Fadiga dos Materiais 5

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11/09/2023, 20:37 Fadiga dos Materiais
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Fadiga dos materiais
Prof. Julio Cesar José Rodrigues Junior
Descrição
Discussão da fadiga, suas causas e a curva S-N, e estudo das filosofias
de projeto para componentes mecânicos submetidos à fadiga: vidas
infinita e finita, fail safe e tolerância ao dano. Descrição das principais
classes de corrosão e as técnicas para minimizá-las ou evitá-las.
Propósito
Em diversas situações na engenharia, componentes ou estruturas são
solicitadas mecanicamente de maneira cíclica, ou seja, são suscetíveis
ao fenômeno da fadiga. Peças nessa condição falham a um nível de
tensão menor que o definido em situações estáticas (ensaio de tração).
Dessa forma, é fundamental que o fenômeno de fadiga seja
perfeitamente entendido, para que projetos possam utilizar técnicas
para reduzi-la, evitando falhas por fadiga que são catastróficas.
Objetivos
Módulo 1
O fenômeno da fadiga e suas causas
Identificar o fenômeno da fadiga e suas causas.
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Módulo 2
Filoso�as de projeto
Descrever as filosofias de projeto.
Módulo 3
Corrosão-fadiga
Reconhecer o fenômeno da corrosão-fadiga.
Módulo 4
Proteção contra corrosão
Identificar a proteção contra corrosão.
Introdução
Olá! Antes de começarmos, assista ao vídeo e compreenda o
fenômeno da fadiga dos materiais e seus principais tópicos que
serão abordados ao longo deste conteúdo.

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1 - O fenômeno da fadiga e suas causas
Ao �nal deste módulo, você será capaz de identi�car o fenômeno da fadiga e suas causas.
Vamos começar!
Princípios e causas da fadiga de
materiais
Conheça os principais pontos que serão abordados neste módulo.
Generalidades do fenômeno da fadiga
O fenômeno da fadiga ocorre em componentes ou estruturas sob a ação
de esforços (tensões) cíclicos (dinâmicos e variáveis). Não é rara a
ocorrência de falhas decorrentes da fadiga como em componentes
automotivos sujeitos a esforços cíclicos. Situação similar ocorre em
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aviões, em que um processo cíclico de pressurização e
despressurização pode levar à falha por fadiga. Outra questão é a
oscilação das asas durante todas as etapas do voo, desde o taxiamento
para a decolagem até o pouso final. A fadiga não é um fenômeno
exclusivo dos metais. Materiais poliméricos ou cerâmicos (exceção do
vidro) também são suscetíveis ao fenômeno.
Em linhas gerais, o fenômeno da fadiga demanda tempo para que ocorra
e acontece abruptamente, sob a ação de tensões inferiores aos valores
estáticos para o material, ou seja, abaixo do valor do limite de
resistência à tração (LRT) ou do limite de escoamento (região elástica),
para situações em que o componente é submetido a cargas estáticas.
Tensões cíclicas
O fenômeno de fadiga está associado a tensões cíclicas, como ocorre,
por exemplo, no eixo das rodas de um automóvel. Nessa situação, o
principal efeito sobre o eixo é o da flexão e cada parte do eixo terá um
tipo de tensão, veja:
Tensão negativa
A parte superior estará
com tensões
compressivas
(negativas).
Tensão positiva
A parte inferior estará
com tensões trativas
(positivas).
O efeito da rotação do eixo fará com que essas condições se alterem, ou
seja, as regiões superior e inferior do eixo ficam sujeitas a tensões
cíclicas. A imagem apresenta parte de um automóvel em que vários
componentes podem estar sob a ação de tensões cíclicas.
Imagem 1: Automóvel destacando a suspensão e o motor.
A seguir, vemos algumas possibilidades para as variações das tensões
cíclicas ao longo do tempo.
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Imagem 2: Variações das tensões em função do tempo.
A partir da análise da imagem acima, é possível dividir as tensões
cíclicas em três grupos:
Ciclo de tensões alternadas;
Ciclo de tensões repetidas;
Ciclo de tensões irregulares aleatórias.
Na imagem 2(a), o ciclo é alternado senoidal e pode representar as
tensões atuantes em um eixo circular rotativo, com frequência
constante. No caso apresentado na imagem 2(b), as tensões máxima e
mínima apresentam-se assimetricamente dispostas em relação ao eixo
horizontal. Assim como no caso (a), a curva é descrita por uma senoide.
Para as duas classes de tensões cíclicas apresentadas, é possível
determinar a tensão atuante no componente, em função do tempo,
utilizando-se a seguinte expressão matemática:
σ(t) = A + B ⋅ sen( 2π
T
⋅ t)
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Em que é o período da função. Inicialmente, devemos determinar os
valores de e , a partir dos valores máximo e mínimo 
das tensões (figuras 2 (a) e 2 (b)). A função trigonométrica seno
apresenta valores reais que variam no intervalo de a , ou seja,
. Assim, substituindo na equação anterior,
tem-se:
Assim, e .
É comum que e sejam denominados, respectivamente, de tensão
média e amplitude de oscilação . A razão entre as
tensões mínima e máxima é denominada razão de variação de tensões.
Diferentemente das curvas mostradas nas imagens 2(a) e 2(b), a curva
da imagem 2(c) tem amplitude e frequência aleatórias, ao longo do
tempo. Conforme afirma Spim (2017), em sua obra, a variação de
tensões na asa de um avião sob ação do vento é bem representada na
imagem 2(c).
Ensaio de fadiga e curva S–N
Existe o ensaio mecânico destrutivo denominado de “ensaio de fadiga”,
com o objetivo de determinar as propriedades do material em relação ao
fenômeno da fadiga. Veja a seguir uma máquina utilizada no ensaio de
fadiga:
Imagem 3: Máquina de flexão – rotativa: ensaio de fadiga.
O output do ensaio de fadiga é a curva tensão versus número de ciclos,
também denominada como curva S-N, - N ou de Wöhler. É usual que o
eixo do número de ciclos (N) seja apresentado em logaritmo decimal de
N. Observe agora uma curva genérica S-N:
T
A B (σma ́x) (σmin)
−1 +1
−1 ≤ sen ( 2πT . t) ≤ +1
{σma ́x = A + B
σmin = A − B
A = σmax+σmin
2
B = σmax−σmin
2
A B
(σm) (σa) (R)
σ
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Imagem 4: Curva S-N genérica.
A curva S-N depende do tipo de material, veja:
Materiais ferrosos, ligas
de titânio e ligas de
molibdênio
Para alguns materiais
(ferrosos, ligas de
titânio e ligas de
molibdênio), a curva S-N
apresenta um patamar
horizontal denominado
limite de resistência à
fadiga, ou seja, quando
o material estiver
submetido a tensões
abaixo desse limite, não
sofrerá falhas por
fadiga (vida infinita).
Materiais não ferrosos
Para as ligas não
ferrosas, em geral, a
curva S-N não
apresenta um patamar,
ou seja, o limite de
resistência à fadiga.
Nessa situação, a
fadiga é caracterizada
pela resistência à
fadiga, que é um valor
de tensão para ocorrer
falha por fadiga,
arbitrando-se um
número de ciclos.
De outra maneira, pode-se determinar uma tensão e a curva indica o
número de ciclos para a ocorrência da falha. É a vida (finita) em fadiga.
Observe:
Imagem 5: Curvas S-N.
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Existe uma classificação didática para o fenômeno da fadiga:
Fadiga de baixo ciclo
A fratura por fadiga
ocorre com menos de
10.000 ciclos.
Fadiga de alto ciclo
A fratura por fadiga
ocorre com mais de
10.000 ciclos.
Falha por fadiga
Em termos gerais, a falha por fadiga ocorre em carregamentos cíclicos a
um nível de tensão menor que o limite estático. Inicialmente, ocorre a
etapa de nucleação de uma trinca na superfíciede um componente
mecânico. A sequência de esforços cíclicos trativos induz o
crescimento dessa trinca até que ocorra, catastroficamente, a falha.
