Propriedades de Fadiga dos Aços e Curvas S–N

O que descrevem realmente as propriedades de fadiga do aço

A fadiga é um dano progressivo causado por carregamentos repetidos ou variáveis. Um componente de aço pode suportar uma carga estática inferior à sua capacidade à tração e, ainda assim, falhar após milhares, milhões ou milhares de milhões de ciclos. Cada ciclo pode causar apenas um incremento mínimo de plasticidade, escorregamento, crescimento de fissuras ou dano numa superfície, num entalhe, numa inclusão ou no pé de uma soldadura. O efeito acumulado é a falha por fadiga.

Vida à fadiga, resistência à fadiga e definição de falha

A vida à fadiga é o número de ciclos de carregamento associado a um acontecimento definido. Esse acontecimento deve ser especificado, porque “falha” nem sempre significa o mesmo num ensaio de fadiga ou num cálculo de dimensionamento. Alguns ensaios contabilizam os ciclos até à rotura completa. Outros terminam quando uma fissura atinge um comprimento especificado, quando a rigidez diminui uma determinada percentagem ou quando o provete já não consegue suportar a força aplicada.

É útil distinguir três fases:

1. Vida até à iniciação da fissura: ciclos necessários para formar uma fissura com uma dimensão especificada, frequentemente numa superfície ou numa concentração de tensões. 2. Vida até ao crescimento detetável da fissura: ciclos desde essa condição até ao momento em que uma inspeção consegue identificar a fissura de forma fiável, ou até esta atingir um comprimento definido. 3. Vida até à rotura final: ciclos desde a deteção da fissura até à rotura instável ou à perda da capacidade necessária de suportar carga.

Um provete de laboratório polido pode não conter qualquer fissura introduzida deliberadamente, pelo que a vida comunicada pode incluir a iniciação e a propagação. Uma avaliação baseada na mecânica da fratura pode começar com uma falha presumida e calcular apenas a propagação. Esses resultados não são permutáveis.

A resistência à fadiga é o nível de tensão associado a uma vida à fadiga especificada e a um critério de falha. Por exemplo, um ensaio pode comunicar a gama de tensões que produz a falha a ${10}^6$ ciclos. Um limite de resistência à fadiga é uma afirmação mais restrita: trata-se de um nível de tensão abaixo do qual se espera que o provete escolhido não falhe dentro do intervalo de vida ensaiado ou definido. Não constitui automaticamente uma propriedade permanente de todos os componentes fabricados com esse aço.

[1][1] ASTM E466-21: Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials. ASTM International. 2021.

O método tensão–vida exprime a amplitude de tensão ou a gama de tensões em função dos ciclos até à falha, geralmente através de uma lei de potência do tipo Basquin. A Federal Highway Administration descreve as curvas S–N dos aços como gráficos da gama de tensões em função dos ciclos até à falha, em eixos logarítmicos. A ISO 1099:2017 especifica ensaios à temperatura ambiente, de amplitude constante, com força axial controlada e com razões de tensão especificadas. A ASTM E466-21 abrange o carregamento axial de amplitude constante e força controlada de provetes metálicos sem entalhe e entalhados, ao ar e à temperatura ambiente. Estas condições definem o resultado.

A razão de tensão é importante, porque as tensões mínima e máxima afetam a abertura da fissura, a plasticidade e os efeitos da tensão média. Um ciclo entre zero e tração não é equivalente a um ciclo totalmente alternado, mesmo quando a amplitude de tensão é idêntica. A frequência de carregamento, a temperatura, a corrosão e a forma de onda também podem alterar a vida medida.

Porque é que a tensão cíclica é diferente da resistência estática

A tensão de cedência e a resistência à tração descrevem a resistência em determinadas condições de carregamento monotónico. Por si só, não determinam o desempenho à fadiga. Dois aços com tensões de cedência semelhantes podem produzir curvas S–N diferentes devido a diferenças na limpeza, nas inclusões, no tratamento térmico, na estrutura dos grãos, nas tensões residuais, no estado da superfície ou no comportamento de crescimento das fissuras. Inversamente, o aumento da resistência não garante um aumento proporcional da vida à fadiga quando o defeito determinante é o pé de uma soldadura, uma cavidade de corrosão, uma marca de maquinagem ou outro entalhe.

As designações dos graus ilustram esta limitação. O aço ASTM A36, o aço ASTM A572/A572M Grade 50 e a chapa ASTM A514/A514M temperada e revenida apresentam diferentes níveis de resistência especificados e diferentes condições metalúrgicas, mas um detalhe soldado pode ser mais condicionado pelo perfil da soldadura e pelas tensões residuais do que pela tensão de cedência nominal da chapa de base. Numa ligação soldada, a categoria de fadiga está geralmente relacionada com a configuração do detalhe, a geometria da soldadura, a direção da tensão e a localização provável da fissura.

Com números de ciclos baixos e moderados, a deformação plástica cíclica pode dominar, tornando o método deformação–vida mais adequado do que uma curva tensão–vida. Com números de ciclos elevados, a tensão nominal pode permanecer abaixo da tensão de cedência, enquanto a tensão local num entalhe excede a estimativa elástica. A fadiga diz, portanto, respeito ao dano local repetido, e não simplesmente ao facto de a secção global ter cedido uma vez.

O aparente limite de resistência à fadiga também depende do intervalo de ciclos analisado. A revisão de 2019 The gigacycle fatigue strength of steels: a review of structural and operating factors refere que os aços de baixa resistência apresentam frequentemente uma assíntota S–N aproximadamente horizontal, enquanto os aços de alta resistência podem apresentar uma segunda diminuição para além de cerca de ${10}^7$ ciclos. Uma curva que pareça plana até ${10}^7$ ciclos não deve ser automaticamente prolongada até ${10}^9$ ciclos.

Dados do material versus dados do componente e do detalhe

Uma curva S–N de um material constitui um dado de referência para um provete com condições especificadas de processamento, geometria, ambiente, tipo de carregamento, razão de tensão e definição de falha. É uma evidência condicional, não uma constante imutável aplicável a todo um grau de aço. A ASTM E466-21 permite tanto provetes sem entalhe como provetes entalhados, mas as curvas resultantes descrevem as configurações ensaiadas.

Um componente real acrescenta efeitos de dimensão, acabamento superficial, tensões residuais, furos, roscas, cargas de contacto, desalinhamento, concentração local de tensões, temperatura e corrosão. Um provete liso e polido ensaiado ao ar em laboratório não pode ser transferido, sem validação, para um veio corroído, um entalhe maquinado ou um elemento de ligação de uma ponte com um pé de soldadura.

