Aula 12 - Fadiga e Fluencia

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 Revisão Fratura Metais
 Fadiga
 Iniciação de Trincas 
 Propagação de Trincas 
 Fluência
Fratura é a separação de um corpo em duas ou 
mais partes em resposta a uma tensão imposta que 
possua natureza estática. Também pode ocorrer 
devido à fadiga e à fluência. 
O processo de fratura é normalmente súbito e 
catastrófico, podendo gerar grandes acidentes 
Envolve duas etapas: formação de trinca e 
propagação. Pode assumir dois modos: 
• Dúctil, 
• Frágil. 
• Fratura frágil de materiais normalmente 
dúcteis → necessidade de compreensão dos 
mecanismos da fratura. 
•→ Mecânica da fratura → permite a 
quantificação das relações entre as 
propriedades dos materiais, o nível de tensão, 
a presença de defeitos geradores de trincas e 
os mecanismos de propagação de trincas. 
Concentração de tensão 
• Presença de defeitos ou trincas muito pequenos, 
microscópicos que sempre existem na superfície e 
no interior do corpo de um material; 
• Defeitos → fator negaƟvo para a resistência a 
fratura → a tensão aplicada pode ser amplificada 
ou concentrada nas extremidades destes defeitos 
→ concentradores de tensão. 
A principal utilidade da mecânica da fratura na metalurgia é 
caracterizar aquelas ligas de ductilidade intermediária que 
podem sofrer falha catastrófica abaixo de seu limite de 
escoamento devido ao efeito de concentração de tensão dos 
defeitos estruturais.
Há três variáveis a se considerar: a propriedade do material 
(KIC), a tensão (σ) presente e o tamanho da trinca (a) Para a 
condição crítica de fratura, se duas dessas variáveis forem 
conhecidas, será possível determinar a terceira 
1. Trincas grandes reduzem a tensão máxima que pode ser aplicada. 
Redução do tamanho das descontinuidades melhoram a resistência a 
fratura; 
2. A capacidade de deformação plástica é um fator crítico na utilização 
dos materiais. Nos metais dúcteis, a deformação torna a ponta da 
trinca rombuda reduzindo k evitando o crescimento da mesma. 
3. Componentes espessos têm menor resistência á fratura que 
componentes mais finos feitos do mesmo material. 
4. Alta taxa de deformação normalmente reduz a tenacidade à fratura 
do material. 
5. O aumento da temperatura eleva a tenacidade à fratura. 
6. Um tamanho de grão pequeno aumenta a tenacidade à fratura, 
enquanto defeitos localizados e alta intensidade de discordâncias 
reduzem a resistência à fratura. 
‐ Fadiga ‐
Processo que causa falha prematura ou 
dano permanente a um componente sujeito 
a carregamentos repetitivos (cíclicos).
Os materiais, particularmente os metais, quando submetidos a 
tensões flutuantes ou repetitivas (esforços cíclicos ), rompem-se 
a tensões muito inferiores àquelas determinadas nos ensaios de 
tração. (Cargas estáticas).
A ruptura que ocorre nessas condições de esforço dinâmico é 
conhecida como ruptura por fadiga.
Em estruturas e equipamentos como pontes, aviões, veículos, 
entre outros, quando submetidos a contínuos esforços 
dinâmicos e vibrações, o fenômeno da fadiga passou a 
representar o 90% das falhas em serviço de componentes 
metálicos. 
Os materiais poliméricos e os cerâmicos são também 
susceptíveis à ruptura por fadiga. Na maioria das 
vezes, não se considera a fadiga em cerâmicos, pois 
esses materiais costumam falhar em decorrência de 
sua baixa tenacidade à fratura.
A falha por fadiga é particularmente imprevisível pois 
acontece sem que haja qualquer aviso prévio. 
Constante
Aleatório
Consiste na aplicação de carga cíclica 
em corpo‐de‐prova apropriado e 
padronizado segundo o tipo de 
ensaio a ser realizado.
Flexão Rotativa
Corpos de prova segundo a 
norma ASTM (E1823, E1150, 
E466)
Tração – Compressão  Cisalhamento
Logaritmo
35‐60% do LRT
Aços CC e ligas de Titânio 
exibem limite de Fadiga
Probabilidade de falha
Este ensaio é capaz de fornecer 
dados quantitativos quanto às 
características de um material ou 
componente suportar por longos 
períodos, cargas repetitivas e/ou 
cíclicas sem se romper.
Os principais resultados do ensaio 
são: 
Limite de Resistência à Fadiga (σRf)
Resistência à Fadiga (σf)
Vida em Fadiga (Nf)
Os resultados do ensaio podem 
variar devido a uma diversidade de 
fatores.
O ensaio pode ser dividido em Fadiga de 
Baixo Ciclo (ruptura < 104  ciclos) e 
Fadiga de Alto Ciclo (para os casos 
acima desse limite)
Fratura em Fadiga:
Iniciação de Trincas
• Vida de Inic. –Tempo para nuclear uma trinca.
• Vida de Propag. –Tempo para o crescimento de uma trinca até a falha.
• Limite de Seg. – crescimento a partir de um tamanho crítico de trinca
•Duas causas principais:
1. Bandas de escorregamento na superfície‐> gerando 
fendas (intrusões) que evoluem para trinca
• Importante para materiais dúcteis e com 
concentradores de tensão
2. Incompatibilidade de deformações junto a partículas 
duras e/ou inclusões
• Importante em materiais endurecidos onde a matriz é
resistente à formação de bandas de escorregamento
• Na prática ambos competem
Nucleação da Trinca:
Regiões de alta concentração de 
tensões.
Nucleação da Trinca:
Defeitos de Superfície.
(Ranhuras, pequenas trincas 
de usinagem,  mau 
acabamento superficial, etc.)
Nucleação da Trinca:
Defeitos na Microestrutura
(Inclusões,  porosidade acentuada, 
defeitos de solidificação, pontos 
de corrosão, etc)
Fratura em Fadiga:
Propagação de Trincas
• Vida de Inic. –Tempo para nuclear uma trinca.
• Vida de Propag. –Tempo para o crescimento de uma trinca até a falha.
• Limite de Seg. – crescimento a partir de um tamanho crítico de trinca
Ponte sobre o Rio Ohio, em Point Pleasant, W.Virginia, USA 
(similar à ponte Hercílio Luz em Florianópolis, SC)
E.P. de Deus
Restos da Ponte Após a Falha (com 46 mortes) Causada por 
uma Pequena Trinca que Levou ~50 anos para Ficar Instável
• Estágio I (microtrinca)‐> trinca confinada no 
plano de escorregamento que a iniciou ‐> 
corresponde a até 90% da vida em fadiga
• Estágio II (macrotrinca)‐> Trinca grande o 
suficiente para crescimento como se o 
material fosse contínuo ‐> direção de
crescimento muda para a de máxima 
abertura de trinca (normal à máxima tração) ‐
> crescimento mais rápido que no estágio I 
(corresponde a maior área da fratura por 
fadiga ‐> produz “marcas de praia e estrias” )
• Se o estágio I é importante a vida em fadiga 
aumenta com endurecimento do material 
por métodos convencionais
• Se o estágio II é importante e o material é 
tenaz, melhorar a vida em fadiga não é 
simples
trinca ideal
trinca real
y y
x


