MARINAMORETAO
Análise de Falhas em Aços Alto Carbono
São Paulo
2019
MARINAMORETÃO
Análise de falhas em aços alto carbono
Versão Original
Dissertação apresentada à Escola
Politécnica da Universidade de São Paulo
para obtenção do título de Bacharel em
Engenharia de Materiais.
Área de Concentração: Metalurgia
Orientador: Prof. Dr. Eduardo Franco de Monlevade
São Paulo 2019
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Catalogação-na-publicação
retão MarinaFalhas em Aços Alto Carbono / M. Moretão - São Paulo. 2019 35 P
Trabalho de Formatura - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
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AGRADECIMENTOS
À Deus por me darforças e saúde ao longo detoda a minha graduação para concluir meu cu rso .
Aos meus pais Pedro e Neiva, por terem me dado todo o suporte para que eu pudesse
me dedicar integralmente
aos estudos, e por todo o carinho que me deram nos
momentos de dificuldade que eu enfrentei ao longo de todos esses anos degraduação.
Ao meu irmão Arthur por ter despertado meu desejo de estudar na USP e ter me
mostrado que apesar das dificuldades era possível realizar esse sonho.
Ao meu orientador o Prof' Dr. Eduardo Franco de Monlevade, por ter aceitado me orientar e por ter me motivado a seguir com o meu trabalho, até quando eu mesma já
não acreditava que daria certo. Pelo apoio nas análises experimentais e durante toda a elaboração do trabalho.
Aos técnicos de laboratório Daniel e Rafael pela ajuda na preparação das amostras que usei para análise.
Às minhas amigas Karen e lsadora por me cobrarem incansavelmente os avanços do TCC
Aos meus amigos Mana e Joaquim pela companhia nas tardes e noites que eu passei em frente ao computador, me dedicando a este trabalho.
MORETÃO, M. Análise de Falhas em Aços Alto Carbono. 2019. Dissertação
(Bacharel em Engenharia de Materiais) -- Escola Politécnica, Universidade de São
Paulo, São Paulo, 2019.
Nesta dissertação foram realizadas duas análises de falhas para peças confeccionadas em aço alto carbono, sendo uma delas um disco utilizado para o corte de pedras e a outra uma mola plana de alta resistência. Foram utilizadas técnicas de
microscopia óptica e de observação em lupa estereoscópica para analisar a microestrutura dos materiais danificados e identificar a causa raiz das falhas. Foi
possível determinar que a folga utilizada no processo de corte por estampagem e a presença de segregação na microestrutura do aço foram os motivos pelos quais o disco de corte acabou fraturando. E, para a mola, devido a presença de oxidação na superfície da trinca foi possível limitar as possibilidades de causas para a nucleação da falha à três opções, primeiro. o processo de corte a plasma, segundo, o processo de usinagem e terceiro, o processo de têmpera, sendo necessário a coleta de dados de outras amostras para determinar a exata causa raiz. Ou seja, em ambos os casos a falha ocorreu em uma das etapas de beneficiamento do material, e poderia ser evitada por meio de pequenos ajustes nos processos de produção.
ABSTRACT
MORETÃO, M. Failure Analysis in High Carbon Steel. 2019. Dissertação (Bacharel em Engenharia de Materiais) -- Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São
Paulo, 2019.
In this dissertation, failure analysis was performed on two high carbon steel pieces, one of which was a disk used for cutting stones and the other a high strength flat spring. Optical microscopy and magnifier stereoscopic techniques were used to analyze the microstructure of the damaged materiais and to identify the root cause of the defects.
It was possible to determine that the gap used in the stamping cut process and the
presence of segregation in the steel microstructure were the reasons why the cutting disc fractured. And, for the plane spring, due to the presence of oxidation on the surface of the crack, it was possible to limit the possibilities of causes for nucleation of the crack to three options, first, the plasma cutting process, second, the machining process and third, the quenching process, requiring the collection of data from other
samples to determine the exact root cause. Therefore, in both cases the failure
occurred in one of the processing stages of the material and could be avoided by small adjustments in the production processes.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Disco para corte de pedra
2.2. Mola em disco
2.3. O aço alto carbono... 2.4. Segregação em aço alto carbono
2.5. Processos de beneficiamento utilizados
2.5.1 . O corte por estampagem .
2.5.2. O corte a plasma
2.5.3. Têmpera e revenimento. 3. ANALISE EXPERIMENTAL... 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4. 1 . Disco de Serra 4.1.1. Lupa Estereoscópica ... 4.1.2. Microscópio (óptico 4.2. Mola 5. CONCLUSÕES... REFERÊNCIAS 9 ..9 10 10 1 1 12 12 17 18 22 23 23 23 24 28 33 347
1. INTRODUÇÃO
Não há dúvidas de que o aço é um componente de extrema importância para a economia e o desenvolvimento da indústria brasileira. O Brasil, segundo dados do Instituto Aço Brasil (2017), ocupa a quinta posição no ranking mundial de exportação
líquida de aço, tendo alcançado em 2017 um saldo positivo de 13 milhões de
toneladas. São ao todo 29 usinas siderúrgicas espalhadas pelo país, que juntas produzem cerca de 35 milhões de toneladas de aço por ano, das quais, mais dametade são consumidas pelo mercado interno e o restante alimenta as demandas de mais de 100 países ao redor do mundo.
