Aula 15 - Fadiga e fluênca

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Aula 15 – Fadiga e Fluência
Universidade Federal de Santa Catarina
Centro de Engenharias da Mobilidade
Prof. Gabriel Benedet Dutra
Por que estudar fadiga?
A maioria dos equipamentos e estruturas está sujeito a
carregamentos repetidos (cíclicos). Alguns exemplos são bombas, 
hélices, aviões, pontes, navios e estruturas offshore. As preocupações 
com falhas por fadiga tiveram início no século XIX, quando motivadas 
pelos inúmeros acidentes ferroviários que ocorreram na Europa e 
Estados Unidos, como consequência do aumento do transporte de 
passageiros através da malha ferroviária existente, observou-se que 
as fraturas ocorriam no regime linear elástico.
Por que estudar fadiga?
• Forma de falha que ocorre em estruturas que estão sujeitas a tensões
dinâmicas e oscilantes – pontes, aeronaves e componentes de máquinas.
• Utiliza-se este termo pois esse tipo de falha ocorre normalmente após um
longo período de tensões repetidas ou ciclos de deformação.
• Maior causa individual de falhas nos metais – 90% das falhas – ocorre de
forma catastrófica e repentinamente.
Por que estudar fadiga?
Acidente ocorrido na Áustria em 1875 e provocado por fadiga nas rodas da locomotiva.
Fadiga: cargas cíclicas
• As tensões podem ser de natureza axial (tração (+) e compressão (-));
flexão (dobramento) e torção.
Fadiga: ensaio
• A fadiga dos materiais pode ser simulada em laboratório por meio de
um equipamento que simule as condições de tensão durante o serviço.
ASTM E466
Fadiga: 𝜎 - N
• O resultado da realização deste ensaio fornece um gráfico da tensão
aplicada em função do número de ciclos até a fadiga.
Limite de 
resistência a 
fadiga
Fadiga: variáveis
• Verifica-se uma considerável dispersão nos dados de fadiga –
variação nos valores de N medidos para vários corpos de prova
testados no mesmo nível de tensão.
• Esta dispersão é consequência da sensibilidade da fadiga a diversos
parâmetros do ensaio e do material.
• Parâmetros: fabricação do corpo de prova, preparo da superfície,
variáveis metalúrgicas, alinhamento do corpo de prova no
equipamento de testes, tensão média e frequência dos ensaios.
Fadiga: variáveis
• Nos testes metade dos corpos de prova apresentam níveis de tensão
25% menores que os das curvas experimentais.
Iniciação e propagação de trincas
• Falha por fadiga:
• Iniciação da trinca (forma-se em um ponto com alta
concentração de tensões);
• Propagação da trinca;
• Falha final
• As trincas por fadiga quase sempre se iniciam sobre a superfície de
um componente em algum ponto concentrador de tensões; riscos,
cantos vivos, rasgos de chaveta, fios de roscas e afins.
Iniciação e propagação de trincas
• Propagação:
Estágio 1: ao longo dos grãos, de
planos com elevadas tensões de
cisalhamento;
Estágio 2: se propaga drasticamente
em direção perpendicular a
superfície.
Iniciação e propagação de trincas
Estágio 2:
- Forças de tração alongam
a trinca abaulando a
extremidade da mesma
- Forças de compressão
deformam a extremidade
tornando a trinca afilada
para o próximo ciclo
- Geram marcas de praia
(macroscópicas) ou estrias
de fadiga (microscópicas)
Marcas de 
praia- visíveis 
a olho nú
Eixo rotativo de aço
Iniciação e propagação de trincas
MET de estrias de fadiga no Al 
- microscópicas
Iniciação e propagação de trincas
Limite de resistência a tração e limite a fadiga
Fadiga: Fatores que afetam: tensão média
O aumento no nível médio de tensão leva a uma diminuição
na vida em fadiga
A tensão máxima geralmente ocorre na superfície de um material e com isso 
as falhas ocorrem nesta região.
