Ensaio de Fadiga

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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO”
CAMPUS DE GUARATINGUETÁ
Propriedades Mecânicas dos Materiais
Assunto: Fadiga
 
Professor: Thomaz Manabu
Luiz Henrique Torres da Costa nº101031
2012
Introdução
O ensaio de fadiga mais comum, realizado em corpos de prova extraídos de barras ou perfis metálicos, é o de flexão rotativa.
O ensaio consiste em submeter o corpo de prova a esforços de flexão enquanto o mesmo gira em torno de seu eixo, por meio de um sistema motriz com conta giros, numa rotação determinada e constante. O corpo de prova é submetido a um ciclo alternado de aplicação de tensões na forma senoidal.
Objetivo
O presente experimento tem por objetivo estabelecermos o limite de fadiga dos corpos de prova ensaiados, bem como a compreensão do conceito fadiga, como determinarmos a resistência à fadiga, como apresentarmos os resultados deste ensaio, os fatores que influenciam a resistência dos metais à fadiga e o que podemos fazer para melhorar essa resistência.
Fundamentação Teórica
Toda máquina é constituída por um conjunto de componentes. No uso normal, nunca ocorre de todos os componentes falharem 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, pontas de eixo etc. são exemplos de produtos normalmente submetidos a ensaio 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.
Fadiga é a ruptura de componentes, sob uma carga bem inferior à carga máxima suportada pelo material, devido a solicitações cíclicas repetidas.
O ensaio 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.
O corpo de prova deve ser usinado e ter bom acabamento superficial, para não prejudicar os resultados do ensaio. A forma e as dimensões do corpo de prova variam, e constituem especificações do fabricante do equipamento utilizado. O ambiente onde é feito o ensaio também é padronizado.
Para uma mesma tensão, pode-se obter resultados de ensaio dispersos e que devem ser tratados estatisticamente. Mas, em geral, o ensaio é realizado em cerca de 10 corpos de prova, para cada um dos diversos níveis de tensão. No nosso caso foram ensaiados 4 corpos de prova.
A curva tensão x número de ciclos, também chamada curva de Wöhler ou simplesmente curva S-N, é o modo mais rápido para a apresentação dos resultados dos ensaios de fadiga. Nessa curva, o número N (ou log N) é colocado no eixo das abcissas e no eixo das ordenadas vai a tensão máxima Smax, que também pode vir expressa por meio de logaritmo.
Assim, há três modos de construir o diagrama da curva S-N variando as escalas dos eixos cartesianos, a saber, S x N, S x log N e log S x log N. A escala logarítmica facilita a comparação de dados, pois fornece curvas de diversos materiais com a mesma forma, além de facilitar e diminuir a escala de N.
Geralmente, as tensões aplicadas pelas máquinas mais encontradas na prática são do tipo flexão rotativa, torção ou tração-compressão. Além disso, todas as máquinas de fadiga interrompem o seu funcionamento no mesmo instante em que ocorre a ruptura do corpo de prova.
Verificamos que para aços, a curva apresenta um patamar que corresponde justamente ao limite de fadiga do material, mas as ligas não-ferrosas em geral, como, por exemplo uma liga de alumínio, não apresentam esse patamar.
Para o caso de existir o patamar, constatamos que basta ensaiar o corpo de prova até 10 milhões de ciclos de tensão e se até esse número não houver ruptura, a tensão correspondente será o limite de fadiga. Para o caso do metal não apresentar esse patamar, deve-se levar o ensaio até 50 milhões ou até mesmo em certos casos até 500 milhões de ciclos, dependendo do material, fixando-se a tensão correspondente a esse valor de N ensaiado, como o limite de fadiga desse material (ou mais precisamente, como a sua resistência à fadiga).
Como uma ruptura por fadiga depende de inúmeros fatores e para se traçar um diagrama S-N é necessário uma quantidade muito grande de corpos de prova, a curva S-N deve ser traçada como uma faixa que englobe todos os pontos espalhados. Os pontos determinados pela tensão máxima aplicada no corpo de prova correspondente e pelo número de ciclos suportado até a fratura do corpo de prova.
Inicialmente, escolhemos uma tensão aproximadamente igual a 2/3 do limite de resistência do material à tração. Diminuímos gradativamente a tensão máxima, usando de preferência a mesma rotação, até atingir uma tensão para a qual não ocorra ruptura. 
A partir daí aumentamos lentamente a tensão máxima até conseguir a máxima tensão correspondente ao patamar, que será o limite de fadiga do material.
Os corpos de prova deverão ser os mais possíveis idênticos e a sua quantidade é variável para determinação de Se, mesmo porque devemos repetir uma ou mais vezes o ensaio em cada resultado duvidoso ou para se ter a média do valor de Sn em cada ponto.
Procedimento Experimental
Para a realização desse experimento foram utilizados 4 corpos de prova como mostrado na figura a baixo.
Cada corpo de prova foi submetido a uma carga específica por meio de um cabeçote presente na máquina.
Primeiramente mede-se o diâmetro dos corpos de prova, ajusta-se os corpos de prova na máquina, ajusta-se os parâmetros dos esforços do experimento e liga-se a máquina que irá aplicar a carga em Newtons. Posteriormente anotamos a quantidade de ciclos até a ruptura do corpo de prova por fadiga. 
Resultados e discussões
Observando o experimento e anotando os valores obtidos obtivemos os seguintes dados:
	P [N]
	P' [N]
	S [Mpa]
	S[Kgf/mm²]
	Nr
	Log Nr
	96
	76
	286,7
	28,2
	54300
	4,7348
	100
	80
	301,8
	30,8
	42700
	4,630428
	105
	85
	320,7
	32,7
	15400
	4,187521
	110
	90
	339,5
	34,6
	15800
	4,198657
Gráfico obtido a partir dos dados coletados e que demostra o número de ciclos atéa ruptura em função da tensão aplicada.
Conclusão 
Sabemos que o ensaio é importante para definirmos a tensão que devemos utilizar em projeto de peças que estejam sujeitas à tensão cíclica. Peças estas como truques de locomotivas, eixos que precisem suportar flexão durante o uso e outros. O ensaio pode ser realizado com corpos de prova ou na própria peça (mais eficiente, mas exige equipamento mais específico e, portanto, mais caro).
Um exame visual no corpo de prova nos mostra que uma falha por fadiga pode ser reconhecida através do aspecto da superfície de fratura, o qual apresenta uma região lisa decorrente do atrito entre a superfície e uma região áspera onde o corpo de prova rompe-se de maneira dúctil.
Bibliografia
 
[1] Dieter, G. Metalurgia Mecânica, São Paulo, Editora Edgard Blucher.
[2] Souza, S. Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos.