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ANLISE DE FALHA EM EIXO AUTOMOTIVO 1

Julio Rosa2

Afonso Reguly3

ResumoO objetivo deste trabalho o de investigar as causas de um acidente rodovirioutilizando tcnicas de anlise de falha em um eixo automotivo. As possveis causasde carter metalrgico ou mecnico que possam ter levado o componente a rupturaforam investigadas atravs de documentao fotogrfica anlise fractogrfica emlupa de baixo aumento e em microscpio eletrnico de varredura (MEV), anlisequmica, exame metalogrfico e ensaio de microdureza. Os resultados indicam queo eixo rompeu devido presena de um cordo de solda executado de maneiraequivocada. O processo e procedimentos de soldagem utilizados incentivaram umprocesso de fadiga por flexo alternada levando o componente ao colapso.Palavras chave: Eixo automotivo; Fadiga; Soldagem; Anlise de falha.

FAILURE ANALYSIS IN AN AUTOMOTIVE SHAFT

AbstractThe aim of this work is to investigate the causes of the fracture of an automobileshaft which culminate in a road accident. Using a failure analysis approach, theinvestigation examined the accident photos and also carried out fractography using

scanning electronic microscope (SEM), chemical analysis, metallography andmicrohardness measurements. The results indicated that the shaft has collapsed dueto a reverse bending fatigue process trigged by an improper weld fillet present nearthe bearing ring.Key words: Failure analysis; Automotive shaft; Fatigue; Weld defect.

1Contribuio tcnica ao 62 Congresso Anual da ABM Internacional, 23 a 27 de julho de 2007,Vitria ES, Brasil.

2Engenheiro Metalrgico PPGEM UFRGS.

3Engenheiro Metalrgico, Prof. Dr. PPGEM UFRGS.

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1 INTRODUO

Os eixos automotivos so responsveis pela transmisso de rotao e potncias rodas do veiculo. Tais eixos esto submetidos esforos de toro e flexo; esujeitos a falhas por fadiga devido natureza de sua operao.

As falhas por processo de fadiga podem ser incentivadas por inconformidades nodesign do componente, defeitos de fabricao ou erro montagem e manuteno doconjunto onde o eixo trabalha. Inconformidades de carter metalrgico, como apresena de microestruturas que ajam como concentradores de tenses oucontribuam para a diminuio de ductilidade e resistncia do material, tambmpromovem fraturas por fadiga no componente.[1-3]

Este trabalho visa investigar as provveis causas de um acidente rodovirio.Durante uma viagem o condutor de uma caminhonete ouviu um forte estrondo e, emseguida, perdeu o controle do veculo o que acarretou em um grave acidente comsrios danos pessoais e perda total do automvel. Constatou-se, posteriormente,que o eixo traseiro do veculo estava quebrado. O componente foi enviado ao

Laboratrio de Metalurgia Fsica (LAMEF-UFRGS) para anlise de falha, afim de quese pudessem identificar fatores mecnicos ou metalrgicos que tenham contribudopara a fratura do eixo. De acordo com o condutor o acidente ocorreu 10 meses apsum conserto em uma folga entre o eixo e o sistema de rolamentos.

A Figura 1 mostra a pea recebida para anlise, enquanto um desenhoesquemtico de um conjunto eixo-roda mostrado na Figura 2.

Figura 1 Fotografia mostrando o componente recebido para anlise.

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Figura 2 Desenho esquemtico da configurao de um sistema eixo-roda.

2 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

2.1 Anlise Fractogrfica

A superfcie de fratura foi analisada em lupa de baixo aumento e suascaractersticas foram registradas com uma maquina fotogrfica digital. Foi realizadaanlise fractogrfica em microscpio eletrnico de varredura (MEV) com o intuito dese identificar micromecanismo de falha.

2.2 Anlise Qumica

Uma amostra retirada do eixo foi submetida anlise qumica em umespectrmetro de emisso ptica marca Spectro modelo Spectrolab.

2.3 Anlise Metalogrfica

Para anlise metalogrfica foi retirada uma amostra, a partir de um cortelongitudinal, junto a um dos pontos de incio da falha. O corpo de prova foi preparadode acordo com procedimentos padres de metalografia (embutimento, lixamento,polimento e ataque qumico). O reagente utilizado para o ataque qumico foi nital2%. A amostra foi analisada em lupa de baixo aumento e microscpio tico.

2.4 Ensaio de Microdureza

A amostra metalogrfica foi submetida a um ensaio de microdureza. O ensaiofoi conduzido em um microdurmetro calibrado em escala Vickers com carga de100gf.

Regio da

falha

Eixo

Sistema de

rolamento

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3 RESULTADOS

A fratura apresenta caractersticas de uma falha por fadiga, o que evidenciado pela presena de marcas de praia (beach marks) em sua superfcie.Dois pontos de nucleao da falha podem ser verificados em regies

diametralmente opostas da superfcie de fratura, como mostra a Figura 3, verifica-seainda a presena de leo e corroso generalizada.

Figura 3 Fotografia mostrando a superfcie de fratura do eixo onde possvel observar a ocorrnciade marcas de praia e identificar as regies de incio da falha (crculos). Os pontos A e B se referes regies analisadas em MEV.

Observa-se a presena de um cordo de solda que unia dois segmentos do

eixo. As caractersticas do referido cordo indicam a utilizao de solda manual comeletrodo revestido. A regio da solda apresenta trincas e marcas desuperaquecimento em todo o seu permetro. As trincas se propagam em direo superfcie do eixo, onde se verificam escoriaes (Figura 4). Durante o corte do eixo,com intuito de selecionar reas para as anlises fractogrfica e metalogrfica,verificou-se a presena de um anel externo ao segmento 1 do eixo, como mostra aFigura 5.

