Tema 5 - Fratura por corrosão e por ação do hidrogênio

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Fratura por corrosão e por ação do hidrogênio
Prof. Julio Cesar
Descrição
Principais aspectos das fraturas por corrosão e por ação do hidrogênio,
em particular, os aspectos relevantes das corrosões por fadiga e sob
tensão. Mecanismo do fenômeno de fragilização por hidrogênio e as
principais técnicas para o seu controle ou sua mitigação.
Propósito
O controle do fenômeno da fratura em componentes ou estruturas é um
ponto de destaque na atuação profissional do engenheiro. As fraturas
associadas à fadiga e à corrosão sob tensão representam muitos casos
na engenharia. Assim, é importante que futuros engenheiros possam
conhecer os mecanismos e as técnicas de controle dessas fraturas. O
conhecimento é agregado, descrevendo-se a fragilização de metais pelo
hidrogênio.
Objetivos
Módulo 1
Fratura assistida pelo ambiente
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Reconhecer a fratura assistida pelo ambiente.
Módulo 2
Corrosão sob fadiga
Descrever a corrosão sob fadiga.
Módulo 3
Corrosão sob tensão
Descrever a corrosão sob tensão.
Módulo 4
Fragilização por hidrogênio
Descrever a fragilização por hidrogênio.
Introdução
No vídeo a seguir, você conhecerá as fraturas por corrosão e por
ação do hidrogênio.
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1 - Fratura assistida pelo ambiente
Ao �nal deste módulo, esperamos que você reconheça a fratura
assistida pelo ambiente.
Vamos começar!
O que é a fratura assistida
pelo ambiente?
Assista ao vídeo a seguir que apresentará a fratura assistida pelo
ambiente e suas principais modalidades.

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Aspectos gerais de fraturas
assistidas pelo ambiente
O fenômeno de fratura assistida pelo ambiente é um processo
dependente do tempo e que pode ser lento, decorrendo da ação
combinada de cargas (externas ou residuais), do ambiente e de
materiais suscetíveis ao fenômeno que, isoladamente, não implicariam
em falha do componente. Uma maneira simples de descrever a fratura
assistida pelo ambiente é quando um componente de material
suscetível, em um ambiente agressivo (moderadamente) sob a ação
mecânica, sofre a falha por fratura.
O nosso escopo é a apresentação de situações em termos de indústrias,
estruturas e componentes da fratura assistida pelo ambiente. Contudo,
um exemplo simples e do cotidiano pode ser a partida para o perfeito
entendimento do fenômeno.
Exemplo
Suponha que você possua uma casa de praia e a frequente no verão.
Nessa casa, existe uma mangueira (constituída de determinado
polímero) que, durante a sua ausência, fica guardada em um suporte,
mantendo-a enrolada e com algum nível de tensionamento. Além disso,
fica exposta às intempéries, como a chuva, o ar atmosférico, a umidade
e a radiação solar. Muitas vezes, a mangueira começa a apresentar
pequenas trincas superficiais que podem ser explicadas pela ação do
meio e da tensão sobre o polímero. Essa é uma apresentação de fratura
assistida pelo ambiente.
Deve ficar claro que a eliminação de qualquer uma das três condições
(material suscetível, ambiente e tensão) interromperá o processo de
fratura assistida pelo ambiente.
A maior parte da literatura especializada no assunto considera as
seguintes modalidades de fraturas assistidas pelo meio ambiente:
a corrosão sob tensão (CST);
a fragilização por hidrogênio;
a fragilização por metal líquido;
a fratura por fluência;
a fratura assistida por irradiação.
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Em particular, ao longo dos módulos posteriores, serão abordadas de
maneira aprofundada as duas primeiras fraturas, visto que se
apresentam em várias situações da engenharia. Como ilustração, tem-
se a imagem a seguir em que se percebem a corrosão e as trincas em
um tubo de aço carbono. É um exemplo associado à corrosão sob
tensão (CST).
Fratura assistida pelo ambiente – CST.
Cabe ratificar a presença do material suscetível, em ambiente agressivo
e sob carregamento originando a CST, um exemplo de fratura assistida
pelo ambiente.
Resumindo
Na fratura assistida pelo ambiente, a tensão atuante pode ser externa,
devido às condições de carregamento em serviço, ou de origem interna,
devido às tensões residuais que podem resultar, por exemplo, de
tratamentos térmicos ou de processos de fabricação.
Generalidades da
fragilização por metal
líquido
A fragilização por metal líquido é apresentada na literatura como uma
das possibilidades de o ambiente danificar uma peça ou componente,
isto é, alguns metais ou ligas metálicas, em contato com metais
fundidos e, sob a ação de tensão (externa ou residual, como as
térmicas), sofrem a fratura decorrente de metais fundidos. Em linhas
gerais, o componente está tensionado e possui algum defeito superficial
(trinca) permite que o metal líquido flua para o interior, iniciando a
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propagação da trinca, devido ao tensionamento. Materiais dúcteis e
frágeis apresentam comportamentos distintos na situação descrita.
Materiais dúcteis
Nos materiais dúcteis, a trinca é interrompida em seu processo de
propagação quando, em regra, quando o metal líquido não está mais
presente.
Materiais frágeis
Nos materiais frágeis, essa interrupção pode ocorrer, contudo, conforme
os preceitos da Mecânica da Fratura, se a trinca já estiver atingido seu
tamanho crítico, a propagação é inevitável e catastrófica.
Um clássico exemplo na engenharia é a ação do mercúrio sobre a liga
de cobre e zinco, o latão. Em geral, o metal fundido provoca fraturas
intergranulares, ou seja, a trinca caminha nos contornos do grão da
estrutura cristalina.
Do exposto, é possível perceber que a fragilização por metal líquido não
tem uma componente de corrosão. A imagem seguinte apresenta,
esquematicamente, a presença do líquido em uma trinca e a sua direção
de propagação.
Esquema com trinca preenchida com metal fundido - fragilização.
Onde:
SL - energia intersuperficial (sólido - líquido);
B energia do contorno de grão.
Comentário
Outras ligas metálicas são suscetíveis à degradação pela presença de
metais líquidos. Como as ligas de alumínio 5050, utilizadas na indústria
γ
γ
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aeronáutica, que podem ser fragilizadas pela ação do mercúrio. Os aços
inoxidáveis, durante o processo de galvanização, podem ser danificados
pelo zinco líquido.
Aspectos gerais da fratura
por �uência
A fratura por fluência é mais uma das modalidades das fraturas
assistidas pelo ambiente.
Em linhas gerais, é a deformação plástica e decorrente
fratura de um material sob tensão constante exposto a
temperaturas elevadas, também invariáveis. Em regra,
a temperatura deve ser superior a 40% da temperatura
de fusão da liga, em Kelvin.
As indústrias aeronáutica, petrolífera e nuclear apresentam várias
situações em que o fenômeno da fluência é um aspecto determinante
no projeto de componentes ou estruturas metálicas.
Como ocorre na fratura por fadiga (ação externa de carregamento
cíclico), as tensões atuantes que levam à fratura em fluência são
menores que a tensão de escoamento do material, à temperatura
ambiente. O ensaio de fluência apresenta um diagrama deformação
versus tempo, em que três estágios podem estar presentes.
1. A fluência primária, em que a taxa de deformaçãoé
decrescente;
2. A fluência secundária ou estacionária em que a taxa de
deformação é constante;
3. A fluência terciária, em que a taxa de deformação é crescente e
ocorre a ruptura.
