Apostila de Falha - UDESC - Prof. Júlio G. Milan

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA 
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
 
FALHA 
 
 
 
CMA – CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
2º Semestre de 2014 
 
 
 
Prof. Júlio César Giubilei Milan 
FADIGA 
 
É uma forma de falha que ocorre em estruturas que estão 
sujeitas a tensões dinâmicas e oscilantes. 
• Falha a um nível de tensão inferior ao limite de 
resistência a tração ou ao limite de escoamento para 
carga estática. 
• Ocorre normalmente após longo período de tensão 
repetitiva ou ciclo de deformação. 
• Maior causa individual de falha em metais ( 90 %). 
• Polímeros e cerâmicos também estão sujeitos. 
• Ocorre repentinamente e sem avisos. 
FALHA - FADIGA 
FADIGA 
 
É de natureza frágil, pouco ou nenhuma deformação 
plástica. 
 
“o processo ocorre pela iniciação e propagação de trincas, 
em geral a superfície da fratura é perpendicular à direção 
de uma tensão de tração aplicada”. 
 
FALHA - FADIGA 
A falha por fadiga ocorre normalmente em três estágios: 
• Uma pequena trinca surge na superfície após um 
longo período de aplicação de carga; 
• Descontinuidades superficiais como entalhes, poros, cantos 
vivos (projeto), contornos de grãos, regiões com elevada 
densidade de discordância; 
• Trinca se propaga um pouco a cada ciclo de carregamento; 
• Fratura súbita do material, quando a seção é muito 
reduzida para suportar a carga aplicada. 
 
Para que a fadiga ocorra, pelo menos parte do ciclo deve ser de 
tração 
 
FALHA - FADIGA 
Fácil identificação 
• Superfície junto a origem tende a ser lisa; 
• Torna-se mais irregular com o aumento do tamanho da 
trinca; 
• Fibrosa na parte final de propagação da trinca. 
• Superfície possui “marcas de praia” e estrias 
• Marcas de praia se formam quando a carga varia de 
modo irregular ou quando é intermitente. 
• estrias são bem menores (microscópio) e mostram a 
posição da ponta da trinca após cada ciclo. 
FALHA - FADIGA 
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under 
license. Representação de uma superfície de fratura por fadiga em um eixo de aço, 
mostrando a região de início, a região de propagação com marcas de praia e 
ruptura final quando o tamanho da trinca ultrapassa um valor crítico para tensão 
aplicada. 
FALHA - FADIGA 
Fig. – Superfície de fratura de um eixo 
rotativo de aço que experimentou 
falha por fadiga. Os ressaltos de 
marcas de praia estão visíveis na foto. 
Fig. – Fractografia eletrônica de 
transmissão mostrando estrias de fadiga no 
alumínio. 
FALHA - FADIGA 
Fig. – Superfície de falha por 
fadiga. Uma trinca se formou na 
aresta superior. 
FALHA - FADIGA 
Ensaio de fadiga rotativa 
Fig. – Configuração do teste de fadiga rotativa 
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. 
FALHA - FADIGA 
A tensão em qualquer ponto da amostra passa por um 
ciclo senoidal completo, da tensão máxima de tração à 
tensão máxima de compressão 
 
A tensão máxima que atua na amostra é dada por: 
3
32
d
M

 
M – momento de flexão 
d – diâmetro do corpo de prova 
O momento de flexão M = F(L/2) 
33
09,5
16
d
FL
d
FL



L – distância entre o ponto de 
aplicação de carga e o mandril 
F – carga 
FALHA - FADIGA 
O corpo de prova fratura após um número de ciclos. 
A curva S-N mostra os valores de tensão (S) em função do 
número de ciclos (N) para ruptura da amostra. 
Fig. – Curvas S-N que relacionam a tensão máxima com o número de ciclos até a 
fratura para um aço ferramenta e uma liga de alumínio 
FALHA - FADIGA 
Ensaio de fadiga → indica o n° de ciclos que uma peça pode 
sobreviver com aquele carregamento antes de fraturar. 
Limite de fadiga → tensão abaixo da qual há 50 % de 
probabilidade de que a falha por fadiga nunca ocorra 
(importante no projeto) 
Vida em fadiga → indica quanto tempo um componente 
resiste sob uma tensão específica 
Resistência à fadiga → é a tensão máxima na qual a fratura 
por fadiga não ocorrerá para um dado número de ciclos 
FALHA - FADIGA 
A curva ‘Tensão-Número de ciclos’ é um gráfico que relaciona 
o número de ciclos até a fratura com a tensão aplicada 
Número de ciclos até a fratura, N 
Limite de fadiga 
(35 a 60%) do 
limite de 
resistência (T.S.) 
Quanto menor a tensão, maior é o número de 
ciclos que o material tolera. Ligas ferrosas 
normalmente possuem um limite de fadiga. 
Para tensões abaixo deste valor o material 
não apresenta fadiga. 
Ligas não ferrosas não possuem um 
limite de fadiga. A fadiga sempre 
ocorre mesmo para tensões baixas e 
grande número de ciclos. 
Vida de fadiga a 
uma tensão S1 
S1 
FALHA - FADIGA 
• Nível médio de tensão 
 Quanto maior o valor médio da tensão, menor é a vida. 
• Efeitos de superfície 
 A maior parte das trincas que iniciam o processo de falha 
se origina na superfície do material. Isto implica que as 
condições da superfície afetam fortemente a vida de 
fadiga. 
 Projeto da superfície: evitando cantos vivos. 
 Tratamento da superfície: 
 Eliminar arranhões ou marcas através de polimento. 
 Tratar a superfície para gerar camadas mais duras (carbonetação / 
nitretação / deposição de filmes finos) e que geram tensões 
compressivas que compensam parcialmente a tensão externa. 
FALHA - FLUÊNCIA 
FLUÊNCIA 
 