Um agravante desse tipo de falha é que não há indicações explícitas de
que o componente irá falhar. Esse último aspecto é importante para
justificar ensaios que acompanhem o crescimento de uma trinca, para
que ela não atinja o seu tamanho crítico e, consequentemente, ocorra a
falha. A sequência mostrada abaixo apresenta o crescimento de uma
trinca superficial, ao longo do carregamento cíclico.
Imagem 6: Componente sob carregamento cíclico – crescimento da trinca superficial.
Uma peça sob carregamento cíclico pode falhar devido ao fenômeno da
fadiga. Essa fratura apresenta as fases de nucleação (“iniciação”) da
trinca, do crescimento lento da trinca e da ruptura catastrófica da peça.
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Na fase de nucleação, em geral, as trincas originam-se na superfície do
componente mecânico sujeito a carregamentos cíclicos. Assim, as
condições de acabamento são aspectos relevantes para atenuar a
possibilidade da nucleação de trincas, devendo-se evitar arranhões,
trincas de usinagem, concentradores de tensão etc.
Exemplo
Há situações metalúrgicas que potencializam a nucleação de trincas,
como inclusões, porosidades, pontos de corrosão etc.
Veja algumas das situações descritas anteriormente, em que a
nucleação das trincas é potencializada em peças sujeitas a esforços
cíclicos:
Imagem 7: Potencializadores da nucleação de trincas superficiais.
Na etapa de crescimento, a trinca nucleada apresenta um incremento
 em seu comprimento , a cada ciclo de tensões. Em decorrência, há
a formação das denominadas marcas de estrias na propagação da
trinca. Observe o desenho esquemático:
Δa a
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Imagen 8: Marcas de estrias - esquema.
Na superfície em que ocorre a ruptura de uma peça por fadiga, duas
regiões destacam-se: a de desenvolvimento gradual e lento da trinca
(aspecto liso) e a em que ocorre a fratura catastrófica, rugosa.
Imagem 9: Superfície de fratura por fadiga.
É possível fazer algumas inferências a partir da imagem anterior. A
nucleação da trinca encontra-se na parte superior da superfície de
fratura mostrada. Na sequência, apresenta-se uma região lisa, típica da
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propagação lenta da trinca (crescimento gradual a cada ciclo de
tensões) e, por fim, região rugosa, que corresponde à falha catastrófica.
Atenção!
As estrias de fadiga têm dimensões microscópicas que podem ser
visualizadas por meio de microscópios eletrônicos de varredura ou
transmissão (MEV ou MET), (imagem 10). Entretanto, as marcas de
praia são visíveis macroscopicamente. De acordo com Callister (2016),
podem existir milhares de estrias em uma única marca de praia
(imagem 11).
Imagem 10: Estrias de fadiga – Ampliação de 9.000 X no MET.
As marcas de praia apresentam-se como arcos de circunferências com
a concavidade voltada para a região de nucleação das trincas. Na figura
11, vemos as marcas de praia (porção estável da propagação da trinca)
e a posição da nucleação da trinca:
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Imagem 11: Marcas de praia de fadiga.
Dica
A presença de marcas de praia/estrias em uma superfície de fratura é
indicação de falha por fadiga, contudo, a ausência dessas marcas não
implica dizer que a falha não ocorreu por fadiga. Outras investigações
devem ser realizadas para conclusões precisas.
Causas da fadiga
A falha de um componente, sob ação de tensões cíclicas, pode ser por
fadiga. Muitos fatores contribuem para potencializar ou reduzir o
fenômeno de fadiga, dentre os quais podem ser citados: o acabamento
superficial da peça, os concentradores de tensões, as condições
ambientais, os tratamentos térmicos, a tensão média etc. Veja a seguir
três tipos de entalhes na superfície de uma peça funcionando como
concentradores de tensões. O entalhe em “V” é o mais severo
concentrador de tensões dos três e o arco de circunferência o que mais
atenua a concentração de tensões.
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Imagem 12: Concentradores de tensões na fadiga.
Confira alguns fatores que influenciam no fenômeno da fadiga.
Tensão média
Nas curvas de ciclamento de tensões (imagem 2b), a que um material
está submetido, é possível determinar o parâmetro denominado tensão
média pela seguinte expressão:
A influência da tensão média na fadiga de uma peça em ciclamento é tal
que, maiores valores transladam a curva tensão versus número de ciclos
(S-N) para baixo, veja:
(σm)
σm =
σma ́x + σmin
2
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Imagem 13: Influência da tensão média na fadiga.
Observamos também que há uma diminuição da vida em fadiga para
valores maiores de tensão média.
Razão de variação de tensões (R)
É possível determinar a razão (R) entre as tensões mínima e máxima, a
partir das curvas de ciclamento de tensões (imagem 2b) a que um
material está submetido pela expressão a seguir:
Na imagem a seguir, é possível perceber a influência de no limite de
resistência à fadiga. Maiores valores de aumentam esse limite.
Imagem 14: Influência do parâmetro R na fadiga.
Efeitos do acabamento super�cial
A falha por fadiga apresenta, como primeiro estágio, a nucleação de
trincas superficiais em componentes sob carregamentos dinâmicos.
Assim, é possível inferir a importância do acabamento superficial de
uma peça como estratégia para aumentar o limite de resistência à
fadiga. Portanto, uma superfície com acabamento superficial
inadequado, com irregularidades que funcionam como concentradores
de tensões, potencializa o fenômeno da fadiga em componentes sob
carregamentos cíclicos. A tabela 1 apresenta a influência do tipo de
acabamento superficial no limite de resistência à fadiga para um aço
com 0,4 % de C, temperado, trefilado e ensaiado por flexão rotativa
(imagem 3).
R =
σmin
σmax
R
R
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Aço 0,4 % de C
Acabamento superficial Limite de fadiga (kgf/mm2)
Alto polimento longitudinal 35,3
Polimento padrão 34,3
Esmerilhamento 31,5
Torneamento grosseiro 29,0
Tabela 1: Efeito do acabamento superficial sobre a vida em fadiga.
De Souza, 2019. p. 190.
O tratamento superficial de jateamento induz tensões compressivas no
componente mecânico. Assim, o limite de resistência à fadiga aumenta,
uma vez que maiores valores de tensões trativas serão necessários. A
seguir, são apresentados dois eixos mecânicos (com e sem
jateamento): a distribuição de tensões atuantes na flexão e a
superposição com as tensões compressivas residuais, provenientes do
jateamento.
Imagem 15: Tratamento de jateamento e a fadiga.
Alguns tratamentos termoquímicos, como o de nitretação, aumentam a
resistência à fadiga. Observe agora a curva S-N para quatro
componentes A, B, C e D. Os componentes B e D são nitretados.
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Imagem 16: Curvas S-N para componentes cementados.
Variáveis do projeto
No projeto de componentes mecânicos que estarão sob tensões
cíclicas, é importante atentar para os concentradores de tensões, pois
potencializam a nucleação de trincas superficiais (primeira etapa da
fadiga). A imagem 17(a) apresenta um projeto inadequado pela
presença de arestas (de 900) que diminuem a vida em fadiga, enquanto
a imagem 17(b) o adoçamentoaumenta a vida em fadiga.
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Imagem 17: Fatores de projeto e vida em fadiga de componente.
Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
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Questão 1
(2018 - NUCEPE - PC-PI – Perito Criminal – Engenharia Mecânica).
Para algumas ligas de aço e de titânio, o limite de resistência à
fadiga é a tensão limite na qual:
Parabéns! A alternativa D está correta.
O ensaio de fadiga em ligas ferrosas, de titânio, de molibdênio etc.,
apresenta uma curva tensão versus número de ciclos com um
patamar horizontal, o limite de resistência à fadiga da liga. Se o
componente estiver submetido a tensões cíclicas abaixo do limite
apresentado na curva, não ocorrerá falha por fadiga (vida infinita).
Questão 2
(2018 - CESGRANRIO - Petrobras - Engenheiro de Equipamentos
Júnior - Inspeção). As curvas S x N apresentadas abaixo foram
obtidas empregando a mesma razão R tensão mínima por tensão
máxima.