Os dados de dimensionamento são frequentemente específicos do detalhe. O NSC Technical Digest de 2018 do Steel Construction Institute descreve a avaliação da fadiga utilizando curvas para elementos de aço simples, juntas soldadas e acessórios soldados, com o dano acumulado somado linearmente para um determinado detalhe sujeito a um espectro de carregamento especificado. Para detalhes de aço soldado, o manual de fadiga de pontes da AISC posiciona as curvas S–N de dimensionamento dois desvios-padrão abaixo da média logarítmica dos dados de vida à fadiga, o que corresponde a uma sobrevivência de aproximadamente 97,5%. Esse limite inferior estatístico é uma opção de dimensionamento, não uma nova propriedade metalúrgica.

O carregamento de serviço com amplitude variável introduz outra distinção. Um componente pode estar sujeito a algumas gamas de tensão elevadas entre muitos ciclos de menor amplitude, pelo que a sua vida prevista depende do espectro completo e da regra de dano utilizada, geralmente uma avaliação linear do dano acumulado. A questão pertinente não é, portanto, “Qual é o limite de resistência à fadiga deste grau?”, mas sim “Que curva de ensaio ou de dimensionamento representa este detalhe, este historial de carregamento, este ambiente e este critério de falha requerido?”

Como são geradas e interpretadas as curvas S–N

Uma curva S–N descreve a relação entre a tensão cíclica e a vida à fadiga. O “S” pode significar amplitude de tensão, tensão nominal ou intervalo de tensões, enquanto “N” designa o número de ciclos associado a um evento de falha definido. Não se trata de uma propriedade universal do aço. Uma curva corresponde a um provete, uma razão de tensões, um modo de carregamento, uma condição superficial, uma temperatura e um tratamento estatístico especificados.

O método tensão–vida e as relações do tipo Basquin

O método tensão–vida, ou S–N, baseia-se no ensaio de provetes sob carregamento repetido até à sua rotura ou até atingirem uma condição de sobrevivência especificada. No ensaio convencional, uma máquina aplica um carregamento axial de amplitude constante, controlado por força. São ensaiados vários provetes a diferentes níveis de tensão, e cada resultado fornece um ponto que relaciona a tensão aplicada com o número de ciclos até à rotura.

Para uma tensão cíclica que varia entre a tensão máxima ${\sigma }_{\max }$ e a tensão mínima ${\sigma }_{\min }$, o intervalo de tensões é

$$\Delta \sigma ={\sigma }_{\max }-{\sigma }_{\min }$$

A amplitude de tensão corresponde a metade do intervalo:

$${\sigma }_a=\frac{\Delta \sigma }{2}$$

A tensão média é

$${\sigma }_m=\frac{{\sigma }_{\max }+{\sigma }_{\min }}{2}$$

e a razão de tensões é

$$R=\frac{{\sigma }_{\min }}{{\sigma }_{\max }}$$

Estas grandezas descrevem características diferentes do mesmo ciclo. Um ensaio a $R=-1$ apresenta tensão totalmente alternada, com picos de tração e compressão iguais e tensão média nula. Uma razão de tensões positiva indica que ambos os limites podem permanecer em tração. Dois ensaios com o mesmo intervalo de tensões podem produzir vidas diferentes quando as respetivas tensões médias, e consequentemente as razões de tensões, são diferentes.

Uma relação ajustada comum é a lei de potência do tipo Basquin,

$${\sigma }_a=C{N}^b$$

ou, quando se utiliza o intervalo de tensões,

$$\Delta \sigma =C\prime N^b$$

em que $C$ ou $C\prime$ é uma constante ajustada e $b$ é normalmente negativo. A aplicação de logaritmos produz uma relação linear:

$$\log {\sigma }_a=\log C+b\log N$$

A equação é um modelo do intervalo medido, não uma lei física válida para todas as condições do aço. Os seus coeficientes ajustados variam em função do grau do aço, do tratamento térmico, da geometria do provete, da razão de tensões, do acabamento superficial e do critério de falha selecionado. A revisão de 2024 Fatigue Life Assessment of Steel Structure, A State-Of-The-Art-Review identifica esta representação tensão–vida como a forma habitual baseada numa lei de potência, distinguindo igualmente resistência à fadiga, vida à fadiga, iniciação de fendas e propagação de fendas. Um ensaio S–N regista geralmente a vida até à condição de falha especificada; não separa automaticamente os ciclos despendidos na iniciação de uma fenda daqueles despendidos no seu crescimento.

Assim, um provete liso e sem entalhes pode fornecer uma referência do material sem representar uma estrutura. Um entalhe maquinado aumenta a tensão local, e um elemento soldado introduz um pé de soldadura, uma raiz de soldadura, tensões residuais, uma geometria local e possíveis defeitos. A corrosão, a carepa, a rugosidade, a dimensão do provete, a temperatura e o tipo de carregamento também podem alterar o resultado. Os detalhes em aço não soldado, nas juntas soldadas e nos elementos soldados requerem os seus próprios dados de fadiga ou correções devidamente justificadas.

Eixos logarítmicos, intervalo de tensões e ciclos até à rotura

Um gráfico S–N convencional apresenta a tensão ou o intervalo de tensões num dos eixos logarítmicos e o número de ciclos até à rotura no outro. A Federal Highway Administration descreve a resistência à fadiga do aço através de curvas que representam o intervalo de tensões em função do número de ciclos até à rotura em eixos logarítmicos. Distâncias iguais em qualquer dos eixos representam razões iguais, e não incrementos numéricos iguais. Um deslocamento horizontal de ${10}^4$ para ${10}^5$ ciclos ocupa a mesma distância visual que um deslocamento de ${10}^6$ para ${10}^7$ ciclos.

Esta escala é necessária porque as vidas à fadiga abrangem frequentemente várias ordens de grandeza, enquanto os níveis de tensão podem variar numa proporção comparativamente modesta. Uma linha descendente significa que uma pequena redução da tensão cíclica pode corresponder a um grande aumento da vida. No entanto, o símbolo representado deve ser interpretado de acordo com a sua definição: uma curva baseada em $\Delta \sigma$ não pode ser comparada diretamente com uma baseada em ${\sigma }_a$, a menos que sejam tidos em conta o fator dois e as condições da razão de tensões.

Alguns aços apresentam uma assíntota S–N aproximadamente horizontal para vidas longas. A revisão de 2019 The gigacycle fatigue strength of steels: a review of structural and operating factors refere que este comportamento é comum em aços de baixa resistência, ao passo que os aços de alta resistência podem apresentar uma segunda diminuição para além de aproximadamente ${10}^7$ ciclos. Consequentemente, é inseguro atribuir um único limite de fadiga a todos os graus de aço. O limite aparente pode refletir o intervalo de vidas ensaiado, inclusões internas, a condição superficial ou a resolução estatística do ensaio.

Ensaio interrompidoEnsaio interrompido Resultado de um ensaio em que um provete sobrevive ao número de ciclos planeado sem cumprir o critério de falha definido. Os ensaios interrompidos são observações censuradas, e não uma prova de vida à fadiga infinita.

