4- Há pouco tempo atrás foi divulgado o acidente trágico com a implosão do submersível Titan da OceanGate, feito de titânio e fibra de carbono. Discuta sobre o comportamento mecânico dos materiais usados no projeto do Titan, as possíveis falhas associadas a estes materiais nas condições de serviço, e com base na aula comente as alternativas para prevenir este tipo de falência que responde por aprox. 90 \% das falhas que ocorrem nos metais.

Passo 1

O enunciado pede para a gente discutir o comportamento mecânico do titânio e da fibra de carbono usados no Titan, as falhas que podem ocorrer em serviço e, com base na aula, comentar as alternativas de prevenção para o tipo de falha que responde por cerca de \approx 90\% das falhas em metais (fadiga). Para isso vamos:
  1. Revisar as propriedades mecânicas básicas desses materiais.
  2. Identificar as falhas típicas sob as condições extremas de um mergulho profundo.
  3. Apresentar estratégias de projeto, fabricação e manutenção para evitar fadiga.

Passo 2

O titânio é famoso pela alta relação resistência/peso, ótima tenacidade e excelente resistência à corrosão (inclusive em meio salino). Sua resistência à tração chega facilmente a \sim 900\\ \text{MPa} em ligas como Ti-6Al-4V, com módulo de elasticidade em torno de 110\\ \text{GPa}. Já os compósitos de fibra de carbono são leves, têm módulo que pode passar de 200\\ \text{GPa} na direção das fibras e resistência à tração superior a 1\,000\\ \text{MPa}, mas são anisotrópicos, menos resistentes à compressão transversal e dependem muito da integridade da matriz polimérica (que pode degradar-se com umidade e temperatura).

Passo 3

Em serviço, o submersível enfrenta pressões muito altas (várias dezenas de MPa). As possíveis falhas são:
• No titânio: iniciação de trincas em concentrações de tensão (soldas, furos, reentrâncias), propagação rápida por fadiga devido à carga cíclica de imersão/emergência e possível fratura fragilizada se houver hidrogênio absorvido (fragilização por hidrogênio).
• No compósito de carbono: delaminação entre camadas (principalmente sob compressão transversal), fissuração da matriz polimérica por fluência ou absorção de água, colapso por instabilidade local (buckling de painéis finos) e propagação interlaminar de trincas.

Passo 4

Como cerca de \approx 90\% das falhas metálicas se deve à fadiga, preveni-la é crucial. As principais estratégias são:
  1. Projeto com distribuição de tensão suave: evitar raios de curvatura muito pequenos e concentrações de tensão; usar fillets e transições graduais.
  2. Tratamentos de superfície no titânio: jateamento de granalha ou shot peening para gerar tensões residuais compressivas e retardar a iniciação de trincas.
  3. Controle rigoroso de defeitos de fabricação: inspeção não destrutiva (ultrassom, radiografia ou líquidos penetrantes) para detectar inclusões, poros e descontinuidades em soldas e interfaces do compósito.
  4. Escolha de matrizes poliméricas resistentes à higrólise e ao calor, além de cuidadosa cura do compósito para minimizar vazios e defeitos interlaminares.
  5. Monitoramento em serviço: sensores de vibração ou de deformação para registrar ciclos de carga; inspeções periódicas programadas com ensaios de fadiga residual.

Resposta

As peças críticas em titânio e compósito precisam de um projeto livre de ressalto geométrico, tratamentos de superfície que induzam tensões compressivas para retardar a fadiga e controle estrito de defeitos por inspeção não destrutiva. No compósito, é vital garantir a qualidade da matriz e prevenir delaminações. Com essas medidas de projeto, fabricação e manutenção baseadas em prevenção de fadiga, reduz-se drasticamente o risco de falhas catastróficas em ambientes de alta pressão.

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