Observe a imagem seguinte em que os três estágios da fluência são
apresentados e o comportamento da taxa temporal de deformação é
evidenciado pela curva. O valor (indicado no eixo vertical) é a
deformação inicial no material devido à aplicação da carga.
( dεdt )
ε0
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Curva deformação versus tempo para uma liga metálica - fluência.
A imagem que segue apresenta um corpo de prova (CP) fraturado
durante a execução do ensaio de fluência.
Corpo de prova fraturado no ensaio de fluência.
Aspectos gerais da fratura
assistida por irradiação
A fratura por irradiação é mais uma das modalidades das fraturas que
são assistidas pelo ambiente. Nesse caso, as trincas são decorrentes
da exposição do material a diferentes formas de irradiação, como, por
exemplo, o bombardeamento de nêutrons, a radiação ultravioleta, a
radiação gama etc. Em linhas gerais, ocorre a interação da radiação com
a matéria, em nível molecular, podendo haver ruptura de ligações
químicas ou deslocamento de átomos de sua posição na rede cristalina.
Esses efeitos podem ser benéficos e maléficos.
Exemplo
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A irradiação por nêutrons pode ser utilizada como uma maneira de
aumentar a resistência mecânica de uma liga metálica, pelo
endurecimento da microestrutura, a partir da geração de discordâncias.
A intenção de obter um encruamento é inicialmente benéfica e
apresenta um objetivo. Contudo, o aumento da resistência mecânica
promove a perda de tenacidade e, assim, o material metálico ou liga
metálica pode vir a ter danos que o fragilizam. Muitas vezes, o dano é
gerado ao material mesmo sem aplicação de carga externa. Outro
exemplo de danificação e de fragilização pela irradiação acontece em
polímeros que degradam com a exposição à radiação ultravioleta (UV).
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Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
(Banca: Aeronáutica Órgão: CIAAR Prova: 2021 - CIAAR - Primeiro
Tenente - Engenharia Metalúrgica – adaptada). Segundo
Shackelford (2008), “... todos os materiais até certo ponto são
suscetíveis à degradação ambiental.” Como desafio à engenharia,
deve-se identificar e empregar adequadamente um material ou
desenvolver um material novo, inteligente e inovador, o suficiente
para minimizar os danos ao longo da vida útil das peças e
componentes. Em relação às reações ambientais e físicas às quais
os materiais estão submetidos são feitas as seguintes afirmações:
I - A oxidação é uma das formas de degradação dos materiais,
sendo, em resumo, a dissolução de um metal em um ambiente
aquoso.
II - As tensões mecânicas aplicadas ao componente ou associadas
à microestrutura maximizam a corrosão.
III – A radiação de nêutrons e a presença de metal líquido podem
levar à fratura de materiais e são tipo de fraturas assistidas pelo
ambiente.
A partir da análise das afirmações é correto concluir que
A apenas a afirmação I está correta.
B apenas a afirmação II está correta.
C
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Parabéns! A alternativa E está correta.
O processo de oxidação envolve reações químicas e, não somente,
a dissolução de uma substância em outra. As tensões mecânicas,
sejam elas de origem externa, sejam interna (tensões residuais)
aliadas a um ambiente corrosivo, potencializam o fenômeno. No
tracionamento, as superfícies da trinca estão mais abertas e,
portanto, a degradação é mais eficiente, como, por exemplo, ocorre
na corrosão sob fadiga. A literatura elenca uma série de fraturas
assistidas pelo ambiente, das quais destacam-se a corrosão sob
tensão (CST), a fratura por fluência, a fratura por fragilização por
hidrogênio, a fratura por radiação de nêutrons e a fratura por metais
líquidos.
Questão 2
O fenômeno de fratura assistida pelo ambiente é um processo que
apresenta uma série de variáveis para que o componente metálico
seja danificado, sendo, em última análise, levado à falha por fratura.
Alguns exemplos da fratura assistida pelo meio ambiente podem
ser citados: a corrosão sob tensão, a corrosão sob fadiga, a
fragilização pelo hidrogênio, entre outros. A imagem a seguir
mostra um componente que foi fragilizado pelo hidrogênio atômico.
A respeito desse item são feitas as seguintes afirmações:
I – Entre algumas das variáveis do fenômeno da fratura assistida
pelo ambiente, encontra-se o tempo para que ocorra a fratura.
apenas a afirmação III está correta.
D apenas as afirmações I e II estão corretas.
E apenas as afirmações II e III estão corretas.
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II - O componente mecânico da figura é suscetível à fragilização do
hidrogênio, e para que o dano ocorra, há uma fonte de hidrogênio
atômico que, por difusão intersticial, alcança o interior do material.
III - Algumas ligas metálicas, como o titânio e a classe de aços
inoxidáveis martensíticos, não apresentam suscetibilidade aos
diversos meios corrosivos das indústrias na engenharia, não sendo
assim afetadas pela fratura assistida pelo ambiente.
Após a análise das afirmações:
Parabéns! A alternativa D está correta.
A fratura assistida pelo ambiente apresenta, concomitantemente, o
material corrosivo, a tensão (externa ou interna) e o material
suscetível. O tempo é uma variável, pois dependendo das condições
dos três fatores iniciais, ele pode ser de apenas alguns minutos até
que ocorra a fratura. A fragilização de metais pelo hidrogênio deve
ter uma fonte de hidrogênio atômico (H), a suscetibilidade do
material ao fenômeno e carregamento. Em regra, aços de alta
resistência mecânica apresentam elevada suscetibilidade à
fragilização pelo hidrogênio, como é o caso das ligas de titânio e de
aços martensíticos.
A Apenas a afirmativa I está correta.
B Apenas a afirmativa II está correta.
C Apenas a afirmativa III está correta.
D Apenas as afirmativas I e II estão corretas.
E Apenas as afirmativas II e III estão corretas.
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2 - Corrosão sob fadiga
Ao �nal deste módulo, esperamos que você descreva a corrosão sob
fadiga.
Vamos começar!
Entendendo a corrosão sob
fadiga
Assista ao vídeo a seguir que descreve o fenômeno da corrosão sob
fadiga, abordado neste módulo.
Aspectos gerais da fadiga

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O fenômeno da fadiga está diretamente relacionado ao carregamento
mecânico de uma estrutura ou componente. A situação em que o
carregamento é cíclico (como pode ser visto na imagem a seguir) é
condição necessária para a ocorrência de fadiga do material.
Ciclamento mecânico de tensões na fadiga.
Em suma, a fadiga apresenta três estágios, descritos a seguir:
 Estágio I ou de nucleação de
trinca
O primeiro dos estágios da fadiga é a formação de
micro trincas. Por exemplo, concentradores de
tensão aumentam, localmente, a tensão e, assim,
poderá surgir uma pequena trinca. Eventualmente, o
componente já possui trincas superficiais e, dessa
forma, o primeiro estágio não ocorrerá na prática.
 Estágio II ou de propagação da
trinca
No segundo estágio, o carregamentocíclico
aplicado à peça ou ao componente proporciona a
abertura na ponta da trinca que, dessa maneira, vai
aumentando seu tamanho progressiva e
gradualmente. Esse estágio é estável.
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A imagem seguinte apresenta, de maneira esquemática, os três estágios
do fenômeno da fratura por fadiga descritos.
Estágios do fenômeno de fadiga.
Alguns aspectos devem ser ressaltados no fenômeno da fadiga. O
primeiro é que a fratura ocorre a um nível de tensão menor que o que
ocorreria com carregamento estático de tração. O segundo é que a
superfície de fratura apresenta características próprias como a região
lisa associada à propagação lenta e gradual das trincas, e a região
opaca é fibrosa (falha catastrófica), conforme apresentado na seguinte
imagem.
