Metal Mecânica

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Fundamentos das falhas, A análise de falhas: Parte 1

Willy Ank de MoraisMarcus Vinícius de Oliveira GonçalvesAndré Varvello NunesCelso Sacchetta Filho*

1. INTRODUÇÃOEste artigo é o primeiro de uma

série de trabalhos de revisão do processo de Análise de Falhas em componentes metálicos, particular-mente feitos em aço. Cada trabalho explora um contexto da análise de falhas, revisando informações bási-cas da metalurgia e de ferramentas de análise de materiais, correlacio-nando-as com a experiência e a técnica profissional, a fim de solu-cionar questões práticas de falhas na aplicação dos metais em com-ponentes e estruturas. Neste pri-meiro trabalho serão apresentados e discutidos alguns aspectos sobre falha e fratura, os fundamentos da fratura dos materiais e o papel do aço neste cenário.

2. FALHASÉ muito comum associar falha

a uma fratura, geralmente frágil ou oriunda de fadiga ou ainda corro-são. Mas o conceito de falha é mais abrangente e genericamente uma estrutura ou componente pode ser considerado falhado quando este:

Fica completamente inutilizado;a. Ainda pode ser utilizado, mas b. não desempenha sua função de forma satisfatória;

Orientação técnica para detectar o problema e identificar a melhor forma para corrigi-lo.

fratura e o papel do aço

Apresenta um uso inseguro de-c. vido a uma séria deterioração.

Para determinar e descrever os fatores responsáveis para a falha de um componente é recomendável a realização de uma análise de falhas, cujos resultados são agregados ao conhecimento histórico técnico em-pregado no projeto, produção e uso de componentes e estruturas iguais ou similares[1]. Uma análise de falhas é essencialmente um processo de investigação científica e, como tal, deve ser executado seguindo uma metodologia científica. Existem vá-rios procedimentos descritos na literatura[1-4], porém, de uma forma geral, esta análise é realizada através das seguintes etapas:

Verificar o histórico e o desem-1. penho prévio existentes do componente e/ou estrutura, ou ao menos de seus similares;Estudar o funcionamento 2. do equipamento ou da es-trutura onde ocorreu a falha, assim como de particularida-des presentes ou eventuais;Analisar visualmente como a 3. falha se manifestou, inclusive verificando a relação desta falha com o restante do equipamen-

to ou estrutura(s) existente(s);Separar amostras e executar 4. uma sequência de testes para caracterizar e registrar as condi-ções de operação e o desem-penho reais da parte falhada, prioridade deve ser dada aos ensaios não destrutivos antes dos ensaios destrutivos;Formular hipóteses com 5. base nas observações a aná-lises feitas do componente falhado e validá-las através dos dados obtidos dos testes (ensaios) realizados;Obter as causas da falha, listar 6. as causas-raiz e indicar, ou ao menos subsidiar, a definição de métodos para bloqueio.

Genericamente as causas para a falha da maioria das estruturas/componentes estão relacionadas as duas situações[2]:

Desvios na fase de projeto, 1. construção ou operação da estrutura ou componente. Aplicação de um novo proje-2. to ou material.

Na maioria das análises de falhas, uma pessoa treinada, ou um time de pessoas, conseguem

resolver a maioria dos casos ape-nas através de observação e aná-lise com emprego de recursos simples. Para isso é fundamental

que se compreenda os mecanis-mos de falha nos produtos meta-lúrgicos, dos quais a fratura é um dos principais.

3. RESISTÊNCIA DOS MATERIAISA resistência mecânica dos me-

tais é, em última análise, definida pela presença (tipo, quantidade e distribuição) dos inúmeros defeitos presentes em sua estrutura cristali-na, defeitos estes esquematizados na Figura 1.