2ro
Zona
Plástica
Metais
"crazing"

Polímeros
micro
trincas

Cerâmicos
Propagação Cíclica da Trinca:
Devido à concentração local da 
tensão causada pelos mecanismos 
antes citados, ocorre uma 
deformação plástica cíclica 
causada pela, mesmo com tensão 
nominal abaixo do limite elástico.
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. 
Fratura final ( limite atingido) ‐ Rápida
Nucleação e propagação
Efeitos Superficiais:
Rugosidade da superfície;
Variações  na resistência à 
fadiga na superfície 
(tratamentos superficiais);
Variações na tensão residual da 
superfície. 
Tensão Média:
Quanto maior o valor médio 
da tensão, menor é a vida
Fatores de Projeto:
Qualquer marca ou 
descontinuidade geométrica 
pode agir como um concentrador 
de tensões e como ponto 
potencial de inicio de uma trinca 
de fadiga (furos,rasgos de chaveta, 
etc.)
Ambiente:
Ataque químico (Fadiga por 
Corrosão). 
Tratamentos superficiais:
Jateamento – Mecânico
Nitretação Tratamentos
Cementação                            Térmicos  
(endurecimento)
Fluência
 Fluência é a deformação plástica
que ocorre emmateriais sujeitos
a tensões constantes, a 
temperaturas elevadas.
 Turbinas de jatos, geradores a 
vapor.
 É muitas vezes o fator
limitante na vida útil da peça.
 Se torna importante, para 
metais a temperaturas de 
0,4Tf
Carga constante
Forno

Tempo
Primária
Terciária
Secundária
Deformação instantânea
(elástica)
Na região primária o material 
encrua, tornando‐se mais
rígido, e a taxa de crescimento
da deformação com o tempo 
diminui.
Na região secundária a taxa de 
crescimento é constante
(estado estacionário), devido a 
uma competição entre 
encruamento e recuperação.
Na região terciária ocorre uma
aceleração da deformação
causada por mudanças
microestruturais tais como
rompimento das fronteiras de 
grão.
vida de ruptura
 As curvas de fluência variam em função da temperatura de 
trabalho e da tensão aplicada.
 A taxa de estado estacionário aumenta

Tempo
Temperatura aumentando Tensão aumentando
Tempo
 Relação entre  e taxa de fluência estacionária
onde K1 e n são
constantes do material
nK  1
 lnlnln 1 nK 
Taxa de fluência estacionária (%/1000 h)
Tensão
(M
P
a)