13.3 – COMPORTAMENTO EM BAIXAS TEMPERATURAS

O Departamento de Metalurgia do National Institute of Standards and Technology realizou uma análise metalúrgica e mecânica dos materiais do casco e rebites do Titanic. O resultado indicou que o aço utilizado possuía uma temperatura de transição dúctil-frágil elevada, tornando- o inadequado para as

temperaturas em que

navegou. Em relação aos rebites, o aço fundido utilizado possuía um nível elevado de impurezas e inclusões que explicaram o dano acumulado devido à colisão com o iceberg.

Figura 13.3 – Exploração do navio “Titanic” (continuação)

Brittle / Ductile Transition Curves

Titanic Longitudinal Titanic Transversal Transition Temperatures A36 Steel 190 163 136 108 81 54 27 140 120 100 80 60 40 20 0 Im p a c t E n e rg y ( J o u le s ) Temperature (oC) Im p a c t E n e rg y ( ft -l b s ) -100 0 100 200 Titanic Longitudinal Titanic Transversal A36 Steel 120 100 80 60 40 20 0 -50 0 50 100 150 Temperature (degrees oC) % S h e a r F ra c tu re

O navio afundou a 400 milhas ao sudoeste de Newfoundland com 1500 vítimas.

Conclusões:

• O aço utilizado no casco do Titanic era adequado pelo aspecto de resistência mecânica, mas possuía uma tenacidade reduzida em temperaturas baixas.

• A baixa tenacidade decorreu de uma combinação de fatores: baixos teores de Mn, baixa relação de Mn/C, tamanho de grão elevado e espessas colônias de perlita.

• Diversidade de propriedades mecânicas e de tenacidade nas 2.000 chapas utilizadas no casco do Titanic, evidenciando uma qualidade duvidosa de material prima e de fabricação da usina.

• A grande variabilidade do material dificultou a determinação do efeito do MnS e micro trincas no afundamento do navio.

• Um fator que explica a rapidez da tragédia foi o fato das evidências demonstrarem que o navio se partiu na superfície, antes de afundar;

• Os conhecimentos necessários para o tratamento térmico e melhorias do material, apesar de simples, não eram disponíveis em 1911, quando da fabricação do aço;

• A microestrutura dos rebites a orientação das inclusões perpendiculares a tensão trativa podem ter contribuído decididamente para o agravamento do problema.

Figura 13.4 – Tanque de gás natural liquefeito que falhou com vazamento do produto que vaporizou e se incendiou, ocasionando uma bola de fogo de grande extensão. Algo próximo a 3 km2 foi afetado pelo incêndio com total destruição de 79 casas, 2 fábricas, 217 carros destruídos, 131 pessoas mortas, 300 feridas (1944 – Cleveland).

Figura 13.5 –– Ponte (Silver Bridge) ligando o estado W. Virginia a Ohio, com vão central com mais de 130 metros. Em lugar de cabos, a ponte era suspensa por correntes ligadas por pinos. Um dos elos da corrente se rompeu por clivagem devido ao clima frio e sobrecarga, causando a ruptura dúctil de um dos pinos. Com a falha de uma das correntes, toda a estrutura colapsou, causando a morte de 46 pessoas. A ruptura foi causada por micro trincas que cresceram por fadiga e corrosão combinada. O desastre da ponte Silver Bridge tornou-se um marco, pois foi a primeira estrutura civil a ter o colapso investigado com aplicação dos conceitos modernos da mecânica da fratura (1967 – Point Pleasant, W. Virginia).