Destes defeitos, as discordân-cias possuem papel de destaque nas propriedades mecânicas. Sua movimentação é o principal me-canismo pelo qual os átomos se deslizam uns sobre os outros den-tro da estrutura dos metais que é basicamente deformação plástica. Sendo assim, quando a resistência mecânica dos metais é aumentada, normalmente ocorre uma redução na capacidade de movimentação de suas discordâncias[8] e, conse-

Figura 1. Exemplificação dos defeitos presentes nas estruturas cristalinas dos metais a partir da representação dos defeitos presentes na estrutura de um rebite de aço[5].

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Figura 2. Efeito na curva tensão versus deformação de um aço HSLA (0,08%C; 0,65%Mn; 0,030%Nb) pela introdução de um concentrador de tensões (entalhe mecânico com raio de 0,30mm) em corpos de prova de tração prismáticos.

Figura 3. Os três possíveis modos de abertura de uma trinca.

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sxy sVON MISES

Figura 4. Interpretação do campo de tensões ao redor de um concentrador de tensões carregado no modo de abertura I (Figura 4) conforme descrito pela Equação 2. A ponta do concentrador de tensões (trinca) está situada sempre no meio da lateral esquerda das figuras. As cores vermelhas indicam valores mais elevados de tensão, as cores azuis valores mais baixos e as laranjas intermediários.

Figura 5. Um CP de CTOD já aberto ilustrando a geometria e posição da região plástica na ponta da trinca.

quentemente, uma restrição na plasticidade (ductilidade) do metal. Podem ser empregados mecanis-mos especiais de controle micro-estrutural para se minimizar os efei-tos da perda da ductilidade com o aumento da resistência mecânica. Tais técnicas implicam na obtenção de metais com diferentes níveis de tenacidade já que esta propriedade depende, simultaneamente, da re-sistência e da plasticidade[6 e 7].

4. MECÂNICA DE FRATURAA grande aplicabilidade dos me-

tais é oriunda dos seus altos valores de tenacidade, os maiores dentre os materiais de engenharia. Esta maior tenacidade é oriunda da conciliação

entre uma boa resistência mecânica e uma razoável capacidade de de-formação plástica. Mesmo assim, es-truturas e componentes metálicos falham, fraturando-se em várias si-tuações o que incita em um estudo mais profundo dos mecanismos de fratura, abordado nos dias de hoje pela Mecânica de Fratura.

O conceito básico emprega-do na Mecânica de Fratura é que o material apresenta concentra-dores de tensão severos (trincas), cuja propagação é definida por um balanço entre a energia libe-rada pelo carregamento mecânico e a energia absorvida na deforma-ção plástica ao redor da trinca. As trincas podem se originar de várias

formas, mas na maioria dos casos, a origem destas está vinculada a concentradores de tensão.

Concentradores de tensão pro-movem um aumento localizado da tensão aplicada no componente. A máxima tensão (σ

máx.) que surge

pela presença de um concentra-dor de tensão pode ser relacionada à tensão aplicada externamente (σ

0) por meio de medições experi-

mentais de tensão (extensometria ou outros), por análises numéri-cas (elementos finitos) ou através de ábacos. De uma forma geral, empregam-se valores do fator de concentração de tensão (K

t) para

descrever a amplificação da tensão pelo concentrador:

(Eq. 1)

Onde: σmáx.

representa a máxima tensão presente na região do con-centrador de tensão; K

t é o fator de

concentração de tensões e σ0 a ten-

são aplicada no componente (fora do concentrador de tensões).

O efeito de um concentrador de tensões intenso pode ser observa-do pela curva tensão-deformação mostrada na Figura 2. Apesar do aumento da resistência mecânica obtida (+15%), houve uma queda muito acentuada na capacidade de deformação plástica (-87%) o que implicou, para este caso, em

uma redução da tenacidade para menos de 20% da apresentada pelo CP liso.

As trincas podem ser carrega-dos em três modos de abertura: I, II ou III ou em combinações destes, conforme ilustrado pela Figura 3. Um campo de tensões elásticas é gerado ao redor da trinca, confor-me exemplificado para o modo I pela Equação 2. Nesta equação as-socia a intensidade deste campo de tensões a uma constante conheci-da como fator de intensidade de tensões (K

I, K

II ou K

III).

