ANÁLISE DE FALHA EM BARRA DE PRENSA S. Griza, S. Pecantet, R. Hoppe, T. Renck, T. R. Stroahaecker Av. Osvaldo Aranha, 99-sala 610, Centro, Porto Alegre-RS, 90035190 - sandro@demet.ufrgs.br PPGEM-UFRGS RESUMO Este trabalho visa determinar as causas da falha em serviço de uma barra de prensa para forjamento. Esta barra possui seção de 220x140mm e 1700mm de comprimento e aciona cinco punções extratoras. Foi empregada a metodologia recomendada de análise de falhas para identificar as causas da falha. Foram realizadas análises visuais, análise da morfologia da fratura através da microscopia óptica e eletrônica de varredura. Posteriormente o material foi caracterizado metalurgicamente através de metalografia e ensaio de dureza. Análises metalúrgicas indicaram que ocorreu um processo de fadiga com uma pequena superfície de propagação originada em defeitos superficiais (arrancamentos e pittings ). As análises indicaram, também, a ocorrência de uma grosseira rede de carbetos primários sobre a matriz martensítica do material. Foi constatado que a falha da barra de prensa foi oriunda da alta susceptibilidade ao entalhe do material utilizado aliada a defeitos microestruturais. Finalmente, sugerem-se algumas alterações no material a fim de aumentar a vida em fadiga da barra. Palavras-chave: barra prensa, pittings, fratura, fadiga. INTRODUÇÃO O trabalho envolve a análise de falha em duas partes de uma barra de prensa para forjamento que rompeu em serviço. A barra possui seção de 220x140mm e 1700mm de comprimento e aciona cinco punções extratores. O projeto original da barra prevê a utilização de um aço X210CrW12 (VC 131), porém na barra foi utilizado o aço VD2. A barra reposta foi fabricada com o aço AISI 4140 beneficiado e com tratamento de têmpera por indução na face que mantém contato com os punções extratores. As análises desenvolveram-se de acordo com a metodologia indicada pela literatura de análise de falhas (1-4). A primeira etapa da análise da falha consistiu na análise das superfícies da fratura a vista desarmada e em lupa de baixo aumento. Depois de identificado os macromecanismos de falha, foi retirada uma seção da provável região de início da falha e analisada em microscópio eletrônico de varredura (MEV). A partir das regiões analisadas no MEV foram preparados corpos de prova para análise microestrutural e realizado ensaio de dureza. Os corpos de prova foram preparados através dos procedimentos metalográficos de corte mecânico, embutimento, lixamento, polimento e ataque químico, sendo analisados em microscópio óptico. Através do conjunto de todas as evidências obtidas nas etapas da análise determinou-se a causa da falha. 2210
MATERIAIS E MÉTODOS Análise visual As duas superfícies de fratura, como mostra a Fig.(1) foram submetidas a inspeção visual e em lupa de baixo aumento. A fratura da extremidade (b) apresentou linhas radiais advindas de toda aresta da mudança de seção, conforme a Fig.(2). Na fratura do corpo da barra (a) foi encontrada uma pequena região de convergência de linhas radiais, tratando-se de um processo de fadiga, conforme as Fig.(3) e Fig.(4). Com isso o enfoque das análises para as próximas etapas foi dado para esta região. Figura 1. Macrografia mostrando o componente analisado. Observa-se uma ruptura ao centro (a) e rupturas nas extremidades (b). Aumento: 0,5x. Figura 2. Detalhe (b). Aspecto de ruptura por sobrecarga com linhas radiais seguindo a partir de toda a aresta de mudança de seção. Aumento: 6x. Figura 3. Detalhe (a) da fratura central onde se observam as linhas radiais partindo do vértice superior direito indicado pelo retângulo. Aumento: 6x. 2211
Figura 4. Imagem evidenciando as marcas radiais partindo do vértice, com uma pequena superfície lisa com aspecto de fadiga. Aumento: 10x. Análise em microscópio eletrônico de varredura (MEV) A região de interesse foi extraída através de corte metalográfico com serra abrasiva e foi analisada no MEV, revelando marcas de praia na região de início da falha que caracterizam o processo de fadiga, como mostra a Fig. (5A). Foram observados também, micromecanismos de separação intergranular sobre a superfície de propagação e, principalmente, no ponto inicial, de acordo com a Fig.(5B). Os micromecanismos de clivagem detectados ao longo de toda a fratura, aparentemente são oriundos da separação de segundas fases, como visto na Fig.(6A). Estas fases com clivagem apresentaram dimensões consideráveis. No final da fratura foram identificados os micromecanismos de coalescimento de microcavidades, sendo que estes micromecanismos circundavam os carbetos esferoidizados, conforme a Fig.(6B). A face externa retificada da barra também foi analisada no MEV. O processo de retífica foi realizado ao longo do eixo principal da barra de tal forma que as marcas de desgaste abrasivo seguiram ortogonalmente à fratura. Desta forma, ocorreram pequenos pontos de nucleação de trincas secundárias em concentrações das segundas fases e "pittings" de corrosão ou arrancamentos, através de ataque químico mais severo revelaram-se carbetos alinhados, como mostram as Fig.(7A) e Fig.(7B). Tais fases foram analisadas em microssonda onde se observou alta concentração de Cr e V, como observado na Fig.(8). Figura 5. Em A micrografia no MEV da região de início da fratura mostrando as marcas de praia. Em B micrografia mostrando os micromecanismos de fratura intergranular próximo à superfície. 2212