A acima dela não irá ocorrer falha por fadiga.
B o número de ciclos é decrescente.
C acima dela não haverá deformação.
D abaixo dela não irá ocorrer falha por fadiga.
E o material voltará ao comprimento inicial.
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Determinado eixo sofrerá um carregamento cíclico dado pela
expressão: S(t)=300+150.sen(X) (em MPa). Para esse
carregamento, verifica-se que o(s)
Parabéns! A alternativa C está correta.
A função que descreve a curva de ciclos de tensões é dada por
. Como os valores máximo e mínimo
da função seno valem, respectivamente, +1 e -1, temos que:
A partir da curva S-N apresentada, os patamares para os materiais
B, C e A são valores ligeiramente superiores a 500MPa, 300MPa e
200MPa, isto é, o limite de resistência à fadiga. Dessa forma, nas
condições apresentadas de ciclamento, apenas o material B não
sofrerá falha por fadiga.
A
material B falhará por fadiga antes dos materiais A e
C.
B
material B nunca falhará por fadiga, e o material C
falhará antes do material A.
C
material B nunca falhará por fadiga, e o material A
falhará antes do material C.
D materiais A e B nunca falharão por fadiga.
E materiais A e C nunca falharão por fadiga.
S(t) = 300 + 150 ⋅ sen(X)
S(t) = 300 + 150 ⋅ sen(A) → Smáx  = 450MPa e Spoin = 150M
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2 - Filoso�as de projeto
Ao �nal deste módulo, você será capaz de descrever as �loso�as de projeto.
Vamos começar!
Filoso�as de projeto
Conheça os principais pontos que serão abordados neste módulo.
Aspectos gerais do projeto de peças
sob fadiga
A literatura avalia que a fadiga do material é a principal causa da falha
em componentes mecânicos (bielas, virabrequins, pás de turbinas a
vapor, eixos de vagões ferroviários etc.), podendo variar de 50% a 90%.
Como, em regra, essas falhas são catastróficas e inesperadas, são

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consideradas graves e perigosas. Em vários ramos da engenharia,
alguns componentes, ou mesmo toda a estrutura, podem estar
submetidos ao fenômeno da fadiga, em função das solicitações
mecânicas cíclicas.
Exemplo
Podemos citar eixos mecânicos rotativos (carregamentos e
descarregamentos), aviões (compressão – descompressão) etc.
Observe as imagens 18 e 19. Veja como eventuais falhas em
componentes minimamente elevam o custo, uma vez que, além da
substituição do componente propriamente dito, há a necessidade de
interromper temporariamente a produção.
Imagem 18: Avião – sujeito a ciclamento de tensões.
Imagem 19: Tensões atuantes no avião – da decolagem ao pouso.
O gráfico da imagem apresenta as tensões atuantes nas asas de um
avião desde o taxiamento para a decolagem, passando pelo voo de
cruzeiro e a aterrissagem. É possível perceber o carregamento cíclico,
por isso, a importância de o projeto considerar o fenômeno da fadiga.
Outros exemplos (molas, reservatórios, eixos de motor etc.) têm os
ciclos de tensões esquematizados abaixo.
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Imagem 20: Ciclos de tensões atuantes em diversos componentes / estruturas mecânicas.
Dentro do que foi abordado, a fadiga é uma preocupação desde a etapa
de projeto até a fase de uso do componente, com verificações
constantes para avaliar a evolução da trinca que, a partir de um tamanho
crítico implicará na falha catastrófica por fadiga. Observe um gráfico
de monitoramento do tamanho da crítica na asa de um avião, em função
do número de horas de voo.
Imagem 21: Evolução da trinca com o número de ciclos.
Neste último gráfico, é possível inferir sobre o tempo de voo para que a
trinca seja nucleada e para o seu crescimento.
Critérios de projeto para fadiga
Segundo Rosa (2002), as estruturas e os equipamentos de engenharia
suscetíveis à falha por fadiga apresentam inúmeras variáveis, desde a
seleção de materiais, do tipo de ciclo de solicitações mecânicas, das
exigências de segurança etc. Dessa forma, a filosofia de projeto para
análise da resistência à fadiga revela nuances para cada caso
considerado. A fadiga apresenta o estágio inicial de nucleação da trinca
(por vezes, a trinca superficial já está na peça) e posterior crescimento,
com o acúmulo do dano que leva à falha final. A fadiga apresenta uma
série de fatores e, por isso, muitas vezes ocorre a necessidade de se
testar a estrutura ou o componente, indicando sua confiabilidade.
Confira alguns desses critérios de projeto:
acr 
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Projeto para vida in�nita
Utilizado em projetos de eixos de motores, de engrenagens etc.
Projeto para vida �nita
Utilizado amplamente em projetos de reservatórios
pressurizados, motores a jato etc.
Projeto para falha em segurança (fail safe)
Utilizado na indústria aeronáutica, nos projetos de fuselagens e
asas de aviões.
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Projeto com tolerância ao dano
Utilizado no desenvolvimento de projetos de fuselagens e asas
de aviões, além de oleodutos.
Filoso�as de projeto
A etapa de projeto de um componente que ficará sujeito a solicitações
mecânicas cíclicas deve ser tal que o valor de esforço externo na peça
seja seguro, ou seja, menor que um dado valor, o limite de resistência à
fadiga. Observe o diagrama S-N para o aço e o alumínio:
Imagem 22: Curvas S-N para aço e alumínio.
A partir do gráfico anterior, é possível perceber a diferença das filosofias
de projetos para vida infinita e para vida finita. Para o aço, a curva S-N
apresenta um patamar horizontal (186MPa), ou seja, abaixo desse valor
de tensão, não é mais determinante o número de ciclos para a falha por
fadiga. Dizemos, portanto, que a peça tem vida infinita para fadiga. Para
o alumínio, esse patamar não está bem caracterizado. Assim, um
número de ciclos é estipulado para a vida do material em fadiga. No
exemplo, foram determinados 500 milhões de ciclos, sendo a tensão
associada de 131MPa.
Filoso�a de projeto para vida in�nita
Suscintamente, essa filosofia adota como tensão máxima, o valor do
limite de resistência à fadiga (patamar horizontal da curva S-N ou de
Wöhler). Assim, a tensão atuante no componente deve ser menor que o
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limite de resistência à fadiga, para que, independentemente do número
de ciclos, ele não falhe por fadiga ( ).
Saiba mais
Historicamente,os primeiros projetos mecânicos para componentes
sob fadiga eram dimensionados para uma vida infinita, exigindo-se que
as tensões atuantes nos componentes mecânicos fossem
suficientemente abaixo da tensão limite de fadiga dado pela curva S-N.
Segundo Rosa (2002), mesmo hoje, essa filosofia de projeto é aplicada
no dimensionamento de peças que operam com um carregamento
cíclico aproximadamente constante, durante vários milhões de ciclos.
São exemplos de componentes dimensionados por essa filosofia eixos
de motores, molas de válvulas de motores à combustão e engrenagens
industriais. Confira um resumo dessa filosofia por meio de um esquema:
Imagem 23: Esquema para filosofia de projeto de vida infinita.
Filoso�a de projeto para vida �nita
A filosofia de projeto de vida finita, para estruturas ou equipamentos
sujeitos a tensões cíclicas, estipula determinado número de ciclos como
a vida para o componente. Em regra, essa filosofia é utilizada para
condições de carregamento cíclico com pequeno grau de certeza ou
para carregamento cíclico não constantes. O dimensionamento ou
análise dos componentes pode ser realizado a partir das curvas de
Wöhler, de deformação-vida ( ), ou de propagação de trincas
preexistentes (a - . A seguir, vemos curvas para materiais
em que ocorre o limite de resistência à fadiga (vida infinita) e para
materiais sem o limite de resistência à fadiga (vida finita).
Imagem 24: Curvas S-N ou para grupos distintos de materiais.
