Nucleação e propagação de trincas

1. Nucleação ou iniciação da trinca;
2. Propagação da trinca
3. Ruptura final

Na primeira etapa há o surgimento de uma pequena trinca, que se forma em determinado ponto, que possui alto concentrador de tensão, por exemplo, rasgos de chaveta conforme figura abaixo. Provavelmente a trinca irá surgir desse friso, pois ele é um concentrador de tensão.

Na segunda etapa a trinca irá avançar um pedaço a cada ciclo de tensão até atingir um determinado tamanho, no qual o material não suportará mais o carregamento imposto e sofrerá uma ruptura brusca. Essa falha final é a terceira etapa, no qual o material sofrerá uma fratura frágil ou dúctil, dependendo do comportamento do material.

Na maioria das vezes as trincas de fadiga iniciam na superfície do componente em algum ponto de alto concentrador de tensão. Esses pontos incluem não só o rasgo de chaveta, conforme citado anteriormente, como também ângulos vivos, marcas de pancadas, fios de roscas, riscos superficiais, entre outras descontinuidades do material. Além disso, o carregamento cíclico pode produzir descontinuidades superficiais microscopias causadas pelas movimentações de discordâncias, logo essa descontinuidades também podem atuar como um concentrador de tensão e, portanto, ser local de nucleação da trinca.

A região de uma superfície de fratura, formada na etapa de propagação da trinca, pode ser caracterizada por dois tipos de marcas, denominadas marcas de praia e estrias. Essas duas marcas indicam a posição da extremidade da trinca em um dado momento e aparecem como nervuras concêntricas que se propagam para longe do ponto de inicio da trinca, com frequência em um padrão circular ou semicircular. Algumas vezes, quando não há um ponto de nucleação, mas sim uma linha, como ocorre muitas vezes em fios de roscas, as nervuras podem aparecer concêntricas à superfície de fratura final e não concêntricas onde se iniciou a trinca. As marcas de praias são visíveis a olho nu. Já as estrias só são observadas em microscópio eletrônico de varredura e em material muito dúctil, como por exemplo, o alumínio. Entretanto, na maioria das vezes é muito difícil observar as estrias!

A figura acima mostra uma superfície metálica que fraturou por fadiga. Nessa superfície notamos as três etapas: (1) inicio da trinca; (2) Marcas de praia que caracterizam a etapa de propagação da trinca; (3) Ruptura ou fratura final.

A figura acima é uma fractografia feita em microscópio eletrônico de varredura em uma ampliação de 9000 vezes do alumínio. Nela observamos as estrias de fadiga, que não é observável a olho nu.

É interesse notar que as dimensões das estrias são muito menores do que as dimensões das marcas de praia. Em uma única marca de praia pode haver milhares de estrias!!

É importante mencionarmos que quando marcas de praias ou estrias são observadas em uma fratura podemos dizer que o material falhou por fadiga. Porém não podemos afirmar que o material não falhou por fadiga caso não conseguirmos observar essas marcas. A detectabilidade das estrias diminui com a passagem do tempo, por causa da formação de produtos de corrosão de superfície e/ou de películas de óxidos. Ainda, durante o ciclo de aplicação de tensões, as estrias podem ser destruídas por ação abrasiva, na medida em que as superfícies de trincas opostas se esfregam umas contra as outras.

Lembrem que as marcas de praia ou as estrias não aparecerão na superfície que sofreu a ruptura final.