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XVII CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECÂNICA E INDUSTRIAL

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XVII CONGRESSO NACIONAL DE

ENGENHARIA MECÂNICA E

INDUSTRIAL

APLICAÇOES DA ANÁLISE DE FALHAS NA AVALIAÇÃO DE UM ACIDENTE VEICULAR EM SERGIPE

José Carlos Bizerra Costa Junior (1) (jrcosta.ufs@gmail.com ), Erick Cerqueira das Neves (1)

(cerqueiraen@gmail.com ), Marina Leiko Higa(2)( marina.higa@prf.gov.br), Tiago Henrique Oliveira Souza(2) (tiago.oliveira@prf.gov.br), Carlos Otávio Damas Martins(1) (carlosmartinsufs@gmail.com).

(1) Universidade Federal de Sergipe (UFS); Laboratório de Análise de Integridade Estrutural (LAIES) (2) Policia Rodoviária Federal (PRF); Grupo de Investigação de Acidentes de Trânsito (GIAT)

RESUMO: A falha catrastrófica de equipamentos e estruturas vem sempre acompanhada de perdas financeiras

inadmissíveis. Estas perdas justificam os investimentos em tecnologias de manutenção e controle da integridade estrutural. Este trabalho apresenta os esforços despendidos no estabelecimento de uma parceria cooperativa entre o Laboratório de Análise de Integridade Estrutural da Universidade Federal de Sergipe e o Grupo de Investigação de Acidentes de Trânsito da Policia Rodoviária Federal. Através do compartilhamento de tecnologias foram aplicados os conceitos de Análise de Falhas e Caracterização de Materiais na análise de um acidente veicular ocorrido no Estado de Sergipe. Neste caso, a falha de uma engrenagem da caixa de direção de um veículo de transporte coletivo causou um acidente, resultando em 13 pessoas feridas. Durante a investigação, o motorista e alguns passageiros afirmaram ter ouvido um grande ruído antes do veículo perder o controle e colidir. Entretanto, o dono da companhia responsabilizou a prefeitura pelo acidente, atribuindo o mesmo às más condições das vias públicas. Através deste estudo, possível provar que a fratura foi progressiva, resultante da falta de manutenção e conservação do veículo, isentando a Prefeitura municipal de qualquer responsabilidade financeira.

PALAVRAS-CHAVE: Análise de falhas, integridade estrutural, Acidente veicular.

APPLIYNG FAILURE ANALYSIS IN VEHICLE ACCIDENT EVALUATION IN SERGIPE

ABSTRACT: The catastrophic failure of structures and equipment its always accomplished by financial losses,

which area inadmissible. These losses justify the investments in maintenance and structural integrity control. This work presents the efforts in the establishment of a partnership between Structural Integrity Laboratory from Federal University of Sergipe and the Traffic Accident Investigation Group from Brazilian Federal Highway Police. Through the cooperative development, we provide majors contribution by applying Failure Analysis and Materials Characterization Technologies in some vehicular accident evaluation. In this case, the fracture of a gear shaft for the driving toolbox of a collective transportation vehicle causes an accident hurting 13 people. During the investigation, the bus driver and some of the passengers claimed to hear a large breaking noise before the bus lose control and crash. However, the Company’s Owner impute the road condition as the major cause of the accident. The results prove that the crack had prior initiation and slow fatigue propagation, before the final failure that drove to the accident.

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1. INTRODUÇÃO

Um componente de engenharia é projetado para operar, de forma confiável, sob certas condições e por um determinado tempo, exercendo uma função especifica. Porém, devido à ação do meio, ocorrência de sobrecargas, degradação de materiais e causas fortuitas, o componente pode ter o seu desempenho reduzido ou totalmente comprometido. Em vista disto, sabe-se que a falha catastrófica de componentes e estruturas vem sempre associada a riscos e prejuízos de natureza humana, material e financeira, os quais justificam o interesse no desenvolvimento de sistemas mais eficientes de fabricação e controle de qualidade (MARTINS, 2008).

Estes sistemas corroboram com o conceito de confiabilidade operacional, o qual visa garantir que a segurança individual ou coletiva não seja afetada pela depreciação estrutural (TRIMM, 2003). A Análise de Integridade Estrutural é a área da Engenharia que busca definir e garantir condições seguras e economicamente viáveis de operação, para equipamentos e estruturas, em geral Esta área combina o uso de conceitos modernos com a aplicação de ferramentas experimentais e computacionais, visando sempre o uso racional de produtos e processos (MIX, 2005).

