2018 1 FSENAI Intro Análise de falhas

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Disciplina: Análise de falhas 
Graduação em Processos Metalúrgicos 
Professor: Fábio de Oliveira Braga 
Engenheiro Metalúrgico 
Doutor em Ciências (Ciência dos Materiais) 
 
fdbraga@firjan.com.br 
fabio_obraga@yahoo.com.br 
Tema da aula: 
Rio de Janeiro, Fevereiro de 2018 
Introdução à análise de falhas 
1. Introdução 
1. Introdução 
Titanic, 1912. 
Liberty ships, WWII 
Silver Bridge, 1967. 
Exemplos de acidentes com ampla repercussão 
1. Introdução 
 As falhas dos equipamentos devido à fratura dos materiais, é 
um problema que enfrentamos desde as primeiras estruturas 
construídas pelo homem. 
 A utilização de equipamento e estruturas cada vez mais complexas 
agrava o cenário. 
 Felizmente, avanços em diversas áreas tem melhorado a 
segurança dos equipamentos e estruturas: 
 Ensaios não-destrutivos 
 Mecânica da fratura 
 Documentação do histórico das falhas e seu tratamento 
(análise de falhas). 
 Procedimentos de engenharia 
 Um importante estudo mostra o custo estimado da fratura nos Estados Unidos 
em 1978: US$ 119 bilhões, 4% do PIB americano da época (Duga et al., 1983). 
 Deste montante, US$ 35 bilhões poderiam ser economizados se a tecnologia de 
prevenção da época fosse aplicada, e mais US$ 28 bilhões se tecnologias atuais, 
como a mecânica da fratura, fossem aplicadas. 
 Além de vidas serem salvas... 
3-Mile Island, Pensilvania (1981), corrosão sob tensão em Alloy 600 sensitizado 
Por que os equipamentos falham? 
1. Introdução 
A maioria dos casos de falha caem em uma das 
seguintes categorias: 
 Negligência no projeto, construção ou operação da 
estrutura. 
 Aplicação de novo design ou novo material, que 
produz um resultado não esperado (e indesejável). 
1. Introdução 
 No caso de negligência: procedimentos de engenharia existentes 
costumam ser suficientes para evitar estas falhas. 
 Apesar disto, pode ocorrer: 
 Falha humana de algum dos envolvidos 
 Ignorância acerca dos procedimentos 
 Atitude deliberada de desobedecer os procedimentos 
 
 Mão-de-obra pouco qualificada, materiais não-apropriados, erros na 
análise de tensões, erros dos operadores, são alguns dos casos em que a 
tecnologia para evitar a falha estava disponível, mas não foi utilizada. 
1. Introdução 
 O segundo caso (aplicação de novo design): Mais difícil de 
prevenir. 
 Novos materiais: Podem ter imensas vantagens, mas conter 
desvantagens não previstas. 
 Por isto novo design e novos materiais só devem ser colocados 
em serviço após intensos testes e análises. 
 Isto irá diminuir muito a frequência de falhas, mas não as irá 
eliminar. 
 Os testes, por mais detalhados que sejam, não modelam 
inteiramente a prática. 
 Exemplo: Liberty Ships – primeiros a serem construídos 
completamente soldados. Os anteriores eram rebitados. Desta 
forma seriam construídos de forma mais rápida e econômica. 
1. Introdução 
 Os Liberty Ships eram navios americanos produzidos na segunda guerra 
mundial para fornecimento à Grã-Bretanha. 
 Fizeram muito sucesso, pela grande quantidade de navios produzida em 
pouco tempo, dando vantagem contra os inimigos. 
 Até que um dos navios se partiu ao meio ao navegar da Sibéria ao Alaska. 
 Fraturas subsequentes ocorreram. Dos 2700 navios produzidos, 400 
sofreram fratura, sendo que 90 foram consideradas sérias. 
 Os rebites serviam como barreira para trincas, evitando a falha completa da 
estrutura. 
 Após este evento, os navios soldados passaram a ser reforçados em certos 
pontos, para que uma eventual fratura fosse contida nestes locais. 
 Um grupo de pesquisadores continuou os estudos no Naval Research 
Laboratory (Washington, DC, EUA). Ali surgiu o ramo conhecido como 
mecânica da fratura. 
2. Definição de fratura 
1. Introdução 
 Fratura é a separação ou fragmentação de um corpo sólido em duas ou mais 
partes, sob a ação de tensões. 
 A fratura de um material pode ocorrer de várias formas: 
 Pela lenta aplicação de cargas externas. 
 Pela rápida aplicação de cargas externas (impacto). 
 Por carga cíclica ou repetida (fadiga). 
 Pela deformação dependente do tempo (fluência). 
 Por tensões internas, como: 
 Tensões térmicas causadas pela anisotropia do coeficiente de expansão 
térmica. 
 Tensões térmicas causadas por diferentes temperaturas no corpo. 
 Efeitos ambientais: corrosão sob tensão, fragilização pelo hidrogênio, fragilização 
por metal líquido. 
1. Introdução 
Exemplos de fratura em 
metais 
Fratura dúctil Fratura frágil 
1. Introdução 
 A fratura ocorre, na maioria dos casos, 
por meio dos seguintes processos: 
 Acumulação de dano. 
 Nucleação de uma ou mais 
trincas ou vazios. 
 Crescimento das trincas ou 
vazios. 
Exemplo: Início de uma falha pela formação de uma microtrinca em tungstênio deformado a cerca 
de 104 s-1 em T ambiente. 
Mais exemplos de trincas nucleadas após acúmulo de dano no material: Cavidades nucleadas em 
contornos de grão no cobre. 
1. Introdução 
 O acúmulo de dano está associado com a estrutura do material, 
como rede cristalina, contornos de grão e histórico de 
carregamento. 
 Quando as tensões no local do dano ultrapassam o limite 
resistência do material, uma trinca é formada. 
 A trinca consiste na formação de duas superfícies livres na 
região. 
 Se o carregamento continua, a trinca tende a crescer, dependendo 
da tenacidade à fratura do material. 
 A tenacidade à fratura é objeto do estudo da mecânica da fratura. 
Exercícios 
1. Quais as duas principais causas de falha em estruturas de engenharia? 
Explique-as, propondo uma forma de evitá-las. 
2. Explique o que é a “acumulação de dano” no material, e como pode levar 
à sua fratura. 
1. Anderson, T.L. Fracture Mechanics. 3ª ed. 2005. 
2. Duga, J.J. et al. The Economic Effect of Fracture in the 
United States. NBS Special Publication 647-2, U.S. 
Department of Commerce. 1983. 
3. Meyers, M.A.; Chawla, K.K. Mechanical Behavior of 
Materials. 2ª ed. Cambridge University Press. 2009.