O aço utilizado pelo mercado interno visa atender as mais diversas indústrias, que vão desde a fabricação de carros, implementos agrícolas, implementos rodoviários, eletrodomésticos, componentes para a construção civil, indústria naval e até embalagens. Para transformar o aço, que normalmente é comercializado em forma de bobinas, chapas e rolos, em produtos acabados, as indústrias fazem uso de
diversos tipos de processos de beneficiamento.
As etapas de beneficiamento do aço podem incluir processos de corte, dobra,
relaminação, tratamentos térmicos de endurecimento, recozimento, soldagem e
também pintura. Durante a execução dessas etapas, um rígido controle de diversos
parâmetros
de processamento
é necessário,
para impedir
o aparecimento
de
possíveis trancas, porosidade e zonas com alta concentração de tensão residual, que podem levar ao mal funcionamento de um componente metálico ou até à uma falha em serviço, com consequências catastróficas.As falhas de peças e componentes de aço podem ser um indicativo de alguma inconformidade no processo de produção, da ocorrência de desgaste excessivo. quando não observadas as etapas de manutenção adequadas, ou então, da utilização inapropriada da peça ou componente. Em ambos os casos um processo investigativo de análise de falhas pode apontar com precisão a causa raiz do problema, indicando as medidas necessárias para sua correção. Além disso, possibilita a identificação de pontos de aprimoramento do processo produtivo, melhorando sua eficácia.
No presente trabalho serão analisados dois casos de falha em serviço de componentes confeccionados em aço alto carbono. O primeiro, um disco de aço SAE
1080 utilizado no corte de pedras ornamentais, o segundo, uma mola plana produzida com aço SAE 1 075 temperado e revenido. Para ambos os casos o objetivo é identificar a causa do problema e propor alternativas de solução, de modo a evitar a reincidência das falhas.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 . Disco para corte de pedra
As rochas ornamentais utilizadas pela construção civil no revestimento de pisos e paredes, confecção de pias, lavabos, mesas e outros tipos de mobiliário e objetos de decoração, são retiradas da natureza e trabalhadas até atingirem as características
desejadas pelo mercado. As rochas são extraídas em blocos pela indústria da
mineração e passam por diversas etapas de beneficiamento, como processos de serragem, que transformam os blocos em chapas, esquadrejamento, polimento e
Para adequar as chapas de pedra às dimensões e necessidades do mercado
consumidor, são utilizados discos de corte diamantados. Esses discos são
confeccionados em aço de alta resistência, e possuem segmentos de ligas metálicas
diamantadas soldados à sua borda. De acordo com a espessura da pedra a ser
cortada, o diâmetro dos discos pode variar entre 300 e 4000 mm.
A vida útil desses discos, bem como a qualidade de corte por eles alcançada, é influenciada por diversos fatores, que incluem características de dureza e tamanho
de grão do metal utilizado, etapas de fabricação dos discos (corte, usinagem
e
tratamentos térmicos), velocidade de avanço, direção e profundidade de corteaplicadas e até mesmo a eficiência do fluido refrigerante utilizado (IDEMBURGO,
No presente trabalho, será analisado o caso de um disco de corte de pedra que falhou no momento de seu travamento no eixo de sustentação da ferramenta de corte. O disco, adquirido de um fornecedor nacional, apresentou trincas que se propagaram a partir do furo central em direção às extremidades, impossibilitando sua utilização. lustro
2.2. Mola em disco
A mola analisada neste relatório possui espessura de 10 mm e foi fabricada a partir de um aço SAE 1075 com elevado teor de cromo. A chapa de aço utilizada na confecção da mola passa por uma série de processos de beneficiamento até atingir as características desejadas, o plasma é utilizado para cortar círculos concêntricos com os diâmetros adequados dl e d2, os discos passam então por um processo de
usinagem para adquirir uma forma levemente abaulada, por último, a mola é
temperada e revenida para melhorar suas propriedades mecânicas. A figura l ilustra a transformação do aço ao longo das etapas de beneficiamento.
Figura 1: Esquema ilustrativo das etapas de produção de uma mola plana
Todo esse processamento resulta em alterações na mícroestrutura do material. podendo levar a formação de defeitos indesejados, responsáveis pela falha desse componente. No caso em análise, a mola apresentou uma trinca que se estendeu ao longo de todo seu o perímetro, aproximadamente na altura correspondente ao meio
da sua espessura.