No coração da análise de integridade encontram-se as técnicas de análise de falhas e caracterização de materiais.

A caracterização metalúrgica consiste na realização de um conjunto de ensaios que permita a identificação do material através da análise da composição química, da avaliação da distribuição morfológica de fases e do perfil de propriedades mecânicas de interesse. Ao final, consulta-se a literatura a fim de se avaliar as características dos processos de fabricação, seleção e aplicação de materiais de engenharia (ASHBY, 2012).

O processo de análise de falhas envolve a combinação de diferentes ensaios (não destrutivos, destrutivos e de caracterização metalúrgica) com a minuciosa análise da região de fratura, a fim de se determinar as causas da falha e, principalmente, evitar a ocorrência de falhas futuras.

A falha é um evento indesejável, podendo resultar em perdas, danos e exposição à riscos indesejados. Encarando a falha como o resultado de um sucessivo processo de degradação do componente (Figura 1), o processo inicia com uma análise da sequência de eventos e atividades que precedem à falha. A seguir, parte-se para a análise Macrográfica da região da fratura, buscando evidenciar indícios do processo de degradação do material.

Adicionalmente, realizam-se análises micrográficas da região da fratura, principalmente através da técnica de Microscopia Eletrônica de Varredura, buscando, através de uma análise topográfica, a identificação dos micromecanismos que contribuíram para a falha.

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Através destes resultados, são elaborados planos mais eficientes de manutenção e garantia da confiabilidade operacional de componentes de engenharia (PELLICCIONE, 2014.).

FIGURA 1: Visão clássica sobre a relação entre patologias e a ocorrência da falha, demandando uma minuciosa análise e interpretação do material fraturado (Fonte: MARTINS, 2016).

Neste sentido, foi firmada uma parceria cooperativa entre o Laboratório de Análise de Integridade Estrutural da Universidade Federal de Sergipe (LAIES) e o Grupo de Investigação de Acidentes de Trânsito (GIAT) da Polícia Rodoviária Federal em Sergipe (PRF).

Segundo dados da Organização Mundial de Saúde (OMS) os acidentes de trânsito são uma das principais causas de mortalidade no mundo. Destaca-se a atual posição do Brasil como o país com maior número de mortes de transito por habitante da América do Sul (EXAME, 2017). Imprudência, desrespeito aos limites de velocidade, precariedade das estradas e negligência na manutenção veicular são apontadas como as principais causas de acidentes no Brasil (EXAME, 2017).

Prezar pela manutenção da segurança geral em nossas estradas e rodovias tem sido um desafio constante para Peritos e Agentes Rodoviários, demandando esforços e ações cooperativas visando a modernização de tecnologias e procedimentos de fiscalização e monitoramento veicular (Figura 2) (PRF, 2017).

FIGURA 2: Ações da PRF para investigar e reduzir a ocorrência de acidentes de trânsito no Brasil (Fonte: PRF, 2017).

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Destacando a importância dos materiais na segurança e desempenho veicular, neste trabalho estão apresentados os resultados da análise de falha de um segmento do sistema de direção de um veículo de transporte coletivo, foram aplicadas tecnologias de caracterização de materiais e análise de integridade na avaliação e elucidação das causas do acidente rodoviário.

Sabe-se que o sistema de direção veicular é o componente responsável por transmitir o movimento do volante e da barra de direção a uma caixa de direção e posteriormente as colunas de direção onde estão acopladas as rodas e pneus, os quais giram em seu eixo próprio (Figura 3).

FIGURA 3: Visualização dos componentes do sistema de direção veicular (Fonte: Martins, 2016).

Para tal, o sistema conta com uma série de componentes que trabalham em sinergia para promover a condução e também auxiliar a suspensão na manutenção da estabilidade do veículo, diante das irregularidades da pista. Sabe-se que o primeiro componente do sistema de direção é o volante, de onde partem, através dos comandos do motorista, os movimentos giratórios que são posteriormente transmitidos para a caixa de direção. Estes movimentos rotativos do volante são transmitidos através da coluna de direção. A coluna pode ser inteiriça ou bipartida, dependendo do ângulo de posição entre o volante e a caixa de direção. A caixa é formada por um conjunto de elementos, dentre os quais está a Barra transversal de direção, os quais recebem a rotação de giro da coluna e transformam num movimento retilíneo de um lado para o outro (VAN KIRK, 2001).

