Aula 07 - Fratura por Fadiga

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Prof. Rodolfo Cardoso Buontempo
Aula 7 – Fratura por Fadiga
Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais (William D. Callister Jr)
(cap. 09, págs. 235 – 246).
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FADIGA é o processo de alteração estrutural progressivo,
localizado e permanente que ocorre em um material
submetido a condições que produzem variações de tensões
e/ou deformações em um ou mais pontos do material e que
podem culminar em trincas ou fratura completa após um
número suficiente de flutuações (ou ciclos) de
carregamento.
(ASTM E1823-96, Standard Terminology - Relating to Fatigue and Fracture Testing. 1996, p.1030)
As fraturas por fadiga representam aproximadamente 90%
das falhas em serviço relacionadas com causas mecânicas.
FRATURA por FADIGA
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Anderson, recentemente descreveu os clássicos acidentes
ocorridos nos últimos 200 anos:
As fraturas frágeis ocorridas nos navios Liberty em 1940,
foram fabricados 2700 navios, sendo:
• 400 apresentaram falhas estruturais;
• 90 destas foram falhas estruturais graves;
• Mais de 10 navios se partiram ao meio.
FRATURA por FADIGA
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Aviões Comet : G-ALYP/6003 – 10 de Janeiro de 1954 
Falha ocorrida a 25.000 ft
1290 vôos
Total de horas de vôo: 3681 horas.
Fratura Frágil
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Causa da falha
INVESTIGAÇÃO
Reconstrução da aeronave e
testes cíclicos de pressão
Fratura Frágil
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ALOHA AIRLINES, Vôo 243 
BOEING 737-200, N7371I, 
NEAR MAUI, HAWAII
28 de ABRIL 1988
“..a 24,000ft, os pilotos escutaram um estrondo seguido
de barulho de vento atrás deles. O comandante avistou
o céu azul sobre o teto da primeira classe..”
Avião muito antigo
19 anos de vida
Os requisitos de 
inspeção de 
segurança haviam 
sido checados
Fratura Frágil
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• Tanque de Melado, Boston, 1910
• Titanic, 1912
• Navios Classe Liberty (1940’s)
• Fratura em um tanque de estocagem de gás natural em Cleveland,
1944: 128 mortes, destruição de 79 casas, 2 fábricas e 217
carros.
• Aviões Comet (1950’s)
• Aviões F111(1969)
• Petroleiro Kurdistan (1979)
• Challenger (1986)
• Gasoduto doAlaska
• Boeing 737, Hawaii (1988)
Acidentes Históricos
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Por que o componente falhou?
Que tipo de falha aconteceu?
Falha nos componentes mecânicos:
• projeto inapropriado;
• processos de fabricação inadequados;
• manutenção imprópria e/ou insuficiente;
• tensões em serviço acima das esperadas;
• fragilização durante a operação;
• fadiga.
Fratura
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Implica no rompimento das ligações metálicas entre os
átomos da rede cristalina do material;
Do ponto de vista macroscópico
• Fratura Frágil;
• Fratura Dúctil;
• Fratura por Fadiga.
Fratura em Metais
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Fonte Frágil
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Fratura Dúctil
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É comum ocorrer em estruturas como pontes, aviões,
componentes de máquinas;
A falha por fadiga é geralmente de natureza frágil mesmo
em materiais dúcteis;
A falha pode ser considerada como qualquer evento pela
qual o material ou componente sofra alterações do seu
comportamento inicial fazendo com que sua função seja
perdida. “Metals Handbook”;
A trinca inicia-se em pontos onde há imperfeição estrutural
ou de composição e/ou de alta concentração de tensões
(que ocorre geralmente na superfície).
Fratura por Fadiga
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Como ocorre o desenvolvimento progressivo de uma trinca?
Sob influência de aplicações repetidas de tensões de baixa
intensidade.
Fadiga.
Tração: esforço estático  a peça ou os corpos-de-prova não
rompem antes do LR;
Fadiga: esforço dinâmico / alternado  a ruptura ocorre antes
do LE.
Ensaios: Tração X Fadiga
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Para que ocorra o fenômeno da fadiga, são necessários
simultaneamente:
• Carregamentos cíclicos (ou variáveis);
• Deformações plásticas (macro ou microscópicas);
• Tensões normais de tração durante o carregamento
cíclico.
Fadiga
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+
0
-
Amplitude: metade do
intervalo das tensões.
Média entre as
tensões máximas e
mínimas no ciclo.
Fadiga – Definições
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R 

m i n .

