Biyolojik Sinir Ağları

Em um ensaio de fadiga, é quase universalmente aceito que as fraturas de fadiga se iniciam na superfície do corpo de provas. Além disso, as fraturas de fadiga começam como trincas microscópicas e, então, são muito sensíveis mesmo a pequenas concentrações de tensão. (CHAWLA, 1982).

É significativo o fato de que fratura de fadiga ter sido observada em ensaios realizados na temperatura de 4K. A essa temperatura, extremamente baixa, a energia térmica não pode contribuir apreciavelmente para o mecanismo de fratura de fadiga. Pode-se então concluir que é possível haver fratura de fadiga sem ativação térmica, o que significa que, embora processos de difusão possam estar envolvidos em alguns casos, não são necessários para a formação de trincas de fadiga. (CHAWLA, 1982).

O escorregamento e a maclação são processos de deformação plástica capazes de ocorrer sem ativação térmica, e, assim, presume-se que estejam bastante envolvidos nos mecanismos de falha por fadiga. Como as falhas por fadiga são provocadas pela presença de concentradores de tensão, o estudo dos mecanismos de fadiga é mais bem conduzido em metais ou ligas que possuam um mínimo de inclusões não-metálicas.

2.5.3.1 Nucleação:

Ocorre em pontos que são consequência de concentradores de tensões, localizados superficialmente ou sub-superficialmente, ou ainda, a pequenas profundidades da peça submetida à fadiga; de um modo geral fica nas regiões de esforços acentuados, a exemplo de regiões afastadas da chamada “fibra neutra” (região da peça onde a tensão normal transita em tração/compressão). Estes pontos concentradores podem ser riscos, amassamentos, gradientes

de secção, gradientes de concentração mássica (como inclusão, pontos de corrosão, etc.), micro trincas. Tais concentradores de tensões podem ter sido introduzidos durante a fabricação, o uso ou a manutenção das peças e componentes das máquinas.

2.5.3.2 Propagação da Trinca

As trincas de fadiga são produzidas por microdeformações plásticas, em que pese a aparência frágil. A solicitação cíclica, onde a tensão máxima, mesmo não atingindo a tensão de escoamento, tem a tendência de produzir continuamente a deformação plástica, tendência esta mais acentuada com a elevação da frequência, que impede o relaxamento das tensões entre os entes constitutivos da matéria (átomos, moléculas, cristais, grãos). O escoamento não é habitual nos materiais cerâmicos, em temperaturas ambiente, portanto, em se tratando de cerâmicos, é válido afirmar que a fratura é tipicamente frágil.

Após as trincas atravessarem alguns grãos, o que pode demorar alguns milhares ou milhões de ciclos, dependendo da amplitude da tensão, verifica-se uma alteração na direção de penetração, e as trincas passam acrescer perpendicularmente ao eixo principal da tração. O avanço é agora muito mais rápido e origina as características estrias de fadiga.

Em cada meio ciclo de tensão aplicado correspondente à tração, as faces da trinca são afastadas uma da outra por rasgamento plástico do material na raiz da trinca. Durante o meio ciclo compressivo, as faces são novamente apertadas, uma contra a outra, acontecendo o mesmo na região rasgada plasticamente. O processo repete-se do mesmo modo no ciclo seguinte à tensão, com a diferença de que agora a trinca é ligeiramente mais longa que anteriormente, porque a região rasgada plasticamente passou a fazer parte da superfície da trinca.

2.5.3.3 Colapso

Uma vez continuando com a tensão cíclica, a trinca cresce. Como a seção resistente do material da peça ou componente diminui, consequentemente, a tensão aumenta na seção até que ocorra a ruptura final, em condições de crescimento instável da trinca.

As superfícies de fratura por fadiga tendem a ser macroscopicamente planas e apresentam duas aparências distintas. A superfície polida é devida ao atrito entre as superfícies da trinca conforme a peça ou componente é deformado devido às solicitações alternadas ou flutuantes. Na região de ruptura instável a superfície apresenta uma aparência grosseira e irregular, pois já não existe o atrito.

