Estudo de Fadiga nos Metais - Seminário Metalurgia Mecânica

Prévia do material em texto

Fadiga em Metais 
Metalurgia Mecânica - 2017 
Análise experimental do 
comportamento em fadiga dos fios 
superelásticos de ligas com memória 
de forma Ni-Ti em flexão simples 
alternada
 M. S. O. Araújo, P. C. S. Sales, O. B. Melo, C. J. de Araújo
Revista Eletrônica de Materiais e Processos
Grupo 9
Ana Paula Nogueira Alves - 92181
Gabriela Malaspina - 92232 
Leonardo da Silva Vieira - 92265 
Lina Dayse Alcantara Rodrigues - 93939 
Thaís Ayumi Fukuda Cursino - 93949
Profª. Drª. Danieli Reis
Introdução 
Falha em materiais
Falha em materiais: um dos assuntos de maior estudo em engenharia 
de materiais.
Prevenção: 
❖ Projeto de seleção de materiais eficaz;
❖ Melhorias no processamento dos materiais;
❖ Obtenção de designs adequados de componentes mecânicos.
Fadiga
Causa mais comum de falha: fadiga;
Catastrófica e repentina;
Ocorre em estruturas sob tensões dinâmicas e 
oscilatórias na forma axial, por flexão ou torção, 
mesmo abaixo da tensão de escoamento;
Figura 1
Gráficos S-N
Propriedades em fadiga: podem ser obtidos 
em um equipamento representado ao lado;
Exemplo de gráfico feito com os dados 
obtidos:
Informações importantes: 
◎ vida em fadiga;
◎ limite de resistência à fadiga.
Limite Resistência à Fadiga
Materiais com limite de resistência à fadiga:
Aço e titânio: definido.
Metais não ferrosos: não definido.
Fadiga de Alto e Baixo ciclo;
Fadiga de baixo ciclo: até 104 - 105 ciclos;
Figura : Curvas SN de fadiga típicas para metais ferrosos e 
não-ferrosos.
Estágios da fadiga
● I Nucleação da trinca;
● II Propagação;
● III Falha final.
Resultado:
Microscópico: estrias;
Macroscópico: marcas de praia.
Taxa de Propagação da Trinca por Fadiga
Representação esquemática do 
comportamento da trinca de fadiga em 
meio não agressivo.
Fonte: W. G. Clark Jr., Met. Eng. Q., vol 
14, 17, agosto de 1974; copyright de 
American Societty for Metals, Dieter, 
George, Metalurgia Mecânica, pg 359.
Curva de Propagação da Trinca por Fadiga
Ciclo de vida de um componente em fadiga
Liga Ni-Ti (Nitinol): Propriedades 
Engenheiro Metalúrgico 
William Buehler 
1960 
Efeito Memória de Forma 
Fenômeno da Superelasticidade
Alta Resistência à Corrosão 
Alta Resistência à Fadiga 
Excelente Biocompatibilidade 
Excelentes Propriedades Mecânicas 
Excelentes Propriedades Elétricas 
*Setores: naval, nuclear, automobilístico, aeronáutico, robótico, de 
utilidades domésticas e médica-odontológica
Liga Ni-Ti (Nitinol): Aplicações 
Conectores Eletrônicos Armações para Óculos
Junção de Tubos Stents
Fios Ortodônticos
Efeito Memória de Forma (LMF) 
Transformação de fases 
induzida por tensão 
A partir da fase 
austenítica
Deformações de até 8%
Fenômeno da Superlasticidade (SE) 
Curva tensão-deformação típica do 
aço inoxidável e da liga Ni-Ti
Fios ortodônticos Solicitações térmicas e/ou mecânicas 
Fadiga funcional 
Fadiga estrutural 
Fadiga + Liga Ni-Ti (Nitinol)
Degradação das propriedades 
funcionais: EMF e SE
Danos microestruturais 
e números de ciclo até a falha 
OBJETIVOS
Analisar o comportamento 
em fadiga de fios 
superelásticos de LMF Ni-Ti 
em estado austenítico 
Seção transversal 
circular e retangular 
Ensaios dinâmicos 
mecânicos em modo de 
flexão simples -> 
equipamento de DMA 
* LMF: Liga com Memória de Forma 
* DMA: equipamento de análise dinâmico mecânica 
Materiais e métodos
Caracterização pré-fadiga: MEV
Microscópio 
Eletrônico de 
Varredura 
Modelo Vega 3 
Marca Tescan 
Conhecer a qualidade 
superficial dos fios;
Verificar presença de 
defeitos 
Vega 3
Caracterização pré-fadiga: DSC
Fonte:https://www.netzsch-thermal-analysis.com/pt/landing
-pages/principio-funcional-de-um-fluxo-de-calor-dsc/
Análise de 
transformação de 
fase e entalpia 
Calorímetro DSC, 
modelo Q20 - TA 
Instruments
Caracterização pré-fadiga: Ensaio de tração
● Ensaio de tração estático;
● Objetivo: conhecer os níveis de deformação no estudo da fadiga;
● Máquina de ensaios eletrodinâmica, modelo Electropuls E10000 - 
Instron;
● Célula de carga = 10kN;
● ASTM F2516-14;
● Fios com 30 mm de comprimento;
● Temperatura de ensaio = 25±2ºC.