As barras de direção são componentes que saem da caixa em direção as rodas, são articuláveis para acompanhar a suspensão e são envoltas por uma coifa de proteção para evitar a contaminação das superfícies e elementos internos da caixa de direção. Conectados às extremidades das barras encontram-se os terminais de direção, os quais são acoplados na barra de direção e no montante da suspensão. Os terminais exercem a função de movimentar toda a coluna de suspensão, rodas e pneus e viabilizar a condução do veículo. Os terminais são os responsáveis diretos pelo comando da direção, guiando o ângulo de convergência (ou divergência) entre as rodas (VAN KIRK, 2001).

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Segundo dados dos fabricantes, este sistema tem durabilidade elevada, dependente do condutor, dos pavimentos, e da correta MANUTENÇÃO PERIÓDICA.

A literatura mostra que, a pesar de ser projetado para longa durabilidade, a falta de manutenção pode resultar no desgaste excessivo, na folga de engrenagens, na ruptura de componentes, entre outros fatores, resultando na perda da dirigibilidade e consequentes acidentes.

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2. PARTE EXPERIMENTAL 2.1 Generalidades

Este trabalho apresenta alguns resultados referentes à aplicação cooperativa de conhecimentos nas áreas de tecnologia de materiais e análise de falhas no Estado de Sergipe.

Para tal, através da parceria firmada entre o LAIES e o GIAT, desenvolvemos conhecimentos visando sempre o aumento da segurança veicular e manutenção da vida nas estradas de Sergipe.

Foi realizado um estudo de análise de falhas de uma barra transversal de um veículo de transporte coletivo envolvido em acidente em uma estrada de Sergipe.

Recebemos um semieixo fraturado de uma caixa de direção, extraído de um veículo de transporte coletivo (com 10 anos de circulação) envolvido em um acidente rodoviário, sem mortes.

A partir do testemunho do condutor do veículo (o qual relatou a perda da dirigibilidade em momento anterior ao impacto) e da análise pericial, foram levantadas questões em relação à sequência dos fatos que resultaram no acidente final. Deste modo, as hipóteses levantadas foram: 1) A falha prematura da barra transversal (anterior ao acidente) sendo este o motivo de perda de dirigibilidade e provável causa do acidente;

2) A falha posterior da barra transversal (durante o acidente) ocasionada pelo impacto do veículo, sendo esta, uma consequência do acidente.

Do ponto de vista metalúrgico, estas hipóteses questionam se a falha foi progressiva (por fadiga) ou instantânea (Catastrófica) (PELLICCIONE, 2014).

Deste modo, através da análise metalúrgica, combinada com a análise da fratura foi possível identificar se o componente falhou por deficiência do Material, de Fabricação, de Projeto, de Operação, de Manutenção ou Outros. Adicionalmente, uma análise minuciosa permite determinar se a falha foi gradual ou catastrófica, indicando alternativas para a mitigação de patologias e garantia da segurança operacional.

2.2 Metodologia

Neste estudo, foi adotada a seguinte metodologia:

1) Revisão da literatura relativa ao funcionamento do componente a ser analisado;

2) Análise não destrutiva através da técnica de inspeção por líquidos penetrantes do componente fraturado;

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4) Medida da dureza superficial em diferentes regiões do componente; 5) Análise da composição do material;

6) Análise metalográfica de um segmento de seção extraído do componente fraturado; 7) Análise da superfície de fratura por Microscopia Eletrônica de Varredura.

2.3 Materiais e Métodos

Neste estudo, foram utilizados os seguintes equipamentos:

a) Kit de Inspeção por líquidos penetrantes (com tempo de 10 minutos para as etapas de penetração e revelação) contendo, penetrante VP-40 e Revelador SD-31, fornecidos pela empresa ServEnd; b) Máquina fotográfica digital Fuji FinePix S1500 com resolução de 10MB;

c) Durômetro de bancada Vickers, marca Hoyton, modelo VS 700 com carga de 1kg e tempo de penetração de 10 segundos;

d) Espectrômetro óptico de bancada marca Oxford, modelo Xline.

e) Sistema de preparação metalográfica composto de lixadeira manual, embutidora e politriz –marca Arotec;

f) Microscópio óptico marca Olympus modelo BX31 com câmera digital acoplada; g) Microscópio eletrônico de varredura marca Jeol Modelo JSM – 5700.

3. RESULTADOS

A Figura 4 apresenta os resultados obtidos através da inspeção por líquidos penetrantes.