(Eq. 2)

Onde: σ representa os com-ponentes de tensões normais, τ o componente cisalhante, KI o fator

de intensidade de tensões, r e θ as coordenadas polares do ponto considerado à frente da trinca.

Considerando o critério de Von Mises como forma de quantificar o efeito plástico do campo de ten-sões gerado na ponta da trinca é possível fazer uma interpreta-ção gráfica do campo de tensões descrito pela Equação 2, apresen-tada na Figura 4. Na Figura 5 está ilustrado um CP de dobramento com uma trinca, empregado em ensaios da Mecânica de Fratura. O CP foi preparado de tal forma a evidenciar a deformação plástica na ponta da trinca, conforme indi-cada na Figura 5.

Como o modo de abertura I é o mais comum, é normal consi-derar apenas este modo de aber-tura como sendo responsável pe-

los eventos de fratura da maioria das condições práticas. Consi-derando este cenário, é possível considerar a inclusão do valor do fator de intensidade de ten-sões no modo de abertura I (K

I)

no critério de balanço de energia considerando um campo de ten-sões elásticas e obter uma equa-ção elegantemente simples, mas muito útil no estudo da maioria das falhas com fratura:

(Eq. 3)

Onde: σ representa a tensão aplicada no componente, Y é um fator geométrico (disponível na literatura, mensurável ou obtido através de cálculos numéricos), a é o tamanho da trinca e KI o fator de intensidade de tensões. A unidade de medida para KI é tensão x raiz quadrada de comprimento (exem-plo: MPa×m½).

Neste caso, ocorrerá propaga-ção de uma trinca (falha do ma-terial) quando a intensidade de tensões atuante na ponta da trin-ca (KI) for superior a um valor ca-racterístico do material (KIc). Des-ta forma o parâmetro KIc passa a representar uma forma de quanti-

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ficar a tenacidade do material na presença de um concentrador de tensões intenso (trinca). A esta ca-racterística dos materiais, dá-se o nome de tenacidade a fratura e os valores de KIc tornaram a forma mais popular de quantifica-la.

5. O PAPEL DO AÇOA amplitude de resistência

mecânica que o aço pode apre-sentar varia entre os valores de um material polimérico (plástico) até de um material cerâmico (de 100 a 2.000MPa). Nenhum outro material, além do aço, apresenta uma amplitude tão grande desta propriedade. Além disso, o aço é o material de engenharia que apre-senta o maior valor de tenacidade à fratura entre todos os materiais existentes (de 30 a 300 MPa×m½), apresentando uma combina-ção entre resistência mecânica e plasticidade superior aos demais metais, como mostra o gráfico da Figura 6.

Entretanto este tipo de com-portamento não era tão óbvio ao longo do século 20, período durante o qual houve muitos de-senvolvimentos e aplicações dos novos materiais de engenharia,

muitos deles substitutos dos aços. Adicionalmente, surgiram aplica-ções novas e cada vez mais sofisti-cadas, exigindo um maior nível de confiabilidade na aplicação dos materiais. Apesar de não terem contribuição exclusiva, estes dois cenários estiveram e ainda estão intimamente ligados às duas prin-cipais causas de falhas em com-ponentes e/ou estruturas:

Desvios na fase de projeto, 1. construção ou operação da estrutura ou componente. Um material de alta tenaci-dade à fratura apresenta me-nor probabilidade de falhar mesmo quando ocorrem al-terações na configuração ini-cial da sua aplicação, como o surgimento de trincas.Aplicação de um novo pro-2. jeto ou material. Em muitas aplicações a tenacidade e a tenacidade à fratura são características muito impor-tantes à aplicação, mas nem sempre são consideradas ou quantificadas de maneira a refletir a real necessidade que a aplicação requer por-que simplesmente não fo-ram percebidas como tal.Fo

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METAISTenacidade a Fratura K

Ic (MPa×m½)

Mín. Méd.Desv. Pad.

