1 - Falha de um componente estrutural

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FUNDAMENTOS DE 
MECÂNICA DE FRATURA
GRUPO DE ESTUDOS SOBRE FRATURA DE MATERIAIS 
DEMET/EM/UFOP
FALHA DE UM COMPONENTE ESTRUTURAL
“FUNDAMENTOS DE MECÂNICA DE FRATURA”
Capítulo 1 - Falha de um componente estrutural
Definição de falha
Razões para a falha
O processo de falha
A fratura
Funções da análise de falha
Procedimento investigativo
Plano de controle de fratura
Filosofia tolerância de danos
Mecânica de fratura
Engenharia forense
quando a estrutura fica completamente
inutilizada;
quando ela ainda pode ser utilizada,
mas não é mais capaz de desempenhar
a sua função satisfatoriamente;
quando uma séria deterioração a torna
insegura para continuar a ser utilizada.
Definição de falha em uma estrutura
negligência durante o projeto, a
construção ou a operação da estrutura;
aplicação de um novo projeto, ou de um
novo material, que vem a produzir um
inesperado (e indesejável) resultado.
Razões para a falha de uma estrutura
Eixo de aço SAE-4340, fraturado 
por fadiga, devido a erro de 
projeto.
Tampa de sustentação e mola de 
aço SAE-1010, fraturado por 
fadiga, devido a erro de projeto.
Eixo motor de aço SAE-4350, 
fraturado por desgaste, devido a 
condições de serviço impróprias.
Anel de atomizador de água, feito 
de aço baixo carbono, fraturado 
por erosão-cavitação, devido a 
erro de seleção de material.
Conexão de uma haste forjada 
de aço médio carbono, fraturada 
por fadiga, devido a imperfeições 
no material.
Engrenagem espiral de aço SAE-
4817H, fraturada por fadiga, 
devido a erro de processamento.
Parafuso sextavado, fraturado pela ação da porca, devido a erro de 
montagem.
acúmulo de danos;
iniciação de uma ou mais trincas;
propagação de trinca;
fratura do material.
O processo de falha
Exemplo de um processo de falha: fadiga de materiais.
 
Tensão 
Tempo 
Exemplo de um processo de falha: fadiga de materiais.
Tamanho máximo de trinca permitido
Número de ciclos
Tamanho de trinca, 
a
Tamanho 
inicial de 
trinca, ao
Limite de detecção END
Exemplo de um processo de falha: fadiga de materiais.
Como um 
material é 
danificado
Por
deformação
plástica
Por impacto
(instantâneo)
Trincamento
por fadiga
(função do 
tempo)
Trincamento
assistido pelo
ambiente
(função do 
tempo)
Por desgaste
(dano
superficial)
A Fratura
Desempenho de materiais, como resultado da interação entre
composição, processamento, estrutura e propriedades.
Exemplos de casos:
1. Titanic
2. Hindenburg
3. Liberty
4. Comet
5. JAL
6. Chernobil
7. Challenger
8. Ayrton Senna
9. Concorde
10. WTC
11. Columbia
A fratura: um fenômeno indesejável
Exemplo 1: Fratura frágil do transatlântico
TITANIC, 12/04/1912.
Metalografia do aço usado no casco do Titanic, mostrando bandeamento
de ferrita e perlita, com inclusões de MnS.
a) d = 60,40 m
b) d = 41,92 m
Metalografia de um aço ASTM A-36, com d = 26,17 m
Metalografia do aço usado no casco do 
Titanic, mostrando bandeamento
de ferrita e perlita, com inclusões de 
MnS.
Fratogafia de impacto a O0C do aço usado 
no casco do Titanic, mostrando facetas de 
clivagem, com inclusões de MnS quebradas.
Curvas de transição ductil-frágil do aço 
do casco do Titanic, e de um aço 
ASTM A-36
% de fratura dúctil do aço do casco do 
Titanic, e de um aço ASTM A-36
Exemplo 2: a explosão do Hindenburg,
06/05/1937
1940
2005
Exemplo 3: Fratura
frágil em duas partes
do casco de navios de
carga Liberty e T-2 em
1941 no Oceano
Atlântico.
Exemplo 4: Fratura por fadiga da fuselagem de
um avião de passageiros Comet em 1954 no Mar
Mediterrâneo.
Os aviões 
Comet
Exemplo 5: Fratura por fadiga da parede
traseira do Boeing 747 SR em 12/08/1985 no
Japão.
Exemplo 6: O acidente de Chernobil,
26/04/1986.
O acidente.
A construção do sarcófago.
Contaminação com césio-137 na região de Chernobyl.
Contaminação com césio-137 na Europa.
Exemplo 7: O desastre do Challenger,
28/01/1986.
Exemplo 8: A morte de Ayrton Senna,
01/05/1994.
Exemplo 9: Queda do Concorde, 25/07/2000
Exemplo 10: Ataque ao WTC, 11/09/2001
Exemplo 11: Queda do ônibus espacial
Columbia, 01/02/2003
As razões principais para se conduzir uma
análise de falhas consistem na
determinação e na descrição dos fatores
responsáveis para a falha do componente
estrutural ou da própria estrutura. Esta
determinação pode ser motivada tanto pela
prática de engenharia como por
considerações de ordem legal.
Funções da análise de falhas
Prática da engenharia: relação da análise de falha
com o projeto e a produção de um componente
Modelo para resolver um problema de engenharia. 
Procedimento investigativo
Identificação do 
problema
Determinação 
da causa raiz
Desenvolvimento 
de ações corretivas
Validação e 
verificação das 
ações corretivas
Padronização
Causa Raiz
Tipo de raiz Falha de um vaso de pressão Falha de um parafuso
Raízes físicas Dano por corrosão; redução da 
espessura da parede
Trinca de fadiga; vibração 
do equipamento
Raízes humanas Inspeção executada de forma 
inadequada
Equipamento instalado de 
forma imprópria
Raízes latentes Treinamento inadequado do inspetor Processo inadequado de 
verificação da 
especificação
Métodos gráficos : espinha de peixe
 Operação 
Sobrecarga 
Uso incorreto 
Projeto 
Seleção do material 
Configuração 
Modo de 
 falha 
Humano Manutenção 
Ausência de lubrificação 
Perda de conexão 
Fabricação 
Defeitos de solda 
Trat. Térmico errado 
Procedimento investigativo : Wulpi (1993)
1) Coleta de dados e seleção de amostras.
2) Exame preliminares da parte falhada (exames visuais com armazenamento –
fotografia).
3) Ensaios não destrutivos.
4) Ensaios mecânicos (incluindo dureza e tenacidade).
5) Seleção, identificação, preservação e/ou limpeza de amostras (para comparação com
partes não fraturadas).
6) Exames macroscópicos, análise e documentação fotográfica (superfícies de fratura,
trincas secundárias e outras características superficiais).
7) Observação microscópica (lupa, MEV) e análise.
8) Seleção e preparo de amostras metalográficas.
9) Exame e análise das amostras metalográficas.
10) Determinação do mecanismo de falha.
11) Análise química (total, local, produtos de corrosão, depósitos ou recobrimentos e
microanálise).
12) Análise por mecânica de fratura.
13) Ensaios sob condições simuladas de serviço.
14) Análise de todas as evidências, formulação das conclusões e confecção de um
relatório (incluindo as recomendações).
Retirada de partes do componente estrutural para os 
diversos tipos de análise propostos na tabela anterior:
 