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O procedimento adotado durante as análises seguiu a norma Petrobras N-1596, onde após a limpeza das peças, foram aplicados, em sequência: o líquido penetrante, o removedor de excesso e o revelador. Os tempos de penetração e revelação utilizados foram de 10 minutos para todas as análises. Os resultados indicam a presença de fissuras nas regiões adjacentes à falha, as quais podem ser observadas na macrografia apresentada na Figura 6.

A Figura 5 apresenta uma visualização metalográfica do material analisado.

As amostras foram preparadas com lixas abrasivas de carbeto de silício nas granas # 150, #220, #400, # 600, #800, #1200. A seguir, foram polidas com pasta de diamante de ¼ micra e atacadas com uma solução de Nital 2% (98 partes de Álcool Etílico + 2 partes de Ácido Nítrico). O uso desta solução visou a revelação da microestrutura através do ataque das fases ricas em carbono.

FIGURA 5: Micrografias obtidas com aumentos de 100X (a) e 200X (b) das amostras retiradas de uma barra de transmissão fraturada.

A Tabela 1 apresenta a composição química obtida através da análise por Espectroscopia de Emissão óptica. Percebe-se a presença de um baixo teor de carbono (C) e de quantidades razoáveis de importantes elementos de ligas, tais como Manganês (Mn), Cromo (Cr), e Níquel (Ni).

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TABELA 1: Identificação da composição química da barra de transmissão analisada.

A combinação dos resultados obtidos com dados retirados da literatura nos permite identificar o material da barra de transmissão como semelhante aos aços AISI 8620 e 4320 (VANDER VOORT, 2002), os quais apresentam baixo teor de carbono e diferem nos teores de Níquel e Manganês (Tabela 2).

TABELA 2: Composição química dos aços ligados indicados para cementação.

Estes aços são materiais que combinam propriedades como temperabilidade, forjabilidade e soldabilidade sendo indicados para a fabricação de peças cementadas utilizadas na indústria mecânica (VANDER VOORT, 2002) (Quadro 1).

Elemento C Mn P S Si Ni Cr Amostra 1 0,174 0,121 0,0325 0,021 0,309 0,153 1,330 Amostra 2 0,166 1,110 0,0280 0,019 0,254 0,178 1,250 Amostra 3 0,160 1,100 0,0308 0,020 0,248 0,179 1,240 Média 0,167 0,777 0,0304 0,020 0,270 0,170 1,273 Elemento Mo Al Co Cu V Amostra 1 0,0619 0,0212 0,0062 0,1960 0,0124 Amostra 2 0,0816 0,0189 0,0026 0,2110 0,0098 Amostra 3 0,0845 0,0181 0,0046 0,2160 0,0123 Média 0,0760 0,0194 0,0045 0,2077 0,0115

Composição Química [% Peso]

Nb, Ti, W, Pb <0,005 Elemento C Mn P S Si Ni Cr AISI 8620 0,18 - 0,23 0,7 - 0,9 0,0300 0,040 0,15 - 0,35 0,4 - 0,7 0,4 - 0,6 AISI 4320 0,17 - 0,22 0,45 - 0,65 0,0300 0,040 0,15 - 0,35 1,65 - 2 0,4 - 0,6 Elemento Mo Al Co Cu V AISI 8620 0,15 - 0,25 AISI 4320 0,2 - 0,3 Nb, Ti, W, Pb Composição Química [% Peso]

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-QUADRO 1: Características do processamento e aplicação dos aços AISI 8620 e 4320.

Os resultados da análise química, juntamente com os obtidos através da análise metalográfica (Figura 5) apontam para a utilização de um aço carbono ligado do tipo ABNT 8620, típico para a fabricação de eixos e engrenagens dentadas (VANDER VOORT, 2002).

O Perfil de dureza Vickers levantado (Quadro 2), mostrou que a peça foi submetida a um processo de endurecimento superficiais por cementação. Todas as medidas foram realizadas com tempo de penetração de 10 segundos, sendo que as análises realizadas na região da engrenagem foram realizadas com uma carga de 1kg. As demais análises foram realizadas com uma carga de 5kg. A Figura 6 apresenta uma visão geral do componente fraturado e das superfícies de fratura. A figura também apresenta uma visão detalhada das superfícies de fraturas, indicando a presença de três zonas distintas de evolução do processo gradativo.

Percebe-se que a fratura ocorreu na região engastada da barra de transmissão.

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Na Figura 6, nota-se que, a partir da nucleação de defeitos na região lateral da engrenagem, o processo prosseguiu através da propagação estável pela ação combinada de esforços de flexão e torção de baixa intensidade (indicado pela baixa rugosidade (alto brilho) da superfície e pela descentralização da zona final de fratura), numa etapa final, o componente rompeu de maneira frágil por torção (presença de zona fibrosa).

