Qual é o efeito da temperatura, do nível de tensões e da freqüência (ciclo) de solicitação na vida em fadiga?
Passo 1
O enunciado pergunta qual é o efeito de três variáveis — temperatura, nível de tensões e frequência de solicitação — sobre a vida em fadiga de um componente. Vamos recorrer à teoria de fadiga (curvas
–
, mecanismos de iniciação e propagação de trinca, interações com ambiente e temperatura) para avaliar cada fator.
Passo 2
A temperatura interfere na fadiga de duas formas principais. Primeiro, o aumento de temperatura tende a reduzir a resistência mecânica do material (módulo de elasticidade menor, limites de escoamento e de resistência caem), deslocando a curva
–
para baixo e eliminando, em muitos materiais, o “limite de fadiga” devida a mecanismos termo-mecânicos (creep-fadiga). Segundo, em temperaturas elevadas o ataque químico (oxidação) e os efeitos de fluência aceleram a nucleação e o crescimento de trincas, reduzindo ainda mais o número de ciclos até a fratura.
Passo 3
O nível de tensões é o fator dominante na vida em fadiga. Quanto maior a amplitude de tensão
, menor o número de ciclos à fratura. Empiricamente, para regimes de alta ciclagem, a relação de Basquin captura essa dependência:
onde
e
são constantes do material e
o número de ciclos até a falha. Tensões de média ou superior amplitude aceleram a iniciação de trincas e aumentam a velocidade de propagação do chamado “mecanismo de Paris”, reduzindo drasticamente a vida em fadiga. Se
fica abaixo do limite de fadiga (em materiais que o possuem), pode ocorrer vida infinita em ciclos.
Passo 4
A frequência de solicitação
(ou taxa de ciclagem) afeta a fadiga indiretamente. Em um meio inerte e temperatura constante, o efeito direto de
sobre o número de ciclos é pequeno: a curva
–
é, em primeira aproximação, independente da frequência. Porém, em altas frequências há aquecimento adiabático local que pode elevar a temperatura do componente e reduzir a vida. Em frequências muito baixas, há mais tempo para reações ambientais (corrosão-fadiga) atacarem a superfície, também diminuindo a resistência ao dano. Em fadiga termo-mecânica, a frequência define o gradiente térmico e o ciclo térmico, condicionando a atuação de mecanismos de creep e fadiga térmica.
Resposta
A temperatura elevada reduz a vida em fadiga ao baixar propriedades mecânicas e acelerar creep-fadiga e oxidação; o aumento do nível de tensões diminui fortemente o número de ciclos segundo a lei de Basquin e acelera a propagação de trincas; a frequência de solicitação tem efeito indireto via aquecimento adiabático em altas taxas e via corrosão-fadiga em baixas taxas, mas sem alterar significativamente a curva
–
em condições ideais.