Componentes em serviço a temperaturas elevadas → tensões 
mecânicas estáticas → Deformação conhecida por Fluência 
Def.: deformação permanente e dependente do tempo de 
materiais quando estes estão submetidos a uma carga ou 
tensão constante 
• Indesejável; 
• Fator de limitação de vida útil; 
• Ocorre em todos materiais; 
• Metais – importante a temperaturas superiores a 
aproximadamente 0,4 Tf; 
• Polímeros amorfos (plásticos e borracha) → especialmente 
sensíveis à deformação por fluência. 
FALHA - FLUÊNCIA 
Esboço do aparelho utilizado para análise de fluência 
 
FALHA - FLUÊNCIA 
Ensaio (ASTM E 139) → corpo de prova a uma carga ou tensão 
constante, mantendo a temperatura constante. 
Fig. – Curva típica de fluência para deformação em função do tempo a um nível constante de 
tensão e a temperaturas elevadas constantes. A taxa de fluência mínima /t corresponde à 
inclinação do segmento linear na região secundária. O tempo de vida até a ruptura tr 
corresponde ao tempo total necessário até a ocorrência da ruptura. 
Tempo, t 
D
e
fo
rm
a
ç
ã
o
 p
o
r 
fl
u
ê
n
c
ia
, 
 
FALHA - FLUÊNCIA 
Inicialmente ocorre uma deformação instantânea 
Curva de fluência (3 regiões) 
• Fluência primária ou transiente 
Taxa de fluência continuamente decrescente → aumento da 
resistência a fluência ou encruamento 
• Fluência secundária ou regime estacionário 
Taxa constante linear (longa duração) → equilíbrio entre 
encruamento e recuperação 
• Fluência terciária 
Aceleração na taxa de fluência e fratura → alterações 
microestruturais e metalúrgicas. Separação do contorno de grão, 
formação de trincas, cavidades e vazios internos. 
FALHA - FLUÊNCIA 
• Para metais → corpos de prova iguais ao do ensaio de 
tração 
 
• Materiais frágeis → compressão uniaxial 
 cilindros retos ou paralelepípedos 
 L/D  2 – 4 
 
• Parâmetro mais importante → inclinação da porção 
secundária /t → Taxa de fluência em regime 
estacionário r 
FALHA - FLUÊNCIA 
• Temperatura e nível de tensão influenciam a fluência 
Fig. – Influência da tensão  e datemperatura T sobre o comportamento a fluência. 
FALHA - FLUÊNCIA 
• Abaixo de 0,4 Tf → após a deformação inicial, a deformação 
é independente do tempo; 
 
• Aumentando T ou  
1. Deformação instantânea aumenta; 
2. Taxa de fluência no regime estacionário aumenta; 
3. Tempo de vida até a ruptura é diminuído. 
FALHA - FLUÊNCIA 
• Outra forma de apresentar os resultados 
→ log  x log tempo 
Fig. – Tensão (escala logarítmica) em função do tempo de vida até a ruptura (escala 
logarítmica) para uma liga carbono níquel com baixo teor de liga a três temperaturas 
diferentes. 
FALHA - FLUÊNCIA 
• Relação empírica 
 taxa de fluência no regime estacionário 
 
 
 
• K1 e n – constantes para o material 
nk 1
FALHA - FLUÊNCIA 
Fig. – Tensão (escala logarítmica) em função da taxa de fluência em regime 
estacionário (escala logarítmica) para uma liga carbono níquel com baixo teor de 
liga a três temperaturas diferentes. 
n – inclinação da curva 
FALHA - FLUÊNCIA 
• Quando a influência da temperatura é incluída 
 taxa de fluência no regime estacionário 
 
 
 
 
 
K2 e Qf – constantes 
K2– energia de ativação para fluência 
 










RT
Q
n
r
f
ek  2
FALHA - FLUÊNCIA 
Fatores que afetam a fluência 
 
• Tamanho de Grão, TG 
 (grãos menores permitem maior 
 escorregamento em aplicações 
 que envolvem a fluência) 
• Módulo de elasticidade, E 
• Temperatura de fusão, Tf 
 
 
 
 
 
 
Quanto maior estes 
fatores, maior a 
resistência à 
fluência 
FALHA - FLUÊNCIA 
Materiais comumente empregados em aplicações que 
envolvem fluência 
 
• Aços inoxidáveis; 
• Metais refratários; 
• Superligas (Co – Ni) 
Formação de solução sólida e fase dispersa 
insolúvel na matriz 
FALHA - FLUÊNCIA 
Técnicas de processamento 
Fig. – (a) palheta de turbina policristalina – técnica convencional de fundição 
(b) Estrutura de grãos orientada em colunas – solidificação direcional 
(c) Palheta monocristalina. 
FALHA - FLUÊNCIA