Materiais em geral podem falhar, ou popularmente “quebrar”, a partir de situações adversas. Todo mundo, em algum momento da vida, já vivenciou algum fenômeno de falha, como uma trinca em um vidro, uma latinha de refrigerante sendo aberta, um papel higiênico sendo rasgado, entre outros. Cada falha apresenta uma explicação física, sendo algumas mais fáceis de compreensão que outras. Dessa forma, apresento aqui alguns fenômenos de falha conhecidos e estudados:
Falha estática;
Falha por fadiga;
Propagação de trinca.
Antes de começar a falar de cada tipo de fenômeno de falha apresentado, primeiro é necessário o entendimento de uma característica dos materiais metálicos, o que é um material dúctil e o que é um material frágil.
Material dúctil
Em poucas palavras, um material dúctil é aquele que apresenta uma grande deformação até a falha. Quando você pega um clipe de papel e tenta desdobrá-lo, é possível de deixá-lo no formato de uma haste reta, não é? Então, o material de um clipe é um exemplo clássico de material dúctil. Você percebeu que quando o clipe é submetido a uma grande deformação (desdobramento) ele não falhou? É exatamente isso que representa um material dúctil.
Material Frágil
O material frágil é aquele caracterizado pelo seu baixo nível de deformação. Um grande erro de conceito das pessoas é achar que um material frágil é aquele que falha (ou “quebra”) facilmente. Porém, esse tipo de material é aquele que, quando inicia maiores deformação, ele colapsa. Um exemplo de material frágil que quebra o paradigma conceitual é o ferro fundido. Sim! Ele é um material frágil, assim como o exemplo mais famoso, o vidro. Vale deixar claro que materiais frágeis podem ser resistentes, como o ferro fundido, ao mesmo tempo que altamente quebradiços como o vidro. Apresentados, portanto, as breves explicações do que é material dúctil e frágil, chegou o momento de descrever os fenômenos de falhas apresentados no início do texto, a falha estática, falha por fadiga e propagação de trinca.
Falha estática
A falha estática é caracterizada pelo colapso do material devido a um esforço/carregamento de caráter estático ou contínuo. Um exemplo desse tipo de carregamento é quando repousamos um livro em cima de uma mesa. Assim, o peso do livro gera um esforço estático sobre a mesa. A falha estática vem a ocorrer quando o peso do livro é suficientemente grande a ponto da base da mesa (seus pés) não suportar e então levar ao seu colapso. A forma como a mesa irá falhar dependendo de diversas variáveis. Porém, um bom ponto de partida para analisar a falha é conhecendo o comportamento do material da mesa, ou seja, se ele é dúctil ou frágil.
O processo de uma falha dúctil se inicia com o material se deformando a um nível muito baixo, depois de um crescimento de deformação mais rápido, seguidos de uma mudança de geometria e então a falha do material. A característica mais essencial da falha dúctil é heterogeneidade do material no local da falha. Nele é possível ver os diferentes estágios de deformações assim como as mudanças macro estruturais ocorridas no material durante o processo de falha.
O processo de falha frágil é mais curto, sendo iniciado por um processo de baixas deformações, quando aplicado um certo carregamento estático, seguido de um aumento no grau de deformação e então a falha do material. A característica da falha frágil é uma maior homogeneidade do material no local da falha devido à baixa sensibilidade desses materiais a maiores deformações.
Falha por fadiga
A falha por fadiga é um fenômeno de que ocorre devido a aplicação de cargas/carregamentos cíclicos. Esse tipo de fenômeno de falha só foi observado e estudado depois de alguns séculos de história, quando se observou que componentes de máquinas falhavam mesmo com cargas bem menores que o material consegue suportar. Foi então que, com muitos estudos e experimentos, descobriu-se que um material submetido a carregamentos cíclicos, por um longo período, pode sofrer uma falha no futuro. Esse fenômeno ficou conhecido como fadiga.
A aparência da falha por fadiga é semelhante à falha estática frágil, onde o local da falha fica como uma aparência mais homogênea. Essa falha é extremamente perigosa e catastrófica, porque ela não apresenta nenhum indício visual de que está próximo da falha (diferente da falha dúctil) e geralmente ocorre com a presença de carga dinâmica, o que pode aumentar o grau do acidente com o colapso do material. Um exemplo bem prático de elementos que são submetidos à fadiga são os eixos de automóveis, asas de aviões, engrenagens em geral, entre outros.
Propagação de trinca
A presença de uma trinca superficial é um dos principais pontos que irá iniciar uma falha. A trinca, tecnicamente falando, é conhecida como uma descontinuidade acentuada do material. Sua existência pode ser a responsável pelo colapso de um elemento, visto que o esforço de um carregamento é mais acentuado no local da trinca.
Um exemplo do cotidiano que envolve um fenômeno de falha com “trinca” é o papel higiênico. Já reparou que ele tem pequenos furos que divide cada folha de papel? Justamente aqueles furinhos são exemplos de trincas. Ainda nisso, já percebeu que quando você faz um esforço para rasgar o papel, ele tende a se dividir nesses furinhos? É exatamente isso que a trinca faz. Ela aumenta o esforço aplicado na sua região, podendo levar o material a falha mesmo com um carregamento menor do que o material suporta. O exemplo do papel higiênico demonstra a existência de uma trinca proposital, contudo, em alguns casos, sua existência não é, podendo levar a uma falha não desejada de um material, de um equipamento ou até mesmo de um navio inteiro.
Vale lembrar aqui que existem diversos outros tipos de falha mecânica. Aquelas apresentadas nesse blog são as mais comuns que ocorrem em componentes mecânicos que trabalham em temperatura e pressão ambiente.
Referências
BUDYNAS, R. G. Elementos de máquinas de Shigley. Porto alegre: AMGH, 2016. 1073 p.
CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecânica: Volume 1: Estrutura e Propriedade das Ligas Metálicas. Porto alegre: McGraw-Hill, 1995.
ReliaSoft, Reliability Prediction for Components in Fatigue, ReliaSoft Publishing, Tucson, AZ, 2007.
Fatos desconhecidos. Qual é o segredo desse clipe de papel ? 2015. Disponível em: <https://www.fatosdesconhecidos.com.br/qual-e-o-segredo-desse-clipe-de-papel/>.