A análise de falha mecânica é um processo importante para determinar a causa de uma falha em um componente ou estrutura para que possam ser tomadas medidas para prevenir falhas futuras. 

Um componente pode falhar por várias razões, como subdimensionamento no projeto, utilização inadequada do material, processo de fabricação inadequado ou com falhas de execução. Neste contexto, a análise de falha dos materiais se destaca como um dos recursos mais úteis para auxiliar nessa investigação. 

O estudo de Análise de Falha engloba diferentes análises como química, avaliação das propriedades físicas e mecânicas do material, bem como, avaliação micrográfica. A escolha do escopo de ensaios será dependente do tipo de material e das características da falha. 

Avaliação da superfície de falha 

A inspeção visual da superfície de falha é geralmente o primeiro passo na análise de falha mecânica. Isso envolve examinar visualmente a superfície do componente ou estrutura onde ocorreu a fratura ou deformação para identificar sinais de falha devido a carregamentos cíclicos, deformações permanentes ou outros danos visíveis. 

Um exemplo é a superfície de falha com marcas de praia de fadiga (Figura 1) é caracterizada por uma série “estrias” que se estendem na direção perpendicular à direção da carga aplicada. Essas marcas são formadas devido a alteração do ciclo de tensão e geralmente se iniciam a partir de um ponto de crítico na peça como um concentrador de tensão ou impureza no material e se propagam por meio do crescimento de trincas através da superfície do material até a falha final. 

As marcas de praia de fadiga são chamadas assim devido à sua aparência semelhante às marcas deixadas na praia pelas ondas. Elas são geralmente curtas e largas, com uma distância entre elas que aumenta conforme as trincas se propagam. Isso é conhecido como “propagação da trinca”. 

O tamanho e a forma das marcas de praia de fadiga podem variar dependendo do material e das condições de carga aplicadas. Em geral, elas são mais profundas e largas quando a carga que gera maiores solicitações na estrutura provoca a falha com poucos ciclos, e mais finas e curtas quando a carga que provoca a falha gera tensões mais baixas e é aplicada de forma contínua condicionando mais ciclos ao componente. O tamanho da região final de falha em relação à seção bruta total da peça também é um indicativo do nível de tensões ao qual a peça está submetida. 

Ensaios Mecânicos 

Os ensaios mecânicos também são comumente utilizados em estudos de falha. Esses ensaios incluem ensaios de tração, dureza superficial, impacto Charpy e dobramento que são realizados para avaliar as propriedades mais relevantes para os inúmeros modos de falha, como ruptura por sobrecarga, desgaste por abrasão, fadiga, impacto, fluência e outros. 

Um material com maior resistência mecânica pode não ser necessariamente melhor para a falha por fadiga porque a fadiga é um processo acumulativo. Isso significa que a falha ocorre devido à repetição de cargas cíclicas aplicadas ao longo do tempo, ao invés de uma sobrecarga única. Um material mais resistente pode suportar uma carga mais elevada antes de falhar, mas se essas cargas são aplicadas de forma repetitiva, a falha por fadiga ocorre por meio da propagação de trincas e este material pode não possuir as melhores propriedades para controlar esse processo de propagação, como é o caso de uma propriedade conhecida como tenacidade à fratura. Por isso, é importante identificar o modo de falha do componente e levantar as propriedades mecânicas correlacionadas a este modo por meio de ensaios mecânicos. 

Análise química 

A análise química por espectrometria é um método utilizado para determinar a composição química do material, visando determinar os elementos químicos presentes no material e suas proporções, bem como, a presença de impurezas em concentrações indesejadas. Assim, é possível avaliar se o material está de acordo com o projeto e adequado à aplicação a que se destina. 

Uma vez que a composição química é determinada, é possível compará-la com as especificações de materiais conhecidos para identificar o material e seus elementos de liga.  

Além disso, a composição química também pode ser comparada com as especificações de materiais padronizados, como ASTM, SAE, entre outros, para identificar a especificação do material. 

É importante notar que a composição química é apenas uma das informações utilizadas para caracterizar um material, juntamente com outras características como as propriedades mecânicas. Além disso, alguns materiais podem ter composições químicas similares, mas comportamentos mecânicos diferentes devido a sua estrutura cristalina. Por isso, é importante associar diferentes técnicas para identificar o material. 

Análises por microscopia 

Duas análises por microscopia se destacam como as técnicas principais no contexto da análise de material para detecção de falhas: a metalografia que possibilita a avaliação da microestrutura do material em um microscópio óptico ou eletrônico e a análise por microscopia eletrônica de varredura (MEV). 

