ANÁLISE DE FALHA POR FRATURA EM MECANISMO DE CONTROLE DE OPERAÇÃO DE PORTA DE ELEVADOR

Transcrição

1 ANÁLISE DE FALHA POR FRATURA EM MECANISMO DE CONTROLE DE OPERAÇÃO DE PORTA DE ELEVADOR A. A. OLIVEIRA; E. B. LIMA; A. CHAVES; M. F. SAMPAIO; N. A. MAIA; M. G.DINIZ * Universidade do Estado do Rio de Janeiro Rua Fonseca Telles, 121, São Cristóvão, Rio de Janeiro, RJ, CEP: * diniz@uerj.br LaCaM Laboratório de Caracterização de Materiais UERJ RESUMO O elevador é o meio de transporte mais utilizado no mundo e o que tem o menor registro de acidentes. Entretanto, uma grande incidência de falhas ocorre no mecanismo de operação das portas, devido ao elevado número de ciclos de trabalho a que são submetidas. Este estudo teve como objetivo determinar a causa da falha de um dos componentes de um operador de porta, geralmente fabricado por fundição de ligas de Al, através da análise dos aspectos de fratura do material. As técnicas empregadas foram inspeção visual, microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura (MEV), análise química semi-quantitativa por EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) e medidas de dureza através de microindentações. Os resultados indicaram fratura de modo frágil e a presença de diversos poros no material, típicos de peças fundidas. Apesar de possuir uma microestrutura porosa, a falha possivelmente foi causada por impacto/sobrecarga no componente. Palavras-chave: Liga de Al fundida, fratura frágil, caracterização de falha. INTRODUÇÃO 6533

2 O elevador é um equipamento totalmente automático, responsável pelo deslocamento de pessoas e cargas, caracterizando-se acima de tudo, como um importante meio de transporte (1). O objeto de estudo foi um dos componentes do mecanismo QKS9, responsável pela operação das portas do elevador e que falhou por fratura (2). Geralmente esses componentes são fabricados em ligas fundidas de Al-Si, que possuem uma alta usinabilidade e altas resistências à corrosão e ao desgaste (3). As peças fundidas de alumínio apresentam uma variabilidade em suas propriedades mecânicas, especialmente quanto ao alongamento e à resistência à fadiga. Essa variabilidade é proveniente do processo de fundição, que gera defeitos tais como poros, fases intermetálicas, inclusões e óxidos, que degradam as propriedades mecânicas e podem vir a gerar fraturas prematuras no material (4-9). O objetivo deste trabalho foi fazer a caracterização do material, analisar os aspectos de falha por fratura de um dos componentes do operador de portas QKS9, e descobrir a causa da ruptura. MATERIAIS E MÉTODOS Inicialmente foi feita a inspeção visual e a caracterização dos aspectos macroscópicos da superfície fraturada e do material do componente. Foram obtidas amostras das seções transversais do componente através de corte metalográfico, preservando-se as superfícies fraturadas. O equipamento utilizado para o corte foi a cortadeira metalográfica AROTEC modelo COR80/2. As amostras contendo as superfícies de fratura foram observadas e analisadas no microscópio eletrônico de varredura JEOL JSM-6510LV operando em 15kV, juntamente com dispositivo acoplado de EDS para a análise química. Em seguida, elas foram embutidas em resina acrílica de cura a frio para preparação metalográfica (lixamento, polimento e ataque químico). Para o ataque, Foi utilizado ácido fluorídrico diluído em água destilada (5% vol.), com tempo de exposição de

3 segundos. Após esse procedimento, as amostras foram observadas e imagens com aumentos de 50x e 100x foram capturadas através do microscópio óptico ZEISS Axio Imager M1m. Por fim, realizou-se ensaio de dureza Vickers no microindentador PANTEC MV- 1000A, utilizando carga de 100kgf (aproximadamente 981N) com tempo de aplicação de carga de 10 segundos para 10 medidas realizadas em diferentes pontos da seção transversal de amostra retirada da peça fraturada. RESULTADOS E DISCUSSÃO A inspeção visual das superfícies de fratura deu indícios de aspectos de fratura frágil, entretanto, não forneceu aspectos relevantes de prováveis locais para início da falha. A análise do material revelou um aspecto microestrutural típico de ligas de alumínio-silício fabricadas por fundição, com uma matriz (mais escura) entremeada por uma segunda fase de aspecto dendrítico (regiões mais claras). Também foram verificados poros na microestrutura, provavelmente provenientes do processo de fundição (Fig. 1). (a) (b) Figura 1 (a) Microestrutura dendrítica típica de liga à base de alumínio fundida e com alguns poros (regiões mais escuras) e (b) Aglomerado de poros formando um poro maior. 6535

4 As fractografias apresentaram um aspecto muito semelhante para todas as amostras analisadas. A Fig. 2 mostra uma das fractografias obtidas. Os aspectos revelaram e confirmaram que o material falhou de modo frágil. Segundo Diniz et al. (10), o aspecto da superfície de fratura frágil por clivagem é normalmente encontrado em materiais frágeis (ou fraturados por impacto), com baixa capacidade de absorção de energia e sua morfologia microscópica é formada por regiões planas entre seus grãos e com pequenos desníveis entre eles como se fossem degraus (Fig. 2b, destacado). (a) (b) Figura 2 Aspectos fractográficos que exemplificam as superfícies de fratura do tipo frágil, com aumentos de (a) 750x e (b) 1000x. A análise no MEV realizada no entorno de um poro identificou microtrincas partindo de seu interior. A quantidade e o tamanho dos poros encontrados, parecem condizer com os que tipicamente existem em peças fabricadas por fundição de ligas de alumínio-silício (11,12). A análise química por EDS revelou uma microestrutura com uma matriz rica em Al (região cinza) entremeada por uma fase composta por Al-Si. As regiões esparsas de Al-Fe-Si foram identificadas em geometrias poligonais (Fig. 3). 6536