Propriedades mecânicas: 
a) Tração 
b) Dureza 
c) Impacto 
Metalografia: 
a) Longitudinal 
b) Transversal 
Análise química: 
a) Via úmida 
b) Espectroscopia 
Superfície de fratura: 
a) Exame visual e estereoscópico 
b) MEV 
c) MET 
 
Superfície de fratura 
O controle de fratura em estruturas consiste
em um esforço conjunto de projetistas,
engenheiros metalurgistas, mecânicos, de
produção e de manutenção, e inspetores de
segurança, no sentido de garantir operações
seguras, e evitar falhas catastróficas.
Plano de controle de fratura
Plano de controle de fratura
Muito raramente a fratura ocorre devido a uma sobrecarga
imprevista em uma estrutura isenta de danos. Geralmente, ela
é causada por uma trinca: devido ao carregamento normal de
serviço da estrutura, a trinca se desenvolve (iniciando, por
exemplo, a partir de um defeito ou concentrador de tensão) e
cresce lentamente em tamanho.
A presença de trincas em um material deteriora a sua
resistência. Assim, durante o contínuo desenvolvimento da
trinca a resistência estrutural diminui, até que ela se torna tão
pequena que as cargas em serviço não podem mais ser
aplicadas, e sucede-se a fratura. Desta forma, o controle de
fratura é entendido como uma metodologia para se evitar a
fratura devido à presença de trincas, em função do
carregamento experimentado pelo materialdurante a sua
aplicação.
Trata-se de uma filosofia de controle de fratura.
Seus objetivos principais:
a) O efeito das trincas na resistência mecânica do
material;
b) O crescimento de trinca em função do tempo.
Filosofia “tolerância de danos”
A ferramenta matemática empregada na análise de tolerância
de danos é chamada de mecânica de fratura. Ela fornece
os conceitos e as equações utilizadas para se determinar o
quanto a trinca cresce e como este crescimento de trinca afeta
a resistência mecânica de uma estrutura. Durante os últimos 40
anos, a mecânica de fratura se transformou em uma ferramenta
prática da engenharia. Ela não é rigorosamente perfeita, mas
nenhuma análise de engenharia é perfeita, e é melhor ter uma
ferramenta razoável do que nenhuma. A mecânica de fratura
pode nos fornecer soluções para problemas que até então não
podiam ser encontradas por outra técnica.
A Mecânica de Fratura
Definição:
 Do latim forensic : significa “público”.
 Relaciona-se ao meio jurídico, às cortes judiciárias.
 Diz respeito a argumentações legais ou públicas.
Engenharia forense: é a ciência concernente às relações entre a 
engenharia e as leis.
Características mais comuns:
 A engenharia forense reune atividades relacionadas com a análise de 
falhas.
 Trata-se de uma especialidade relativamente recente na engenharia.
 A medicina forense é um assunto muito mais conhecido.
Engenharia Forense
Engenharia
de detetive
A engenharia forense (engenharia de detetive)
Qualificações de um engenheiro forense:
Especialista no assunto sob investigação
• Educação formal
• Experiência
• Engenheiro licenciado
• Ativo em sociedades técnicas
Honesto, imparcial, ético
• Verdadeiro
• Objetivo
• Que evita conflito de interesses
A engenharia forense (engenharia de detetive)
A engenharia forense na Corte
 Nos EUA menos de 10% dos casos vão a julgamento em uma 
Corte.
 A maioria dos casos é resolvida após gasto dispendioso com 
advogados.
 Para os casos que são levados à Corte, a engenharia forense 
desempenha um papel muito importante.
A engenharia forense (engenharia de detetive)
Salários em 2001 (EUA)
 Engenheiro civil (geral) $73,0k
 Engenheiro civil estrutural $75,0k
 Engenheiro geotécnico $68,5k
 Engenheiro forense $143,5k
http://www.tech.plym.ac.uk/sme/Interactive_Resources/index.html