 Estágio III ou fratura
No terceiro estágio, a propagação da trinca vai
ocorrendo até que seu tamanho crítico seja
alcançado, levando a uma falha por fratura, de
maneira instável e catastrófica..
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Aspecto da superfície de fratura por fadiga e suas regiões.
Vida em fadiga
O ensaio de fadiga tem como resposta o gráfico tensão versus
número de ciclos (N) para que ocorra a fratura. Em geral, as curvas
desse gráfico apresentam dois comportamentos.
No primeiro caso, a curva é decrescente e, a partir de um
determinado valor de N (ou LogN), ocorre um patamar (reta
horizontal). Os materiais que se comportam conforme descrição
anterior apresentam um limite de resistência à fadiga, isto é, valor
de tensão, abaixo do qual a fratura por fadiga não ocorre. É o que se
denomina vida infinita em fadiga.
No segundo comportamento da curva versus é de uma curva
estritamente decrescente. Os materiais que se enquadram nessa
situação apresentam vida finita em fadiga.
Na imagem seguinte estão representados os comportamentos das
curvas, descritos anteriormente.
(σ)
σ N
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Curva tensão versus número de ciclos – vida em fadiga
A imagem anterior apresenta o comportamento de uma liga ferrosa, o
aço doce, e de uma liga não ferrosa de alumínio. Em geral, as ligas
ferrosas apresentam o limite de resistência à fadiga que, segundo
Callister e Rethwisch (2016), varia entre 35% e 60% do seu limite de
resistência à tração.
Curiosidade
Ligas de titânio (Ti) e de molibdênio (Mo), em geral, apresentam o
comportamento das ligas ferrosas em fadiga, ou, ainda, apresentam o
gráfico com uma curva com patamar horizontal. As curvas tensão
versus número de ciclos também são conhecidas como Curvas de
Wöhler.
Nesse tópico, o objetivo não é estimar a vida em fadiga, mas essa
estimativa é possível a partir do estudo da Mecânica da Fratura. O
gráfico apresentado na imagem seguinte tem a região , associada à
Lei de Paris . A partir da integração de equação
diferencial anterior e pequenas substituições, é possível estimar a vida
útil do componente sob fadiga:
Confira a imagem:
B
( dadN = C ⋅ (ΔK)
m)
Nfinal  =
1
C ⋅ (Δσ)m ⋅ πm/2
⋅ ∫
acrit 
a0
da
[Y√a]m
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Gráfico apresentado na região B, a Lei de Paris.
Para efeito de comparação, a imagem a seguir apresenta duas curvas, e
em uma delas a peça, além de estar sob condições de fadiga, encontra-
se em um ambiente corrosivo.
Comparação para fadiga pura e corrosão sob fadiga.
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Fenômeno da corrosão sob
fadiga
Aspectos gerais
Iniciaremos o estudo a partir da seguinte ideia: na fratura por fadiga,
apresentada nos tópicos anteriores, ocorria o crescimento da trinca,
devido à ação do esforço mecânico sobre a peça, culminando com a
falha. No caso da corrosão sob fadiga, um novo elemento participa do
processo: o ambiente corrosivo. Nesse caso, dois efeitos se somam: o
ciclamento mecânico e o ambiente corrosivo que, em resumo, aumenta
a taxa de propagação da trinca e, consequentemente, diminui a vida em
fadiga do componente ou da estrutura.
Conforme afirmam Callister e Rethwisch (2016), a
atmosfera ambiente normal (ar atmosférico) afetará o
comportamento em fadiga de alguns materiais.
No entanto, quando o ambiente é mais agressivo, como a água do mar,
uma das hipóteses é que sejam formados pequenos pites de corrosão
que exercerão o papel de um concentrador de tensões. Assim, pelo
aumento local da tensão nos arredores do concentrador de tensões
(pites), surgem as microtrincas que se propagarão até a fratura. O
ambiente corrosivo em que se encontra a estrutura eleva a taxa de
propagação da trinca que pode ser apresentada matematicamente
como a derivada temporal do comprimento a da trinca, isto é, .
O ciclamento de tensões aplicado ao componente apresenta uma
frequência de vibrações que influencia a corrosão sob fadiga. Para
ciclamentos com frequências baixas, o ambiente corrosivo aliado à
fadiga diminui a vida em fadiga. A explicação é simples, visto que,
durante a etapa de tracionamento, a trinca ficará por mais tempo
(períodos longos) em contato com o meio corrosivo que potencializará a
propagação da trinca por fadiga.
Relembrando
As grandezas frequência (f) e período (T) são inversamente
proporcionais, ou seja, . Isso ratifica o descrito no parágrafo
anterior: baixa frequência está associada a um longo período.
da
dN
f = 1T
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Como acontece o
fenômeno da corrosão sob
fadiga?
Conforme descrito no item anterior, a fratura de um componente sob
fadiga em ambientes corrosivos é acelerada devido à degradação do
material. Se quantificarmos os danos provocados, sobre o mesmo
material:
apenas pelo fenômeno da fadiga;
devido à corrosão;
para as duas condições simultaneamente.
É possível notar que no último caso os danos são intensificados,
reduzindo a vida útil de um componente. De maneira idêntica, a
corrosão sob fadiga apresenta o estágio de nucleação de pequenas
trincas, em geral, em pontos de concentração de tensão local que vai se
propagando e, após um certo número de ciclos (na ordem de milhões), a
seção resistente é insuficiente para manter a integridade do
componente, sob o carregamento cíclico externo. Ocorre, portanto, a
fratura catastrófica.
Como já apresentado, as ligas ferrosas, as de cobalto e de molibdênio
são exemplos nos quais há o limite de resistência à fadiga. De acordo
com Gentil (1996), as fraturas mecânicas sucessivas durante a fase de
propagação das trincas (em fadiga) rompem a camada de óxido
protetora, expondo o material ao meio corrosivo. Em consequência, a
curva tensão versus número de ciclos deixa de ter o patamar horizontal,
ou seja, o limite de resistência à fadiga do material. Observe as imagens
a seguir, em que são apresentados os comportamentos, em fadiga, de
um mesmo aço, em atmosferas distintas: no ar (considerada aqui como
não corrosiva) e em uma atmosfera corrosiva.
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Curva tensão versus número de ciclos para aço no ar.
Curva tensão versus aço em atmosfera corrosiva.
Perceba que o patamar horizontal das curvas de Wöhler, característico
para ligas ferrosas, deixa de existir em ambientes corrosivos, ou seja, na
corrosão sob fadiga.
Como forma de ilustrar a corrosão sob fadiga, imagem representa o eixo
de uma bomba, cujo material é o aço inoxidável. O eixo estava29/03/2024, 15:05 Fratura por corrosão e por ação do hidrogênio
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submetido a carregamentos cíclicos em que as tensões se alternam
entre trativas e compressivas e, no caso apresentado, o meio corrosivo
foi a água do mar, levando à fratura do componente. A nucleação da
trinca de fadiga iniciou-se no pite de corrosão, que funcionou como
concentrador de tensão.
Eixo de aço inoxidável – corrosão sob fadiga.
Proteção contra corrosão
sob fadiga
A corrosão sob fadiga pode ser evitada ou mitigada observando-se os
principais aspectos causadores dessa forma de fratura.
Uma das maneiras de evitá-la ou mitigá-la consiste em evitar o
contato direto do componente com o meio corrosivo, utilizando
revestimentos metálicos ou não.
