Aula 06 - Ensaio de Fadiga

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Faculdade de Tecnologia Senai Cimatec
ENSAIOS MECÂNICOS
Aula 6 – Ensaio de Fadiga
Lucas Nao Horiuchi
14 de Outubro de 2016
lucas.horiuchi@braskem.com
6. Ensaio de Fadiga
Definição
Consiste em um ensaio onde se aplica cargas repetitivas, 
cíclicas ou flutuantes por períodos prolongados de maneira 
apropriada e padronizada, que é capaz de fornecer dados 
quantitativos para avaliar o comportamento do material, 
simulando o seu uso. Os principais dados obtidos são: limite de 
resistência à fadiga, resistência à fadiga e vida em fadiga.
6. Ensaio de Fadiga
Introdução
- Quando se submetem os materiais metálicos a tensões 
repetitivas (esforços cíclicos), estes acabam rompendo em 
tensões muito inferiores daqueles determinadas pelos 
ensaios estáticos (tração e compressão);
- Normalmente, este tipo de falha ocorre após um longo tempo 
de uso da peça em serviço;
- Este tipo de falha se chama: ruptura por FADIGA;
6. Ensaio de Fadiga
Introdução
- Falhas por fadiga ocorrem em componentes automobilísticos, 
aeronáuticos, estrutura civil (pontes, prédios e coberturas), 
tubulações e peças metálicas de máquinas sujeitas a esforços 
cíclicos , como compressores, bombas e turbinas;
6. Ensaio de Fadiga
Introdução
- A falha por fadiga, muitas vezes, é imprevisível, pois não 
apresenta sinais prévios.
6. Ensaio de Fadiga
Características gerais do processo de fadiga
• É a ruptura de um componente 
pela propagação de uma fissura 
gerada pela aplicação de 
tensões cíclicas.
• 90% das rupturas em peças 
móveis em serviço relacionam-
se com fadiga.
Esse processo ocorre em 3 etapas:
• 1-Nucleação de uma fissura em 
alguma irregularidade (ponto de 
concentração de tensões) 
• 2- Propagação da fissura 
• 3- Ruptura catastrófica quando 
se atinge o KIc (tenacidade) do 
material
6. Ensaio de Fadiga
Zonas típicas de uma fratura por fadiga e 
fissura na etapa de propagação
6. Ensaio de Fadiga
Pontos nucleadores de fissura por fadiga
6. Ensaio de Fadiga
• Regiões de concentração de 
tensões
Pontos nucleadores de fissura por fadiga
6. Ensaio de Fadiga
• Defeitos de superfícies: 
ranhuras, pequenas trincas de 
usinagem, acabamento 
superficial ruim. 
Pontos nucleadores de fissura por fadiga
6. Ensaio de Fadiga
• Defeitos microestruturais: 
inclusões, defeitos de 
solidificação (segregação), 
poros internos.
Pontos nucleadores de fissura por fadiga
6. Ensaio de Fadiga
Mecanismo de nucleação das fissuras
• Na tensão máxima ocorrem as 
saliências
• Na tensão mínima ocorrem as 
reentrâncias
• Uma fissura aparece nesse 
local depois de repetidas 
saliências e reentrâncias
6. Ensaio de Fadiga
Forma de fratura por fadiga:
A aparência da superfície de fratura mostra:
(a) Uma região mais lisa, devido à propagação lenta da trinca inicial;
(b) Outra região mais grosseira onde o material falhou de maneira dúctil e 
catastrófica, quando a seção reta não foi mais capaz de suportar a carga 
aplicada.
(a)
(b)
6. Ensaio de Fadiga
Como identificar uma ruptura causada por 
fadiga?
1) Zona lisa: uma série de 
anéis, ou “marcas de praia”, 
progredindo a partir do ponto 
onde se iniciou a trinca.
2) Zona rugosa: mais 
grosseira. Onde ocorre a 
ruptura abrupta do corpo de 
prova.
6. Ensaio de Fadiga
Presença de marcas de praia
• As marcas de praia 
aparecem nas regiões 
adjacentes ao ponto de 
início da trinca. 
• Essa marca aparece 
cada vez que a peça é 
solicitada. 
6. Ensaio de Fadiga
Presença de marcas de praia
• A fratura ou ruptura por fadiga 
ocorre quando o comprimento 
da fissura é tal que a secção útil 
da peça não resiste a carga 
aplicada;
• A ruptura ocorre numa tensão 
menor do que a correspondente 
a uma carga estática e não 
ocorrem deformações 
plásticas importantes.
Zona 
rugosa: 
ruptura 
catastrófica.
Zona lisa 
6. Ensaio de Fadiga
Marcas de praia em um eixo rompido por fadiga
6. Ensaio de Fadiga
Superfície de falha por fadiga
6. Ensaio de Fadiga
Aspectos da superfície de fratura por fadiga:
Olho 
nú
MEV 
ou 
MET
6. Ensaio de Fadiga
Presença das estrias
• Quando se observa a região da 
zona da fratura onde houve 
propagação estável da fissura 
por fadiga (zona macroscópica 
lisa) com grande aumento em 
MEV ou MET(microscópio 
eletrônico de varredura / 
transmissão) pode-se ver o 
avanço unitário da fissura sob o 
efeito de cada ciclo de carga. 
