1 - Tipos de Carregamentos

CARGAS VARIÁVEIS E VIDA À FADIGA

         Carregamento variável no tempo: Na prática da engenharia moderna, cargas repetitivas, cargas variáveis e cargas rapidamente aplicadas são de longe mais comuns do que as cargas estáticas ou quase estáticas. Além disso, a maior parte das condições de projeto em engenharia envolve peças de máquinas sujeitas a cargas variáveis ou cíclicas. (2).

Na situação da vida real, elementos mecânicos não são carregados apenas estaticamente, mas eles também são carregados de tal forma, que as tensões nos elementos podem variar, desde um valor máximo, para um valor mínimo, durante o número infinito de ciclos.

Um amortecedor de um carro é um exemplo típico em que as molas são carregadas ciclicamente como o carro é conduzido através de uma estrada de terra que tem vários buracos. As molas são repetidamente carregadas por forças que são num momento um valor máximo e no outro momento um valor mínimo.

O mesmo pode ser dito de um eixo de rotação que passa por momentos de flexão. O efeito disso é que ao mesmo tempo algumas fibras sofrerão estresse de compressão e em outras vezes elas experimentam tração. Esta variação entre tensões de compressão e de tração pode ser repetida várias vezes dentro de um minuto, dependendo da velocidade de rotação.

Tensões desta natureza são conhecidas como tensões flutuantes e resultam em falha de componentes mecânicos em modo de falha por fadiga.

Em ruptura por fadiga, dez milhões ou 107 ciclos são referidos como uma vida infinita. O que isto significa é que, se um eixo gira dez milhões de vezes, então se assume que ele tenha atingido a sua vida útil.

Modo de falha por fadiga é muito perigoso para peças mecânicas, porque a tensão necessária para fazer com que falhe, é normalmente inferior a resistência à tração e a resistência à deformação do material.

O engenheiro deve estar familiarizado com este tipo de modo de falha, porque devem ser tomados os cuidados para desenhar peças de máquina que sejam resistentes á este modo de falha.

O fator de concentração de tensão está associado com a falha por fadiga. Uma pequena fenda ou trinca desenvolvidas em uma lâmina de turbina é perigosa e pode na verdade causar uma falha grave. Isto porque uma pequena rachadura pode se propagar facilmente sob tensões flutuantes e pode muito facilmente levar a uma falha catastrófica do motor.

DEFINIÇÃO: Fadiga é um processo de degradação das propriedades mecânicas de um material que se caracteriza pelo crescimento lento de uma ou mais trincas sob a ação de carregamento dinâmico, levando eventualmente à fratura. (3).

O início da história do estudo da fadiga como a conhecemos hoje em dia, ocorreu com os trabalhos de A. Wöhler. Ele propôs em 1860 três leis, que até hoje são relevantes:

I – Um material pode ser induzido a falhar pela múltipla repetição de tensões, que isoladamente são menores que a da resistência estática (ou seja, dos limites de escoamento e de resistência).

II – A amplitude de tensão é decisiva para a destruição da coesão do metal.

III – A tensão máxima influencia apenas no sentido de que quanto maior ela for, menores são as amplitudes de tensão que levam à falha (ou seja, um aumento da tensão média reduz a resistência à fadiga do material para uma dada amplitude de tensão). (3)

Uma das principais contribuições de Wöhler para a compreensão da fadiga foi na introdução das chamadas curvas S-N (ou também, curvas S-N ou ainda curvas de Wöhler). Vide figura a seguir.

A curva S-N pode ser dividida em três regiões: (3)

I - Para amplitudes de tensão próximas ao valor da resistência estática (ou seja, do limite de resistência) a curva apresenta um patamar de saturação, ou seja, se a falha não ocorre no primeiro ciclo é provável que ela venha a ocorrer apenas muito mais tarde (por exemplo, após 100 ciclos).

II - Para amplitudes de tensão intermediárias há um aumento da resistência à fadiga com a diminuição da amplitude de tensão. Este é o domínio usual de trabalho da maioria dos materiais.

III - Para amplitudes de tensão menores que um dado valor mínimo (conhecido como limite de fadiga, σL OU Se) a fratura passa a ocorrer num valor virtualmente infinito de ciclos.

Em inglês o limite de fadiga também é referido como endurance limit. O limite de fadiga (σL) existe necessariamente para todos os materiais, mas em alguns casos o trecho horizontal da curva S-N pode se estabilizar em um nível de amplitude de tensão correspondente a um número muito elevado de ciclos, o que inviabiliza sua determinação experimental.

O diagrama S-N ou curva de Wöhler é mostrado na figura a seguir de maneira simplificada e esquemática com seus principais detalhes característicos.