Deformação permanente (set) em molas: por que a mola perde comprimento e carga

A pior surpresa em um projeto de mola aparece depois de alguns ciclos de uso: a peça volta mais curta do que saiu de fábrica e passa a entregar menos força na mesma altura de montagem. Não é desgaste nem corrosão — é deformação permanente, conhecida no meio técnico pelo termo em inglês set. A mola foi solicitada além do limite elástico do material e uma parte do fio simplesmente não voltou.

Entender o set é entender onde está a fronteira entre o comportamento elástico, previsível e reversível, e o comportamento plástico, que rouba comprimento livre e carga de forma definitiva. Neste guia percorremos o que é a deformação permanente, a física por trás dela, a diferença entre o set imediato e o relaxamento lento, o uso proposital do set no processo de presetting e, por fim, os limites de tensão de projeto que mantêm a mola estável ao longo da vida.

O que é deformação permanente (set)

Toda mola trabalha guardando energia elástica: você aplica uma carga, o fio se deforma e, ao retirar a carga, a mola devolve a energia e retorna exatamente ao comprimento livre original. Esse ir e vir só é perfeito enquanto a tensão no material permanece abaixo do limite elástico. Ultrapassado esse limite, uma fração do fio escoa — deforma-se plasticamente — e não retorna. A mola assume um novo comprimento livre, menor que o de projeto. Essa perda permanente é a deformação permanente, ou set.

O efeito prático tem duas faces. Primeiro, a mola perde comprimento livre: uma peça projetada com 55 mm pode estabilizar em 52 ou 51 mm depois do primeiro carregamento excessivo. Segundo, e mais importante para o funcionamento do conjunto, na mesma altura de montagem a mola passa a entregar menos carga, porque parte do curso que geraria força foi consumida pela deformação plástica. Em uma válvula, um fecho ou um mecanismo de retorno, isso significa força insuficiente e falha funcional, mesmo sem nenhuma trinca visível.

É importante separar o set de outros modos de falha. Não há perda de material, não há fratura e, muitas vezes, não há sinal externo de dano. A mola simplesmente ficou mais curta. Por isso o set é frequentemente confundido com uma mola cansada, quando na verdade é o resultado direto de uma tensão de projeto alta demais para o material escolhido.

A física: por que o fio cede em torção

Apesar de a mola sofrer uma carga axial, o fio não trabalha à tração nem à compressão pura: ele trabalha essencialmente à torção. Quando a mola helicoidal é comprimida ou tracionada, cada seção do fio é torcida em torno do próprio eixo. E na torção de uma seção circular a tensão de cisalhamento não é uniforme: ela é nula no centro do fio e máxima na superfície externa. São as fibras mais externas do arame que sentem a maior tensão.

A tensão de cisalhamento nominal (sem a correção de curvatura de Wahl) é dada pela relação abaixo, em que F é a carga, D é o diâmetro médio da mola e d é o diâmetro do fio.

O escoamento da camada externa do fio

Enquanto essa tensão permanece abaixo do limite elástico ao cisalhamento do material, toda a seção se deforma elasticamente e retorna. Quando a carga cresce e a tensão na superfície ultrapassa o limite elástico em torção, a camada externa do fio escoa primeiro, enquanto o núcleo, menos solicitado, ainda está elástico. Ao remover a carga, o núcleo tenta voltar à posição original, mas a camada externa já deformada plasticamente impede o retorno total. O resultado é uma deformação residual — o set — que fica registrada no fio como uma pequena torção permanente distribuída por todas as espiras.

Por isso o set começa sempre pela superfície do arame, e por isso o diâmetro do fio é tão determinante: como a tensão cresce com o inverso do cubo do diâmetro, um fio ligeiramente mais fino eleva rapidamente a tensão superficial e antecipa o escoamento. Uma mola no limite do set costuma mostrar o problema logo na primeira compressão severa, e não gradualmente.

