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Análise de Falhas Mecânicas

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Curso de Análise de Falhas i 
 
XXIII SEMANA DA ENGENHARIA MECÂNICA – unesp – Ilha Solteira – 26 a 31/08/2002 
APRESENTAÇÃO 
 
Este curso faz parte da programação da XXIII Semana da Engenharia Mecânica 
(SENGMEC-2002) da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, promovida pelo Grêmio 
Estudantil do Curso de Engenharia Mecânica e pelo Departamento de Engenharia Mecânica, com 
o apoio do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, no período de 26 a 31 de 
agosto de 2002. 
O curso é destinado a alunos de graduação, de pós-graduação, de escolas técnicas, ex-
alunos, técnicos e professores. 
Todo o material aqui impresso estará também disponível em um CD-ROM que conterá 
ainda toda a programação do evento. 
Esperamos que este curso possa contribuir para a formação e/ou especialização de todos 
os participantes inscritos. 
Atenciosamente, 
 
 
COMISSÃO ORGANIZADORA DA SENGMEC-2002 
 
 
Carlos Alexandre Z. Vilchez - Grêmio Estudantil da Engenharia Mecânica (Presidente) 
 
Ricardo Carvalhal - Grêmio Estudantil da Engenharia Mecânica (Vice-Presidente) 
 
Alexandre Camargos Koguchi - Grêmio Estudantil da Engenharia Mecânica (1o Secretário) 
 
Alessandro Tomio Takaki - Grêmio Estudantil da Engenharia Mecânica (2o Secretário) 
 
Geraldo Vidotto Junior - Grêmio Estudantil da Engenharia Mecânica (1o Tesoureiro) 
 
Cláudio A. V. Barbosa - Grêmio Estudantil da Engenharia Mecânica (2o Tesoureiro) 
 
Rogério Erbereli - Grêmio Estudantil da Engenharia Mecânica (Suplente) 
 
Ricardo Alan Verdú Ramos - Departamento de Engenharia Mecânica (Chefe) 
 
Vicente Afonso Ventrella - Departamento de Engenharia Mecânica (Vice-Chefe) 
 
João Antonio Pereira - Departamento de Engenharia Mecânica (Coord. PPGEM) 
 
Amarildo Tabone Paschoalini - Departamento de Engenharia Mecânica (Colaborador) 
 
André Luiz Seixlack - Departamento de Engenharia Mecânica (Colaborador) 
 
Aparecido Carlos Gonçalves - Departamento de Engenharia Mecânica (Colaborador) 
 
Cássio Roberto Macedo Maia - Departamento de Engenharia Mecânica (Colaborador) 
 
Hidekasu Matsumoto - Departamento de Engenharia Mecânica (Colaborador) 
 
Ruís Camargo Tokimatsu - Departamento de Engenharia Mecânica (Colaborador) 
 
Elias Amaral dos Santos - Departamento de Engenharia Mecânica (Webmaster) 
 
Érika Renata B. Lomba - Departamento de Engenharia Mecânica (Desenhista) 
 
Sandra L. M. Pereira - Departamento de Engenharia Mecânica (Secretária) 
 
Alex Sander Borges - Departamento de Engenharia Mecânica (Aux. Administrativo) 
 
Gilmar Pereira da Silva - Escola Técnica de Ilha Solteira (Estagiário) 
Curso de Análise de Falhas ii 
 
XXIII SEMANA DA ENGENHARIA MECÂNICA – unesp – Ilha Solteira – 26 a 31/08/2002 
ÍNDICE 
 
1. CONSIDERACÕES GERAIS 1 
2. INTRODUÇÃO 1 
2.1. Tipos de fratura 4 
2.2. Resistência coesiva teórica dos metais 6 
2.3. Comportamento dúctil e frágil dos materiais 7 
2.4. Afinal, em que se constitui uma Falha Mecânica? 8 
3. A FADIGA DOS MATERIAIS METÁLICOS 13 
3.1. Introdução 13 
3.2. Ciclos de tensão 14 
3.3. A Curva S-N 16 
3.4. Natureza estatística da fadiga dos materiais metálicos 17 
3.5. Fadiga de baixo ciclo 18 
3.6. Características estruturais da fadiga 19 
3.7. Efeitos da concentração de tensão, na fadiga 26 
3.8. Efeito do tamanho do componente 27 
3.9. Efeito de superfície na vida em fadiga 27 
3.10. Fadiga por corrosão 31 
4. ANÁLISE DE FALHAS EM COMPONENTES MECÂNICOS 33 
5. RESISTÊNCIA DOS AÇOS AO DESGASTE 38 
6. BIBLIOGRAFIA BÁSICA 40 
 