Speça  < Slimite 
ε N
ΔK) S − N
σ − N
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O primeiro gráfico da figura anterior apresenta materiais que, carregados
abaixo de uma tensão (limite de resistência à fadiga), não falham por
fadiga, isto é, apresentam vida infinita. Já na segunda curva, o limite de
resistência à fadiga não se apresenta bem definido. Estipulando-se o
número de ciclos para o componente (vida finita), é possível, a partir da
curva S-N, determinar a tensão mínima para que não ocorra a falha.
Mancais de rolamento, reservatórios pressurizados, peças de
automóveis e motores a jato são componentes/estruturas normalmente
dimensionados, em relação à fadiga, pela filosofia de vida finita.
Filoso�a de projeto para falha em segurança (fail safe)
Segundo Rosa (2002), essa filosofia de projeto foi desenvolvida para a
indústria aeronáutica e considera a possibilidade de ocorrência de
trincas de fadiga. Nessa filosofia, dispõe-se a estrutura de modo que as
trincas não a levem ao colapso antes de serem detectadas e reparadas.
Veja agora alguns meios de possibilitar e manter a estrutura em
comportamento fail safe:
Imagem 25: Estruturas em fail safe.
É possível perceber alguns recursos utilizados nessa filosofia de projeto:
percursos alternativos para transferência de carga, introdução de
bloqueadores de propagação, uniões rebitadas ou parafusadas etc. Essa
filosofia de projeto é utilizada no dimensionamento de fuselagens e
asas de aviões, de cascos de navios e de pontes.
Filoso�a de projeto com tolerância ao dano
A filosofia de projeto com tolerância ao dano é um refinamento da
filosofia apresentada anteriormente. Nesta filosofia, considera-se a
existência de uma trinca e o projeto da estrutura ou componente é
executado para que essa trinca não cresça acima de um valor crítico,
evitando-se a falha por fadiga. Há a necessidade de verificações
periódicas para acompanhar o aumento da trinca e, caso necessário, a
peça deverá ser recuperada ou substituída. Além de fuselagens e asas
de aviões, a filosofia é utilizada no dimensionamento de reservatórios,
tubulação e oleodutos.
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Necessidades para a análise de
fadiga
Como já vimos, as estruturas ou os componentes sujeitos a solicitações
mecânicas cíclicas devem ser dimensionados considerando-se o
fenômeno da fadiga. Para tanto, quatro filosofias de projeto foram
apresentadas:
a de vida infinita;
a de vida finita;
a fail safe;
a tolerante ao dano.
Cada uma é mais adequada para tipos específicos de componentes. O
fenômeno da fadiga demanda tempo e, por isso, o acúmulo do dano que
leva à falha final deve ser considerado. Muitas são as variáveis
envolvidas no acúmulo de dano. Por vezes, ensaios de corpos padrão
em laboratórios não apresentam resultados, de forma fidedigna, em
relação à resistência à fadiga do componente a ser dimensionado. Os
ensaios não devem ser excessivamente longos ou onerosos (ROSA,
2002).
Exemplo
No caso da indústria aeronáutica, vários anos de serviço podem ser
simulados em alguns poucos meses e apenas um ou dois protótipos de
um novo avião precisam ser usados para os testes de fadiga.
Para garantir menores custos, muitas vezes são adotados
procedimentos que simplificam os ensaios, sem que sejam perdidas
informações relevantes para o dimensionamento. Por vezes, são
eliminadas do ensaio as fases da “ausência de solicitação mecânica” ou
de amplitudes pequenas. Com o mesmo objetivo, muitas vezes apenas
parte da estrutura, efetivamente suscetível à fadiga, é ensaiada. O grau
de precisão requerido no ensaio é função da responsabilidade do
componente na estrutura e pode ser dividido, de acordo com o projeto,
da seguinte maneira:
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Novo modelo
Nessa situação o grau de sofisticação, pode ser adotado nos
ensaios de fadiga quando já existe um projeto em uso e deseja-
se fazer um upgrade em um componente, em parte de um
sistema etc. Exemplo bem usual são as pequenas alterações
em modelos de carros. Para o novo dimensionamento, dados
adicionais precisam ser conhecidos, a partir de memoriais de
cálculos (ou testes) anteriores.
Novo produto
Essa situação é aplicada quando um novo produto submetido a
carregamentos cíclicos (fadiga) for desenvolvido. A análise de
cargas e, consequentemente, de tensões, é uma etapa crítica.
Em etapa posterior, são efetuados os ensaios de fadiga para o
componente (ou componentes) para confirmação do
dimensionamento e do desempenho.
De acordo com normas
Nessa situação, o dimensionamento pode basear-se em
normas internas estabelecidas, a partir de projetos já
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executados para determinado componente, ou normas
específicas de instituições nacionais ou internacionais, como
as normas ASME (American Society of Mechanical Engineers),
DIN (Deutsches Institut für Normung) etc.
Equipamento de uso restrito
Essa situação se aplica quando internamente algum sistema
ou componente, sujeito a esforços cíclicos, for usado
auxiliarmente na produção industrial, em ensaios etc. Nesse
caso, o rigor adotado pelo projetista pode ser menor.
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Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
Várias são as filosofias de projeto para o dimensionamento de
componentes ou estruturas submetidos a carregamento cíclicos,
dentre as quais a de projeto para falha em segurança (fail safe). A
respeito dessa filosofia, são feitas as seguintes afirmativas:
I – Tipo de filosofia desenvolvida por engenheiros aeronáuticos
para dimensionamento, por exemplo, de asas de aviões. Considera
a existência de uma trinca inicial no componente.
II – É possível a manutenção de uma estrutura aeronáutica em fail
safe utilizando bloqueadores de propagação da trinca e caminhos
alternativos para a transferência de carga.
III – Essa filosofia não tem sua aplicação exclusivamente na
indústria aeronáutica. É obrigatória para o dimensionamento de
reservatórios, tubulação e eixos de motores.
São corretas:
A apenas a afirmativa I.
B apenas a afirmativa II.C apenas a afirmativa III.
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Parabéns! A alternativa D está correta.
As filosofias de projeto para componentes suscetíveis à fadiga são:
de vida infinita, de vida finita, para falha em segurança e com
tolerância ao dano. Na filosofia para falha em segurança, ou fail
safe, considera-se que a peça possui uma trinca inicial e são
aplicados bloqueadores da propagação das trincas, juntas
rebitadas e caminhos alternativos para a carga. Além de vasta
aplicação na indústria aeronáutica, onde surgiu, é utilizada para o
dimensionamento de cascos de navios e de pontes.
Questão 2
Uma peça sujeita a esforços mecânicos cíclicos, como os eixos de
motores, as asas de aviões etc., estão sujeitas ao fenômeno da
fadiga, que, em linhas gerais, pode levar um componente a falhar,
mesmo solicitado a tensões inferiores à sua resistência estática.
No dimensionamento de peças ou estruturas nessas condições,
são aplicáveis quatro filosofias de projeto. Correlacione a filosofia
de projeto com as estruturas adequadas para a aplicação.
1 ‒ Projeto para vida infinita
2 ‒ Projeto para vida finita
3 ‒Projeto para falha em segurança (fail safe)
4 ‒Projeto com tolerância ao dano
( ) Projetos de fuselagens e asas de aviões.
( ) Projetos de eixos de motores e de engrenagens industriais.
( ) Projetos de fuselagens e asas de aviões e oleodutos.
( ) Projetos de reservatórios pressurizados e motores a jato.
D apenas as afirmativas I e II.
E apenas as afirmativas I e III.
A 3 – 4 – 1 – 2
B 1 – 3 – 2 – 4
C 3 – 2 – 4 – 1
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Parabéns! A alternativa E está correta.
No dimensionamento de componentes sujeitos à fadiga, várias são
as filosofias de projetos:
Vida infinita – filosofia de projeto aplicada no
dimensionamento de peças que operem com um carregamento
cíclico constante, como eixos de motores e engrenagens
industriais.
Vida finita – filosofia que define um número de ciclos para a
vida do componente. É amplamente utilizado no
dimensionamento de projetos de reservatórios pressurizados,
motores a jato etc.