Proteção 1 
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A outra maneira é reduzir a corrosividade do meio com a adição
de alguns inibidores. A proteção por meio de anodos de
sacrifício apresenta excelentes resultados, assim como o
jateamento (shot peening) que, ao introduzir tensões
compressivas na superfície do componente, fecham as películas
protetoras retardando o fenômeno de corrosão sob fadiga.
Aspectos da superfície de
fratura de corrosão sob
fadiga
A fratura devido à corrosão sob fadiga é, em tese, transgranular, ou seja,
sua propagação se dá por meio dos grãos da estrutura cristalina. A
imagem seguinte apresenta um esquema da propagação transgranular
de uma trinca (em vermelho).
Fratura transgranular.
Proteção 2 
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A imagem a seguir apresenta superfície de fratura por corrosão sob
fadiga de um eixo metálico, em seus aspectos macrográficos.
Superfície de fratura por corrosão sob fadiga – visão macro.
A imagem seguinte apresenta superfície de fratura por corrosão sob
fadiga de um eixo metálico, em seus aspectos micrográficos, por meio
da utilização de microscópio eletrônico.
Superfície de fratura por corrosão sob fadiga – visão micro.
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Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
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1. (Marinha Órgão: CAP Prova: 2017 - Cabo - Técnico em Química -
adaptada). Quando um metal é submetido a solicitações mecânicas
alternadas ou cíclicas pode ocorrer, em muitos casos, um tipo de
fratura denominado fratura por fadiga. Sobre essa fratura, considere
as afirmações a seguir:
I - A ocorrência de fratura sob fadiga pode ser observada em
tubulações de equipamentos de perfuração de poços, usadas para
bombear petróleo.
II - O mecanismo de fratura sob fadiga pode, no início do processo,
estar associado com concentração de tensões nos locais de
entalhes, mas nunca em pites formados pelo meio corrosivo.
III - O aparecimento de profundas escavações no material oriundas
da corrosão é característico da corrosão sob fadiga.
São corretas
Parabéns! A alternativa E está correta.
Tubulações em que líquidos são conduzidos sob variação da
pressão estarão sujeitos a esforços cíclicos e, consequentemente,
suscetíveis à fratura por fadiga. Dependendo do líquido conduzido
nessas tubulações, a agressividade pode potencializar a fratura
devido à corrosão. É a corrosão sob fadiga. São três as fases da
fadiga: nucleação das trincas, propagação da trinca e fratura
catastrófica. O primeiro estágio pode se originar em concentradores
de tensão ou pites de corrosão, funcionando como concentradores
de corrosão. Na corrosão sob fadiga, uma das características é a
A apenas a afirmativa I.
B apenas a afirmativa II.
C apenas a afirmativa III.
D apenas as afirmativas I e II.
E apenas as afirmativas I e III.
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presença de escavações profundas no equipamento ou
componente.
Questão 2
A fratura por fadiga é uma das principais causas de falhas em
componentes mecânicos. Na fadiga, existe um carregamento
externo cíclico. Alguns materiais possuem o limite de resistência à
fadiga que permite usá-los indefinidamente, desde que abaixo
desse limite. A imagem a seguir apresenta, de maneira
esquemática, os três estágios da fratura por fadiga.
Com relação a esses estágios são feitas as seguintes afirmações:
I – No estágio I ocorre a nucleação da trinca, em geral, na superfície
da peça pelo efeito de um concentrador de tensões.
II – No estágio II ocorre a propagação da trinca de maneira rápida e
frágil, normalmente de maneira transgranular.
III – O estágio III é o final do ciclo da fadiga em que ocorre a fratura
de maneira imprevisível e catastrófica.
São corretas
A apenas a afirmativa I.
B apenas a afirmativa II.
C apenas as afirmativas II e III.
D apenas as afirmativas I e III.
E
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Parabéns! A alternativa D está correta.
A fadiga é decorrente do carregamento mecânico externo cíclico a
que está sujeito um componente. Inicialmente é formada uma
trinca superficial, nucleação, em decorrência de descontinuidades,
defeitos, concentradores de defeitos etc. Com o carregamento
cíclico, a ponta da trinca vai se deformando lenta e gradualmente. É
o estágio II ou de propagação da trinca. Por fim, no estágio III,
ocorre a fratura por fadiga de maneira catastrófica.
3 - Corrosão sob tensão
Ao �nal deste módulo, esperamos que você descreva a corrosão sob
tensão.
Vamos começar!
O que é a corrosão sob
tensão?
apenas as afirmativas I e II.

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Assista ao vídeo a seguir para conhecer como empregar a técnica
operatória da macrografia que será abordada neste módulo.
Aspectos gerais da
corrosão sob tensão
A corrosão sob tensão (CST) ou, em inglês, SCC (stress corrosion
cracking) é uma categoria de fratura assistida pelo ambiente, ou ainda,
três condições devem ser satisfeitas simultaneamente para a sua
ocorrência: a aplicação de tensão trativa (ou tensão residual), material
suscetível à corrosão sob tensão e um ambiente corrosivo específico.
Esquematicamente, tem-se a imagem a seguir.
Condições para a ocorrência da CST.
Pela imagem anterior, fica claro que as três condições devem coexistir
para que o material apresente fratura, devido à corrosão sob tensão.
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Isoladamente, nem a tensão, nem o ambiente corrosivo promoveriam a
fratura no componente ou estrutura ou, pelo menos, não com a mesma
velocidade. Conforme afirmam Callister e Rethwisch (2016), alguns
materiais virtualmente inertes em alguns meios corrosivos específicos,
quando sob tensão, tornam-se suscetíveis à CST, como exemplificado a
seguir.
Exemplo
Aços inoxidáveis, em regra, não são afetados pela corrosão sob tensão,
quando o meio corrosivo é composto, por exemplo, de ácido sulfúrico.
Contudo, são suscetíveis à CST quando o ambiente é formado por
cloretos, o que acontece em ambientes marinhos.
A corrosão sob tensão pode levar o componente mecânico à fratura
sendo caracterizada por duas fases.

A primeira fase é denominada de indução, é anterior à nucleação das
trincas. Ocorre de maneira lenta por ação do meio corrosivo.

A segunda fase é denominada de propagação. Nela, dois efeitos
ocorrem mutuamente:as ações do ambiente corrosivo e da tensão
trativa aplicada ao corpo.
A imagem seguinte apresenta trincas na superfície de um tubo de aço
inoxidável austenítico devido à corrosão sob tensão.
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Corrosão sob tensão em aço inoxidável austenítico.
Em linhas gerais, a fratura apresenta estricção em duas regiões, sendo a
primeira com aspecto frágil e com depósitos de materiais oriundos da
reação ocorrida na corrosão. Nesse ponto, a seção reta resistente
diminui tanto que ocorre a segunda região, a fratura por ruptura brusca.
As trincas que ocorrem na corrosão sob tensão podem se propagar:
de maneira intergranular (nos contornos dos grãos cristalinos);
transgranular (pelo meio do grão cristalino);
um misto das duas formas.
A tensão que causa a fratura devido à CST é, em regra, menor que a
tensão determinada em ensaios estático (o de tração). A propagação
das trincas ocorre perpendicularmente às linhas de ação da tensão.