Curso de Análise de Falhas 1 
 
XXIII SEMANA DA ENGENHARIA MECÂNICA – unesp – Ilha Solteira – 26 a 31/08/2002 
1. CONSIDERAÇÕES GERAIS 
 
 A ocorrência de falhas mecânicas pode ser atribuída a: 
 
a) Deficiências do projeto e fragilização dos materiais; 
b) Processamento inadequado: 
· impurezas no interior dos materiais; 
· defeitos internos microestruturais e superficiais; 
· tratamentos térmicos inadequados; 
· outros. 
c) Deterioração em serviço: 
· erosão; 
· corrosão; 
· ataque químico; 
· radiação; 
· outros. 
d) Operação incorreta dos equipamentos: 
· sobrecarga estática e/ou dinâmica; 
· manutenção inadequada; 
· outros. 
 
 A análise das causas de falhas pode, em muitos casos, ser realizada através da 
interpretação e caracterização da superfície danificada que em muitos casos é capaz de revelar a 
história dos eventos que precederam a falha. 
 A importância da Análise de Falhas reside no fato de elementos de caracterização das 
suas causas. Logo o seu objetivo é o de se conhecer as causas das falhas de certos materiais e 
equipamentos, para a partir daí chegar-se à sua meta final que é, dentro do possível, prevenir 
novas ocorrências. 
 
2. INTRODUÇÃO 
 
 Uma maneira bem simples de se definir fratura é dizer que ela é a separação ou a 
fragmentação de um corpo sólido em duas ou mais partes, sob a ação de uma tensão. 
Genericamente, dizemos que o processo de fratura pode ocorrer em duas etapas: 
a) O início de uma trinca; 
b) A propagação desta trinca. 
Além disto, uma fratura pode ser classificada em duas grandes categorias: 
a) Fratura frágil; 
b) Fratura dúctil. 
 A fratura dúctil é caracterizada pela ocorrência de uma apreciável deformação plástica 
antes e durante a propagação da trinca. Além disso, dizemos que a propagação de uma trinca 
dúctil se dá de forma estável. Neste caso a superfície de fratura apresenta normalmente uma 
quantidade considerável de deformação. Já a fratura frágil dos metais é caracterizada pela rápida 
propagação da trinca, ou seja, pela propagação instável da trinca, com nenhuma deformação 
macroscópica e muito pouca micro-deformação. No caso de aços de baixa e média resistência 
que geralmente apresentam boa ductilidade, a ocorrência de fratura frágil em baixas temperaturas 
tende a aumentar, podendo levar a acidentes catastróficos e neste caso dizemos que houve a 
fragilização do material. 
 Os problemas causados pela fragilização de componentes e estruturas metálicas 
remontam desde o final do século passado, em particular, com estruturas soldadas ocorreu uma 
série de acidentes espetaculares dos quais pode-se citar os seguintes: 
- Ponte do zoo de Berlim (Alemanha/1936); 
- Ponte do canal Albert (Bélgica/1938); 
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XXIII SEMANA DA ENGENHARIA MECÂNICA – unesp – Ilha Solteira – 26 a 31/08/2002 
- Ponte de “Ouest des Trois Riviéres”(Canadá/1951); 
- Transatlântico “Titanic” (Mar do Norte/1906). 
Com outras estruturas de aço soldadas tais como vasos de pressão gasodutos, navios e 
aeronaves, também ocorreram fraturas, algumas das quais incríveis, devido à fragilização dos 
materiais. 
 Para se ter uma noção da extensão do problema que a fragilização de estruturas metálicas 
representa, pode-se citar que com o advento da II Grande Guerra, devido à necessidade de alta 
produção, os americanos optaram pela fabricação de cascos de navios inteiramente soldados e 
não rebitados como era feito normalmente àquela época. Dos 4.694 navios da série “Liberty”, 
1.289 apresentaram falhas estruturais importantes e 233 belonaves apresentaram fraturas frágeis 
graves e muitos partiram-se completamente. É interessante ressaltar que parte desses incidentes 
ocorreu em dias de inverno rigoroso e com as embarcações paradas no porto ou seja, a 
fragilização dessas estruturas não permitiu que elas se deformassem devido ao simples vai-e-vem 
das águas do mar. 
 Estudos posteriores de amostras retiradas dessas estruturas mostraram que essas fraturas 
frágeis dependem, entre outras, de quatro fatores fundamentais: 
a) Temperatura; 
b) Defeitos na estrutura interna dos materiais; 
c) Concentrações de tensão em certas regiões da estrutura, provenientes de erros 
no projeto de fabricação; 
d) Taxas de deformação. 
As figuras de 2.1 a 2.4,