Falha em segurança (fail safe) – Tem origem na indústria
aeronáutica e pressupõe uma trinca preexistente. Aplicável no
dimensionamento de projetos de fuselagens e de asas de
aviões.
Tolerância ao dano – É um refino da filosofia fail safe, com
aplicação no dimensionamento de projetos de fuselagens, asas
de aviões e oleodutos.
3 - Corrosão-fadiga
Ao �nal deste módulo, você será capaz de reconhecer o fenômeno da corrosão-fadiga.
D 4 – 1 – 3 – 2
E 3 – 1 – 4 – 2
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Vamos começar!
Mecanismos de ocorrência da
corrosão sob fadiga
Conheça os principais pontos que serão abordados neste módulo.
Aspectos gerais da corrosão
Em linhas gerais, a corrosão de um material é sua degradação por ação
química, com ou sem a solicitação mecânica. Essa deterioração sobre
um componente leva a desgastes indesejáveis, que, não raro, tornam o
componente impróprio para a utilização. A corrosão é um processo
espontâneo, inverso ao metalúrgico. Observe a equação representativa a
seguir:
Composto + Energia Metal
A reação química no sentido de formar o metal é o processo
metalúrgico, não espontâneo. No sentido inverso, a reação é a de
oxidação/corrosão. Para exemplificar, existe a redução eletrolítica da
alumina, a 10000C, formando o metal alumínio e a operação inversa em
que o alumínio é oxidado.
Os materiais têm diferentes “resistências” à oxidação (potencial). Uma
pilha eletroquímica apresenta dois metais, por exemplo, ferro e cobre,

↔
 2. Al2O3 ↔ 4.Al + 3.O2
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imersos em soluções (duas semipilhas) que são ligados eletricamente
(por um fio). Veja a diferença entre eles:
Ferro
No eletrodo de ferro,
ocorrerá a oxidação e,
consequentemente, a
perda de material.
Cobre
No eletrodo do cobre,
ele será
eletrodepositado com o
ganho de matéria.
Observe a pilha eletroquímica descrita:
Imagem 26: Pilha eletroquímica de eletrodos de cobre e ferro.
As equações das duas semipilhas (semirreações) são apresentadas a
seguir:
A reação total (soma das semirreações) é dada por:
Vejamos agora diversas corrosões em equipamentos/estruturas do dia
a dia e da engenharia.

Fe → Fe2+ + 2 ⋅ e−
Cu2+ + 2 ⋅ e− → Cu
Cu2+ + Fe → Fe2+ + Cu
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Imagem 27: Carro de aço carbono oxidado.
Carro oxidado
Carro que sofreu o processo de oxidação ao longo dos anos.
Imagem 28: Oxidação em ferro fundido.
Cano de água oxidado
Fragmentos de canos de água de ferro fundido oxidados, ao
longo de vários anos de uso.
Imagem 29: Oxidação em flanges de aço - carbono.
Tubulação oxidada
Parte da estrutura de tubulações em atmosfera corrosiva
(marítima), revelando a corrosão na forma de ataque geral, em
flanges de aço carbono.
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Imagem 30: Oxidação em armadura de concreto armado - laje.
Estrutura metálica do concreto oxidada
Estrutura metálica do concreto armado de uma laje
(“vergalhões”) que se apresenta com corrosão acentuada. Essa
corrosão da armadura do concreto armado é muito comum.
Os principais meios corrosivos são:
Ar atmosférico
A corrosão ocorre pela presença de óxidos sulfurosos ou de
partículas de água salgada, quando há proximidade do mar.
Solo
A corrosão é devido ao baixo pH, às correntes parasitas e às
bactérias.
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Água doce
A corrosão é explicada pela presença de gases dissolvidos, como
dióxido de carbono (CO2) e sulfeto de hidrogênio (H2S).
Água salgada
A corrosão é devido à presença do cloreto de sódio (NaCl) e
cloreto de magnésio (MgCl2).
Fundamentos da fadiga
Em linhas gerais, a fratura de um material é um evento indesejável que
consiste na separação de um componente em uma ou mais partes. Uma
das possibilidades é a da fratura por fadiga em que o material,
submetido a ciclos de tensões, tem a nucleação e crescimento de uma
trinca e, falha catastroficamente, mesmo submetido a tensões inferiores
a de resistência a tração (estática). A seguir, vemos um jato comercial
que teve uma falha estrutural por ação da fadiga (ciclos de compressão
e descompressão):
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Imagem 31: Falha por fadiga.
Principais tipos de corrosão
Há vários tipos de corrosão cuja classificação considera a aparência
dessa corrosão, as suas causas, os mecanismos do processo etc. De
acordo com Gentil (1996), pode-se ter corrosão segundo:
A morfologia
Nesse caso, os principais tipos de corrosão são: uniforme, por placas,
por pites, intergranular, transgranular etc.
As causas ou mecanismos
Nesse caso, as corrosões podem ser por aeração diferencial, eletrolítica,
galvânica, fragilização pelo hidrogênio etc.
Os fatores mecânicos
Nesse caso, temos as corrosões sob tensão, sob fadiga, por atrito etc.
O meio corrosivo
Nesse caso, temos as corrosões pelo ar atmosférico, pelo solo, pela
água salgada etc.
Confira algumas corrosões comuns na Engenharia e seus aspectos
gerais:
Corrosão uniforme 
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Esse tipo de corrosão ocorre em toda a superfície de uma peça.
Dessa forma, o material consumido pela corrosão é uniforme ao
longo da seção.
Imagem 32: Ferrugem corrosiva uniforme.
Esse tipo de corrosãoé caracterizado por regiões na peça com
escavações. Apresenta-se ao longo da superfície, sem a
continuidade da erosão uniforme.
Imagem 33: Corrosão por placas em ferro branco.
Nesse tipo de corrosão, é característica a presença de pites que,
geometricamente, são cavidades com fundo anguloso e com
profundidade maior que seu diâmetro. A imagem apresenta
alguns pites característicos, de acordo com a American Society
for Testing and Materials (ASTM).
Corrosão por placas 
Corrosão puntiforme ou por pite 
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Imagem 34: Tipos de pites – corrosão.
A seguir, vemos pites em uma placa de aço AISI 304, num
ambiente de cloretos e ácidos.
Imagem 35: Corrosão por pites.
Esse tipo de corrosão ocorre quando dois materiais de metais
distintos são colocados em contato diretamente em um
eletrólito. Um dos metais é mais corrosivo em relação ao meio
eletrolítico e, portanto, sofrerá a corrosão. A imagem mostra a
corrosão galvânica em uma bomba de embarcações pesqueiras.
Imagem 36: Corrosão galvânica.
Esse tipo de corrosão é a corrosão eletroquímica que ocorre
preferencialmente em espaços confinados com diferença de
concentrações de oxigênio. Depois de um tempo, a região interna
terá o oxigênio exaurido e o metal, nessa região, será oxidado. É
comum em conexões que utilizam parafusos, rebites, flanges ou
gaxetas. A imagem apresenta a corrosão em frestas numa junta
rebitada.
Corrosão galvânica 
Corrosão em frestas 
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Imagem 37: Corrosão em frestas – esquema.
A seguir, vemos a corrosão em frestas (sob as arruelas), numa
lâmina mergulhada no mar.
Imagem 38: Corrosão em frestas em lâminas mergulhadas em água salina.
Vários outros tipos de corrosão podem ser citados, dentre as quais, a
intergranular, em que a corrosão ocorre de maneira preferencial entre os
grãos, ou seja, nos contornos de grãos. É típica em aços inoxidáveis que
trabalham a temperaturas na faixa de 500 a 8000C.
A erosão-corrosão ocorre quando coexistem dois fatores: o meio
corrosivo e o desgaste mecânico proveniente do arrasto de fluidos.
Tipicamente ocorre em conexões de tubulações. Observe a conexão de
uma tubulação para vapores condensados com a presença da corrosão:
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Imagem 39: Corrosão – erosão em conexão de tubulação.
