Ficha de Trabalho 2 — UC02947

Análise de Falha e Proposta de Material Alternativo

Duração: 90 minutos | Consulta: Sebenta e tabelas fornecidas | Calculadora: Permitida

Grupo I — Verdadeiro / Falso (20 pontos)

A fractura por fadiga inicia-se normalmente no interior da peça (zona de maior tensão volumétrica). ___
As marcas de praia (beach marks) numa superfície de fractura são características de uma falha por fadiga. ___
O desgaste abrasivo é causado pela transferência e soldagem de material entre superfícies em contacto a seco. ___
A cementação é um tratamento termoquímico que aumenta a dureza da superfície de componentes em aço de baixo teor em carbono. ___
O SSCC (Sulfide Stress Corrosion Cracking) afecta principalmente aços de baixa resistência mecânica (Rm < 500 MPa). ___
O shot peening (granalha) é um tratamento de superfície que introduz tensões residuais de tracção e aumenta a vida à fadiga. ___
A corrosão por picadas (pitting) ocorre frequentemente em aços inoxidáveis expostos a soluções com iões cloreto. ___
A presença de grafite em forma lamelar no ferro fundido cinzento actua como concentrador de tensão, reduzindo a tenacidade. ___
Para identificar se uma fractura é dúctil ou frágil, basta observar a percentagem de deformação plástica antes da rotura. ___
A série galvânica indica que o zinco é mais nobre que o aço carbono e, por isso, protege o aço como ânodo de sacrifício. ___

Grupo II — Análise de Falha de uma Peça Descrita (40 pontos)

Caso de Estudo — Falha de um Eixo de Transmissão

Descrição da avaria:

Um eixo de transmissão Ø40 mm de uma correia transportadora numa fábrica de cimento falhou ao fim de 3 meses de serviço. O eixo é em aço C45 normalizado. Condições de serviço: carga de flexão rotativa (bending fatigue), com cargas de choque ocasionais da correia carregada, temperatura ambiente 30–50°C, ambiente com pó de cimento.

Observações na análise da fractura:

Fractura ocorreu na zona da chaveteira (ranhura de chaveta)
Superfície de fractura apresenta marcas de praia concêntricas ao fundo da ranhura
Zona de fractura final ocupa ≈ 30% da secção transversal
Dureza medida no veio: 175 HB (conforme normalização de C45: 170–220 HB)
Análise química do material: composição confirma C45
Ranhura da chaveteira tem cantos vivos (raio ≈ 0,1 mm)

a) Identifique o modo de falha e justifique com base nas observações.

b) Determine a causa raíz da falha. (Considere o factor de concentração de tensão Kt de uma chaveteira com raio de fundo de 0,1 mm ≈ 3,5)

c) Proponha as melhorias de projecto/material para prevenir a recorrência.

d) Se a empresa quiser substituir o material por um de maior resistência à fadiga para a mesma geometria, compare C45 temperado e revenido (Rm = 700 MPa) vs. 42CrMo4 T&R (Rm = 1000 MPa), calculando o limite de fadiga esperado para cada um (limite de fadiga ≈ 0,45 × Rm para aços).

Grupo III — Proposta de Material Alternativo com Justificação (40 pontos)

Caso de Estudo — Falha de Retentores de Veio em Bomba Química

Contexto:

Uma bomba centrífuga numa linha de produção química utiliza retentores de veio em NBR (nitrilo). Os retentores falham sistematicamente em 2–4 meses, quando a especificação de vida seria 2 anos. A análise mostra que:

O fluido bombeado é uma solução aquosa de NaOH a 15% (soda cáustica), temperatura 85°C
O veio tem diâmetro Ø35 mm e velocidade de 1 450 rpm
Os retentores falhados apresentam endurecimento, fissuração e perda de elasticidade
Não existem indicações de desgaste mecânico excessivo (superfície do veio em bom estado)

a) Identifique o mecanismo de degradação dos retentores NBR nesta aplicação e justifique com base nas propriedades do NBR.

b) Proponha 2 materiais alternativos para os retentores, indicando para cada um: propriedades relevantes, temperatura máxima, resistência ao NaOH e custo relativo.

c) Seleccione o material preferencial justificando a escolha. Identifique algum requisito adicional que deva ser verificado antes de implementar a solução.

d) O gestor sugere também revestir o veio com carboneto de crómio (Cr₃C₂-NiCr, dureza ≈ 900 HV) por HVOF (High Velocity Oxy-Fuel). Explique os benefícios deste revestimento para a durabilidade do conjunto vedante-veio.

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