ANÁLISE DE FALHA EM VIRABREQUIM DE MOTOR V8

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1 ANÁLISE DE FALHA EM VIRABREQUIM DE MOTOR V8 Telmo Roberto Strohaecker UFRGS, PROFESSOR DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM Sandro Griza UFRGS, DOUTORANDO DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM Rodrigo André Hoppe UFRGS, MESTRANDO DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM Simone Pecantet UFRGS, MESTRANDA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM Tiago Renck UFRGS, GRADUANDO EM ENGENHARIA MECÂNICA Trabalho apresentado na 6ª Conferência sobre Tecnologia de Equipamentos COTEQ, Salvador, agosto, 2002.

2 SINÓPSE São determinadas as causas que levaram à ruptura um virabrequim de um motor de combustão interna diesel V8. A falha ocorreu durante a operação do componente em veículo automotivo. O trabalho seguiu a metodologia usual empregada em análise de falhas. Os ensaios realizados foram análises visuais, análise da morfologia da fratura através da microscopia óptica e eletrônica de varredura, metalografia e de dureza. Através da metodologia empregada foram estabelecidos os fatores mais relevantes que provocaram a ruptura do componente. O virabrequim rompeu por fadiga ocasionada por esforços combinados de torção e flexão. A fadiga iniciou em um ponto localizado no final do furo de balanceamento na palma (cambota). Foi verificado que o furo foi usinado com excessiva profundidade, atingido uma região crítica do componente com altas tensões aplicadas. A furação da palma (cambota) também ocasionou problemas pela queima devido a problemas de processo, criando regiões com alterações microestruturais onde nucleou a fadiga. Palavras chaves Virabrequim, Motor, Furação, Fratura, Fadiga 1. INTRODUÇÃO O virabrequim dos motores a combustão interna é o componente responsável por captar e posteriormente transmitir a energia produzida pelos cilindros (câmaras de combustão), poderia ser considerado como seu principal componente transformando o movimento de translação dos pistões em rotação. Os virabrequins são peças robustas, superdimensionadas, construídas de aço ou ferro fundido e mesmo assim ocorrem muitos casos de falha nestes componentes. Estes componentes devem possuir alta resistência a fadiga, pois sofrem carregamentos cíclicos durante toda sua vida útil. Entretanto muitos são os fatores que podem alterar esta propriedade, introduzidos pelo processo de fabricação, montagem, manutenção, material, operação, etc. Muitas vezes, devido a grande rigidez do sistema, o motor continua em operação por algum tempo, de modo que a superfície da fratura sofra grande amassamento prejudicando a observação dos mecanismos da fratura. Neste trabalho será apresentada uma análise de falha, realizada pelo Laboratório de Metalurgia Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (LAMEF- UFRGS), de uma seção fraturada de um virabrequim de motor diesel V8, forjado em aço, visto na figura 2. A amostra foi recebida já cortada e somente com a superfície de fratura localizada na palma entre um munhão e um moente. 2. METODOLOGIA A metodologia seguida para as análises de falha realizadas segue o proposto pela literatura (1)(2)(3)(4)(5). Neste relatório a metodologia aplicada consistiu em análise

3 visual e em lupa, análise em microscópio eletrônico de varredura (MEV), ensaios de dureza e análise metalográfica. Cambotas Moentes Munhões Figura 1 Esquema mostrando a nomenclatura utilizada neste trabalho. Figura 2 Imagem mostrando a seção do virabrequim recebida para análise. Observa-se um furo cujo final encontra-se na região intermediária entre o munhão e moente. A superfície de fratura apresenta marcas de praia caracterizando ruptura por fadiga. Aumentos: 0,5 e 0,6x, respectivamente. 3. ANÁLISE VISUAL DA FRATURA A análise visual da seção recebida indicou que a fratura ocorrera por fadiga, evidenciada pela presença de marcas de praia. A fratura nucleou ao final de um furo realizado no meio da palma, conforme a figura 3. O final deste furo coincidiu com a região intermediária entre o munhão e o moente sendo que o acabamento interno deste furo apresentava-se grosseiro, conforme a figura 4. Posteriormente a fratura foi levada a lupa de baixo aumento para documentação fotográfica e análise detalhada. Após a documentação fotográfica foi retirada uma seção na região de início da falha para possibilitar o manuseio e posicionamento na lupa e, posteriormente, análise no MEV.