Figura 4 Fotografia mostrando o cordo de solda e a incidncia de trincas e escoriaes na parededo eixo.

Solda

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Figura 5 Fotografia mostrando a presena de um anel externo ao segmento 1 do eixo analisado.

As regies de incio da falha apresentam-se bastante amassadas, por isto a

anlise em microscpio eletrnico de varredura (MEV) contemplou os pontos A eB da Figura 3. As fractografias obtidas revelam a presena de fratura intergranularna superfcie de fratura, como mostra a Figura 6. Em virtude das condies daamostra no foi possvel a visualizao de estrias de fadiga.

Figura 6 - Fractografia mostrando a ocorrncia de fratura intergranular na superfcie de fratura doeixo.

A Tabela 1 apresenta o resultado da anlise qumica. O material analisadopossui composio similar a um ao estrutural ASTM A304 com teor de Mn abaixodo especificado.

Tabela 1 Resultado da anlise qumica

A anlise da amostra metalogrfica em lupa de baixo aumento indica apresena de trincas na zona afetada pelo calor (ZAC) da solda (Figura 7).

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Figura 7 Macrografia da regio de incio da falha. Observa-se a ocorrncia de trincas na interfaceentre o metal de solda (MS) e a ZAC. As flechas tracejadas indicam as trincas e a flecha cheia indicaa direo do perfil de microdureza.

O eixo original possui tratamento superficial de tmpera por induo,apresentando microestrutura martenstica na superfcie e ferrita e perlita no ncleo.As Figuras 8, 9 e 10 mostram a microestrutura na regio da ZAC, onde ocorrem strincas, observa-se, alm da estrutura martenstica, a natureza intergranular dastrincas e a presena de incluses alongadas.

Figura 8 Micrografia da regio de incio da falha mostrando a existncia de trincas na ZAC.

Figura 9 Micrografia da regio de incio da falha mostrando a existncia de trincas namicroestrutura martenstica da ZAC.

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Figura 10 Micrografia da regio de incio da falha. Detalhe mostrando a presena de incluses,estrutura martenstica e a natureza intergranular das trincas na ZAC.

Para anlise dos resultados do ensaio de microdureza foram elaboradosperfis para medir as variaes de dureza na regio de inicio da falha (perfil A) enuma regio distante do inicio da falha (perfil B).O perfil A inicia no metal de solda,enquanto o perfil B inicia no anel externo (Figura 7). Ambos terminam no eixooriginal, as endentaes so espaadas em 0,2mm. A Figura 11 mostra os perfisobtidos, indicando picos de dureza acima de 500 HV na regio da ZAC

Perfil de Microdureza

200

300

400

500

600

700

800

0 2 4 6 8

Distncia (mm)

DurezaVickers

(HV0,1

)

Perfil A

Perfil B

Figura 11 - Perfil de microdureza.

4 DISCUSSO DOS RESULTADOS

H indcios de que o eixo original tenha sido cortado e um anel externocolocado na regio onde havia desalinhamento (espao entre o eixo e o sistema derolamentos), em seguida os dois segmentos do eixo foram unidos por solda comeletrodo revestido.

O ciclo trmico gerado durante a soldagem provoca transformaesmetalrgicas que podem ser nocivas integridade da junta. Tais transformaes

induzem o surgimento de tenses residuais que, associadas alta dureza na ZACpromovem a nucleao de trincas induzidas pelo hidrognio (TIH). O hidrognio

Incluses

ZAC

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pode ser introduzido na solda a partir da atmosfera, leo na junta ou do eletrodorevestido.[4,5]

Os micromecanismos de fratura intergranular e clivagem so caractersticosda TIH, no entanto as solicitaes cclicas, inerentes a um eixo automotivo,incentivaram a propagao das trincas pelo processo de fadiga por toro e flexo

alternada.[1,6]

A utilizao de pr-aquecimento da junta, aumento da energia desoldagem[7] ou solda com proteo gasosa (TIG ou MIG) so consideradas boasprticas na soldagem de aos de alta temperabilidade, como o analisado, poisdiminuem a suscetibilidade de TIH nestes materiais. Alm disso, os procedimentosde soldagem em componentes de alta responsabilidade, como um eixo automotivo,devem ser projetados e executados por pessoal tecnicamente capacitado.[8]

Contudo, para o caso investigado seria mais sensata a substituio do eixo.

5 CONCLUSES

O eixo rompeu devido a um processo de fadiga por flexo alternada. O

mecanismo de falha foi incentivado, de maneira determinante, pela presena detrincas decorrentes de um cordo de solda executado de maneira equivocada.

REFERNCIAS

1 Silva, F.S Analysis of a vehicle crankshaft failure. Engineering Failure Analysis 10(2003) 605-616.

2 Asi, Osmar. Failure of rear axle shaft of an automobile. Engineering FailureAnalysis 13 (2006) 1293-1302.

3 Wulpi, D.J. Failure Analysis end Prevention. ASM Metals Handbook Vol. 11.1986.

4 Bhole, S.D et al. Influence of GTA welding thermal cycles on HSLA-100 steelplate. Canadian Metallurgical Quarterly, Vol. 35 (pp. 151-158), 1996.

5 Easterling, K. Introduction to the Physical Metallurgy of Welding. ButterworthsMonographs in Materials (pp. 9 15), 1983.

6 Handbook of case in failure analysis Vol. 2 ASM International, 1992.7 Silva, C.L.J et al. Fissurao pelo hidrognio trincas a frio.

www.infosolda.com.br/artigos/metsol07.pdf, 2003.8 Lant, T. et al. Review of weld repair procedures for low alloy designed to minimize

the risk of future cracking. International Journal of Pressure Vessels and Piping 78(2001) 813-818.

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