Um resultado identificado como sobrevivência (run-out) significa que o provete não cumpriu o critério de falha do ensaio até ao número de ciclos designado. Não constitui prova de que a rotura nunca possa ocorrer. Os resultados de sobrevivência são observações censuradas e afetam o ajuste da curva, sobretudo quando muitos provetes sobrevivem à duração de ensaio prevista. A repetição dos ensaios é importante porque provetes nominalmente idênticos sofrem rotura após vidas diferentes. Uma tendência média, uma banda de dispersão e um limite inferior de projeto respondem a perguntas diferentes.

As curvas S–N de dimensionamento de pormenores soldados podem ser posicionadas dois desvios-padrão abaixo da média logarítmica dos dados de vida à fadiga, correspondendo a aproximadamente 97,5% de sobrevivência nas condições pressupostas. Strong evidence

Para detalhes de aço soldados, o Manual for Repair and Retrofit of Fatigue Cracks in Steel Bridges da AISC declara que as curvas S–N de projeto são posicionadas dois desvios-padrão abaixo dos dados logarítmicos médios de vida à fadiga, correspondendo a aproximadamente 97,5% de sobrevivência nas condições estatísticas especificadas. Essa curva de limite inferior é uma convenção de projeto para uma categoria de detalhe, não uma propriedade universal da chapa de base.

Condições de ensaio das normas ISO 1099:2017 e ASTM E466-21[2][2] ISO 1099:2017: Metallic materials — Fatigue testing — Axial force-controlled method. International Organization for Standardization. 2017.

A ISO 1099:2017 especifica ensaios de fadiga de provetes metálicos à temperatura ambiente, com amplitude constante e carregamento axial controlado por força, para obter relações entre a tensão aplicada e o número de ciclos até à rotura para razões de tensões especificadas. A norma define o enquadramento do ensaio; a curva resultante permanece associada ao provete e às condições utilizadas. “Temperatura ambiente” não significa que a temperatura seja irrelevante. Um ensaio reportado deve identificar o ambiente efetivo do ensaio e qualquer variação de temperatura relevante.

A ASTM E466-21 abrange ensaios de fadiga axial de amplitude constante, controlados por força, em provetes metálicos lisos e entalhados, ao ar e à temperatura ambiente. Permite, portanto, a comparação de diferentes formas de provete, mas um resultado obtido num provete entalhado não deve ser tratado como permutável com uma curva do material obtida num provete liso. A geometria do entalhe altera o campo de tensões local e pode modificar a iniciação de fendas.

Nenhuma das duas normas transforma, por si só, um ensaio numa qualificação de componente. Um alinhamento correto é essencial, porque a flexão sobreposta à força axial pode alterar a tensão local e invalidar a condição de carregamento pretendida. A frequência de carregamento deve ser reportada e controlada, porque o aquecimento, a interação com o ambiente, a dinâmica da máquina e os efeitos sensíveis à velocidade podem influenciar a vida; não se deve presumir uma frequência única apenas pela existência da norma. As dimensões do provete, a direção de maquinagem, o acabamento superficial, a fixação, o grau do aço e o historial de processamento, a razão de tensões e a definição de falha também fazem parte do resultado.

Para a avaliação em serviço, os engenheiros selecionam uma curva correspondente ao detalhe relevante, não soldado ou soldado, e convertem o espectro de carregamento aplicado em ciclos de tensão. O 2018 NSC Technical Digest do Steel Construction Institute descreve uma avaliação do dano acumulado em que o dano é somado linearmente para um detalhe especificado. Esse cálculo só é significativo quando as definições de tensão nominal ou local, a geometria do detalhe, o número de ciclos e a curva S–N partilham pressupostos compatíveis. Uma curva laboratorial constitui uma evidência. Por si só, não autoriza ignorar o elemento de ligação, o entalhe, a soldadura, a superfície ou o espectro presentes na estrutura.

Porque o Grau do Aço, por Si Só, Não Permite Prever a Vida à Fadiga

Um grau de aço identifica um intervalo especificado de composição, resistência e requisitos de produção; não identifica um único desempenho à fadiga em todas as condições de serviço. O ASTM A36, o ASTM A572 Grade 50 e o ASTM A514, por exemplo, diferem substancialmente quanto à tensão de cedência e à resistência à tração, mas as suas vidas à fadiga não podem ser hierarquizadas apenas com base na resistência à tração. A rotura por fadiga é determinada pela tensão cíclica numa característica local, pela iniciação da fissura e pela propagação da fissura. Essas características podem ser mais influenciadas pelo pé de uma soldadura, por uma marca de maquinagem, por uma inclusão ou por um ponto de corrosão do que pela resistência nominal do metal de base.

Uma curva S–N do material constitui, por conseguinte, uma evidência de base para um provete, um processo de fabrico, uma geometria, um modo de carregamento, uma razão de tensões e um ambiente definidos. Não substitui universalmente os ensaios do componente nem os dados relativos aos pormenores de projeto.

Nível de resistência, microestrutura e regime gigacíclico

O aumento da tensão de cedência pode elevar a resistência à fadiga em provetes lisos e polidos, sobretudo quando a iniciação da fissura controla a rotura. No entanto, a melhoria não é proporcional. O tratamento térmico altera o tamanho do grão, o teor de martensite ou bainite, a distribuição dos carbonetos, os gradientes de dureza e a sensibilidade às inclusões. Consequentemente, duas corridas que cumpram a mesma designação de grau podem produzir uma dispersão diferente nos resultados de fadiga. A deformação a frio pode aumentar a dureza superficial, deixando simultaneamente tensões residuais de tração ou reduzindo a ductilidade numa localização crítica.

Para vidas longas, o pressuposto habitual torna-se especialmente pouco fiável. A revisão de 2019 The gigacycle fatigue strength of steels: a review of structural and operating factors refere que os aços de baixa resistência desenvolvem normalmente uma assíntota S–N aproximadamente horizontal. Nesse intervalo, ciclos adicionais não exigem uma redução contínua da tensão da forma simples sugerida por uma lei de potência de Basquin ininterrupta. Os aços de elevada resistência podem comportar-se de forma diferente: a revisão descreve uma possível segunda diminuição da curva S–N para além de aproximadamente ${10}^7$ ciclos. A iniciação interna de fissuras em inclusões não metálicas, frequentemente abaixo da superfície, é uma das explicações para esta resposta em regimes de muito elevado número de ciclos.

Esta distinção é importante para máquinas rotativas, molas, componentes ferroviários e outras peças que se espera que resistam a centenas de milhões ou milhares de milhões de ciclos. Um ensaio interrompido a ${10}^6$ ou ${10}^7$ ciclos pode não detetar um mecanismo de rotura posterior. Inversamente, um “limite de fadiga” horizontal inferido a partir de um conjunto de dados não deve ser transferido para outro aço, outra condição superficial ou outra população de inclusões.