O fenômeno da corrosão
sob tensão
Como apresentado, a corrosão sob tensão (CST) necessita da ação
combinada de um trinômio assim descrito:
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A suscetibilidade e o meio corrosivo específico relacionam-se com a
natureza da liga e das condições químicas do meio. Uma mesma liga
pode não sofrer CST em determinados ambientes, mas ser suscetível
para outros meios corrosivos. A família de aços inoxidáveis em
ambientes sulfúricos ou nítricos não sofrem CST. Contudo, quando o
ambiente apresenta cloretos (água do mar), aços inoxidáveis sofrem
 A
Tensão trativa constante, devido ao carregamento
externo ou decorrente de tensões residuais
oriundas de trabalhos mecânicos ou, ainda, tensões
que surgem devido às variações bruscas de
temperaturas em ligas com coeficientes térmicos
de expansão distintos. Além dessas possibilidades,
Callister e Rethwisch (2016) citam que os produtos
de corrosão sólidos e gasosos podem se prender
internamente, resultando em tensões.
 B
Um ambiente em que o componente atuará (meio
de serviço) que apresente um corrosivo específico
para que possa ocorrer a corrosão sob tensão
(CST). É o caso de peças compostas de latão na
presença de um meio rico em amônia.
 C
Materiais suscetíveis ao fenômeno da corrosão sob
tensão. Por exemplo, metais puros apresentam
baixíssima probabilidade de corrosão sob tensão,
enquanto muitas classes de aços inoxidáveis são
suscetíveis à CST, quando o ambiente apresenta,
por exemplo, cloretos.
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CST. A existência de pré-trincas superficiais no componente deixa em
segundo plano a suscetibilidade do material.
Exemplo
Alguns trincamentos por ação do meio corrosivos são conhecidos e
levam à CST. São exemplos, o cloreto em aços inoxidáveis, os
ambientes cáusticos em aços carbono e ambiente amoniacal em ligas
de cobre.
Em tese, para alguns materiais existe um valor de tensão trativa, abaixo
do qual não ocorre a ruptura por CST. O gráfico tensão aplicada versus
tempo para que ocorra a ruptura por CST apresenta um patamar
horizontal. Observe a imagem a seguir, na qual se percebe o descrito e é
possível uma analogia com a curva de Wöhler.
Curva tensão aplicada versus tempo para ruptura em CST.
Características da corrosão
sob tensão (CST)
Além da tensão trativa (aplicada ou residual) e do meio corrosivo, outras
características devem ser abordadas para um maior entendimento da
CST. A ruptura de um componente nas condições para que ocorra a CST
inicia-se com a formação de trincas inicialmente governadas pelo
fenômeno da corrosão e, depois, pela ação combinada do esforço
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mecânico e da ação química. A imagem seguinte apresenta,
esquematicamente, o início do processo de corrosão sob tensão.
Esquema de um trinca na corrosão sob tensão.
Na imagem anterior, a abertura da ponta da trinca em uma liga ferrosa
pela ação combinada da tensão trativa e das reações químicas,
propagando-se, assim, a trinca, ou seja, ocorre o seu crescimento. É
possível, também, a partir da imagem, observar que o crescimento da
trinca é perpendicular à linha de ação da tensão. Em geral, valores
mínimos, tanto para as tensões como para as concentrações químicas,
devem ser ultrapassados para que o fenômeno de corrosão sob tensão
(CST) aconteça.
Curiosidade
A taxa de corrosão que ocorre na ponta da trinca é bem superior às
taxas de corrosão em outras regiões da peça.
Mecanismo da corrosão
sob tensão
O fenômeno da CST é causado pela interação da estrutura do material e
de fatores mecânicos e químicos (ambientais), cujo mecanismo é
complexo levando a uma série de modelos, de teorias e de hipóteses. É
senso comum que a nucleação das trincas ocorre em pites de corrosão,
na superfície do componente (ou estrutura) mecânico. Os pites
funcionam como concentradores de tensão e, então, localmente a
tensão trativa é amplificada, levando à propagação da trinca. Na
imagem a seguir, vemos os pites iniciais onde ocorre a nucleação das
trincas que, sob o efeito combinado das ações química e mecânica,
propagam-se. Constate, ainda, que as pontas da trinca são altamente
ramificadas.
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Trinca na CST: nucleação nos pites e crescimento.
Resumindo, a corrosão sob tensão apresenta três fases:
A
Na primeira fase, deve existir um ambiente corrosivo propício à
ocorrência da CST, ou seja, um ambiente em que o material seja
suscetível à corrosão sob tensão.
B
No segunda fase, a corrosão passa a ser predominante, em que
pequenas trincas são formadas.
C
Na terceira fase, a final, a ação combinada do ambiente corrosivo
e da tensão trativa promove a propagação da trinca,
perpendicularmente à direção de aplicação da tensão trativa.
Cabe ressaltar que os principais efeitos da CST são verificados
na etapa final, resultando em falha exclusivamente mecânica,
devido à redução da seção transversal resistente.
A tabela seguinte apresenta algumas ligas suscetíveis à corrosão por
tensão em ambientes corrosivos específicos.
Metal Ambiente corrosivo
Aço doce (NO3)
−, (OH)−
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Metal Ambiente corrosivo
Aço de alta resistência
Aço inoxidável austenítico
Latão , aminas
Ligas de titânio (8% Al, 1% Mo, 1%
V)
Ligas de alumínio
, soluções de
NaCl
Ligas de zircônio
Tabela: Ligas e ambientes favoráveis à CST.
Adaptado de Winston e Herbert, 2008. p. 152.
É importante ressaltar que a combinação de suscetibilidade do metal ao
ambiente corrosivo, aliada à tensão trativa, faz com que a fratura por
corrosão sob tensão possa demorar de alguns poucos minutos até
vários anos. Dessa forma, é importante que ocorram manutenções a fim
de se acompanhar os componentes em condições de CST para mitigar a
presença das trincas iniciais, ou, até mesmo, realizar eventuais
substituições antes que ocorra a falha por fratura.
Comentário
Conforme afirmam Callister e Rethwisch (2016), o comportamento ao
ocorrer a falha por CST é característico daquele exibido por um material
frágil, apesar de a liga metálica poder ser intrinsecamente dúctil.
A fim de elucidar, a imagem seguinte apresenta uma fotomicrografia de
um latão em que é perceptível uma trinca intergranular (comportamento
frágil) devido à corrosão sob tensão a que o componente está sujeito.
H2O
Cl−, (OH)−,Br−
NH3
Cl−, I−,Br−
H2O
Cl−
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Micrografia evidenciando a trinca em latão sob CST.
Na imagem a seguir, tem-se um exemplo de um tubo que fraturou devido
à corrosão sob tensão.
Corpo fraturado por corrosão sob tensão (CST).
A imagem que segue apresenta uma trinca de corrosão por tensão
(CST) nucleada em um pite de corrosão e com propagação
perpendicular à linha de ação do esforço externo.
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Trinca nucleada em pite de corrosão CST.
A seguinte imagem apresenta as superfícies de fratura de dois
componentes, devido à corrosão sob tensão (CST), em termos
macroscópicos.
Aspectos macroscópicos de superfícies de corpos fraturados por CST.
Prevenção da corrosão sob
tensão
A partir do estudo apresentado anteriormente, a corrosão sob tensão
deve apresentar três condições simultâneas: a suscetibilidade do
material, o ambiente corrosivo específico e a tração trativa. Em regra, a
eliminação de uma ou mais condições inibirá a CST.
Muitos materiais são quase que inertes em determinados ambientes
corrosivos, mas com a presença da tensão, podem se degradar. Dessa
forma, é natural supor que alterar a tensão atuante é uma das formas de
prevenção em relação à corrosão sob tensão. Lembrando que, para
alguns materiais existe um valor de tensão abaixo do qual não ocorre
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CST. A redução da tensão, seja por diminuição do carregamento, seja
pelo aumento da seção resistente é eficiente.
