XVII Congresso e Exposição Internacionaisda Tecnologia da Mobilidade

São Paulo, Brasil07 a 09 de outubro de 2008

AV. PAULISTA, 2073 - HORSA II - CJ. 1003 - CEP 01311-940 - SÃO PAULO – SP

FILIADA À

SAE TECHNICAL 2008-36-0340PAPER SERIES E

Sistemática de análises e caracterização em componentesautomotivos com falhas em campo

Eduardo da Silva Pereira DuarteLuiz Roberto Moura ValleDenise Corrêa de OliveiraValdir Anderson Silvério

Aços Villares

2

2008-36-0340

Sistemática de análises e caracterização em componentesautomotivos com falhas em campo

Eduardo da Silva Pereira DuarteLuiz Roberto Moura ValleDenise Corrêa de OliveiraValdir Anderson SilvérioDepto. Técnico – Aços Villares

RESUMO

Em análises de falhas de componentes automotivos écomum num primeiro momento associar-se a falha aomaterial, através de uma avaliação isolada da face dafratura. É necessário considerar todo o contexto para evitardivergências de análises. Esse trabalho visa mostrar oprocedimento usado pela Aços Villares para uma criteriosaanálise de falha de componentes automotivos, levando-seem conta, além do material, as características de projeto,processamento e histórico de utilização da peça.

ABSTRACT

Failures of automotive parts are commonly associated tomaterial in first steps of analysis, with isolatedcharacterization of fracture surface. It is necessary toconsider also the whole context, to avoid disagreements inanalysis. This paper focuses on Aços Villares procedure toanalyze failures of automotive parts, considering not onlymaterial, but also project, processing, historical data of useand failure conditions.

INTRODUÇÃO

Análises de falhas são geralmente realizadas em peçasque fraturam em serviço, como componentes mecânicos deveículos ou equipamentos em geral. Através destas análisesé possível identificar as causas que originaram a falha. Estaavaliação é também considerada oportunidade de melhoriano processo, já que ações que atuem nas causas poderãoevitar reincidência de ocorrências. Para uma completaavaliação do evento, é necessário o apoio dos primeiros aterem contato com a peça para registrar o histórico epreservar as amostras intactas para análise.

Em muitos casos pode não ser necessário a análisecompleta de uma falha quando a sua ocorrência não for degrande importância, seu risco potencial for pequeno, seuprejuízo for irrisório ou ainda quando sua origem forevidente.

Uma simples caracterização laboratorial pode dar ossubsídios necessários para ações que previnam areincidência.

CONCEITOS – Falha é qualquer irregularidade queocorre em um equipamento em geral por dano em uma peçaou componente que pode provocar mau funcionamento,parada ou dano ao mesmo.

Falhas oriundas de projeto – em geral são fáceis deidentificar, pois o material atenderá as característicasespecificadas e a utilização proposta ou correta pode seratestada. Neste caso quase sempre não é demorada a suaocorrência a menos que por condições de uso assolicitações não atinjam os limites de uso projetados.

Falhas oriundas de material – ocorrem em peças comcomprovado sucesso de aplicação ao longo do tempo.Nestes casos um exame laboratorial deve ser suficiente paraidentificar uma não-conformidade. O não atendimento decaracterísticas geométricas se inclui nesta categoria.

Falhas oriundas de má-utilização (falhas de operação)– são sempre discutíveis, principalmente para produtos quedevem suportar “qualquer desafio”. Caso o projeto sejabom e isto é fácil de saber através de testes simuladosexaustivos ou pelo uso anterior sem problemas e com omaterial conforme, as condições de uso previstas devem tersido extrapoladas.

3

Concentradores de tensão – são fatores locais queprovocam descontinuidades e ampliação das tensões locaispor origem geométrica, mecânica ou metalúrgica.

RECURSOS – A técnica de análise de falhas implicaem caracterizar o mecanismo de origem da falha parapermitir atuação na eliminação ou minimização dos fatoresde origem como medida preventiva.

Além dos recursos materiais de laboratório énecessário formação em conceitos de falhas e mecanismosde fratura que deve assegurado aos responsáveis pelaemissão dos relatórios.