A ISO 1099:2017 especifica ensaios de fadiga à temperatura ambiente, de amplitude constante e controlados por força axial, com razões de tensões selecionadas. A ASTM E466-21 abrange ensaios axiais de amplitude constante, controlados por força, de provetes metálicos não entalhados e entalhados, ao ar e à temperatura ambiente. Estas condições definem o significado da curva resultante. Não reproduzem todos os tipos de carregamento em serviço. A razão de tensões, a tração–compressão em comparação com a flexão ou a torção, a tensão média, a sequência de carregamento e o dano sob amplitude variável podem todos deslocar a relação medida.

Entalhes, efeitos de dimensão e concentração local de tensões

A tensão nominal é frequentemente a tensão errada para prever a iniciação de fissuras. Num furo, rasgo de chaveta, fundo de rosca, pé de uma soldadura, filete acentuado ou ranhura de maquinagem, a concentração elástica de tensões eleva a tensão alternada local acima do valor médio na secção. Se se desenvolver plasticidade, o histórico local de deformação, e não a tensão nominal elástica, pode controlar a vida. Um grau de elevada resistência pode então perder grande parte da vantagem observada em provetes lisos, porque a sua sensibilidade aos entalhes e a sua ductilidade reduzida tornam um pequeno defeito mais determinante.

A dimensão de um componente também altera o resultado. Um volume maior amostra mais inclusões e contém mais locais potenciais de iniciação de fissuras; uma superfície maior oferece mais área para riscos, pontos de corrosão e falta de fusão. Os gradientes de tensão podem ser menos favoráveis numa peça de grandes dimensões, e o volume altamente solicitado pode ser muito superior ao de um provete laboratorial. Estes são efeitos de dimensão estatísticos e mecânicos, e não uma simples ampliação dimensional.

A distinção entre aço simples e um pormenor estrutural é explícita na prática de projeto. A Federal Highway Administration descreve a resistência à fadiga do aço através de curvas S–N que representam a gama de tensões em função dos ciclos até à rotura em eixos logarítmicos. O Steel Construction Institute descreve, no NSC Technical Digest de 2018, curvas desenvolvidas para pormenores específicos de aço simples, juntas soldadas e acessórios soldados, com o dano acumulado avaliado para o pormenor relevante. Para aço soldado, o manual de fadiga de pontes da AISC posiciona as curvas S–N de projeto dois desvios-padrão abaixo da média logarítmica dos dados de vida à fadiga, correspondendo a uma sobrevivência de aproximadamente 97,5%. Esse limite estatístico inferior não é uma propriedade exclusiva da chapa de aço. Inclui a qualidade e a geometria do pormenor representado pelos dados de ensaio.

Um provete liso ASTM não pode, portanto, substituir um acessório soldado de uma ponte sem a devida qualificação. O raio do pé da soldadura, o entalhe resultante de mordedura, a tensão residual, a distorção, o perfil da soldadura e uma eventual falta de fusão definem um problema de fadiga diferente.

Acabamento superficial, tensão residual, temperatura e ambiente

A condição superficial controla frequentemente a primeira fase da fadiga. O polimento pode remover ranhuras de maquinagem e reduzir a severidade efetiva do entalhe; o torneamento, as queimaduras de retificação, a carepa e a fresagem grosseira podem deixar marcas direcionais que funcionam como iniciadores de fissuras. A granalhagem ou outro tratamento superficial pode introduzir tensão residual de compressão e atrasar a iniciação de fissuras. Em contrapartida, a soldadura, o endireitamento, a maquinagem e o ajuste por pressão podem criar tensões residuais de tração, reduzindo o benefício de uma tensão média nominal favorável. A tensão residual também pode relaxar durante o carregamento cíclico ou a temperaturas elevadas, pelo que o seu efeito não pode ser considerado uma correção permanente do grau do aço.

A temperatura altera a resistência, a ductilidade, a oxidação e o comportamento de propagação das fissuras. A baixa temperatura, a redução da tenacidade pode tornar uma fissura menos tolerante a um defeito. A alta temperatura, a interação com a fluência, o amolecimento, a oxidação e a ciclagem térmica podem modificar a resposta S–N. A corrosão é ainda mais prejudicial: um ponto de corrosão fornece um entalhe local, enquanto a fadiga por corrosão expõe repetidamente uma nova ponta de fissura ao ambiente. A pintura, a proteção catódica, a drenagem e a exposição a cloretos podem alterar a vida sem modificar a designação do aço.

O tipo de carregamento e o espetro completam o problema. Os dados axiais de amplitude constante não descrevem diretamente a flexão, a torção, o carregamento de contacto, a tensão térmica ou uma sequência de sobrecargas e ciclos pequenos. As avaliações de projeto podem utilizar curvas S–N específicas de pormenor com cálculos lineares de dano acumulado, mas a curva selecionada, a gama de tensões, o tratamento da razão de tensões e o histograma de ciclos têm de corresponder ao componente real. A resistência do grau é apenas um dos dados de entrada. A geometria, o processo de fabrico, o estado superficial, o ambiente e a base estatística do projeto determinam frequentemente o resultado.

Os pormenores de aço soldado exigem as suas próprias curvas de fadiga

Pés e raízes de soldadura, acessórios e descontinuidades geométricas

Uma ligação soldada não se comporta como um provete polido cortado a partir da chapa de base. A sua resistência à fadiga é determinada pelo pormenor completo: geometria da soldadura, raio do pé, perfil da raiz, forma do acessório, espessura da chapa, alinhamento, tensão residual, deformação e qualquer imperfeição semelhante a uma fissura deixada pelo fabrico ou pelo serviço. O grau do aço continua a ser importante, mas constitui apenas uma parte do mecanismo de rotura.

No pé de uma soldadura, a face da soldadura encontra a chapa de base numa transição geométrica. Um raio reduzido no pé, convexidade excessiva, mordedura, sobreposição ou terminação abrupta aumentam a tensão local. A raiz da soldadura pode ser ainda mais crítica. A falta de penetração da raiz, a falta de fusão, a porosidade, as inclusões de escória e um entalhe desfavorável na raiz proporcionam características curtas semelhantes a fissuras antes do início do carregamento em serviço. As fissuras de fadiga iniciam-se habitualmente nestes locais, ou nas suas proximidades, e não numa região não perturbada da chapa.