O assunto pode ser ampliado com o estudo de várias outros tipos de
corrosão. São comuns as corrosões sob tensão, a fragilização por
hidrogênio, a corrosão sob fadiga etc.
A seguir, vemos a falha da tubulação de aço inoxidável devido à
corrosão sob tensão em serviço em ambiente corrosivo de cloreto de
vinil.
Imagem 40: Corrosão sob tensão.
Corrosão sob fadiga
No processo de corrosão sob fadiga, ocorre a redução da resistência à
fadiga de um componente sob carregamento cíclico devido à ação do
ambiente corrosivo. A falha ocorre, em geral, pela propagação de uma
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trinca transgranular (pelo meio dos grãos cristalinos), conforme
esquema abaixo:
Imagem 41: Fratura transgranular.
Quando ocorre a combinação de cargas dinâmicas e de meio corrosivo,
o componente mecânico pode falhar, sem perda substancial de matéria
na seção de falha. São consequências imediatas, a retirada do
componente de serviço, com interrupção da produção/serviço, a
elevação do custo etc. A atuação simultânea da corrosão e da fadiga
acelera muito a taxa de propagação das trincas de fadiga.
Em regra, na corrosão sob fadiga, a fratura ocorre
catastroficamente, com rompimento frágil, em que há
pouca deformação plástica associada e/ou dissolução
de material no meio corrosivo. É característico desse
tipo de corrosão o aparecimento de profundas
escavações. Em geral, a trinca origina-se nos pites de
corrosão na superfície do material.
Segundo Callister (2016), a atmosfera ambiente normal afetará o
comportamento em fadiga de alguns materiais. Ambientes corrosivos
podem levar à formação de pequenos pites (corrosão) que funcionarão
como concentradores de tensões, potencializando a nucleação de
trincas. Ademais, o ambiente corrosivo aumenta a taxa de crescimento
da trinca . A frequência do ciclamento de tensões influencia a
corrosão sob fadiga. Frequências baixas, ou seja, períodos longos,
diminuem a vida em fadiga. Isso acontece, pois, durante a etapa de
( dadt )
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tracionamento, a trinca ficará por mais tempo (períodos longos) em
contato com o meio corrosivo.
A seguir, vemos as curvas tensão versus número de ciclos (S-N) para
dois materiais, sendo que em (b) o corpo de provas encontra-se em um
meio corrosivo. A partir das curvas (imagem abaixo), em regra, materiais
que apresentam, quando ensaiados ao ar, um limite de resistência à
fadiga definido (patamar horizontal), não apresentam a curva S-N com
patamar horizontal na condição em que é ensaiado no meio corrosivo.
Imagem 42: Curvas S-N: ambientes não corrosivo e corrosivo.
Os meios considerados corrosivos para a corrosão sob fadiga são
numerosos e, por vezes, não apresentam a mesma intensidade.
Exemplo
Aços sofrem corrosão sob fadiga em meios aquosos, como rio ou água
do mar, sendo mais a corrosão acentuada no último ambiente.
Observe agora a fadiga sob corrosão em um eixo de bomba de aço
inoxidável com falha em serviço (água salgada). A nucleação da trinca
de fadiga iniciou-se no pite de corrosão.
Imagem 43: Eixo de aço inoxidável – corrosão sob fadiga.
Saiba mais
A maior resistência de um metal à corrosão sob fadiga é mais
significativa devido à resistência à corrosão do que devido à resistência
mecânica do material. Por exemplo, aços de baixa liga apresentam
praticamente o mesmo comportamento que aços-carbonos, na
condição de corrosão sob fadiga.
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Em regra, tratamentos térmicos não melhoram significativamente a
resistência de um componente mecânico à corrosão sob fadiga.
A corrosão sob fadiga ocorre, com grande frequência, em alguns
equipamentos que atuam em ambientes corrosivos e sob ciclos de
tensões como:
Tubulações utilizadas para perfuração de poços de petróleo, em
água do mar;
Vasos de pressão;
Tubos pressurizados que conduzem fluidos corrosivos.
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Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
O processo de corrosão é um dos desafios da Engenharia. Existem
várias modalidades de corrosão determinadas pelo meio ambiente,
pela temperatura elevada e pelas condições mecânicas. Neste
último caso, podemos citar a corrosão sob fadiga. Em linhas gerais,
essa degradação ocorre em um componente, a partir da soma dos
efeitos de solicitações mecânicas cíclicas e da natureza corrosiva
do ambiente. Sobre esse tipo de corrosão, analise as seguintes
afirmativas:
I – Vaso de pressão é um exemplo de equipamento em que a
corrosão por fadiga é uma preocupação do projetista.
II – Aços apresentam um limite de resistência à falha por corrosão
associada à fadiga.
III – Peças de aços, sob carregamento cíclico, não sofrem corrosão
por fadiga em águas de rios, mas falham quando a água é do mar.
São corretas as afirmativas:
Parabéns! A alternativa A está correta.
A Somente a afirmativa I.
B Somente a afirmativa II.
C Somente a afirmativa III.
D Somente as afirmativas I e II.
E Somente as afirmativas I e III.
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Vasos de pressão apresentam ciclicamente as ações de
pressurização e despressurização. Em ambientes corrosivos ou,
contendo fluidos corrosivos, estarão sujeitos à corrosão sob fadiga.
Como regra, materiais deixam de ter um limite de resistência à
fadiga, quando em ambientes corrosivos. Tanto a água doce como
a água salgada apresentam-se como corrosivas, sendo a última
mais severa.
Questão 2
A corrosão é uma degradação indesejável num componente
mecânico, pois acarreta custos a uma atividade industrial. A
imagem a seguir mostra duas placas metálicas unidas por um
rebite (em vermelho). Supondo que a junta esteja em um ambiente
corrosivo, é correto afirmar que a corrosão associada é a:
Parabéns! A alternativa D está correta.
O desenho destaca que existe um espaço entre as duas placas
metálicas que formam a junta. Assim, sujeiras, graxas etc. que
adentrem as frestas levarão à exaustão de oxigênio nessa região
A galvanizada.
B uniforme.
C por lixiviação.
D em frestas.
E sob fadiga.
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interna, onde ocorre a corrosão mais intensamente. Essa corrosão
recebe o nome de “em frestas”.
4 - Proteção contra corrosão
Ao �nal deste módulo, você será capaz de identi�car a proteção contra corrosão.
Vamos começar!
Principais métodos de proteção
contra corrosão
Conheça os principais pontos que serão abordados neste módulo.

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Generalidades da proteção contra a
corrosão
Não é raro que o fenômeno da corrosão, em componentes metálicos,
associe-se à elevação de custos, interrupção de processos industriais,
serviços etc. Dessa forma, é imperioso o papel dos engenheiros na
busca de técnicas de proteção de estruturas sujeitas à corrosão,
contribuindo com maior vida útil dos componentes em serviço, com a
diminuição de custos, com a segurança etc. Existem soluções
específicas que se aplicam a determinados tipos de corrosão, porém,
iniciaremos com propostas de soluções genéricas para a “prevenção” da
corrosão (ou pelo menos a redução da taxa de corrosão).
A escolha do material a ser utilizado para a fabricação do componente é
uma solução, por vezes, simples, porém pode implicar custos.
Conhecido perfeitamente o ambiente onde a peça será inserida, é
possível selecionar, de forma adequada, o material da peça. Vemos a
seguir dois parafusos utilizados, sob as mesmas condições ambientais.
Um deles apresenta-se com elevada corrosão e o outro, praticamente
intacto.
Imagem 44: Parafusos com materiais distintos sob o mesmo ambiente corrosivo.
Quando possível, alterações podem ser feitas no meio corrosivo para
que a taxa de corrosão seja atenuada.
Exemplo
Tubulações de indústrias químicas que transportam fluido, tendo a
velocidade e a temperatura do fluido reduzidas, atenuam a corrosão
sobre as tubulações.