Quando necessário devem ser consultados e oupercorridos os processos de fabricação, montagem ou usodas peças/componentes falhados.

PRINCIPAIS ETAPAS – A análise de falhas emcomponentes mecânicos deve seguir os seguintes passos,com maior ou menor detalhamento em função do caso:

1. Histórico – É fase obrigatória da análise, que deve:

- Levantar as informações que apresentam a situaçãobem como os objetivos que se deseja alcançar;

- Descrever o problema, origem e implicações,informando cronologia e abrangência;

- Fazer introdução do assunto tratado para facilitar oentendimento de um relatório.

Para a elaboração do históricos são utilizadosdocumentos do solicitante, informações de terceiros e/ouestudo de bibliografia para avaliar e validar as informaçõesobtidas.

O histórico orienta o roteiro para as fases que serãonecessárias. Esta primeira etapa da análise praticamentedirige a atenção para o que deve ser examinado.

2. Exame Visual – Nesta etapa, também obrigatória, érealizado o primeiro contato físico com o componente,produto ou peça obtendo-se informações precisas parajulgamento do fenômeno e formação dos primeirosconceitos. Inclui também o exame de todas as partescorrelatas.

Para o exame visual utiliza-se vista desarmada, lupa,estereoscópio, máquina fotográfica e recursos paramanuseio.

Esta etapa define as regiões que definitivamentemerecem estudo pormenorizado e procura identificarmarcas mecânicas superficiais, presença de deformaçãoplástica, região de início e fim da fratura. Traz informaçõesa respeito do mecanismo de fratura, identificando ofenômeno atuante (dúctil, frágil, fadiga, corrosão,influência do meio). Sempre que possível esta etapa deveser evidenciada por fotografias. Nesta etapa são definidas asregiões de interesse para análise do material.

3. Caracterização do Material – Tem por objetivodefinir a qualidade do componente falhado através deanálise química, ensaios mecânicos e examesmetalográficos, e comparar com as especificações deprojeto.

Para a caracterização do material utiliza-seequipamentos de testes de laboratório metalúrgico equímico e procedimentos internos ou outras normasaplicáveis aos testes executados.

Esta etapa é obrigatória, pois fornece informaçõessobre o atendimento ou não das especificações técnicas,identificação da liga, suas propriedades mecânicas ecaracterísticas microestruturais. Permite verificar ahomogeneidade destas características. Nesta etapa épossível avaliar a influência da qualidade detectada comofator de causa ou não da falha analisada.

A composição destas análises permite uma avaliaçãode diversas características que possibilitam reconstituir oque ocorreu na falha, qual o material original da peça, oupor qual tratamento ele passou para apresentardeterminadas condições.

O atendimento pleno das especificações originais domaterial relativos a desenhos e normas pode indicar quehaja má seleção e especificação do material.

4

Na Figura 1, por exemplo, observa-se um eixo,engastado na parte inferior no solo, com fixação da seção,apresentando rompimento. Além disso, o material não foitratado, ele foi utilizado bruto de processamento a quente.

(a)

(b)

(c)

Figura 1. Eixo engastado pela parte inferior, apresentandofratura (a) e (b). Em aumento de 100x, em seção

transversal, perlita e ferrita e tamanho de grão grosso,característicos de estrutura bruta de processamento a

quente.

Na Figura 2 observa-se um dente de engrenagemcementado, com ruptura na região lateral de contato, que éa região de maior solicitação do dente. Observa-se tambémas linhas paralelas circunferenciais (marcas de praia),indicando a propagação após nucleação da trinca.

(a)

(b)

(c)

Figura 2. Dente de engrenagem fraturado a partir dassuperfície lateral (a), cementado (b). Início da falha a partir

da região de maior concentração de esforços conforme odiagrama de tensões fotoelásticas i(c)

5

A Figura 3 apresenta uma mola de suspensão,fraturada em teste de fadiga, apresentando início nasuperfície.

(a)

(b)

(c)

Figura 3. Mola de suspensão (a), apresentando início defratura na região superficial (b e c) .

