Danos por fadiga ocorrem em estruturas e componentes mecânicos submetidos a cargas cíclicas durante operações de serviço, que resultam na nucleação e propagação de trincas. Consequentemente, estudos e pesquisas na área de fadiga são de grande relevância para a indústria, visando compreender a complexidade dos carregamentos cíclicos, os mecanismos de danos nos materiais, a resistência à fadiga de materiais e a eficiência de modelos de previsão da vida-fadiga de componentes e estruturas, entre outros.
Todos estes estudos e pesquisas têm como objetivo evitar fraturas catastróficas ou sucateamentos prematuros, através de projetos que contemplem uma vida infinita em serviço ou que permitam a aplicação da tolerância ao dano, metodologia que se baseia na propagação controlada de trincas (falha controlada), favorecendo ações programadas de reparos [1,2].
A curva de Wöhler (ou stress–number of cycles, S-N) é largamente utilizada na caracterização da vida-fadiga de materiais estruturais [1]. Em ensaios convencionais, a curva S-N é limitada a 107 ciclos, associada com os regimes de fadiga de baixo ciclo (low cycle fatigue, LCF), até 104 ciclos, e fadiga de alto ciclo (high cycle fatigue, HCF), entre 105 – 107 ciclos. No regime de HCF, normalmente entre 106 e 107 ciclos, se encontra o limite de fadiga (LF) convencional do material, equivalente a 35% do seu limite de resistência mecânica. Para fins de projeto, componentes e estruturas submetidos a tensões cíclicas abaixo do LF do material apresentam uma vida infinita em fadiga [3].
Em função do desenvolvimento tecnológico, a vida-fadiga de inúmeros componentes mecânicos e estruturais pode ultrapassar a fronteira de 107 ciclos de carregamento [4]. Com isto, a avaliação da vida-fadiga de materiais submetidos a longos ou ultralongos regimes de carregamentos cíclicos tornou-se de extrema importância em projetos que contemplem 108 – 1012 ciclos de solicitação, criando o conceito de fadiga de altíssimo ciclo. No entanto, os critérios de fadiga usualmente adotados nas normas de projeto são desenvolvidos com base na vida-fadiga de 106 – 107 ciclos, muito abaixo do número de ciclos caraterístico da super longa vida em fadiga. Neste contexto, a fadiga de altíssimo ciclo assumiu destaque por ter estabelecido que o LF não existe em muitos casos, apesar de ser considerado como parâmetro da vida infinita em projetos mecânicos e estruturais. Estudos precursores [5-8] evidenciaram o fato de que a maioria dos materiais, incluindo ligas ferrosas, apresentam falhas em até 109 ciclos de carregamento, após apresentarem um LF que decresce continuamente entre 107 – 109 ciclos. Assim, existe uma crescente compreensão de que um projeto seguro em fadiga, baseado no critério da vida infinita do material, pode ter se tornado inadequado em muitos casos.
Entretanto, ensaios de fadiga no regime de altíssimo ciclo não podem ser realizados em equipamentos convencionais, com frequência entre 100 – 150 Hz, em função da longa duração do teste e consequente alto custo. O problema foi solucionado com o desenvolvimento de equipamentos de frequências ultrassônicas (20 kHz), permitindo atingir 107 – 1010 ciclos em tempos consideravelmente inferiores àqueles dos testes convencionais, como apresentado na Tabela 1.
Tabela 1: Comparativo entre tempos de ensaios convencional e ultrassônico de fadiga [8]
Número de ciclos | Convencional (100 Hz) | Ultrassônico (20 kHz) |
107 | 1 dia | 9 minutos |
109 | 4 meses | 14 horas |
1010 | 3 anos | 6 dias |
Referências
[1] SCHIJVE, J. Fatigue of Structures and Materials. Springer, Amsterdam, 2009.
[2] ZERBST, U. et al. Fitness-for-Service Fracture Assessment of Structures Containing Cracks. Elsevier, Oxford, 2017.
[3] SURESH, S. Fatigue of materials. Cambridge University Press, Cambridge, 1998.
[4] WANG, Q., KHAN, M.K. and BATHIAS, C. Current Understanding of Ultra-High Cycle Fatigue. Theoretical & Applied Mechanics Letters, 2, 2012.
[5] BATHIAS, C., PARIS, P. Gigacycle Fatigue in Mechanical Practice. Academic Press, Cambridge, 2005.
[6] WANG, Q., BERARD, J.Y. and DUBARRE, A. Gigacycle Fatigue of Ferrous Alloys. Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct. 22(8), 1999.
[7] MURAKAMI, Y., NOMOTO, T. and UEDA, T. On the Mechanism of Fatigue Failure in the Superlong Life Regime. Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct. 23(11), 2000.
[8] KAZYMYROVYCH, V. Very high cycle fatigue of engineering materials – A literature review. Karlstad University Studies, 2009.
[9] PYTTEL, B., SCHWERDT, D., BERGER, C. Very High Cycle Fatigue – Is there a fatigue limit? International Journal of Fatigue, 33(1):49-58, 2011.