Fadiga Mecânica: análise dinâmica no DMA
Imagem esquemática do aparelho DMA Equipamento de DMA
Caracterização pós-fadiga: MEV
Microscópio 
Eletrônico de 
Varredura 
Modelo Vega 3 
Marca Tescan Identificar o modo de fratura 
Vega 3
Resultados e discussão
Seção circular Aumento de (a) 200X e (b) 3000X
Seção retangular 
Caracterização pré-fadiga: MEV
Aumento de (c) 200X e 
(d) 3000X
Caracterização pré-fadiga: DSC
Fios 
Ni-Ti
H(J/g)
Resfriamento
H(J/g) 
Aquecimento
Ht (°C) 
(Ap-Rp)
Seção 
Circular 2,5 1,7 5,2
Seção 
Retangular 3,1 3,0 4,6
Caracterização pré-fadiga: Ensaio de tração
Fio de seção circular Fio de seção retangular
Fadiga Mecânica
Comportamento dos fios Ni-Ti durante ensaios de fadiga com amplitudes de 0,7; 1,0; 1,3 e 1,6%, 
sendo os fios de seção transversal (a) circular e (b) retangular.
Fonte: ARAÚJO, 2016.
Fadiga Mecânica
Curvas de Wöhler para amplitudes de 0,7; 1,0; 1,3 e 1,6% e frequência de 1Hz.
Fonte: ARAÚJO, 2016.
Caracterização pós-fadiga
Após ruptura, as superfícies de fratura dos fios de LMF Ni-Ti foram 
analisados em Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). As imagens 
foram capturadas com aumentos de 250x e 1000x para melhor avaliar 
a superfície do material no estado de pós-fadiga.
Caracterização pós-fadiga
Detalhamento das superfícies de fratura dos fios Ni-Ti de seção transversal circular. Amplitude de deformação de (a)1,0% 
(22080 ciclos); (b) 1,3% (18300 ciclos); (c) 1,6% (7920 ciclos).
Caracterização pós-fadiga
Detalhamento das superfícies de fratura dos fios Ni-Ti de seção transversal retangular. Amplitude de deformação de (a) 1,0% (9960 ciclos); 
(b) 1,3% (5640 ciclos); (c) 1,6% (6480 ciclos).
Caracterização pós-fadiga
250x
Amplitude de 
deformação de 
(a)1,0% (22080 
ciclos)
Caracterização pós-fadiga
Região I: Ångströns/ciclo;
Região II: Mícrons/ciclo;
Presença de estrias: trinca e ciclo de tensão.
Fratura:
Região lisa (I e II): desenvolvimento lento, gradual e 
progressivo;
Região áspera (III): falha rápida.
https://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%85ngstr%C3%B6m
Caracterização pós-fadiga
Detalhamento das superfícies de fratura dos fios Ni-Ti de seção transversal circular. Amplitude de deformação de (a)1,0% 
(22080 ciclos); (b) 1,3% (18300 ciclos); (c) 1,6% (7920 ciclos).
Caracterização pós-fadiga
Detalhamento das superfícies de fratura dos fios Ni-Ti de seção transversal circular. Amplitude de deformação de (a)1,0% 
(22080 ciclos); (b) 1,3% (18300 ciclos); (c) 1,6% (7920 ciclos).
Caracterização pós-fadiga
1000x Detalhamento das superfícies de fratura dos fios Ni-Ti de seção transversal circular. Amplitude de 
deformação de (a)1,0% (22080 ciclos); (b) 1,3% (18300 ciclos); (c) 1,6% (7920 ciclos).
Conclusão Caracterização pós-fadiga
❏ Retangular: maior região de fraturas frágeis
❏ Motivo: Geometria da ferramenta utilizada para trefilação dos fios 
retangulares induziu maior quantidade de defeitos reduzindo a 
vida em fadiga
❏ Circular e Retangular: Apresentaram superfícies de fratura 
semelhantes
Obrigado!
Perguntas?