ruptura aumenta. Chega-se assim, a uma carga (tensão) para a qual, se 
o esforço for repetido um número infinitamente grande de vezes, o corpo de prova não se 
rompe. A carga (tensão) correspondente é chamada de limite de fadiga. 
 
7.5 Gráfico de fadiga (curva S-N) 
 
Os resultados do ensaio de fadiga geralmente são apresentados em uma curva tensão-
número de ciclos, ou simplesmente curva S-N. A letra S vem da palavra stress, que quer dizer 
tensão e a letra N representa o número de ciclos. 
 
Supondo que, para certa solicitação S1 o corpo de prova rompa com um número de ciclos 
N1 e para uma solicitação S2 o corpo de prova rompa com um número de ciclos N2 e assim por 
diante, pode-se construir o diagrama S-N, com a tensão no eixo das ordenadas e o número de 
ciclos no eixo das abscissas (Tensão x Nº de ciclos) que pode ser visualizado na Figura 10. 
 
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Observando a curva obtida nota-se que, à medida que se diminui a tensão aplicada, o 
corpo de prova resiste a um maior número de ciclos. Nota-se também que, diminuindo a tensão 
a partir de certo nível – em que a curva se torna horizontal – o número de ciclos para o 
rompimento do corpo de prova torna-se praticamente infinito. Essa tensão, que praticamente 
não provoca mais a fratura do corpo de prova, chama-se limite de fadiga. 
 
Figura 10 – Gráfico de fadiga (S-N) 
 
 
 
• Limite de fadiga: corresponde à tensão abaixo da qual pode ser aplicado um número 
infinito de ciclos sem que ocorra ruptura; 
• Resistência à fadiga: corresponde à tensão para a qual o material rompe após 
determinado número de ciclos. 
 
7.6 Tipos de ensaios de fadiga 
 
Os equipamentos de ensaio de fadiga são constituídos por um sistema de aplicação de 
cargas, que permite alterar a intensidade e o sentido do esforço, e por um contador de número 
de ciclos. O ensaio é interrompido assim que o corpo de prova rompe. 
 
O ensaio pode ser realizado de diversas maneiras, de acordo com o tipo de solicitação 
que se deseja aplicar: 
• Torção; 
• Tração-compressão; 
• Flexão; 
• Flexão rotativa. 
 
O ensaio mais usual, realizado em corpos de prova extraídos de barras ou perfis 
metálicos, é o de flexão rotativa. Este ensaio consiste em submeter um corpo de prova a 
solicitações de flexão, enquanto o mesmo é girado em torno de um eixo, por um sistema motriz 
com conta-giros, numa rotação determinada e constante. A Figura 11 mostra o referido ensaio 
em duas posições diferentes de aplicação da carga. 
 
Figura 11 – Execução de ensaio de fadiga 
 
 
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7.7 Corpos de prova 
 
O corpo de prova deve ser usinado e ter bom acabamento superficial para não prejudicar 
o resultado do ensaio. A forma e dimensões do corpo de prova variam, e constituem 
especificações do fabricante do equipamento utilizado. O ambiente onde é realizado o ensaio 
também é padronizado. 
 
As formas mais utilizadas de corpo de prova são apresentadas na Figura 12. 
 
Figura 12 – Corpos de prova de ensaio de fadiga 
 
 
 
Referências 
 
CHIAVERINNI, V. Tecnologia mecânica. Estrutura e propriedades das ligas metálicas. V 
1. 2ª ed. McGraw-Hill. São Paulo. 1986. 
 
SENAI. Telecurso 2000 Profissionalizante. São Paulo. 
 
SOUZA, S.A; Ensaios mecânicos de materiais metálicos. Edgar Blücher, São Paulo, 1982.