Variáveis de projeto
Tratamentos de 
superfície
Redução de irregularidades 
estruturais, redução de cantos 
vivos, arestas, inicios de geração 
de tensão.
Melhoria no acabamento da superfície 
aumenta a vida em fadiga – aumento da 
tensão de compressão – jateamento ou 
endurecimento da superfície
Fadiga: Fatores que afetam: efeito da superfície
Fadiga: Fatores que afetam: efeito da superfície
Operação de jateamento de engrenagem.
Fadiga: Fatores que afetam: efeito da superfície
Otimização da vida útil em fadiga após jateamento com pressões de 20, 30 e 40 psi..
Fadiga térmica Fadiga associada a 
corrosão
Devido a altas temperaturas 
oscilantes e restrição à expansão 
e/ou contração dimensional que 
ocorreria naturalmente devido a 
elevação de temperatura
Ação simultânea de uma tensão 
cíclica e de um ataque químico
Ambientes corrosivos promovem 
uma redução da vida em fadiga
Pites: pontos de concentração de 
tensões e portanto, sítios para 
nucleação de trincas.
As trincas se propagam mais 
facilmente em ambientes 
corrosivos.
Solução: revestimentos, reduzir 
corrosividade do ambiente, reduzir 
tensão média e feitos superficiais
Coeficiente de expansão térmica
E – módulo de elasticidade
Fadiga: Fatores que afetam: efeito do ambiente
Fluência
• Materiais sujeitos a tensões centrífugas e as linhas de vapor de alta
pressão – sofrem deformações denominadas fluência.
• Fluência: deformação permanente e dependente do tempo dos
materiais quando submetidos a uma carga ou tensão constante a
elevadas temperaturas.
• Metais: importante para temperaturas 0,4Tf.
• Plásticos e borrachas são sensíveis a fluência.
Fluência
• Para avaliar a fluência de um material submete-se o mesmo a uma
carga ou tensão constante em uma temperatura fixa – a deformação é
medida em função do tempo decorrido.
• Geralmente são realizados com carga constante – melhor
compreensão dos mecanismos de fluência.
Fluência
Inclinação da 
curva diminui
com tempo
Aumento de 
resistência a 
fluência -
encruamento
Linear – maior
duração
Equilíbrio
entre o 
processo de 
encruamento
e recuperação
Aumento na taxa e falha do material –
ruptura – alterações microestruturais e/ou
metalúrgicas
Fluência: o ensaio
• São geralmente realizados em máquinas universais sob tração uniaxial
com corpos de prova com a mesma geometria que para os ensaios de
tração – metais.
• Para os materiais frágeis frequentemente utiliza-se compressão uniaxial.
• A inclinação da parte secundária – taxa de fluência em regime
estacionário – levado em consideração para projetos de engenharia para
aplicações a longo prazo.
Fluência com vidas relativamente curtas – palhetas de 
turbinas em aeronaves: considera-se o tempo para ruptura
Fluência: efeito da tensão e temperatura
Taxa de fluência em função da tensão, k 
e n são constantes do material
Taxa de fluência em função da 
tensão e temperatura
Fluência: extrapolação
Como a fluência é função do tempo é necessário muitas vezes extrapolar 
os dados obtidos em laboratório para compreender o fenômeno.
Execução do ensaio sob temperaturas acima da necessária e por 
períodos de tempos menores com um nível de tensão comparável.
C – constante ~20
T (K)
t – tempo de vida até a ruptura (horas)
Como utilizar? Gráfico da tensão x parâmetro
Larson-Miller
Fluência: extrapolação
Usando os dados de Larson-
Miller para o ferro S-590 que 
estão mostrados ao lado, 
estimar o tempo de vida até a 
ruptura para um componente 
que está sujeito a uma tensão
de 140 MPa (20.000 psi), a uma 
temperatura de 800°C (1073 K)
C – constante ~20
T (K)
t – tempo de vida até a ruptura (horas)