4 Marca de praia Figura 3 Imagens mostrando o ponto de início da falha localizado ao final de um furo na palma do componente. À direita observa-se com maior aumento o ponto de início em uma dobra causada pela broca no momento da furação. Aumentos: 4 e 8x, respectivamente. Figura 4 Imagem mostrando a dobra (rebarba) localizada no ponto de início da falha. Pode ser observada a presença de outras dobras e arranhões profundos criados no processo de furação. Aumento: 10x. 4. ANÁLISE DA FRATURA NO MEV A fratura foi levada ao microscópio eletrônico de varredura (MEV) com o objetivo de verificar os micromecanismos de fratura e o exato ponto de início da falha. Pôde ser observado que a fratura iniciou exatamente numa dobra (rebarba) oriunda do processo de furação, evidenciado pelas linhas radiais divergindo deste ponto, conforme as figuras 5 e 6. Não foi possível identificar os micromecanismos de fratura devido ao grande amassamento da superfície fadigada.

5 Superfície de fratura Dobra Furo Figura 5 Micrografia em MEV mostrando a região de início da falha. Observa-se mau acabamento na superfície interna do furo, além da dobra no ponto de origem. Dobra. Ponto inicial da falha Figura 6 Micrografia mostrando o ponto de início da falha, evidenciado pela presença das linhas radiais divergindo do ponto inicial. 5. ANÁLISE DA MICROESTRUTURA E ENSAIO DE DUREZA Após identificação do ponto inicial da falha foi retirada uma seção transversal para realização de uma análise metalográfica com o objetivo de identificar alguma alteração microestrutural. A microestrutura do componente apresentou-se bainítica e martensítica revenida na maior parte do componente. Na pista de contato dos munhões e moentes a microestrutura apresentou-se martensítica revenida, como visto na figura 7. Foi observado, no ponto de início da falha (final do furo), uma região com a presença de martensita, oriunda de um aquecimento elevado no processo de furação, vistos nas figuras 8 e 9. Foram realizados ensaios de microdureza Vickers nas regiões do núcleo e camada temperada e, especificamente, na região de martensita localizada no início da falha. Os ensaios resultaram em uma média de 220 HV 0,5 no núcleo, 507 HV 0,5 na camada temperada e, na região de início da falha (queima), 451 HV 0,1, comprovando a presença de formação martensítica.

6 Figura 7 Micrografia mostrando a microestrutura do material de base, à esquerda, formada por martensita revenida e bainita. À direita, a microestrutura da camda temperada por indução formada por martensita não revenida. Aumento: 240x. Ataque: Nital 3%. Furo Superfície de fratura. Martensita não revenida Figura 8 Micrografia mostrando a região de início da falha onde se observa a superfície de fratura e a região do furo. À direita, com maior aumento, observa-se a presença de pequenas trincas e em detalhe a região escura com martensita. Ataque: Nital 3%. Aumentos: 48 e 96x, respectivamente. Figura 9 Micrografia mostrando em detalhe a região circundada da imagem anterior. Observa-se a presença de um sulco coincidindo com a camada onde houve queima. Ataque: Nital 3%. Aumento: 96x. 6. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS A fratura foi por fadiga e iniciou em um único ponto onde ocorreu aquecimento excessivo no processo de furação, transformando a microestrutura desta

7 região em martensita. Esta microestrutura é caracterizada por ter alta dureza (veja que a dureza é similar àquela da camada temperada) e baixa tenacidade. Estes dois fatores propiciaram a nucleação do processo de fadiga que depois propagou por uma grande seção resistente (cerca de 80%) até que ocorresse a ruptura final. Um único ponto de nucleação associado a uma extensa região de propagação indicam que a fadiga foi sob baixa tensão, ou seja, neste plano de fratura a tensão em serviço é baixa, não sendo sequer a região prevista para a falha de tal componente. Com efeito, ela só ocorre devido a presença de dois fatores de concentração de tensões ditos anteriormente. Os dois fatores estão associados à usinagem profunda do furo, pois isto determina maior flexão (vibração) da ponta da broca e menor acesso do líquido de refrigeração. Sendo assim, além de piorar o acabamento, é possível ocorrer super aquecimento localizado que elevam a temperatura com subseqüente resfriamento rápido, transformando localmente a microestrutura de uma condição estável para outra mais tensionada (martensita) onde as trincas e a nucleação de fadiga são eminentes. 7. CONCLUSÃO A falha ocorreu por fadiga devido ao grosseiro acabamento e à queima localizada provocados no processo de furação. 8. REFERÊNCIAS (1) Cassou, C. A., "Metodologia de Análise de Falha", Dissertação de Mestrado, PPGEM, UFRGS, (2) Metals Handbook, "Fadigue Analysis and Prevention", 9 th edition, ASM (3) Nishida, S., "Failure Analysis in Engineering Aplications", Butterworth- Heinemann, great Britain, (4) Brooks, C. R., Metallurgical Failure Analysis, Volume 7, Mcgraw-Hill, New York, (5) Hertzberg, R. W., Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials, 3 rd edition, John Wiley & Sons, New York, (6) Society for Experimental Mechanical, Handbook of Measurement of Residual Stresses, Lilburn: The Fairmont Press, Inc., USA, 1996.