A Figura 4 apresenta um eixo de movimentação deponte rolante, quebrado na região do entalhe, e na mudançade seção, numa camada de solda. Neste caso, conjugou-se oconcentrador geométrico (raio de concordância) e ometalúrgico (depósito de solda).

(a)

(b)

(c)

Figura 4. Eixo de ponte rolante (a), com a camada de soldadepositada (b) e o detalhe da seção transversal da camada

de solda e da zona termicamente afetada (c)

6

A Figura 5 mostra um eixo fraturado a partir de trincasuperficial

(a)

(b)

(c)

Figura 5. Eixo (a) fraturado em torção (b), a partir de umatrinca (c)

A caracterização do material com informações dedureza, microdureza, eventual resiliência ao impacto epropriedades de tração, bem como a microestrutura naregião de início, que pode evidenciar descarbonetação,inclusões grosseiras, textura inadequada, ou mesmo a fortehomogeneidade e atendimento pleno das característicasespecificadas, já devem permitir caracterização da origemda falha.

4. Fractografia – Esta etapa é opcional e deve serrealizada sempre que ainda houver dúvida quanto a origeme mecanismo da fratura e/ou se necessite buscar o localampliado da nucleação bem como fatores microscópicos denucleação da falha/concentrador de tensões.

Normalmente é realizada em microscópio eletrônicode varredura, como o da Figura 6.

Figura 6. Microscópio eletrônico de varredura da AçosVillares.

Esta etapa traz informações a respeito do mecanismode fratura (dúctil, frágil e/ou por fadiga) Sempre querealizada esta etapa deve ser evidenciada porfotomicrografias.

(a) (b)

(c)Figura 7. Mola fraturada.: início da fratura (a); início dafratura em aumento 20x (b); Início da fratura (1.000 X),com mecanismo transgranular, com clivagem típica de

materiais de baixa resiliência (c)

7

5. Comentário – nesta etapa, obrigatória, são feitas asinterpretações necessárias para destacar o contexto daanálise, pois serão a base da conclusão. Fornece outrasinformações de âmbito mais geral do que o proposto norelatório e que deve ser usado pelo solicitante.

Para esta etapa são utilizados dados das fasesanteriores do relatório e/ou bibliografias.

Os comentários fornecem subsídios ao entendimentoda conclusão e avaliações pessoais muitas vezes contidasem experiência própria ou de terceiros esclarecendo eordenando os resultados para entendimento da conclusão.

6. Conclusão – nesta etapa, obrigatória, é descrita aconclusão propriamente dita do relatório.

7. Sugestão ou recomendação – etapa opcional,consiste de informações que auxiliam o solicitante doestudo a dar o correto uso à conclusão recebida. Podemauxiliar também a definir ações preventivas de projeto, deseleção de material ou de uso do componente, para evitarreincidência.

A Figura 9 apresenta um exemplo de projeto em que orasgo para encaixe do anel está em desacordo com a norma,ocasionando seu desprendimento e conseqüente falha nosistema em que trabalhava.

a) b)

Figura 9. Sistema utilizado em correia transportadora, emque o desprendimento do anel ocasionou parada. Pino (a),e anel (b), e local de encaixe com profundidade insuficiente

para o ajuste (c).

A Figura 10 ilustra num fluxograma as etapas de umaanálise de falhas como descrita.

FALHA EM CAMPO OUEM PROCESSO

EXAME VISUAL

CARACTERIZAÇÃO FRACTOGRAFIA

COMENTÁRIO

CONCLUSÃOSUGESTÃO OU

RECOMENDAÇÃO

HISTORICOENCAMINHAR PARACARACTERIZAÇÃO

APENAS

CASOS SIMPLES

Figura 10. Fluxograma da análise de falhas

CONCLUSÕES

A análise de falhas constitui importante prática paraavaliar suas causas e prevenir reincidências, principalmentequando se trata de componentes de grande volume ouprodução seriada.

i ASM Metals Handbook, vol. 11 – Failure Analysis andPrevention, 2002 – pg. 2566.