A tensão que induz a CST pode ser de
origem interna, como as tensões residuais.
Para esse tipo de intercorrência, os tratamentos térmicos de alívio de
tensões, como o recozimento após a têmpera, diminuem a
probabilidade de ocorrência da corrosão sob tensão. Outras técnicas
são utilizadas para a prevenção ou mitigação da CST.
Exemplo
Para diminuir a agressividade do meio corrosivo, faz-se o uso de
inibidores. No caso particular das ligas ferrosas (aços) expostas a
águas de caldeiras, o nitrato de sódio (NaNO3) é utilizado como inibidor,
reduzindo-se, assim, a CST nesses componentes.
Uma outra técnica utilizada como forma de prevenção, é a introdução de
tensões compressivas na superfície do componente por jateamento ou
shot peening, exemplificada na imagem que segue.
Shot peening – jateamento para introdução de tensões compressivas.
As tensões de compressão produzidas na superfície do componente
são eficazes para diminuir a probabilidade de pequenos defeitos
superficiais e, assim, evitar a ação do meio corrosivo.
Mais uma possibilidade, desde que atenda as condições do projeto, é a
mudança do material a ser utilizado na produção do componente. Tal
como, em ambientes corrosivos com a presença de cloretos, os aços
inoxidáveis austeníticos apresentam alta suscetibilidade à CST,
enquanto os aços duplex são mais resistentes.
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Falta pouco para atingir seus objetivos.
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Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
(Exame de admissão ao estágio de adaptação de oficiais
engenheiros da Aeronáutica - EAOEAR – 2020 – adaptada). Avalie o
trecho a seguir sobre uma das formas de corrosão. “A corrosão se
processa entre os grãos da rede cristalina do material metálico, o
qual perde suas propriedades mecânicas e pode fraturar quando
solicitado por esforços mecânicos, tendo-se então a corrosão sob
tensão fraturante.” (GENTIL, 1996). Trata-se da forma de corrosão
denominada de
Parabéns! A alternativa C está correta.
A corrosão sob tensão (CST) apresenta as seguintes condições
para a sua ocorrência: material suscetível a determinado ambiente
corrosivo e aplicação de tração trativa. A fratura tem o aspecto
frágil, mesmo para materiais dúcteis. Dessa forma, a trinca pode
percorrer um caminho entre os grãos (intergranular) ou “por dentro”
dos grãos (transgranular). No texto, fica claro que a fratura ocorre
com separação dos grãos, ou seja, intergranular.
Questão 2
A alveolar.
B filiforme.
C intergranular.
D intragranular.
E uniforme.
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2. (Centro de seleção e de promoção de eventos UnB -
CESPE/CEBRASPE - Petrobras - Engenheiro - Área Mecânica – 2004
– adaptada). Sobre o fenômeno da corrosão sob tensão (CST) são
feitas as seguintes afirmações:
I - É um processo de corrosão e tensões de contato, associadas a
vibrações que produzem pequenos deslocamentos relativos entre
as superfícies.
II – É um processo em que as ações mecânicas (tensões estáticas
trativas) e química promovem o crescimento da trinca até que
ocorra a ruptura do componente.
III – O aço inoxidável não sofre a corrosão sob tensão devido ao
alto percentual de cromo em sua composição química, fazendo
uma barreira natural na superfície do componente.
São corretas
Parabéns! A alternativa B está correta.
Um dos fatores que levam à corrosão sob tensão (CST) é a
aplicação de uma tensão trativa. Além disso, há a necessidade de
um ambiente corrosivo e que o material seja suscetível à CST.
Como regra geral, a família de aços inoxidáveis não é afetada pela
corrosão sob tensão, quando o meio corrosivo é o ácido sulfúrico.
Contudo, são suscetíveis à CST quando o ambiente é formado por
cloretos, como os ambientes marinhos.
A apenas a afirmativa I.
B apenas a afirmativa II.
C apenas as afirmativas II e III.
D apenas as afirmativas I e III.
E apenas as afirmativas I e II.
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4 - Fragilização por hidrogênio
Ao �nal deste módulo, esperamos que você descreva a fragilização
por hidrogênio.
Vamos começar!
Entendendo a fragilização
por hidrogênio
Assista ao vídeo a seguir para conhecer as vantagens e as limitações
por hidrogênio, que serão abordados neste módulo.

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Aspectos gerais da
fragilização por hidrogênio
O hidrogênio pode provocar danos em diversas ligas metálicas, em
particular nas ligas ferrosas denominadas aços. Os danos provocados
pelo hidrogênio promovem alterações nas propriedades mecânicas do
material que falham por fratura frágil.
Em regra, o hidrogênio atômico (H) difunde-se e ocupa
um vazio intersticial, promovendo a diminuição da
ductilidade da liga metálica, ou seja, a sua capacidade
de se deformar plasticamente. Trincas são formadas (a
partir da expansão do H2) e, por ação de carregamento
externo pode ocorrer a falha pela fragilização por
hidrogênio.
O fenômeno da fragilização por hidrogênio tem dois momentos de
ocorrência: no processo de fabricação do aço ou, com a fabricação
terminada, durante alguns procedimentos que funcionam como fonte de
H. O processo de soldagem, os tratamentos térmicos, a reação catódica
durante a corrosão etc.
Comentário
Cabe ressaltar que existem o hidrogênio atômico e o molecular
. Analise a reação esquemática a seguir: .
A imagem seguinte apresenta a falha ocorrida em um tubo devido à
fragilização por hidrogênio atômico.
(H)
(H2) H + H → H2
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Fragilização por hidrogênio.
A fragilização por hidrogênio também é denominada por craqueamento
induzido por hidrogênio, noinglês hydrogen induced cracking (HIC).
Material policristalino
A fim de que o conceito de vazio intersticial, ocupado pelo hidrogênio
atômico, quando da fragilização do metal, seja relembrado, um breve
resumo será apresentado sobre os dois vazios possíveis: substitucional
e intersticial.
As ligas metálicas são materiais que apresentam ordenação de longo
alcance, são policristalinos devido à presença de vários grãos.
Resumindo
A estrutura cristalina é uma representação espacial dos átomos em um
material cristalino.
Com isso, é comum a divisão da estrutura cristalina em unidades
menores, denominadas células unitárias. Alguns exemplos de estruturas
são:
a cúbica de faces centradas (CFC);
a cúbica de corpo centrado (CCC);
a hexagonal compacta (HC) etc.
Perceba nas imagens a seguir, em que são apresentadas algumas
células unitárias e um agregado de muito átomos. Os átomos são
representados por esferas ou pontos.
Estrutura cristalina cúbica de faces centradas – CFC.
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Na imagem anterior, a representação da estrutura cristalina denominada
cúbica de faces centradas (CFC). Alumínio, cobre e prata são exemplos
de metais com essa estrutura cristalina.
Estrutura cristalina cúbica de corpo centrado – CCC.
Já na imagem supracitada, está representada a estrutura cristalina
cúbica de corpo centrado (CCC) em que cromo, ferro e tungstênio são
exemplos típicos.
Vazios intersticiais e
substitucionais
A estrutura cristalina pode apresentar uma lacuna, isto é, a ausência de
um átomo. É o denominado vazio substitucional que, quando ocupado, é
o átomo substitucional. O vazio intersticial é uma região em que não há
átomo. A presença de um átomo nessa posição é um defeito intersticial
(átomo de impureza intersticial) que, em regra, produz distorções na
estrutura. Analise uma representação esquemática bidimensional, na
imagem a seguir.