Os acessórios criam concentrações de tensão adicionais. Um rigidificador transversal soldado ao banzo de uma viga interrompe o fluxo de forças através do banzo, enquanto uma soldadura entre uma nervura e o tabuleiro, num tabuleiro ortotrópico de ponte, transfere a carga através de uma pequena linha de soldadura sujeita a ciclos de tensão induzidos pelas rodas. Acessórios longitudinais, chapas de ligação, consolas, chapas de cobertura e reparações soldadas produzem, cada um, a sua própria combinação de tensão de membrana, tensão de flexão e deformação secundária. A deformação causada pela soldadura também pode deixar flexão residual e desalinhamento, pelo que a geometria nominal de projeto pode não descrever o campo de tensões real.

A tensão residual de tração afeta o crescimento da fissura e a razão de tensões efetiva na extremidade da fissura. Numa junta fortemente restringida, a soldadura pode deixar uma tensão residual de tração próxima da tensão de cedência do material. Isto não significa que todos os pormenores soldados tenham a mesma resistência à fadiga, independentemente da tensão média aplicada, mas explica por que razão o efeito benéfico de uma tensão média nominal de compressão é frequentemente menor em juntas soldadas do que em provetes polidos e não soldados. A corrosão superficial, o fretting, os danos por impacto e uma reparação anterior de fadiga podem reduzir ainda mais a resistência.

Por conseguinte, o grau do material de base não pode ser utilizado como substituto do pormenor. Uma junta soldada fabricada em aço ASTM A36, aço ASTM A572/A572M Grade 50 ou aço ASTM A709/A709M Grade 50 pode enquadrar-se numa categoria de fadiga semelhante quando a configuração da soldadura e o local da rotura são os fatores determinantes. O aumento da tensão de cedência não aumenta proporcionalmente a resistência à fadiga do pé de uma soldadura que contenha o mesmo entalhe e a mesma imperfeição de fabrico.

Tensão nominal, tensão de hot-spot e tensão local

Uma curva S–N só é significativa quando a definição de tensão que utiliza corresponde à definição usada na sua obtenção. A Federal Highway Administration descreve a resistência à fadiga do aço através de curvas que representam a gama de tensões em função do número de ciclos até à rotura, em eixos logarítmicos. Numa formulação tensão–vida, frequentemente representada por uma lei de potência do tipo Basquin, a gama de tensões selecionada está relacionada com o número de ciclos necessários para atingir o critério de rotura especificado.

A tensão nominal é a tensão média axial, de flexão ou de corte calculada afastada da descontinuidade. É conveniente para uma chapa prismática ou para um pormenor soldado classificado cujos dados de ensaio tenham sido comunicados utilizando essa mesma grandeza. Uma curva baseada na tensão nominal não deve ser associada casualmente ao pico obtido por elementos finitos no pé da soldadura; esses dois valores incluem efeitos físicos diferentes.

A tensão de hot-spot, também designada por tensão estrutural em muitos procedimentos, estima a tensão no pé da soldadura extrapolando as tensões a partir de pontos situados a uma curta distância do entalhe agudo. Capta a concentração de tensão estrutural causada pelo acessório e pela geometria da chapa, excluindo o efeito de entalhe muito local do perfil da soldadura. Esta abordagem é útil quando o raio exato do pé varia entre provetes ou não pode ser representado de forma fiável num modelo de casca.

A tensão local inclui o efeito do entalhe no pé ou na raiz. Pode ser obtida através de um modelo refinado de elementos finitos sólidos, de um método de tensão no entalhe ou de um perfil de soldadura medido. Uma vez que o pico teórico num canto geométrico perfeitamente agudo pode ser singular, o analista deve definir uma tensão de referência finita ou um raio de entalhe. Os dados S–N baseados na tensão local não são permutáveis com dados baseados na tensão nominal ou na tensão de hot-spot.

A distinção é prática. Um provete axial liso ensaiado nas condições da ISO 1099:2017 apresenta um campo de tensões uniforme, controlado pela força. A ASTM E466-21 abrange o carregamento axial de amplitude constante de provetes metálicos, entalhados e não entalhados, ao ar e à temperatura ambiente. Nenhuma das normas torna um provete simples equivalente a um acessório soldado de uma ponte. A razão de tensões, o tipo de carregamento, o acabamento superficial, a dimensão, a temperatura e o processamento do provete afetam todos o resultado.

Classificação dos pormenores e limites dos dados do metal de base

Consequentemente, o dimensionamento à fadiga utiliza curvas específicas para cada pormenor. O NSC Technical Digest do Steel Construction Institute afirma que os danos em estruturas de aço são avaliados através de curvas S–N desenvolvidas para pormenores específicos de aço simples, juntas soldadas ou acessórios soldados, somando linearmente o dano por ciclos para o pormenor selecionado sob um determinado espetro. Uma curva para uma chapa simples não autoriza a utilização da mesma gama de tensões admissível para uma soldadura entre nervura e tabuleiro, uma terminação de rigidificador, uma ligação aparafusada ou um pormenor reparado de uma ponte.

As classificações de projeto agrupam pormenores com um comportamento comparável de iniciação de fissuras e especificam a grandeza de tensão à qual a curva se aplica. A categoria determinante pode ser definida por uma soldadura de topo transversal, pelo pé da soldadura, pela raiz da soldadura, pela extremidade de um acessório, por um recorte, por uma ligação ao banzo ou por outra característica. As orientações da FHWA para pontes e as disposições de fadiga da AISC utilizam esta abordagem baseada no pormenor, em vez de atribuírem um único limite de resistência universal a um grau de aço.

A base estatística é tão importante como a geometria. O Manual for Repair and Retrofit of Fatigue Cracks in Steel Bridges da AISC descreve as curvas S–N de dimensionamento para pormenores soldados como curvas de limite inferior, situadas dois desvios-padrão abaixo dos dados logarítmicos médios de vida à fadiga, correspondendo a aproximadamente 97,5% de sobrevivência quando se aplicam os pressupostos estatísticos indicados. Essa curva é um limite de dimensionamento, não o desempenho médio de todos os provetes.

Os dados relativos ao aço simples podem estabelecer uma referência de base para o material, mas a sua transferência exige um método defensável de concentração de tensões e de correção. Um provete liso e polido pode iniciar uma fissura apenas após muitos ciclos de escorregamento local, enquanto um pé de soldadura pode já apresentar uma mordedura ou uma fusão incompleta. Uma chapa danificada pela corrosão tem uma condição superficial diferente; um pormenor reparado de uma ponte pode conter deformação residual e uma nova extremidade de soldadura; um espetro de tráfego de amplitude variável introduz efeitos de sequência e sobrecargas ocasionais ausentes dos ensaios de amplitude constante.

O limite de resistência à fadiga alegado também exige cautela. A revisão de 2019 The Gigacycle Fatigue Strength of Steels: A Review of Structural and Operating Factors refere que os aços de baixa resistência apresentam frequentemente uma assíntota S–N aproximadamente horizontal, enquanto os aços de alta resistência podem evidenciar uma segunda diminuição para além de cerca de ${10}^7$ ciclos. Um pormenor soldado pode não apresentar o patamar aparente do aço de base, porque os defeitos de soldadura, a tensão residual, a corrosão e o crescimento repetido de fissuras controlam o resultado. A curva correta é, portanto, a que corresponde à geometria soldada, à definição de tensão, ao espetro de carregamento e à fiabilidade exigida — e não a curva mais elevada disponível para o grau da chapa.