Máx.

Aço Alta 31,6 97,7 42 165

Ligas Ti 13,5 68,6 28 148

Aço Méd. 34,0 66,2 27 110

Ligas Al 12,0 38,9 26 136

Outros Ñ ferrosos 6,0 15,2 5 27

6. CONCLUSÕESFalhas são eventos que ocor-

rem devido as mais diversas ori-gens, mas muitas associadas pela conciliação de condições mecâni-cas e metalúrgicas adversas. É de primordial importância a compre-ensão dos mecanismos básicos para a ocorrência de uma falha e neste sentido a Mecânica de Fra-turas é essencial, pois através dela é possível correlacionar defeito (trinca), carregamento mecânico (tensão) e propriedade do material (tenacidade à fratura) para esboçar o cenário onde a falha ocorreu. O desafio torna-se maior especial-mente quando novas aplicações e novos materiais surgem.

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS[1] – COLANGELO, V.J.; HEISER,

F.A., Analysis of metallurgical fail-ures, Wiley, London, 1987.

[2] – WULPI, D.J., Understanding how components fail. ASM Inter-national, Materials Park, 3rd Edition, 2013.

[3] – MORAIS, W.A.; A Condução de uma Análise de Falhas. In: GODE-FROID, L.B.; CANDIDO, L.C.; MORAIS, W.A.; Análise de Falhas, ABM, São Paulo. Cap. 9, 2012.

Figura 6. Correlação entre os níveis de plasticidade (%Alongamento) e resistência (Limite de Resistência) de diversas categorias de metais e valores de tenacidade a fratura KIc para diferentes categorias de metais[8].

[4] – SACHS, N.W.; Pratical plant failure analysis - A guide to under-standing machinery deterioration and improving equipment reliabil-ity. CRC - Taylor & Francis, Boca Ra-ton, 2007.

[5] – ENGEL, L.; KLINGELE, H.; An atlas of Metal Damage. Wolfe Scien-ce Books,1981.

[6] – MAGNABOSCO, A.S.; Resis-tência Mecânica × Conformabilida-de. Módulo 5, Cap.3 p. 481-500. In: MORAIS, W.A.; MAGNABOSCO, A.S; NETTO, E.B.M.; Metalurgia física e mecânica aplicada. 2a Edição. São Paulo: ABM, 2009.

[7] – MORAIS, W.A.; Análise das relações entre as características dos aços e sua tenacidade. 65o Con-gresso Anual da ABM, Rio de Janei-ro, jul. 2010.

[8] – MATWEB – Material Proper-ty Data. Disponível em http://www.matweb.com/search/PropertySear-ch.aspx Acesso em: 26/02/2014.

8. AUTORESWilly Ank de MoraisMestre e doutorando em enge-

nharia metalúrgica e de materiais, engenheiro metalurgista, técnico em metalurgia. Professor adjunto na Faculdade de Engenharia da Unisanta e consultor técnico na Ins-pebras. e-mail: willyank@unisanta.br e willyank@inspebras.com.br

Marcus Vinícius de Oliveira Gonçalves

Engenheiro civil e mestrando em engenharia mecânica pela Uni-santa. Engenheiro de projetos na

Sabesp, técnico da Superintendên-cia de Gestão do Programa de Re-cuperação Ambiental da Baixada Santista (TBT ). e-mail: mvogoncal-ves@sabesp.com.br

André Varvello NunesEngenheiro mecânico e mes-

trando em engenharia mecâni-ca pela Unisanta. Engenheiro da Transpetro. e-mail: andre.varvello@gmail.com e andre.varvello@petro-bras.com.br

Celso Sacchetta FilhoEngenheiro industrial mecânico

e mestrando em engenharia me-cânica pela Unisanta. Gerente de operação na Bohler Técnica de Sol-dagem. e-mail: Celso.Sacchetta@voestalpine.com