Átomos intersticial e substitucional.
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Fazendo a ligação dos conceitos apresentados até aqui, na fragilização
por hidrogênio de um material metálico, o hidrogênio é absorvido na
superfície do metal em contato com o ambiente corrosivo, ocupando um
vazio intersticial. A absorção é possível devido ao pequeno volume do
hidrogênio atômico.
Falha por fragilização por
hidrogênio
De acordo com os itens anteriores, a fragilização de uma liga metálica
por hidrogênio ou trincamento sob tensão, devido ao hidrogênio,
consiste na difusão de hidrogênio atômico (H) por meio da rede
cristalina do metal (ou liga). O hidrogênio promove pequenas trincas
(“flocos”) nas ligas metálicas, sendo, de acordo com Callister e
Rethwisch (2016), as fraturas do tipo transgranular as mais frequentes.
Algumas ligas metálicas podem fraturar de maneira intergranular. A
fratura por fragilização pelo hidrogênio é decorrente de tensões
aplicadas externa ou internamente (tensões residuais). A fratura é frágil,
mesmo quando o material apresenta ductilidade elevada. Inicia-se com
a nucleação de trincas (presença do hidrogênio no interior da rede
cristalina) e a consequente propagação.
Para que um metal possa ser fragilizado pelo hidrogênio há a
necessidade de uma “fonte” que produza hidrogênio atômico para a
posterior difusão intersticial. O processo de craqueamento induzido por
hidrogênio é bastante comum em aços médio e baixo carbono,
conforme relata a literatura especializada, quando expostos a uma
atmosfera contendo ácido sulfídrico (H2S) e dióxido de carbono (CO2)
em uma solução de água.
Conforme afirmam Callister e Rethwisch (2016), o H2S
é conhecido como “veneno”, uma vez que retarda a
formação do hidrogênio molecular na superfície do
metal, o que aumenta a probabilidade da difusão
intersticial do H. Na presença de um meio
contaminante de ácido sulfídrico, ocorre a reação cujos
principais produtos são os sulfetos metálicos e o
hidrogênio atômico. Este último pode tomar dois
caminhos: combinar-se, formando o hidrogênio
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molecular H2, ou ocorrer a difusão do hidrogênio
atômico para a estrutura metálica, sendo esta última a
mais provável pelo efeito do enxofre (S) no
retardamento da combinação do hidrogênio.
Algumas indústrias, como a de extração de óleo e de gás, apresentam
esse problema devido às altas quantidades presentes de H2S. Outra
fonte para a fragilização de hidrogênio é a decapagem (limpeza) de aço
em ácido sulfúrico (H2SO4). As condições de trabalho e atmosféricas
com umidade relativa alta, a quebra de lubrificantes orgânicos, os
processos de fabricação, o processo de soldagem e os tratamentos
químicos também são potenciais causas para a fragilização por
hidrogênio. Perceba no esquema da imagem a seguir, a presença de H2S
úmido como fonte de hidrogênio atômico para a fragilização da liga
metálica suscetível.
Esquema do HIC a partir do H2S.
A imagem anterior apresentou esquematicamente a difusão do
hidrogênio atômico, a partir da presença de H2S úmido. São formados
nas superfícies os átomos de hidrogênio que podem se difundir para o
interior do material ou combinarem-se, originando a molécula de
hidrogênio, inerte para essa situação. Os átomos de hidrogênio,
combinando-se como hidrogênio molecular, ancoram-se em
discordâncias, contornos de grãos etc. Ocorrerá um campo de tensões
que gerará a nucleação de trincas e posterior propagação. É o
craqueamento devido ao hidrogênio (HIC).
Saiba mais
No craqueamento devido ao hidrogênio (do inglês hydrogen induced
cracking - HIC), ocorre um delay (tempo de atraso) para aparecimento de
trincas após a aplicação da tensão. Esse tempo de atraso é ligeiramente
afetado pela aplicação da tensão, diminuindo com o aumento da
concentração de hidrogênio atômico na liga metálica e com o aumento
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da dureza ou resistência à tração. Com o intuito de quantificar, com
pequenas concentrações de hidrogênio, a fratura pode ocorrer alguns
dias após a aplicação da tensão.
Uma variação do craqueamento induzido pelo hidrogênio é o fenômeno
de empolamento, cuja principal diferença é o aspecto superficial com
bolhas, que pode ser constatado na imagem a seguir. Ressalta-se que o
exame visual (vista desarmada) é suficiente para a detecção do
empolamento.
Fragilização por hidrogênio - empolamento.
A imagem seguinte apresenta a superfície de um tubo de aço API 5L
X65, muito utilizado na indústria petrolífera para a exploração de
petróleo e de gás natural, apresentando bolhas superficiais provocadas
pela fragilização pelo hidrogênio.
Bolhas em superfície de aço API 5L X65 por hidrogênio.
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Na imagem a seguir, duas fotos de tubulações de transporte de petróleo
e gás nos Estados Unidos são apresentadas. Na imagem (a) vê-se a
fratura e na (b), a planta fabril em chamas.
Tubulações em planta de exploração de petróleo danificadas por fragilização pelo hidrogênio.
Suscetibilidade de ligas
metálicas à fragilização por
hidrogênio
O processo de fragilização devido à difusão de hidrogênio atômico na
estrutura cristalina de um metal decorre da diminuição da ductilidade.
Exemplo
É frequente que ligas metálicas de alta resistência, como, por exemplo,
aços de alta resistência, em particular os martensíticos, e ligas de
titânio sejam mais suscetíveis ao fenômeno de fragilização por
hidrogênio. Aços inoxidáveis austeníticos, aços ferríticos, bainíticos,
ligas de cobre, de níquel e de alumínio são menos suscetíveis àfragilização por hidrogênio.
De acordo com Callister e Rethwisch (2016), as ligas anteriormente
citadas são menos suscetíveis ao fenômeno devido à alta ductilidade
inerente. Contudo, se essas ligas sofrerem o processo de
endurecimento por deformação, ocorrendo assim a redução da
ductilidade, passarão a ser mais suscetíveis à fragilização por
hidrogênio.
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Técnicas de proteção ao
fenômeno de fragilização
por hidrogênio
Genericamente, um princípio básico para evitar-se que uma liga metálica
seja danificada pela fragilização por hidrogênio é não permitir a
presença de fontes fornecedoras desse elemento. Na prática, pode-se
tentar diminuir essas fontes, porém, eliminá-las é apenas teórico. Outra
questão passa pela seleção de materiais, visto que alguns são mais
suscetíveis ao fenômeno. Dessa maneira, em suma, as seguintes
técnicas podem ser utilizadas para a proteção da liga metálica,
diminuindo a probabilidade da fragilização por hidrogênio:
diminuição da suscetibilidade do material com a diminuição do
limite de resistência à tração, que pode ser feita por meio de
tratamentos térmicos;
remoção ou diminuição da fonte de hidrogênio atômico;
seleção de materiais metálicos menos suscetíveis ao fenômeno;
aplicação de determinados inibidores antes da decapagem da
superfície do metal. Esses inibidores apresentam alta reatividade
com o ferro, mitigando-se a difusão de hidrogênio atômico na
estrutura cristalina;
tratamento térmico denominado cozimento em que, pela ativação
térmica, o hidrogênio atômico é “expulso” da estrutura cristalina do
metal.