O preparo da amostra é realizado geralmente através de técnicas como lixamento, polimento e cromagem, para remover a camada superficial e expor a microestrutura interna. A amostra é então examinada ao microscópio óptico ou eletrônico para analisar a microestrutura. Dessa forma é possível determinar as fases, constituintes, a presença de inclusões, efeitos de tratamentos térmicos ou mesmo defeitos oriundos do processo de fabricação. 

A microestrutura influi significativamente nas propriedades mecânicas e físicas de um material. Por exemplo, a dureza de um metal está relacionada com os constituintes, e a resistência à fadiga está relacionada à distribuição de tamanhos de grãos e de inclusões. A metalografia permite identificar e caracterizar a microestrutura, o que é importante para entender e prever o comportamento mecânico e físico do material. 

A Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) permite identificar falhas em materiais através da visualização de imagens de grande ampliação e alta resolução. A MEV utiliza um feixe de elétrons para “varrer” a superfície do material, gerando imagens detalhadas que podem ser analisadas para detectar falhas, como trincas, porosidade, inclusões e outros defeitos de fabricação do material. Além disso, a MEV também pode ser usada para analisar a superfície de falha e identificar evidências do mecanismo de fratura como dúctil ou frágil, informações valiosas para a determinação da causa raiz da falha.  

A Figura 2 apresenta uma imagem de uma análise realizada com MEV de forma a determinar o mecanismo de dano. Como essa técnica permite visualizar os grãos do material e seu formato nitidamente, é possível afirmar a partir da avaliação da figura que o mecanismo de falha é frágil com uma fratura intergranular, indicando que a trinca se propagou ao longo dos contornos de grãos do material. Essa informação confrontada com a especificação deste material sugere uma fragilização decorrente do processo de fabricação deste aço ou de seu tratamento térmico. 

Verificação do dimensionamento 

Por fim, a análise dimensional também é importante na análise de falha mecânica. Isso envolve a medição das dimensões do componente ou estrutura, para verificar se houve alguma variação nas especificações originais que possa ter causado a falha e simular as condições de operação do material visando observar pontos críticos no dimensionamento do componente, como concentradores de tensão. Além da inspeção visual, técnicas de ensaios não destrutivos tais como líquidos penetrantes, ensaios eletromagnéticos e ultrassons podem auxiliar na detecção de descontinuidades e direcionar a identificação destes pontos críticos em convergência com os estudos e ensaios anteriormente mencionados.

Tendo em vista que muitas vezes as cargas ou condições de utilização do componente ou estrutura não são bem conhecidas, a simulação numérica computacional possibilita a determinação dos pontos críticos de falha em várias situações de utilização da peça, minimizando a quantidade de testes e ensaios destrutivos necessários para representar e definir a condição que levou à falha do componente. A Figura 3 apresenta uma peça cuja falha ocorreu ligeiramente afastada do concentrador de tensões e que a simulação numérica auxiliou na determinação das condições de carregamento que tornavam esta região de falha como a mais crítica do modelo. 

Conclusão 

Embora a análise de material forneça muitas informações a respeito do componente e suas características que direcionam a análise de falha, as técnicas apresentadas acima não devem ser aplicadas separadamente. Neste tipo de investigação em que se deseja determinar a causa da falha, é necessário reunir a maior quantidade de informações e confronta-las com as evidências observadas em campo e obtidas por meio de outras ferramentas, como simulações numéricas. 

As falhas podem ser causadas por uma variedade de fatores, como sobrecargas, condições ambientais, problemas no processo de fabricação e erros de projeto. Por isso, é necessário usar uma combinação de técnicas de caracterização para identificar todos os possíveis fatores de falha. 

Cada técnica tem suas próprias limitações e restrições. A análise visual pode ser útil para identificar sinais de falha, mas pode não ser capaz de identificar falhas ao longo da espessura ou não visíveis, diferentemente de ensaios de não destrutivos que cobrem essa deficiência. Por outro lado, os ensaios mecânicos de material são empregados para determinar a propriedades de resistência do material, mas podem não ser capazes de indicar o modo de falha estrutural. A análise química fornecer informações sobre a composição química do material, enquanto a metalografia mostra como esses elementos estão arranjados na microestrutura do material. Dessa forma, ao empregar essas técnicas de forma combinada é possível levantar informações complementares que podem auxiliar na compreensão da falha.

A realização desse tipo de estudo auxilia na compreensão do mecanismo causador do dano. Dessa forma, é possível avaliar forma de crítica a aplicação do material para a condição a que é exposto, sendo possível recomendar adequações no projeto, processo industrial ou mesmo alterações no plano de inspeção de forma a prevenir falhas futuras. 

O ISQ viabiliza soluções robustas para seus clientes, por meio do seu conhecimento e ensaios para estudos de problemas convencionais ou fenômenos complexos. Todos os recursos apresentados compõem o escopo de atendimento do ISQ.

Consulte o nosso time de especialistas