Curvas de Dimensionamento Estatístico e Base de Sobrevivência

Dispersão nos dados de fadiga

A vida à fadiga apresenta dispersão mesmo quando o tipo nominal de aço, a geometria do provete, o acabamento superficial e o historial de carregamento são rigorosamente controlados. Dois provetes que parecem idênticos podem romper após números de ciclos substancialmente diferentes. Pequenas diferenças nas inclusões, na estrutura dos grãos, nas marcas de maquinagem, nas tensões residuais, no alinhamento ou nos locais de iniciação de fissuras podem alterar o resultado. Ao nível dos componentes, o perfil do cordão de soldadura, o entalhe, a porosidade, o ajustamento, a rigidez das ligações, a corrosão e o historial de inspeção introduzem variação adicional.

Uma curva S–N descreve, por conseguinte, uma população de resultados, e não uma previsão precisa da vida de uma peça individual. O método tensão–vida relaciona a tensão ou a amplitude de tensão com o número de ciclos até à rotura, frequentemente através de uma lei de potência do tipo Basquin. A Federal Highway Administration descreve a resistência à fadiga do aço representando a amplitude de tensão em função do número de ciclos até à rotura, em eixos logarítmicos. Esta representação é útil porque as vidas à fadiga podem abranger várias ordens de grandeza, mas não elimina a dispersão subjacente.

A definição do ensaio é importante. A ISO 1099:2017 especifica ensaios à temperatura ambiente, de amplitude constante, controlados pela força axial e realizados para razões de tensão indicadas. A ASTM E466-21 abrange ensaios axiais, de amplitude constante e controlados pela força, de provetes metálicos com e sem entalhe, realizados ao ar e à temperatura ambiente. Os resultados de qualquer um destes métodos não devem ser transferidos de forma irrefletida para um elemento de ponte sujeito a amplitude variável, uma ligação soldada ou um componente que opere a outra temperatura e com outra razão de tensão.

Um provete polido e sem entalhe pode descrever principalmente a resposta à fadiga do material especificado e da geometria de ensaio. Não representa automaticamente um entalhe maquinado, uma ligação aparafusada, um diafragma soldado ou um banzo danificado pela corrosão. Por esse motivo, a prática de dimensionamento utiliza curvas específicas para cada tipo de pormenor, aplicáveis a aço simples, juntas soldadas e elementos soldados. O Steel Construction Institute’s 2018 NSC Technical Digest descreve a avaliação da fadiga através da seleção de uma curva S–N para o pormenor relevante e da soma linear dos danos ao longo do espectro de tensões aplicado.

Curvas de limite inferior e sobrevivência de aproximadamente 97,5%

Para pormenores de aço soldado, o Manual for Repair and Retrofit of Fatigue Cracks in Steel Bridges da AISC (2013) descreve as curvas S–N de dimensionamento como curvas de limite inferior colocadas dois desvios-padrão abaixo dos dados logarítmicos médios de vida à fadiga. De acordo com os pressupostos estatísticos utilizados para esse conjunto de dados, isto corresponde a uma sobrevivência de aproximadamente 97,5%. A escala logarítmica é importante: os desvios-padrão aplicam-se ao logaritmo do número de ciclos até à rotura, e não diretamente ao número de ciclos numa escala aritmética.

Esta convenção proporciona uma margem prática entre o comportamento médio observado e a curva utilizada no dimensionamento. Não constitui uma garantia de que 97,5% de todos os componentes fabricados sobreviverão ao número de ciclos indicado. A percentagem aplica-se à família de pormenores ensaiada, às suas condições de ensaio, ao seu modelo estatístico e à definição de rotura adotada. Uma soldadura com um perfil diferente, um estado de tensões residuais diferente, uma qualidade de inspeção diferente, uma exposição à corrosão diferente ou um espectro de carga diferente pode não pertencer à mesma população.

A curva de limite inferior também não significa que sejam impossíveis roturas abaixo dessa curva. Permanecem as caudas estatísticas, e o erro do modelo pode ser tão importante como a dispersão entre provetes. A curva diz igualmente respeito ao critério de fadiga selecionado — frequentemente a iniciação de fissuras ou a rotura completa, conforme definido pelo ensaio — e não necessariamente à aptidão para serviço, à fissuração detetável, à estanquidade ou à capacidade de carga residual.

Curvas médias, curvas de dimensionamento e incerteza

Uma linha de regressão média estima a vida média logarítmica à fadiga para cada amplitude de tensão. De forma aproximada, seria de esperar que metade de uma população correspondente sofresse rotura antes dessa linha e a outra metade depois dela, embora a interpretação exata dependa da distribuição ajustada e da censura dos ensaios sem rotura. Trata-se de uma estimativa da tendência central, e não de um limite seguro para o dimensionamento.

Uma curva de dimensionamento de limite inferior desloca a relação ajustada para baixo por uma margem estatística predefinida, como a base de dois desvios-padrão da AISC. Um limite de confiança responde a uma pergunta diferente: quão incerta é a curva média estimada, dado que apenas foi realizado um número finito de ensaios? Um limite de previsão indica onde poderá situar-se um resultado individual futuro, ou uma fração especificada de resultados futuros. Os limites de confiança dizem respeito à média da população ajustada; os limites de previsão incluem tanto a dispersão entre provetes como a incerteza da média ajustada.

Estas distinções são importantes ao comparar curvas publicadas. Uma banda de confiança estreita em torno de uma média não implica uma dispersão estreita entre componentes. Inversamente, uma curva de dimensionamento conservativa pode incorporar uma fração de sobrevivência sem abranger erros causados pela escolha da categoria de soldadura ou da definição de tensão incorretas. A tensão nominal, a tensão local no entalhe, a amplitude de tensão e a razão de tensão devem ser compatíveis com a base da curva.

A forma da curva para vidas longas também exige apreciação técnica. Uma revisão de 2019 sobre a fadiga a gigaciclos refere que os aços de baixa resistência tendem a aproximar-se de uma assíntota S–N quase horizontal, ao passo que os aços de alta resistência podem apresentar uma segunda diminuição para além de cerca de ${10}^7$ ciclos. Considerar, por conseguinte, todo e qualquer patamar aparente como um limite universal de resistência à fadiga pode ser inseguro. Uma base de sobrevivência declarada só é significativa quando o material, o pormenor, o espectro de carregamento, o ambiente e a população estatística permanecem comparáveis.