Set imediato x relaxamento (creep)

Dois fenômenos diferentes reduzem a força de uma mola ao longo do tempo, e confundi-los leva a diagnósticos errados. O set é imediato: acontece no primeiro carregamento que ultrapassa o limite elástico. Basta um único evento de sobrecarga — comprimir a mola até o bloco uma vez, por exemplo — para que a deformação permanente se instale. Depois disso, se a mola voltar a trabalhar dentro de tensões menores, ela é estável no novo comprimento e não perde mais nada.

O relaxamento (ou fluência, creep) é o oposto em ritmo: é uma perda de carga lenta e progressiva que ocorre mesmo com a tensão abaixo do limite elástico de curto prazo, desde que a mola permaneça carregada por muito tempo. O relaxamento é fortemente dependente do tempo e, sobretudo, da temperatura. Uma mola mantida comprimida à temperatura ambiente relaxa muito pouco; a mesma mola mantida comprimida a 150 ou 200 °C pode perder uma parcela significativa da carga em semanas ou meses. É o modo dominante em molas de motores, eletrodomésticos e qualquer aplicação que combine carga sustentada e calor.

As principais causas da deformação permanente são:

• Tensão de trabalho ou de bloco acima do limite elástico do material (set imediato).
• Compressão acidental até a altura sólida em uma mola não preparada para isso.
• Carga sustentada por longos períodos, especialmente combinada com temperatura elevada (relaxamento).
• Material com limite elástico insuficiente para o nível de tensão do projeto.
• Ausência de tratamento de alívio de tensões após o enrolamento.

Presetting (scragging): usando o set a favor

O set nem sempre é um defeito — usado de propósito, ele é uma das ferramentas mais poderosas do projetista de molas. O processo chama-se presetting, ou scragging. A ideia é simples e engenhosa: a mola é fabricada propositalmente um pouco mais longa que o comprimento livre final e, uma única vez, é comprimida além do seu ponto de serviço, muitas vezes até a altura sólida.

Nessa primeira compressão controlada, a superfície do fio escoa exatamente como descrevemos — a mola encurta e se acomoda no comprimento livre desejado. O ganho está no que fica para trás: a camada externa, ao ser deformada plasticamente e depois aliviada, retém tensões residuais de sinal contrário às tensões de trabalho. Em serviço, essas tensões residuais se subtraem da tensão aplicada, reduzindo a tensão líquida na superfície do fio.

O efeito é notável. Uma mola preset já sofreu todo o set que iria sofrer; em serviço normal ela não escoa mais, mesmo trabalhando em níveis de tensão que fariam uma mola não preparada tomar set. Na prática, o presetting permite ao projetista usar tensões de serviço mais altas — e portanto molas menores e mais leves para a mesma carga — com segurança. Por isso o presetting é rotina em molas de alto desempenho.

Do ponto de vista de fabricação, o presetting é feito depois do enrolamento e do tratamento térmico. O ajuste do comprimento livre final e, quando necessário, a remoção de frações de espira para acertar a carga são feitos considerando o encurtamento previsto. Vale lembrar que o benefício é direcional: uma mola preset em um sentido não deve ser carregada no sentido oposto, pois aí as tensões residuais somariam em vez de subtrair.

Limites de tensão de projeto que evitam o set

Quando a mola não pode ou não vai passar por presetting, a única forma de garantir estabilidade dimensional é manter a tensão de projeto abaixo do limite de set. A regra de projeto mais usada é conservadora e direta: para molas que não devem tomar nenhuma deformação permanente, a tensão de cisalhamento nominal (sem correção de Wahl) na condição mais severa — normalmente a altura sólida — deve permanecer abaixo de cerca de 45% da resistência à tração do material.

Como aplicar o limite na prática

Rm é a resistência à tração do arame, que para o aço mola de alto carbono depende fortemente do diâmetro. Abaixo desse patamar de tensão, a superfície do fio permanece elástica mesmo com a mola totalmente comprimida, e o comprimento livre é preservado. Acima dele, é preciso ou reduzir a tensão — engrossando o fio, aumentando o diâmetro médio ou o número de espiras — ou especificar presetting para tolerar tensões maiores. Para evitar o set indesejado, o projeto deve:

• Manter a tensão nominal na altura sólida abaixo de aproximadamente 45% da resistência à tração, quando não houver presetting.
• Especificar presetting (scragging) quando forem necessárias tensões de serviço mais altas.
• Escolher materiais com limite elástico adequado e aplicar alívio de tensões após o enrolamento.
• Limitar a temperatura de operação para conter o relaxamento em cargas sustentadas.
• Evitar que a mola bata na altura sólida de forma acidental durante o curso de trabalho.