Essas linhas chamam-se de 
estrias. 
6. Ensaio de Fadiga
Estrias de fadiga:
Cada estria está associada a um ciclo de carga
6. Ensaio de Fadiga
Tipos de solicitações cíclicas:
(A)Tensão Alternada: senoidal. Exemplo: eixo 
rotativo em velocidade constante;
(B) Tensão Flutuante: o módulo da tensão 
máxima e mínima não são iguais;
(C) Tensão irregular Aleatória: tensões aleatórias 
com ciclos complexos. Exemplo: molas de 
suspensão de carros quando.
6. Ensaio de Fadiga
Tipos de solicitações cíclicas:
Para os casos (A) e (B) tem-se:
• Tensão média (σM):
• Intervalo de tensões (σr ):
• Amplitude de oscilação da tensão (σa):
• A razão de variação das tensões (Rf)
ou razão de frequência:
6. Ensaio de Fadiga
Normas:
ASTM 
- E1823: Standard Terminology Relating to Fatigue and Fracture 
Testing;
- E1150: Standard Definitions of Terms Relating to Fatigue;
- E466: Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant 
Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials;
- E467: Standard Practice for Verification of Constant Amplitude 
Dynamic Forces in an Axial Fatigue Testing System;
- E468: Standard Practice for Presentation of Constant Amplitude 
Fatigue Test Results for Metallic Materials.
6. Ensaio de Fadiga
Normas:
ABNT NBR 6751:2009
- Métodos de ensaio de fadiga rotativa, fadiga sob carga radial (ou 
compressão) e fadiga sob carga biaxial para verificação da 
durabilidade, bem como os métodos de ensaio de resistência e 
especificações do acabamento superficial, das rodas e aros 
desmontáveis de aço e alumínio para camionetas de carga, caminhões 
e caminhões-tratores, microônibus e seus rebocados.
6. Ensaio de Fadiga
Ensaio:
• Consiste em submeter 
vários corpos de provas 
do mesmo material 
(mesmo tratamento 
térmico, mesmo 
acabamento, mesmo 
dimensional) para 
diferentes cargas cíclicas 
até a sua ruptura, 
registrando o número de 
ciclos.
6. Ensaio de Fadiga
Ensaio: Curvas S-N ou curvas de Wöhler
- Os resultados dos
ensaios de fadiga
geralmente são
apresentados em um
gráfico de tensão por
número de ciclos, ou
simplesmente curva S-N.
- O S vem da palavra
Inglesa stress, que significa 
“tensão”, e o N representa o 
número de ciclos;
- Emprega-se escala logarítmica 
nas abscissas;
6. Ensaio de Fadiga
Ensaio: Curvas S-N
- Para cada solicitação de tensão 
S1 o corpo de prova deverá 
romper em um certo número de 
ciclos N1;
- Para uma outra solicitação
S2, o corpo de prova romperá a 
em N2;
- E assim por diante, pode-se 
construir o diagrama S-N;
A medida que se diminui a
tensão aplicada, o corpo de
prova resiste a um maior
número de ciclos.
6. Ensaio de Fadiga
Ensaio: Curvas S-N
Esboço da apresentação dos resultados, para liga 
de alumínio tratada.
• Os ensaios de fadiga 
apresentam em geral 
uma certa falta de 
reprodutibilidade, o 
que motiva o 
emprego de uma 
análise estatística.
6. Ensaio de Fadiga
Ensaio: Curvas S-N
- Diminuindo a tensão a partir
de um certo nível – em que a
curva se torna horizontal – o
número de ciclos para o
rompimento do corpo de
prova torna-se praticamente
infinito.
- Esta tensão máxima, que
praticamente não provoca
mais a fratura por fadiga,
chama-selimite de fadiga
ou resistência à fadiga (LRF).
6. Ensaio de Fadiga
Ensaio: Curvas S-N
Curva típica para:
- Aço C
- Ligas Ti
- Ligas Mo
- Ligas ferrosos
Possui patamar inferior 
(limite resistência à 
fadiga, LRF).
LRF ou σRf
Para os aços, o LRF está na faixa de 34 a 65% do LRT.
Alguns autores consideram LRF/LRT=0,5
6. Ensaio de Fadiga
Ensaio: Curvas S-N
Curva típica para:
- Alumínio
- Cobre
- Magnésio
- Não ferrosos
Não possui 
patamar inferior
- Para estes casos, usa-se a resistência à fadiga (σf), que é a tensão de 
ruptura para um determinado número de ciclos;
- Faz-se o ensaio a até 50 milhões de ciclos, em alguns casos, a até 500 
milhões de ciclos, para definir a resistência à fadiga.