Figura 13.6 – Quando da ocasião da 2a guerra mundial, se iniciou uma nova fase em termos da fabricação, com a construção dos navios de carga da classe “Liberty”, que se tornaram lendários por terem sido projetados para fabricação em série, de modo a agilizar o tempo construtivo (2700 foram construídos, sendo que no final da guerra o tempo médio de construção era 5 dias) com a presença de estruturas totalmente construídas por juntas soldadas em substituição aos rebites. Ocorreram a uma série de fraturas catastróficas: de 2700 navios construídos pela Inglaterra, 400 fraturaram, 90 dois quais foram considerados graves e 10 quebraram em 2 partes. 1000 navios sofreram falhas significativas entre 1942- 1946 devido às baixas temperaturas, enquanto que 200 sofreram sérias fraturas entre 1942- 1952. No início 30% deles afundaram com ruptura catastrófica (no final da guerra a taxa caiu para 5%). A taxa de falha era muito alta no Atlântico Norte e não existente em águas mais quentes no Pacífico Sul. Estas fraturas ocorriam em condições de baixo carregamento, o que levou estudiosos a concluírem pela causa relacionada a presença de defeitos, concentradores de tensão, tensões residuais de soldagem elevadas e materiais com baixa tenacidade, falta de experiência dos soldadores e reduzido tempo de treinamento. Com a utilização de materiais de mais alta resistência, as tensões de operação tornaram-se mais elevadas e os fatores de segurança menores, o que levaria a conseqüências inevitáveis em relação a fraturas e condições críticas de utilização. Tem-se início então as primeiras investigações sistemáticas patrocinadas pela American Bureau of Shipping, onde se conclui que a fratura catastrófica era relacionada a 3 fatores: má qualidade do aço, concentradores de tensão e soldas defeituosas. Surge, em 1947, primeira norma restritiva quanto à composição química dos aços empregados na construção naval (1942-52).

Figura 13.7 - Explosão em uma esfera de GLP com volume de 1.600 m3 (37 mortos da REDUC e FABOR e 53 feridos).

Figura 13.9 – Fratura frágil durante teste hidrostático

Numerosos metais que apresentam um comportamento dúctil em temperatura ambiente podem tornar-se quebradiços, quando submetidos a temperaturas baixas, ficando sujeitos a rupturas repentinas por fratura frágil.

Ao contrario das fraturas dúcteis, que são sempre precedidas por uma deformação considerável, as fraturas frágeis caracterizam-se por apresentarem pouca ou nenhuma de- formação prévia, por isso as fraturas frágeis tem caráter catastrófico, com perda total do equipamento quando ocorrem.

Três condições são necessárias para ocorrência de uma fratura frágil: - Tensões de tração elevadas.

- Presença de entalhes.

- Temperaturas abaixo da temperatura de transição.

Estas três condições deverão existir simultaneamente para que a fratura se inicie; o risco será praticamente inexistente se uma destas condições não for satisfeita.

De que maneira, atuam os códigos de projeto de modo a que seja evitada ou minimizada uma fratura frágil nos vasos de pressão?

Nível de tensões: Os códigos atuam, especialmente no que diz respeito as tensões residuais que possam existir no equipamento, recomendando quando necessário um tratamento térmico para alívio de tensões.

Presença de entalhes: Atuam com recomendações quanto a detalhes de fabricação e inspeção criteriosa das soldas.

Temperatura de transição: Estipulam regras para a seleção de materiais, através dos testes de impacto.

Temperatura de transição é a temperatura abaixo da qual existe a possibilidade de fratura frágil; é usual definir-se a temperatura de transição como sendo a temperatura mínima em que um determinado corpo de prova resiste a um choque com a absorção de um determinado valor de energia.

100 % 50% 0% T5 T4 T3 T2 T1 _{Temperatura →→→→} Patamar Superior Patamar Inferior Cv Energia Aparência da Fratura NDT FTP Fratura por Clivagem % Energia Absorvida FRATURA FRÁGIL REGIÃO DE TRANSIÇÃO

DÚCTIL - FRÁGIL FRATURA DÚCTIL

Figura 13.11 - Curva de transição dúctil - frágil levantada pelo ensaio de impacto

A temperatura equivalente a T5, que indica o início do patamar inferior representa o ponto

onde o corpo de prova fratura com 100% de deformação por clivagem (0% de deformação plástica). Nesse caso as tensões elásticas são capazes de iniciar e propagar uma fratura, ou seja, o material não apresenta nenhuma ductilidade (capacidade de deformação plástica). A esta temperatura dá-se o nome de temperatura crítica, temperatura de transição de ductilidade ou temperatura de ductilidade nula (NDT).

Acima da temperatura T1 a fratura do corpo de prova ocorre com 100% de fratura dúctil,

determinando que o início e propagação de fraturas exigem deformação plástica.

Dentro da região intermediária, a iniciação da trinca exige deformação plástica mas e propagação ocorre com tensões elásticas. A fratura em serviço de um componente com este comportamento ocorre após um período de estabilidade da trinca, ou seja, com aviso prévio da fratura frágil.

No código ASME, para avaliação do comportamento dos materiais em baixas temperaturas são realizados os Testes Charpy, de acordo com os procedimentos da ASTM A 370. O ensaio de impacto é certamente o de maior utilização, principalmente na seleção e adequação de materiais para o projeto.

POSIÇÃO