A curva correspondente, de modo habitual, é plotada no plano cartesiano, com utilização de uma escala “log x log”, que é o método de estruturar e apresentar os dados obtidos experimentalmente de um material imposto a ensaios de fadiga, método este chamado de curvas “σ x N”, ou curvas de Wöhler (em muitas publicações autores utilizam a terminologia curva “S-N”).

Outra representação dos resultados de fadiga cíclica são as curvas das taxas de crescimento de trincas por fadiga. A presença da trinca pode ser representada pela taxa de crescimento de trinca média durante um ciclo, segundo a equação:

T a

V_méd=Δ (2.19)

sendo “T” o período de carregamento, “Δa” o aumento de extensão da trinca; ou, ainda, como a extensão da trinca em um ciclo, comumente indicada como “da/dN”.

O gráfico usual dos resultados de crescimento de trinca é “(da/dN) versus (ΔKI)”, em

uma escala “log-log”. Algumas vezes “da/dN” é substituído por “Vméd”, e “ΔKI” por “KImin”

ou “KImáx”, ao se aplicar as relações entre as grandeza da trinca (MUNZ & FETT, 1998).

O comportamento esquemático da curva “log V vs log KI” (Curva de velocidade de

crescimento da trinca) é mostrado na Figura 2.31. Nesse gráfico podem ser observadas três regiões entre KI0 (valor limite abaixo do qual, não ocorre crescimento da trinca) e a

tenacidade à fratura (KIC). Na região I, a velocidade do crescimento da trinca pode ser descrita

pela Equação 2.20: n I

K

A

v =

Nessa região, o crescimento da trinca é regido pela velocidade das atividades físico-químicas (adsorção, difusão) na ponta da trinca.

Figura 2.31 - Representação de uma curva “log V x log KI” (MUNZ e FETT, 1998).

Na região II, a taxa de crescimento da trinca é controlada pelo transporte por difusão, do meio corrosivo. Na região III, a falha resulta de efeitos simultâneos, corrosivos e mecânicos (EVANS-1972).

2.5.4 Curva “σ - N”

A Figura 2.32, mostra como são as curvas características de fadiga para metais ferrosos e não ferrosos, quando sujeitos a ensaios de flexão rotativa. Observando esta figura, verifica- se que, para níveis de tensões baixos, aumenta o número de ciclos que um metal suporta até a falha. O limite de fadiga será o valor da tensão normal correspondente a “dσ/dN = zero”, onde, supostamente, o corpo de provas assumiria vida infinita para um valor máximo de tensão normal.

Figura 2.32 - Forma típica de curva “Tensão crítica vs Número de ciclos até o colapso”, “σ x N”(MEYERS, 1982).

É considerada vida infinita para os materiais ferrosos como sendo N ≥ 107 ciclos. A grande maioria dos materiais não ferrosos não apresenta um limite horizontal. As propriedades de fadiga dos materiais não ferrosos normalmente são caracterizadas fornecendo a resistência à fadiga para um valor de N, da ordem de 107 ciclos.

Esta representação, denominada curva de Wöhler, é a utilização clássica dos resultados de fadiga em que os valores dos números de ciclos até a fratura são traçados em função das tensões aplicadas. O procedimento utilizado na construção de curva “σ x N” é ensaiar o corpo de prova com um valor de tensão alta “σmáx”, onde se espera que a fratura do corpo de prova

ocorra para um número baixo de ciclos “N”. Em seguida, diminui-se progressivamente o valor da tensão até que não ocorra mais a fratura do corpo de prova, onde, teoricamente para valores abaixo desta tensão, o material teria vida infinita.

Em se tratando do estudo de fadiga, observa-se que há uma dispersão acentuada nos resultados obtidos nos ensaios, daí a necessidade de repetir várias vezes o ensaio para um mesmo nível de tensão. A curva de Wöhler representada na forma σ = f (log N) é a mais comum e mais utilizada em engenharia.