5 Figura 3 Pontos de análise química. 15 kv- 2000x. A região 1 apresentou maior quantidade de Fe, a região 2 mostrou-se rica em Al (matriz) e região 3 é a segunda fase dendrítica onde se concentrou a presença do Si. Estes resultados estão de acordo com todas as demais regiões semelhantes analisadas e com o que se espera para ligas de Al-Si comumente utilizadas para a fabricação de peças de fundição. Como exemplo temos liga de alumínio A413.0-F que apresenta uma composição química de 83% de alumínio e 12% de silício. Os demais elementos de liga estão presentes em quantidades inferiores a 1% (13). A liga estudada apresentou uma composição com 67% de alumínio e 13% de silício, basicamente, muito embora este resultado semi-quantitativo não seja considerado exato. A dureza do material foi de 98,2 ± 11,2 HV. Este valor está dentro da faixa de dureza esperada para ligas fundidas de alumínio de composição semelhante, como a liga de alumínio A413.0-F (13). CONCLUSÕES Como era previsto em uma liga à base de alumínio, não foram encontradas evidências de corrosão, sendo essa hipótese a primeira a ser descartada como causa da fratura. 6537

6 A liga apresentou considerável quantidade de poros (análise apenas qualitativa). Os poros, provavelmente, foram oriundos do processo de fundição, em que pequenas porções de gases ficaram dispersos na matriz, sem que ocorresse sua total eliminação antes da solidificação. Dada a característica de fratura frágil identificada na superfície de fratura (Fig. 2), sabendo-se que este material possui alguma tenacidade limite de escoamento semelhante ao aço SAE1020 (13,14) e considerando-se a porosidade encontrada na liga, pôde-se concluir que a fratura ocorreu devido a uma sobrecarga em um dos componentes do operador QKS9, onde a fratura originou-se em um poro de maior dimensão. Essa situação torna-se um agravante para este componente, pois devido ao seu elevado ciclo de operação, é esperada a redução de suas propriedades mecânicas pelo efeito de fadiga, assim como a formação de microtrincas nas bordas dos poros, devido a impactos aos quais o componente fica susceptível durante o funcionamento. REFERÊNCIAS 1. Thyssenkrupp Elevadores Disponível em: Acesso em: 21 de Janeiro de Atlas Schindler Disponível em: Acesso em: 21 de Janeiro de Wu, S.S.; Xu, X.L.; Fukuda, Y.; Kanno, T.; Nakae, H. Modification mechanism of hypereutectic Al Si alloy with P Na addition. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, Wuhan, CH, v. 13, n. 6, p , Fatahalla, N.; Hafiz, M.; Abdulkhalek, M. Effect of microstructure on the mechanical properties and fracture of commercial hypoeutectic Al-Si alloy modified with Na, Sb and Sr. Journal Materials Science, Cairo, EG, v. 34, n. 14, p , Ardekhani, A.; Raiszadeh, R. Removal of double oxide film defects by ceramic foam filters. Journal of Materials Engineering and Performance, v. 21, n. 7, p ,

7 6. Mi, J.; Harding, R.; Campbell, J. Effects of the entrained surface film on the reliability of castings. Metallurgical And Materials Transactions A, v. 35, n. 9, p , Campbell, J. An overview of the effects of bifilms on the structure and properties of cast alloys. Metallurgical And Materials Transactions B, v. 37, n. 6, p , Tiryakio glu, M.; Campbell, J.; Staley, J. The influence of structural integrity on the tensile deformation of cast Al 7wt.%Si 0.6wt.%Mg alloys. Scripta Materialia, v. 49, n. 9, p , Nayhumwa, C.; Green, N.; Campbell, J. Influence of casting technique and hot isostatic pressing on the fatigue of an Al-7Si-Mg alloy. Metallurgical And Materials Transactions A, v. 32, n. 2, p , Rocha, V. S.; De Campos, J. B.; Pimenta, A.R.; Diniz, M.G.; Pinheiro, M.A.S. Fracture failure analysis of gearbox shaft. In: 65º Congresso Anual da ABM, Rio de Janeiro Jaquet, J. C.; Hotz, W. Quantitative Description of the Microstructure of Aluminum Foundry Alloys. Cast Metals, v. 4, n. 4, p , Anson, J. P.; Gruzleski, J. E. Effect of Hydrogen Content on Relative Shrinkage and Gas Microporosity in Al-7%Si Casting. AFS Transactions, v. 107, p , MatWeb Disponível em: Acesso em: 12 de dezembro de Callister Jr, W. D. Ciência e Engenharia dos Materiais: uma introdução. Rio de Janeiro: Livros Técnicos S. A.,

8 FRACTURE FAILURE ANALYSIS IN THE CONTROL MECHANISM OF LIFT DOOR OPERATION ABSTRACT The lift is the most used means of transport in the world and it is that which has the lowest number of accidents. However, a high incidence of failures occurs in the operation mechanism of the doors, due to the large number of work cycles which they are submitted to. The present work aimed to determine the cause of fracture that occurred in one of the door operator components, which is usually made by aluminum die casting alloys, through the analysis of the material s fracture aspects. The techniques employed were visual inspection, optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), EDS (Energy Dispersion Spectroscopy) and micro hardness testing. The results indicated brittle fracture mode and the presence of many pores typical of castings in the material. The failure was possibly caused by the impact and/or overload on the component, despite its porous microstructure. Key-words: Al casting alloy, brittle fracture mode, failure characterization. 6540