Mantendo o caminho de soluções gerais para a proteção contra o
fenômeno da corrosão, pequenas mudanças no projeto, muitas vezes
sem elevação substancial do custo, podem ter bons resultados em
relação às corrosões – erosão, em frestas etc.
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Outra possibilidade é a utilização de uma camada protetora (tinta,
camada nitretada etc.) entre a peça e o meio corrosivo. Alguns
tratamentos superficiais, como o de nitretação, aumentam a resistência
à corrosão em ligas ferrosas, quando em ambientes corrosivos. Observe
abaixo a pintura como proteção da corrosão de uma estrutura metálica:
Imagem 45: Pintura utilizada como camada superficial de proteção contra corrosão.
Saiba mais
O aço inoxidável que, em linhas gerais, possui elementos de liga como o
cromo (Cr) e ou níquel (Ni), apresenta uma camada de óxido
(passivação) que funciona como uma camada natural protetora à
corrosão. O aço inoxidável é apresentado em três classes:
martensíticos, ferríticos e austeníticos.
Outra possibilidade para a prevenção da corrosão é a técnica
denominada de proteção catódica. É possível utilizar um metal mais
reativo ao meio corrosivo que sofrerá preferencialmente a corrosão
(anodo de sacrifício). Magnésio e zinco são materiais comumente
utilizados como anodos (ou metais) de sacrifício. Entenda melhor a
seguir:
Imagem 46: Proteção catódica – anodo de sacrifício.
Proteção em um tubo
Proteção catódica em um tubo, sob a terra, em que uma placa
de manganês é o anodo de sacrifício.
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Imagem 47: Anodo de sacrifício em tubulações.
Proteção em uma tubulação
Tubulação com alguns anodos de sacrifício presos ao longo da
própria tubulação.
Os anodos de sacrifício são monitorados e, quando já sofreram alta
corrosão, são substituídos. Portanto, a peça não será trocada devido ao
efeito da corrosão, tornando a manutenção mais barata e com menor
demanda temporal.
Proteção contra os principais tipos
de corrosão
Até aqui fizemos uma abordagem do processo corrosivo e os principais
tipos (puntiforme ou por pite, galvânica, em frestas, erosão-corrosão,
sob fadiga etc.) e também apresentamos, de maneira genérica, a
proteção em relação à corrosão. A partir de agora, veremos soluções
específicas para uma gama de corrosões comuns na Engenharia.
Vamos lá!
Proteção para corrosão galvânica
A corrosão galvânica ocorre quando dois metais (ou ligas metálicas)
distintos estão em contato, num meio eletrolítico. Em função do
potencial de redução padrão de cada material, um será
preferencialmente oxidado/reduzido. A tabela 2 apresenta parte da série
de potenciais de eletrodo-padrão. Quanto mais negativo for o potencial
padrão (de redução), preferencialmente o material sofrerá oxidação
(corrosão).
Reação Potencial Padrão (V)
Au3+ + 3.e- ⇾ Au + 1,420
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Reação Potencial Padrão (V)
Cu2+ + 2.e- ⇾ Cu + 0,340
2.H1+ + 2.e- ⇾ H2 0,000
Sn2+ + 2.e- ⇾ Sn - 0,136
Ni2+ + 2.e- ⇾ Ni - 0,250
Fe2+ + 2.e- ⇾ Fe - 0,440
Zn2+ + 2.e- ⇾ Zn - 0,763
Mg2+ + 2.e- ⇾ Mg - 2,363
Tabela 2: Série de potenciais de eletrodo - padrão.
Callister; Rethwisch, 2016, p. 579.
A corrosão galvânica pode ser atenuada utilizando dois metais que
estejam próximos na série de potenciais de eletrodo-padrão, evitar-se
que anodo e catodo tenham superfícies comparáveis, aplicar películas
protetoras nos dois metais ou a proteção catódica, veja:
Imagem 48: Proteção catódica de tubulação.
Proteção para corrosão em frestas
Conforme já vimos, a corrosão em frestas é propiciada pela diferença de
concentração de íons (ou gases dissolvidos) da solução eletrolítica.
Uma possibilidade de ocorrência é quando, em frestas, ocorre o
acúmulo de sujeira que aprisiona a solução e, depois de algum tempo,
existe uma diferença de aeração (concentrações distintas de oxigênio).
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Imagem 49: Mecanismo para a corrosão em frestas – esquema.
Em relação à proteção, o princípio básico é evitar as frestas utilizando,
por exemplo, juntas soldadas em substituição às juntas rebitadas. Outra
maneira de minimizar ou evitar a corrosão em frestas é manter o local
livre de sujeira, graxas etc. Veja outra possibilidade para se evitar a
corrosão em frestas, o uso de apoio em tubulações:
Imagem 50: Proteção de corrosão em frestas em tubulações.
Proteção para corrosão por erosão
Em linhas gerais, essa corrosão ocorre pelo desgaste mecânico de
partículas sólidas em fluidos em movimento, degradando o metal. O
exemplo típico de ocorrência acontece em tubulações com curvas
acentuadas e/ou mudanças bruscas nos diâmetros ao longo da
tubulação. Normalmente, evita-se a corrosãopor erosão com mudanças
no projeto de tubulações, a fim de se evitar a turbulência do fluido. Outra
possibilidade é a diminuição de partículas sólidas e de bolhas no fluido
a ser transportado. Observe, nas imagens seguintes, exemplos de
ocorrência da cavitação de bolhas e de impingimento em tubulações e
as respectivas adequações nos projetos para minimizá-las:
Imagem 51: Proteção de corrosão por cavitação.
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Imagem 52: Proteção de corrosão por impingimento.
O revestimento metálico de cromo, níquel, alumínio, zinco, cádmio etc.
promove um aumento na resistência à corrosão de peças metálicas. As
folhas de flandres (aço estanhado) são muito utilizadas na indústria
alimentícia, em produtos enlatados, para evitar a corrosão. Outro
método de revestimento é a cladização, que consiste, em linhas gerais,
na união do metal à camada protetora, por laminação dupla (por solda
ou por ou explosão). Tem grande aplicação na indústria química. A
imagem a seguir apresenta a cladização por explosão em que A é a
direção da explosão, B o explosivo, C o material para revestimento, D o
jato e E o metal da peça a ser revestida.
Imagem 53: Cladização por explosão.
Proteção contra a corrosão sob
fadiga
Em linhas gerais, a corrosão sob fadiga de um componente deve ter a
presença simultânea de duas condições: a condição mecânica da peça,
sujeita a tensões cíclicas, e o ambiente corrosivo.
Muitas peças ou estruturas estão em condição mecânica em que ocorre
o ciclo de tensões, como a cabine de aviões pela ação da pressurização
e despressurização. Nessas condições, cuidados devem ser tomados na
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fase de projeto (materiais com limites de resistência à fadiga
adequados) e durante a vida útil do material (monitoramento do
crescimento de trincas). Em outras situações de engenharia, um
elemento adicional é introduzido: o meio corrosivo que, por vezes,
elimina o limite de resistência à fadiga (vida infinita). Algumas técnicas
podem ser utilizadas para atenuar o fenômeno de corrosão sob fadiga.
São elas:
Uma técnica para a proteção da corrosão sob fadiga de aços é o
revestimento com metais como o zinco (Zn), o estanho (Sn), o
chumbo (Pb), o cobre (Cu) e a prata (Ag), que atuam num dos
binômios da corrosão sob fadiga, evitando a ação corrosiva do
meio.
Imagem 54: Revestimento primário em pó de peças metálicas.
Uma técnica utilizada para a atenuação da corrosão sob fadiga.
O fenômeno da fadiga tem início na nucleação de trincas
superficiais que, na sequência, tem sua propagação pela ação
cíclica de tensões alternadas. A presença de uma camada
superficial com tensões residuais compressivas diminui a
probabilidade da nucleação, assim como pode diminuir a taxa de
propagação da trinca. É comum a utilização de camadas de
níquel (Ni) e zinco (Zn) para essa finalidade. O jateamento na
superfície do metal (shot peening) é uma técnica amplamente
utilizada e possibilita a introdução de tensões residuais
compressivas.