Gentil (1996), em sua obra, afirma que o emprego de aços com alumínio
é uma forma de mitigar a fragilização por hidrogênio na presença de
H2S, como ocorre em tubulações da indústria petrolífera, na exploração
de gás natural. A composição química desses aços apresenta 0,13% C;
2,2% Cr; ,35% Mo; 0,35% Al e 0,10% V.
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Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
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(Petrobras. Prova: CESGRANRIO - 2014 - Engenheiro(a) de
Equipamentos Júnior – Inspeção). A fragilização por hidrogênio é
um dos problemas mais importantes no emprego de diversos
materiais metálicos, mas alguns procedimentos podem ser
desenvolvidos para evitar essa fragilização. O que se deve fazer
para reduzir a fragilização por hidrogênio?
Parabéns! A alternativa A está correta.
A fratura assistida pelo ambiente, denominada fragilização pelo
hidrogênio, deve ter a ação de três fatores mutuamente: o ambiente
corrosivo, o material suscetível ao fenômeno e a fonte de
hidrogênio atômico para a sua difusão para o interior do material.
Em todas as opções, há oferta de hidrogênio, potencializando o
fenômeno, exceto na opção A.
Questão 2
(Petrobras. Prova: CESGRANRIO - 2011 - Engenheiro de
Equipamento Júnior – Inspeção – adaptada). O fenômeno
denominado Fragilização por Hidrogênio ocorre em várias ligas
metálicas quando o hidrogênio atômico (H) penetra o material e
A
Proteger a região da solda e a vizinhança da
presença de água durante o processo de soldagem
das peças metálicas.
B
Molhar a região da solda com muita água durante o
processo de soldagem das peças metálicas.
C
Aumentar a taxa de corrosão durante o processo de
limpeza de peça metálica em meio ácido.
D
Tratar a peça metálica termicamente, a altas
temperaturas, numa atmosfera rica em hidrogênio.
E
Tratar a peça metálica termicamente, a altas
temperaturas, numa atmosfera rica em água.
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reduz sua ductilidade. Com o objetivo de reduzir a probabilidade de
ocorrência desse fenômeno, várias técnicas podem ser utilizadas. A
respeito desse tema, são feitas as seguintes afirmações.
I – A realização de tratamento térmico para reduzir o limite de
resistência à tração da liga.
II – A substituição da liga projetada por uma liga mais resistente a
essa fragilização, como, por exemplo, a troca de aços martensíticos
por aços bainíticos.
III – A decapagem do aço para eliminar a camada da liga danificada
pela penetração do hidrogênio atômico.
IV – O tratamento de cozimento da liga em uma temperatura
elevada, eliminando os hidrogênios dissolvidos.
São corretas
Parabéns! A alternativa D está correta.
Ligas metálicas com elevada resistência mecânica são mais
suscetíveis ao fenômeno de fragilização por hidrogênio. Assim,
tratamentos térmicos que reduzam a resistência mecânica e
elevem a ductilidade são eficientes para a proteção do metal. Os
aços martensíticos apresentam elevada resistência mecânica e
consequentemente são suscetíveis à fragilização pelo hidrogênio.
Já nos bainíticos a suscetibilidade é menor. A limpeza realizada por
meio de decapagem apresenta solventes que funcionam como
fonte de hidrogênio. Por fim, o tratamento de cozimento, em que se
aumenta a temperatura e ocorre a expulsão do hidrogênio.
A apenas as afirmativas I e II.
B apenas as afirmativas I, III e IV.
C apenas as afirmativas I, II e III.
D apenas as afirmativas I, II e IV.
E apenas as afirmativas II, III e IV.
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Considerações �nais
O foco do conteúdo foi o estudo das fraturas por corrosão e pela
fragilização por hidrogênio.
Inicialmente, a abordagem foi sobre as fraturas assistidas por
ambientes e a necessidade de que três fatores coexistam. Alguns tipos
de fratura assistidas pelo ambiente foram citadas, sendo que a
fragilização pela presença de metal líquido, a fratura por fluência e a
fratura induzida pela radiação de nêutrons foram detalhadas.
Na sequência, foi apresentada uma situação de fratura muito presente
na engenharia: a fratura por corrosão em fadiga. Foram descritos seus
aspectos gerais, o mecanismo do fenômeno e as técnicas para a
proteção do componente. Por fim, algumas imagens foram exibidas
revelando os principais aspectos da superfície de fratura de corrosão
sob fadiga.
Como forma de aprofundar a fratura assistida pelo meio ambiente, foi
feita a abordagem da corrosão sob tensão (CST). Primeiro, os aspectos
gerais da corrosão sob tensão foram apresentados para que, na
sequência, seu fenômeno fosse estudado e fosse possível o perfeito
entendimento de seu mecanismo. Também foi explorada a prevenção
da corrosão sob tensão. Como complemento, algumas ligas metálicas e
ambientes corrosivos foram apresentados, mostrando quando a
suscetibilidade é mais acentuada.
Na última parte, foi visto o dano causado pela difusão do hidrogênio
atômico em ligas metálicas. Foi feita uma apresentação do fenômeno e
das principais técnicas para prevenção dessa fragilização que pode
culminar com a fratura do componente.
Podcast
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Agora, o especialista encerra o tema falando sobre as principais fraturas
assistidas pelo ambiente, destacando-se a corrosão sob tensão e a
fragilização pelo hidrogênio.
Explore +
Deixamos aqui para você a dica de leitura do trabalho apresentado no
68º Congresso ABM – Internacional, Fragilização por hidrogênio em
parafusos temperados e revenidos com superfície carbonitretada 2013,
Belo Horizonte, disponível no portal AbmProceedings. Vale conferir!
Referências
BERTOLDI, Daniel Brito. Trincamento induzido por hidrogênio em aços
inoxidáveis supermartensíticos modificados pela ação de boro paraaplicação em exploração de petróleo em águas profundas. 2015.
Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) –
Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2015.
CALLISTER, W. D.; RETHWISCH, D.G. Ciência e Engenharia de Materiais:
uma Introdução. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016.
DIETER, G. E. Metalurgia mecânica. 2. ed. Rio de Janeiro: Guanabara
Dois, 1981.
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.
LADINO, D. H.; FALLEIROS, N. A. Trincamento induzido por hidrogênio
em aços microligados. Tecnologia em Metalurgia, Materiais e
29/03/2024, 15:05 Fratura por corrosão e por ação do hidrogênio
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04342/index.html# 57/57
Mineração, São Paulo, v. 12, p. 82-93, jan. 2015.
OLIVEIRA, A. R. Corrosão e tratamento de superfície. Belém: IFPA, 2012.
PARSONS, J. F. Stress Corrosion Cracking - Metallic Corrosion. AZO
Materials website, 2020. Consultado na internet em: set. 2022.
COSTA, M. Y. P. Fadiga em titânio aeronaútico revestido por PVD. 2009.
123 f. Tese (doutorado) - Universidade Estadual Paulista, Faculdade de
Engenharia de Guaratinguetá, 2009.
ROSA, E. Análise de resistência mecânica (Mecânica da Fratura e
Fadiga) – GRANTE, 2002.
SHEIR, L. L.; JARMAN, R. A.; BURSTEIN, G. T. CORROSION
Meta/Environment Reactions. v. I, 3. ed. British Library Cataloguing in
Publication Data, 2000.
VELÁZQUEZ, J. L. G. Fractography and failure analysis. México: Springer,
2017.
WINSTON, R. R.; HERBERT H. U. Corrosion and corrosion control: an
introduction to corrosion science and engineering. 4. ed. New Jersey,
USA: John Wiley & Sons, 2008.
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