6. Ensaio de Fadiga
Ensaio: Curvas S-N
Outro parâmetro importante é 
Vida à Fadiga, Nf, que é o 
número de ciclos que causará 
a ruptura pela aplicação de 
uma certa tensão;
6. Ensaio de Fadiga
Ensaio: Curvas S-N
Curvas de flexão rotativa para alguns materiais;
6. Ensaio de Fadiga
Resultados práticos de curvas SxN (stress X 
number of cycles)
6. Ensaio de Fadiga
Fadiga:
6. Ensaio de Fadiga
Máquina de fadiga:
Máquina tipo flexão alternada 
Máquina de fadiga tipo 
universal de ensaios
6. Ensaio de Fadiga
Máquina de fadiga: tipos de solicitação
6. Ensaio de Fadiga
Fatores que influenciam o limite de fadiga
• Fatores de projeto: descontinuidade geométrica na peça (rasgo de 
chaveta, furo, etc);
6. Ensaio de Fadiga
Fatores que influenciam o limite de fadiga
• Acabamento superficial- quanto melhor maior o limite de fadiga; 
• Composição química : teor de impurezas (inclusões, contaminantes, 
etc). Quanto mais puro, maior o limite de fadiga:
6. Ensaio de Fadiga
Fatores que influenciam o limite de fadiga
• Tratamentos termoquímicos (cementação, nitretação etc...) aumentam o 
limite da fadiga pois induzem tensões de compressão na superfície;
• Jateamento por granalha eleva o limite de fadiga pois induz tensões 
compressivas na superfície;
6. Ensaio de Fadiga
Fatores que influenciam o limite de fadiga
• Corrosão: 
- Se prévia = influencia na redução do acabamento superficial. 
- Se simultânea = gera um novo mecanismo chamado de corrosão por 
fadiga que faz cair muito o limite de fadiga.
6. Ensaio de Fadiga
Fatores que influenciam o limite de fadiga
• Quanto maior a resistência mecânica do material, maior o seu limite de 
fadiga;
• Descarbonetação (perda de carbono a partir da superfície por reações 
com a atmosfera) faz cair a resistência nessa área, reduzindo o limite 
de fadiga;
6. Ensaio de Fadiga
Corpos de Provas:
Corpos de prova 
segundo a norma 
ASTM
6. Ensaio de Fadiga
Corpos de Provas:
O corpo de prova deve ser usinado e ter 
bom acabamento superficial, para não 
prejudicar os resultados do ensaio.
Corpos de prova 
de acordo com o 
tipo de 
solicitação.
6. Ensaio de Fadiga
Determinação numérica dos resultados:
1. Probabilidade à fratura por Fadiga:
- Os resultados do ensaio de fadiga apresentam dispersão de 
resultados, pois é influenciado por várias características como 
acabamento superficial, defeitos internos, corrosão, 
heterogeneidades metalúrgicas, etc.
- Para encontrar resultados confiáveis, usa-se técnicas 
estatísticas;
- Um problema de se utilizar técnicas estatísticas é a grande 
quantidade de amostras necessárias (20 a 30 amostras para 
cada nível de tensão), para ser representativa;
- O gráfico da próxima página apresenta uma série de curvas de 
probabilidade;
6. Ensaio de Fadiga
Determinação numérica dos resultados:
1. Probabilidade à fratura por Fadiga:
Observa-se que para uma certa tensão cíclica, σ1:
- 1% dos corpos de prova sofrerão fratura em N1 ciclos de 
aplicação de carga;
- 50% dos corpos de prova sofrerão fratura em N2 ciclos de 
aplicação de carga.
6. Ensaio de Fadiga
Determinação numérica dos resultados:
2. Tensões limites (ASTM E468):
Esta norma utiliza análises de regressão ou técnicas matemáticas 
que apresentam o resultado como 2 linhas (σmáx e σmin) além dos 
pontos do ensaio.
6. Ensaio de Fadiga
Determinação numérica dos resultados:
3. Método escada:
- Menor quantidade de corpos de prova (cerca de 25);
- Consiste em encontrar por tentativas o valor do número de 
ciclos que provavelmente a fratura ocorrerá;
- Etapas:
1) Realiza-se o ensaio em um valor de tensão próximo ao valor 
estimado de resistência à fadiga;
2) Se o CP romper em N<107 ciclos, diminui-se a tensão 
aplicada de um valor fixo ∆σ (degrau da escada);
3) Continua-se com o processo, diminuindo a tensão, conforme 
o degrau até que o CP não rompa mais para N=107 ciclos;
4) Após isso, eleva-se novamente a tensão conforme o degrau, 
até atingir uma tensão que rompa o CP. E reverte-se o processo 
repetidamente até os CPs acabarem.
6. Ensaio de Fadiga
Determinação numérica dos resultados:
3. Método escada:
- Calcula-se a resistência média à fadiga (σFm) por:
Resistência 
média à fadiga
Desvio
6. Ensaio de Fadiga
Determinação numérica dos resultados:
3. Método escada:
Exercício: segue tabela e gráfico com resultados do teste de 
fadiga (método escada). Determine a resistência à fadiga:
6. Ensaio de Fadiga
Determinação numérica dos resultados:
3. Método escada:
Exercício: segue tabela e gráfico com resultados do teste de 
fadiga (método escada). Determine a resistência à fadiga:
Resposta:
6. Ensaio de Fadiga
Final deste capítulo....
Obrigado pela atenção!!
Dúvidas?