Figura 6. Em A micrografia mostrando facetas de clivagem em segundas fases observadas na região de propagação da fadiga. Em B micrografia mostrando o final da propagação com coalescimento de microcavidades circundando os carbetos esferoidizados. Figura 7. Em A observa-se o aspecto da face retificada onde se revelaram carbetos alinhados (placas claras). Em B observa-se o aspecto superficial da face retificada com a presença de carbetos alinhados e pittings oriundos, provavelmente, do arrancamento de carbetos.ataque:nital10%. Figura 8. Espectro de microssonda EDS aplicada a uma das fases. Trata-se de carbetos com traços de vanádio, cromo e ferro. Microestrutura e dureza Foi retirado um corpo de prova da região de início da falha na região do corpo da barra e preparado através de procedimentos metalográficos de embutimento, lixamento, polimento e ataque químico. Em uma primeira etapa analisou-se o corpo de prova sem ataque químico onde se observou a presença de uma microtrinca partindo da parede externa logo abaixo da superfície de fratura, de acordo com a Fig.(9). Realizou-se, então, uma análise microestrutural para confirmar a presença das segundas fases. Observou-se uma rede de carbetos primários grosseira sobre uma matriz martensítica revenida, como mostra as Fig.(10A) e Fig.(10B), com refinado tamanho de grão, e carbetos esferoidizados dispersos como observado nas Fig.(11) e Fig.(12). O ensaio de dureza Vickers, utilizando carga de 300N, forneceu uma dureza média de 710 HV 30. 2213
Figura 9. Microtrinca partindo da parede externa logo abaixo da superfície de fratura. Sem ataque; Aumento: 100x. Figura 10. Em A microestrutura do material formada por uma matriz martensítica revenida e uma rede de carbetos primários. Em B detalhe observa-se a formação de carbetos primários aciculares.ataques: Villela; Aumentos: 50x e 200x. Figura 11. Micrografia mostrando grãos de pequeno tamanho formando uma matriz martensítica revenida e carbetos dispersos, além de um carbeto alongado. Ataque:Nital10%; Aumento: 200x. Figura 12. Micrografia mostrando tamanho grão em torno de 9 ASTM e carbetos esferoidizados dispersos. Ataque: nital 10%; Aumento: 1000x. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS As análises indicaram que a barra rompeu por fadiga devido à solicitação de flexão repetida. A trinca propagou de forma elíptica junto a um dos vértices inferiores, região de maior tensão trativa, 2214
com comprimento extremamente pequeno (menos de 10mm de propagação) em relação à dimensão da barra (220mm). Tal morfologia indica o alto nível de tensões envolvido e a grande susceptibilidade ao entalhe do material utilizado. Com efeito, aços ferramenta como o utilizado (VD2), com elevada dureza, e também aquele prescrito em projeto apresenta baixa tenacidade à fratura. Qualquer anormalidade superficial tal como "pittings" de corrosão ou arrancamentos de fases grosseiras já são suficientes para nuclearem uma trinca por fadiga. A condição microestrutural do material, com uma grosseira rede de carbonetos de cromo e vanádio, aliada à questão superficial também é danosa à resistência à fadiga da barra, pois acelera não somente a nucleação de trincas (arrancamento e concentradores de tensões) como sua propagação, visto que ocorreram evidentes facetas de clivagem sobre estas fases grosseiras. CONCLUSÕES O material utilizado (VD2) e o material especificado (VC131) são inadequados para a fabricação da barra suporte de punções extratores, visto que apresentam grande suscetibilidade ao entalhe. A microestrutura formada por uma rede grosseira de carbetos primários, associada a questão das irregularidades superficiais, acelerou o processo de falha. Como foi observado neste trabalho, o ponto crítico quanto à fadiga encontra-se na face oposta. Foi sugerido a utilização do aço AISI 4140 ou do aço AISI 4340, que apresentam maior tenacidade, sendo conservadas a condição superficial de retífica e a têmpera por indução na face crítica com maiores tensões de trabalho. REFERÊNCIAS (1) C. A. Cassou, Metodologia de Análise de Falha, Dissertação de Mestrado, Programa de Pós Graduação de Engenharia Metalúrgica, Minas e Materiais (PPGEM) - UFRGS, (1999) Brasil (2) Metals Handbook - ASM, Failure Analysis and Prevention, 9 th edition, (1986) Volume 11, USA. (3) S. Nishida, Failure Analysis in Engineering Aplications, Butterworth-Heinemann, (1992) Great Britain (4) J.E. Shigley, C. R Mischke, Mechanical Engineering Design, McGraw-Hill International Editions, 15 th edition, (1989)USA. 2215
FAILURE ANALYSIS OF A PRESS BAR S. Griza, S. Pecantet, R. Hoppe, T. Renck, T. R. Strohaecker Av. Osvaldo Aranha, 99-sala 610, Centro, Porto Alegre-RS, 90035190 - sandro@demet.ufrgs.br PPGEM-UFRGS ABSTRACT The present paper studies the causes that lead a forging press bar to fail during operation. The press bar is 220x140 mm wide and 1700mm long and drives five extractor punches. It was performed visual inspection, optical microscope and SEM analysis. Further more the press bar material was caractherized by metallography and microhardness testing. It was found a fatigue process with a small propagation area originated from surface defects (pittings). Also it was observed a coarse primary carbide network in the martensític microstructure of the material. The failure of the forging press bar was due to the high notch sensitivity of the material and to the microestructural defects. Finally, suggestions are presented to increase the fatigue life of the press bar. Keywords. press bar, pittings, fracture, fatigue. 2216