Aplicação de revestimentos metálicos superficiais 
Introdução de tensões residuais de compressão na
superfície da peça 
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Imagem 55: Shot peening - esquema.
Uma técnica é a alteração do projeto quando o fenômeno de
fadiga em metais tem como estágio inicial a nucleação das
trincas na superfície. Pelo fato de a peça estar sob ciclamento de
tensões, ocorre a propagação das trincas no segundo estágio,
por ação de tensões trativas, que tendem a “abrir” a trinca.
Estando num ambiente corrosivo, na etapa de abertura da trinca,
maiores superfícies estarão expostas ao meio, aumentando a
taxa de corrosão. É possível retardar a nucleação das trincas
com pequenas alterações nos projetos, evitando-se
concentradores de tensões, como é o caso de chavetas na
superfície, cantos com ângulos retos etc. A seguir, vemos
entalhes superficiais e a ordem de severidade, de acordo com a
geometria.
Imagem 56: Concentradores de tensões na fadiga.
Saiba mais
Alteração do projeto 
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De acordo com Gentil (1996), é possível utilizar revestimentos orgânicos
contendo pigmentos inibidores, como o cromato de zinco para a
prevenção da corrosão sob fadiga. Nessa situação, a camada formada é
mais eficiente na proteção do que o uso de zinco como anodo de
sacrifício.
O tratamento termoquímico de nitretação (introdução de nitrogênio por
meio de difusão, superficialmente em aços) apresenta vários objetivos,
dentre os quais o aumento da dureza superficial, pela presença de
nitretos na superfície da peça, e da resistência ao fenômeno da fadiga,
pela introdução de tensões compressivas na superfície. Assim, é
possível utilizar o tratamento para a prevenção de corrosão sob fadiga.
Observe agora o aço AISI 4340 nitretado:
Imagem 57: Aço AISI 4340 nitretado.
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Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
(2018 - CESGRANRIO - Transpetro - Engenheiro Júnior - Mecânica
– adaptada) Um dos métodos clássicos de proteção anticorrosiva é
o uso de anodos de sacrifício.
Reação Potencial Padrão (V)
Au3+ + 3.e- ⇾ Au + 1,42
Cu2+ + 2.e- ⇾ Cu + 0,34
2.H1+ + 2.e- ⇾ H2 0,00
Sn2+ + 2.e- ⇾ Sn - 0,14
Ni2+ + 2.e- ⇾ Ni - 0,25
Fe2+ + 2.e- ⇾ Fe - 0,44
Zn2+ + 2.e- ⇾ Zn - 0,76
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Reação Potencial Padrão (V)
Mg2+ + 2.e- ⇾ Mg - 2,36
Dada a tabela de potencial padrão de redução, é possível dizer que
os dois melhores materiais para protegerem o aço (“ferro”) da
corrosão galvânica e servirem de anodo de sacrifício são:
Parabéns! A alternativa A está correta.
O metal a ser utilizado como anodo de sacrifício deve possuir
potencial de redução padrão menor que o do metal a ser protegido.
A tabela apresentada na questão tem uma série de potenciais de
redução padrão. Analisando-a, é possível concluir que apenas o
zinco (Zn) e o magnésio (Mg) apresentam (na tabela) potenciais
menores que o do ferro. Assim, são indicados para serem utilizados
como anodos de sacrifício.
Questão 2
Existem alguns tipos de corrosão que estão associados a alguma
ação mecânica, como as corrosões sob tensão e sob fadiga. Em
relação a esta última, avalie as afirmações sobre as técnicas de
proteção.
I – Aplicações de camadas protetoras metálicas em componentes
mecânicos expostos, simultaneamente, a cargas cíclicas e
ambiente corrosivo auxiliam na proteção da corrosão sob fadiga,
sendo comum a utilização de zinco, prata e estanho.
II – É possível diminuir a probabilidade de ocorrência da corrosão
A Mg e Zn.
B Mg e Cu.
C Ni e Cu.
D Sn e Cu.
E Zn e Sn.
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sob fadiga pela aplicação de jateamento (shot peening), pois há a
introdução de tensões residuais trativas.
III – Pequenas alterações no projeto de sistemas mecânicos
submetidos a tensões cíclicas, em um ambiente corrosivo, podem
auxiliar na proteção da corrosão, uma vez que diminuem a chance
de que trincas sejam nucleadas na superfície da peça.
Está correto o que consta em:
Parabéns! A alternativa E está correta.
Dentre algumas técnicas utilizadas na prevenção da corrosão sob
fadiga, é usual a aplicação de coberturas metálicas como o zinco
(Zn), o estanho (Sn), o chumbo (Pb), o cobre (Cu) e a prata (Ag). O
jateamento ou shot peening é utilizado para introduzir tensões
compressivas na superfície de um componente metálico
diminuindo-se,assim, a probabilidade de nucleação de trincas. A
existência de concentradores é prejudicial, uma vez que aceleram a
nucleação e propagação (cargas cíclicas) de trincas superficiais.
Considerações �nais
Neste conteúdo vimos o fenômeno da fadiga, as filosofias de projeto
para materiais em condições de fadiga, a corrosão, em particular a sob
fadiga, e as principais técnicas de proteção contra a corrosão.
A Apenas I.
B Apenas II.
C Apenas III.
D Apenas I e II.
E Apenas I e III.
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Inicialmente, descrevemos o fenômeno da fadiga e as condições
mecânicas (esforços mecânicos cíclicos) para sua ocorrência. O ensaio
de fadiga foi apresentado, assim como a curva resposta do ensaio, a
curva tensão versus número de ciclos ou curva de Wöhler. A partir dessa
curva, apresentamos o conceito de limite de resistência à fadiga.
Na sequência, abordamos a falha por fadiga e as suas etapas, bem
como as principais causas da fratura por fadiga. Em seguida, foi feita
uma abordagem a respeito das filosofias de projeto para peças
mecânicas, em ciclamento de tensões. Posteriormente, a abordagem
genérica dos principais tipos de corrosão (galvânica, por pites, em
frestas etc.), os seus mecanismos e exemplos de ocorrência na
engenharia.
Na parte final, apresentamos diversas técnicas para a proteção contra a
corrosão, dentre as quais destacou-se a proteção catódica (anodo de
sacrifício). De maneira particular, abordamos formas de proteção da
corrosão sob fadiga, dentre as quais o shot peening (jateamento
superficial) que introduz tensões compressivas na superfície da peça
metálica.
Podcast
Para encerrar, ouça um resumo sobre os principais tópicos abordados.
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Confira o que separamos especialmente para você!
Para se aprofundar no assunto, sugerimos a leitura do artigo Corrosão
por fadiga em tubulação de caldeira, encontrado no site da Abraco
(Associação Brasileira de Corrosão).
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Referências
CALLISTER, W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e Engenharia de Materiais:
uma Introdução. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016.
CHIAVERINI, V. Aços e Ferros Fundidos. 7. ed. São Paulo: Associação
Brasileira de Metais, 2015.
COLPAERT, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 4. ed.
São Paulo: Edgard Blucher, 2008.
DE SOUZA, S.A. Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos. 5. ed. São
Paulo: Blucher, 2019.
GARCIA, A.; SPIM, J. A.; DOS SANTOS, C. A. Ensaios dos Materiais. 2. ed.
Rio de Janeiro: LTC, 2017.
GENTIL, V. Corrosão. 3. ed. Rio de Janeiro: LTC, 1996.
HIBBELER, R. C. Resistência dos Materiais. 7. ed. São Paulo: Pearson,
2010.
PITANGA COSTA, M. Y. Fadiga em Titânio Aeronáutico Revestido por
PVD. Tese de doutorado, Guaratinguetá, 2009. São Paulo, UNESP.
ROSA, E. Análise de resistência mecânica (mecânica da fratura e
fadiga). Santa Catarina: UFSC, 2002
ZOLIN, I. Ensaios Mecânicos e Análises de Falhas. Santa Maria: Colégio
Técnico Industrial de Santa Maria, 2011.
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