m á x .
Razão entre as amplitudes
das tensões mínimas e
máximas.
i máx. min.
Intervalo é simplesmente a
diferença entre as tensões
máximas e mínimas.
i
Fadiga – Definições
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Ciclos regulares de tensão
a) Tensão reversa (alternadas)
b) Tensão repetida (campo 
tração / compressão)
Ciclos irregulares
Raramenteusados em ensaios,
porém são comuns na prática
DEFINIÇÕES SIMBOLOGIAS
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Consiste na aplicação de uma carga cíclica em um corpo-de-
prova ou componente. É muito utilizado pela indústria
mecânica, principalmente a automobilística e pela indústria
aeronáutica,
Existindo desde de ensaios em pequenos componentes até em
estruturas complexas como longarinas e asas de aviões.
Posibilita a obtenção de dados qualitativos relativos às
características de um material ou componente ao suportar, por
longos períodos, sem se romper, cargas repetitivas ou cíclicas.
Ensaio de Fadiga
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Os equipamentos para ensaio de fadiga normalmente simulam os
seguintes esforços:
- Tração / compressão
- Tensão rotativa
- Flexão
Obs.: Todos interrompem o ensaio quando ocorre fratura dos
corpos-de-prova.
Ensaio de Fadiga
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Ensaio de Fadiga
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Alumínio / Cobre / Magnésio
Fratura
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Características da falha por fadiga (marcas de praia):
Aspecto macroscópico geralmente é frágil;
O processo de fratura deixa marcas característica na superfície;
A fratura final poderá ter aspecto dúctil ou frágil.
Fratura por Fadiga
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Fratura por Fadiga
MARCAS DE 
CATRACA
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As setas indicam os pontos de nucleação de trincas de fadiga na seção
transversal de um garfo de empilhadeira, onde observam-se marcas de praia
Fratura por Fadiga
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Esforços
cíclicos
Surgimento de trincas dominantes
(a crescimento e coalescimento
de trincas microscópicas)
Crescimento estável 
das trincas dominantes INSTABILIDADE
Mudanças 
microestruturais
Defeitos 
permanentes
Trincas 
microscópicas
Iniciação e Propagação
Trinca Por Fadiga
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Amplitude X Fadiga
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Tensão Média X Fadiga
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Geometria X Fadiga
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Quanto maior for a rugosidade, menor o limite de fadiga
Vida em fadiga do aço 3130 testado sob m = 0 e a = 95.000 psi
Acabamento Rugosidade (µin) Vida média à fadiga (Nf)
Torneado 105 24.000
Parcialmente polido 6 91.000
Polido 5 137.000
Retificado 7 237.000
Retificado e polido 2 234.000
Superfície X Fadiga
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Trativas: perigosas, pois diminuem a vida à fadiga do
componente.
Compressivas: desejadas, pois aumentam a vida do
componente
Processos que induzem tensões residuais compressivas na
superfície dos metais:
Jateamento com granalha de aço, com alta velocidade (shot
peened)
Tratamentos termoquímicos superficiais (ex: cementação)
Tensões residuais X vida à
Fadiga
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Tensões residuais X vida à
Fadiga
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Material Condição LR (MPa) LE (MPa)
Limite de fadiga 
(MPa)
Ligas de Alumínio (limite de fadiga obtido em 5.108 ciclos)
2024 T3 483 345 138
6061 T6 310 276 97
Aços (limite de fadiga obtido em 107 ciclos)
1015 recozido 455 275 240
1015 TF=60% 710 605 350
1040 recozido 670 405 345
4340 recozido 745 475 340
4340
T/R (204oC) 1950 1640 480
4340 T/R (538oC) 1260 1170 670
Limite de fadiga para alguns
materiais
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Um ensaio de fadiga foi conduzido onde a tensão média
era de 50MPa e a amplitude da tensão era de 225MPa.
a) Calcule os níveis de tensão máximo e mínimo;
b) Calcule a razão de tensão;
c) Calcule a magnitude do intervalo de tensões.
Exercício 1
R 
 m i n .
 m á x .
i máx. min.
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Um bastão cilíndrico com diâmetro de 8,0mm fabricado a
partir de latão vermelho, está sujeito a um ciclo de
carregamento alternado de tração e compressão ao longo
do seu eixo. Para cargas máximas de tração (+7500N) e
compressão (–7500N), determine sua vida em fadiga.
Suponha que a tensão plotada na figura abaixo seja a
amplitude de tensão.
Exercício 2
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Exercício 2
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Três corpos-de-prova de fadiga, idênticos, representados
por A, B e C, são fabricados a partir de uma liga não
ferrosa. Cada um está sujeito a um dos ciclos de tensão
máxima-mínima listados abaixo; as freqüências são as
mesmas para todos os três ensaios.
Corpo-de-prova máx [MPa] mín [MPa]
A +450 -350
B +400 -300
C +340 -340
Exercício 3
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a) Classificar as durações das vidas em fadiga desses
três corpos-de-prova em ordem decrescente, da
mais longa para a mais curta.
b) A seguir justificar essa classificação usando um
gráfico esquemático -N
i máx. min.
Exercício 3
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Para os dados de fadiga para uma liga de latão da
tabela abaixo, determine:
a) Faça um gráfico -N (amplitude da tensão em função
do logaritmo do número de ciclos até a fratura)
utilizando os dados da tabela.
b) Determine a resistência à fadiga para 5.105 ciclos.
(260MPa)
c) Determine a vida em fadiga para 200MPa. (3.106)
Exercício 5
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Amplitude de tensão [MPa] Ciclos até a fratura
310 2.105
223 1.106
191 3.106
168 1.107
153 3.107
143 1.108
134 3.108
127 1.109
Exercício 5
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Anderson T.L. Fracture Mechanics - Fundaments and Aplications,
2nd Edition, Ed. CRC
Dowling,N.E. - Mechanical Behavior of Materials – Engineering
Methods for Deformation, Fracture and Fatigue, Prentice Hall,
1998
Hertzberger, R.W – deformation and Fracture Mechanics of
Engineering Materials, 3rd Edition, 1989PLT - 69 - Callister, W.D.
Materials Science and Engineering - An Introduction, 5ft edition,
2000
ASM Handbook - Failure and Analysis Prevention, vol. 11, 2002
Bibliografia Consultada