Dos Ensaios de Amplitude Constante à Avaliação da Vida em Serviço

Os dados laboratoriais S–N provêm normalmente de ensaios de amplitude constante, e não dos históricos de carregamento irregulares encontrados em serviço. A ISO 1099:2017 especifica ensaios de fadiga axiais, controlados por força, à temperatura ambiente, com amplitude constante e razões de tensão selecionadas. A ASTM E466-21 abrange igualmente provetes metálicos lisos e entalhados sujeitos a carregamento axial de amplitude constante, ao ar e à temperatura ambiente. Estes métodos são valiosos porque isolam a relação entre a tensão aplicada e o número de ciclos até à rotura, mas esse isolamento constitui também uma limitação.

O método tensão–vida exprime o comportamento à fadiga em função da tensão, ou da gama de tensão, face ao número de ciclos até à rotura. É frequente ajustar uma relação do tipo Basquin em eixos logarítmicos, enquanto a Federal Highway Administration descreve a resistência à fadiga do aço através de curvas S–N que representam a gama de tensão em função do número de ciclos até à rotura. Uma curva deste tipo é específica das condições de ensaio que lhe deram origem. A geometria do provete, o acabamento superficial, o processamento do material, a razão de tensão, o tipo de carregamento, a temperatura e a definição de rotura são todos relevantes.

Um provete polido e liso, fabricado a partir de uma chapa de aço S275JR, não pode ser transferido diretamente para uma ligação soldada de uma ponte. A ligação contém um pé ou uma raiz de soldadura, descontinuidades geométricas locais e tensões residuais; por conseguinte, a curva de projeto relevante é uma curva para um pormenor soldado, e não simplesmente a curva do metal de base. Um entalhe maquinado, uma viga de uma grua corroída e uma tubululadura de um recipiente sob pressão requerem, cada um, um tratamento próprio. A distinção é importante: a resistência à fadiga descreve a resistência para uma vida especificada, a vida à fadiga descreve o número de ciclos associado a uma condição de tensão especificada e nenhuma destas grandezas, por si só, descreve a propagação de uma fenda depois de esta se ter formado.

Carregamento de amplitude variável e contagem de ciclos

As pontes estão sujeitas a diferentes gamas de tensão à medida que os veículos as atravessam a velocidades e com pesos diferentes. As estruturas de gruas são sujeitas a arranques, paragens, elevações e movimentos do carro. Os veículos estão sujeitos a aceleração, travagem, irregularidades da estrada e alterações da carga transportada. Os equipamentos sob pressão podem alternar entre estados de funcionamento, enquanto as máquinas rotativas combinam transitórios de arranque com longos períodos de funcionamento estacionário. O histórico de tensões resultante varia tanto na gama como na tensão média.

Contagem de RainflowContagem de Rainflow Método de contagem de ciclos que converte um historial irregular de tensão-tempo em ciclos fechados e meios ciclos, com os intervalos de tensões associados, permitindo cálculos de fadiga com amplitude variável.

Um registo de serviço ou um modelo de carga calculado é, por conseguinte, convertido num espectro de tensões. Uma abordagem prática consiste em dividir o espectro em blocos: por exemplo, um determinado número de ciclos numa gama de tensão elevada, um número maior numa gama intermédia e muitos ciclos numa gama baixa. A contagem rainflow é habitualmente utilizada para reduzir um histórico de tensão-tempo medido ou simulado a ciclos completos e meios ciclos, atribuindo a cada um uma gama de tensão e, normalmente, uma tensão média ou uma razão de tensão. Os ciclos contados devem então ser relacionados com a resposta estrutural correta: tensão nominal para um pormenor de soldadura classificado, tensão no ponto quente para uma geometria soldada adequada ou tensão local no entalhe quando o método e os dados o permitirem.

A razão de tensão, $R={\sigma }_{\min }/{\sigma }_{\max }$, pode afetar a vida à fadiga, especialmente em material não soldado. Podem ser necessárias correções da tensão média quando os dados de ensaio e as condições de serviço apresentam valores diferentes de $R$. As classificações de pormenores soldados incorporam frequentemente pressupostos relativos às tensões residuais e não são permutáveis com dados de provetes polidos. A aplicação de uma correção duas vezes, ou a sua aplicação fora do intervalo validado, pode produzir uma estimativa de vida enganadora.

Dano cumulativo linear em pormenores sujeitos a fadiga

Para cada bloco de gama de tensão, o avaliador seleciona a relação S–N correspondente ao pormenor efetivo: aço simples, uma ligação aparafusada, uma categoria de soldadura, uma ligação soldada ou outra característica classificada. Se ocorrerem $n_i$ ciclos à gama de tensão $\Delta {\sigma }_i$, e $N_i$ for o número de ciclos até à rotura previsto por essa relação, a fração de dano será $n_i/N_i$. A regra do dano cumulativo linear estabelece então

$$D={\sum }_i\frac{n_i}{N_i}.$$

O NSC Technical Digest (2018), do Steel Construction Institute, afirma que o dano cumulativo é somado linearmente para um determinado pormenor sujeito a fadiga. Na avaliação mais simples, associa-se a rotura ao momento em que $D$ atinge a unidade. Trata-se de um quadro de engenharia, e não de uma lei universal do aço. Pressupõe que as frações de dano correspondentes a diferentes níveis de tensão podem ser somadas sem considerar explicitamente os efeitos da sequência de carregamento, a interação entre fendas, a alteração da tensão residual ou a evolução da rigidez.

Estes pressupostos podem ser aceitáveis quando a categoria do pormenor, o espectro e o método de análise são compatíveis com a evidência subjacente à curva de projeto. Para pormenores de aço soldados, o manual de fadiga de pontes da AISC descreve as curvas S–N de projeto como curvas de limite inferior colocadas dois desvios-padrão abaixo dos dados logarítmicos médios de vida à fadiga, correspondendo a aproximadamente 97,5% de sobrevivência. Esta base estatística é diferente de afirmar que todos os provetes, componentes ou históricos de serviço atingirão o mesmo valor-limite de dano.

Um cálculo da vida em serviço deve também indicar se a rotura significa o início visível de uma fenda, uma fenda que atravesse toda a espessura, uma perda de secção ou um limite de fratura definido. Os aços de baixa resistência apresentam frequentemente uma assíntota S–N aproximadamente horizontal, mas a revisão de 2019 The gigacycle fatigue strength of steels: a review of structural and operating factors relata que os aços de alta resistência podem apresentar uma segunda diminuição para além de cerca de ${10}^7$ ciclos. Por conseguinte, um pressuposto convencional de limite de resistência à fadiga pode não ser seguro para máquinas sujeitas a um número muito elevado de ciclos.