FIGURA 6: Visão geral do componente analisado como recebido.

A Figura 7 apresenta os resultados obtidos através da análise por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) para aumentos variantes de 50 a 300 vezes.

FIGURA 7: Micrografias obtidas por MEV da superfície de fratura.

Desde os primeiros aumentos, percebe-se a presença de microtrincas resultantes do processo evolutivo de ruptura do componente. Para a imagem com maior aumento, a presença de zonas planas evidencia a região final da fratura por clivagem. A Figura 9 apresenta os resultados obtidos para maiores aumentos. Neste caso, além da presença de fissuras, evidencia-se a presença de zonas

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FIGURA 8: Micrografias obtidas por MEV da superfície de fratura.

Corroborando com os demais resultados, a Análise de Falhas apresenta indícios de que a fratura ocorreu através de um processo gradativo de nucleação e propagação de defeitos ao longo da vida útil do componente. Tal processo poderia ser evitado com a adoção de melhores práticas de fabricação e/ou aplicação de técnicas de inspeção e manutenção periódica (Preventiva e Corretiva).

Com base nas informações fornecidas pelo solicitante e na análise metalúrgica do componente fraturado pode-se concluir que a provável causa da falha foi a propagação de trincas de fadiga nucleadas na região superficial. Uma vez nucleadas, estas trincas se propagaram lentamente sob ação de esforços combinados de torção e flexão, até que a redução de secção elevasse a tensão aplicada para valores superiores ao limite de ruptura estático para o material.

Este estudo mostrou que, apesar de serem frequentes no campo de aplicação de componentes mecânicos de engenharia, as falhas por fadiga podem ser combatidas e até mesmo evitadas através da adoção de práticas mais controladas de fabricação e utilização de componentes e o estabelecimento de um programa eficiente de manutenção periódica, combinando ações preventivas e corretivas de manutenção.

Este programa deve incluir a inspeção pós-fabricação de componentes críticos, assim como a inspeção e/ou monitoramento periódico. Tais prática visam o reparo e/ou substituição do componente antes que os defeitos atinjam tamanhos críticos que possam comprometer a confiabilidade e a segurança operacional do sistema como um todo.

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4. CONCLUSÕES

As análises metalográficas identificaram o material como sendo um aço ligado de baixo carbono do tipo AISI 8620, material frequentemente utilizados para a fabricação de eixos e componentes mecânicos destinados a aplicações automotivas.

Através da observação minuciosa da superfície de fratura, constatamos que a falha se deu por um processo evolutivo de fadiga mecânica, originado a partir da nucleação e propagação de microtrincas nas superfícies dos dentes da engrenagem presente no pino central do componente analisado.

Como sugestão, indica-se o estabelecimento de um programa mais rigoroso de manutenção e garantia da confiabilidade para componentes críticos, operando em veículos de transporte coletivo, priorizando a realização de ensaios não destrutivos de inspeção e controle de qualidade (nas etapas pós fabricação e periodicamente durante a vida útil do componente) e a melhoria no controle dos processos de fabricação.

5. REFERÊNCIAS

EXAME, Extraído de: http://exame.abril.com.br/brasil/carros-brasileiros-sao-chamados-demortais-por-agencia/ (Acessado em setembro/2017)

MARTINS, C.O.D., “Desenvolvimento de metodologias de inspeção e monitoramento de risers flexíveis através de técnicas micromagnéticas de análise de tensões”, Tese de Doutorado, PPGEM – UFRGS, p 133, 2008.

MARTINS, C.O. D., “Notas de aula da disciplina: Ensaios não Destrutivos”, UFS, 2016. Mix, P.E., “Introduction to Nondestructive Testing”, 2nd Ed. John Wiley & Sons, Inc.,2005.

PELLICONI, A.S., “Análise de falhas em equipamentos de processo – mecanismos de danos e casos práticos”, Ed. Interciência, 2ª Ed. 2014.

PRF, Extraído de: https://www.prf.gov.br/portal (Acessado em setembro/2017).

Vander Voort, G., “Metallographic Techniques in Failure Analysis” ASM Handbook Volume 11, Failure Analysis and Prevention (ASM International), 2002.

Van Kirk, D. J., “Vehicular Accident Investigation and Reconstruction”, CRC Press,USA, 2001. Trimm, M., “An Overview of Nondestructive Evaluation Methods”, Practical Failure Analysis, Volume 3(3) June 2003.

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