O papel do calor e da temperatura

A temperatura age sobre a deformação permanente de duas maneiras opostas, e vale distinguir bem as duas. No processo de fabricação, o calor é aliado: o tratamento de alívio de tensões, feito a algumas centenas de graus por um tempo controlado após o enrolamento, remove tensões residuais indesejadas da conformação e estabiliza a mola. Em molas preset, um tratamento térmico após o presetting pode ainda fixar as tensões residuais benéficas, tornando o efeito mais durável.

Em serviço, porém, a temperatura é adversária. O limite elástico e o módulo do material caem quando a temperatura sobe, e o relaxamento se acelera fortemente. Uma tensão de projeto perfeitamente segura a 20 °C pode levar a uma perda de carga inaceitável a 180 °C mantida por meses. Por isso, aplicações quentes exigem margem de tensão maior e, frequentemente, materiais específicos — como o aço cromo-silício ou ligas resistentes ao calor — que preservam o limite elástico em temperatura.

A regra prática é clara: quanto mais alta a temperatura de trabalho e mais longa a permanência sob carga, mais baixa deve ser a tensão de projeto para manter a mesma estabilidade dimensional. Ignorar isso é a causa número um de molas que “perdem força” em serviço sem qualquer sinal visível de dano.

Exemplo prático: quando o set aparece

Vamos quantificar. Considere uma mola de compressão em corda de piano (music wire) com diâmetro de fio d = 3 mm, diâmetro externo de 22 mm — logo diâmetro médio D = 19 mm —, comprimento livre de 55 mm e 7 espiras no total (5 ativas, pontas esquadrejadas e esmerilhadas). A resistência à tração desse arame é da ordem de Rm ≈ 1900 MPa, e a constante elástica resultante é de aproximadamente 24 N/mm.

Na condição de serviço, a mola é comprimida 18 mm, até uma altura de trabalho de 37 mm, exigindo uma carga de cerca de 430 N. A tensão nominal nessa condição é:

Lendo os números do exemplo

Uma tensão de 770 MPa corresponde a cerca de 40% da resistência à tração — abaixo do limite de 45% —, de modo que o set é desprezível e a mola mantém seus 55 mm indefinidamente. É um projeto seguro contra deformação permanente.

Agora imagine a mesma mola comprimida acidentalmente até a altura sólida, com deflexão de 34 mm e carga de aproximadamente 815 N. A tensão nominal salta para cerca de 1460 MPa, ou 77% da resistência à tração — muito acima do limite de set. A superfície do fio escoa e, ao aliviar a carga, a mola não retorna aos 55 mm: ela se estabiliza alguns milímetros mais curta, tipicamente de 2 a 4 mm a menos de comprimento livre, com a consequente perda de carga em serviço.

A lição do exemplo é dupla. Se essa mola precisa mesmo chegar ao bloco em serviço, ela deve ser preset — e então os 1460 MPa deixam de ser um problema, porque o set já foi consumido na fabricação. Se ela não pode tomar set algum e não será preset, o projeto precisa reduzir a tensão de bloco, tipicamente engrossando o fio ou adicionando espiras, até trazer a tensão sólida para baixo dos 45% da resistência à tração.

Projetando molas que mantêm o comprimento

A boa notícia é que todo esse controle é sistemático, não uma questão de sorte. Na molas.app.br, cada mola configurada tem sua tensão nominal calculada na altura de trabalho e na altura sólida e comparada aos limites do material selecionado. Quando a tensão de bloco se aproxima da faixa em que o set aparece, o projeto é sinalizado, de modo que você ajusta o diâmetro do fio, o diâmetro médio ou o número de espiras — ou opta por especificar presetting — antes de fabricar. Assim a mola sai com a tensão de projeto dentro da margem segura e mantém o comprimento livre e a carga ao longo de toda a vida útil.