Quando a análise S–N é insuficiente

A análise S–N é principalmente um método de projeto para o início de fendas ou para a vida total, calibrado para um pormenor especificado. Torna-se insuficiente quando já se sabe que existe uma fenda ou quando uma inspeção revelou uma imperfeição cuja dimensão e localização podem ser medidas. Nesse momento, a questão central passa de «Quantos ciclos precedem a rotura num pormenor não fissurado?» para «Como irá esta fenda crescer sob o espectro futuro e quando atingirá uma dimensão crítica?»

É necessária uma análise da mecânica da fratura ou do crescimento de fendas para fendas conhecidas, resultados de inspeções, corrosão grave e reparações com secção remanescente incerta. Estas análises podem utilizar fatores de intensidade de tensão, leis de crescimento de fendas e pressupostos relativos ao fecho de fendas para calcular a progressão entre inspeções. A tensão residual é especialmente significativa em torno das soldaduras e pode alterar o comportamento do crescimento de fendas, mesmo quando a tensão nominal de serviço parece modesta.

Uma curva S–N pode também ser inadequada em condições de carregamento multiaxial complexo, plasticidade substancial, efeitos locais pronunciados de entalhe, ciclos térmicos ou históricos de carregamento que contenham sobrecargas severas. O serviço sujeito a um número muito elevado de ciclos constitui outro sinal de alerta, porque inclusões internas, bandas de escorregamento persistentes e o início subsuperficial de fendas podem controlar o comportamento para além do intervalo representado pelos ensaios convencionais. Nestes casos, a avaliação deve identificar o mecanismo de rotura determinante, em vez de forçar cada histórico de tensões a enquadrar-se numa única curva do material.

Guia prático para a leitura de dados de fadiga do aço

Perguntas a fazer antes de utilizar uma curva S–N

Uma curva S–N não é uma propriedade universal do «aço». Descreve uma experiência definida ou uma população de projeto: tensão (ou intervalo de tensões) num eixo e número de ciclos até à rotura no outro, geralmente com ambos os eixos em escala logarítmica. A Federal Highway Administration descreve este formato para a resistência à fadiga do aço, enquanto o método de tensão–vida ajusta habitualmente os dados através de uma lei de potência do tipo Basquin.

Comece por identificar o que foi ensaiado. ASTM A36, ASTM A572 Grade 50 e EN 10025-2 S355 podem ter diferentes tensões de cedência, inclusões, tratamentos térmicos e históricos de processamento, mas a designação da qualidade, por si só, não define o desempenho à fadiga. A espessura da chapa, a direção de laminagem, a condição normalizada, o tratamento de têmpera e revenido, as tensões residuais e o historial térmico de soldadura podem alterar o resultado. Verifique se a curva representa metal de base sem entalhe, um entalhe maquinado, uma junta soldada ou um detalhe de ligação especificado.

Em seguida, identifique a definição do carregamento. A ISO 1099:2017 especifica ensaios à temperatura ambiente, de amplitude constante, axiais e controlados por força, com razões de tensão estabelecidas. A ASTM E466-21 abrange provetes metálicos axiais, com e sem entalhe, submetidos a carregamento periódico de amplitude constante, ao ar e à temperatura ambiente. Nenhuma das normas torna os seus dados automaticamente aplicáveis à flexão, torção, carregamento de contacto, ciclos térmicos, corrosão ou serviço de amplitude variável.

O intervalo de tensões, as tensões máxima e mínima, a razão de tensão, a tensão nominal em comparação com a tensão local, o modo de carregamento, a dimensão do provete, o acabamento superficial, a temperatura e o ambiente são fatores relevantes. Um provete polido, com geometria cuidadosamente controlada, não representa um componente corroído ou uma ligação soldada de uma ponte, a menos que os pressupostos de transferência sejam declarados e justificados.

Erros comuns de interpretação

O erro mais comum consiste em interpretar um patamar horizontal como um limite de fadiga garantido. Um ensaio curto pode simplesmente ter terminado antes de se tornar visível um decréscimo posterior. A revisão de 2019 The Gigacycle Fatigue Strength of Steels: A Review of Structural and Operating Factors refere que os aços de baixa resistência apresentam frequentemente uma assíntota S–N aproximadamente horizontal, enquanto os aços de alta resistência podem evidenciar uma segunda descida para além de cerca de 10^7 ciclos.

As curvas também se tornam enganadoras quando as respetivas definições de tensão diferem. Uma pode utilizar o intervalo de tensões nominais; outra pode utilizar a tensão no ponto quente, a tensão na raiz do entalhe ou a tensão estrutural. As suas posições não podem ser comparadas diretamente. Do mesmo modo, os dados de metal de base polido não devem ser transferidos para detalhes soldados. A geometria do pé da soldadura, a mordedura, a porosidade, a tensão residual de tração e a qualidade da reparação controlam frequentemente o resultado com maior intensidade do que a qualidade do aço de base.

Um limite inferior de projeto não é uma propriedade material direta. Para detalhes soldados, o manual de fadiga de pontes da AISC descreve curvas posicionadas dois desvios-padrão abaixo dos dados logarítmicos médios de vida à fadiga, correspondendo a uma sobrevivência de aproximadamente 97,5%. Essa curva inclui proteção estatística e efeitos do detalhe. Não representa a resistência intrínseca à fadiga do próprio aço.

Por fim, não se pode pressupor que a vida sob amplitude constante seja aplicável a um serviço que contenha sobrecargas, amplitudes variáveis ou efeitos de sequência de carregamento. O NSC Technical Digest do Steel Construction Institute trata o dano através de curvas S–N específicas para cada detalhe e de uma avaliação linear do dano cumulativo; o espectro selecionado continua a fazer parte do cálculo.

Lista de verificação mínima para a documentação

Antes de utilizar uma curva, registe:

• a designação do aço, a forma do produto, a espessura, o tratamento térmico e a condição de processamento;
• se é aplicável a material sem entalhe, a um entalhe, a uma soldadura ou a um detalhe de ligação definido;
• o intervalo de tensões e a razão de tensão, bem como a definição da tensão nominal, local, no ponto quente ou estrutural;
• o carregamento axial, de flexão, torsional ou misto; a temperatura e o ambiente;
• a condição superficial, a geometria e a qualidade da soldadura, a escala do provete e o critério de rotura;
• se a rotura significa iniciação de uma fenda, crescimento detetável de uma fenda ou fratura final;
• o número de provetes, os ensaios interrompidos sem rotura, o modelo de dispersão, a base de confiança ou de sobrevivência e os ajustes de projeto;
• se o espectro de serviço é de amplitude constante ou variável e como é avaliado o dano cumulativo.

Referências

1. [1]ASTM International. ASTM E466-21: Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials. 2021. https://store.astm.org/e0466-21.html
2. [2]International Organization for Standardization. ISO 1099:2017: Metallic materials — Fatigue testing — Axial force-controlled method. 2017. https://www.iso.org/standard/67847.html