2.3. O aço alto carbono
Com teores de carbono variando entre 0,60 e 1 ,40%p, os aços com alto teor de carbono são os que apresentam maior dureza e mais elevada resistência mecânica
dentre todos os aços carbono. Tratamentos de endurecimento e revenimento
normalmente são utilizados na fabricação desses aços, que consequentemente, possuem resistência bastante elevada ao desgaste e à abrasão.
Os aços utilizados na fabricação de ferramentas de corte, lâminas de serra.
moldes para conformação de outros materiais e molas com alta resistência
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como vanádio, molibdênio e tungstênio. A adição desses elementos de liga resulta em compostos à base de carbetos com elevada dureza e resistência à abrasão, como o
Cr23C6, V4C3 e WC.
Os aços do tipo SAE 1080 e SAE 1075 são aços com porcentagem média de
carbono de 0,80% e 0,75%, respectivamente.
Para esse teor de carbono a
microestrutura predominante quando há austenitização seguida de resfriamento lento é a permita, conforme diagrama da figura 2. A perlita é uma microestrutura composta pela combinação das fases ferrita, que possui baixo teor de carbono, e cementita, com concentração de carbono bastante elevada (CALLISTER JR., 2002).
Esses tipos de aço possuem elevada resistência à ruptura, geralmente superior 75 kg/mm2, altíssima dureza, são facilmente temperáveis e não podem ser soldados. Por tanto, são indicados para finalidades que exigem dureza e resistência elevadas como a fabricação de cabos, molas, serras e brocas(DE PAULll ULIANA, 1996)
0 0.4 0,8 1,2 1,6 2,0%c
Figura 2 Variação da percentagem de perlita em função do teor de carbono nos aços resfriados lentamente
ICALUSrEK JR., 2002).
2.4. Segregação em aço alto carbono
A segregação é um fenómeno natural que acontece no decorrer da solidificação de ligas metálicas. Durante a passagem do estado líquido para o sólido o material passa por alterações microestruturais e de volume que resultam em alterações nas características físicas e químicas da liga.
O aço, que se trata de uma liga Fe-C normalmente enriquecida com elementos químicos como Si, Mn e Cr, além de impurezas como S, P, H, O, N, introduzidos
durante os processos de fusão e refino, também está sujeito a ocorrência de
segregação (PEIXOTO, 2007).
Quando líquido, o aço possui composição química homogênea, porém, durante a solidificação cada elemento químico apresenta um nível de solubilidade no aço sólido. Consequentemente, os solutos podem se acumular na interface de solidificação, o
que acaba dando origem a uma distribuição alternada de bandas de diferentes
microestruturas com diferentes composições, dispostas paralelamente na direção de
deformação do material.
Para os aços ligados é possível haver a formação de bandas de ferrita e perlital
ferrita, perlita e bainital ferrita, perlita e martensital bainita e martensita, ou seja,
microestruturas provenientes de processos de têmpera, recozimento e também estruturas intermediárias, em um mesmo capo metalográfico. As estruturas formadas dependem da velocidade de resfriamento e dos elementos de liga presentes.
Aços alto carbono que possuem quantidade elevadas de elementos de liga
formadores de carbonetos, como vanádio, molibdênio, cromo ou manganês são especialmente suscetíveis segregação dendrítica. Estes carbonetos se formam
preferencialmente nos espaços interdendríticos e ali permanecem após o resfriamento do aço, dando origem a uma sequência intercalada de bandas ricas em carbonetos e bandas pobres em carbonetos.
A presença da segregação acaba resultando em heterogeneidade das propriedades mecânicas do aço. além da formação de bandas com dureza
extremamente elevada, o que facilita o desgaste e fragiliza as peças produzidas com esse material (DA SALVA, 1995).
2.5. Processos de beneficiamento utilizados
2.5.1. O corte por estampagem
O corte por estampagem se processa pelo movimento relativo de um punção contra uma matriz, que resulta na separação de parte do material da chapa com a
13
processo pode ser utilizado tanto para a criação de furos em uma chapa, com o formato do punção, quanto para a criação de peças com esse formato a partir da
chapa.
A figura 3 mostra esquematicamente os componentes básicos desse tipo de ferramenta. Nota-se que perímetro do punção deve ser ligeiramente menor que o perímetro da matriz, de forma que exista uma folga entre as duas partes, o que permite a penetração do punção na matriz, separando a chapa em dois segmentos. Essa folga é um dos principais fatores que influenciam a qualidade final do corte.
Figura 3: Elementos básicos de uma ferramenta de corte por cisalhamento. l-punção, 2- matriz, 3- base da ferramenta, 4- chapa, f- folga punção-matriz, F - força de corte IDE SOUZA, 2001).
O corte por estampagem resulta na formação de regiões características, conforme ilustrado na figura 4, atribuídas à maneira como as tensões se distribuem pela chapa durante a separação das duas partes. A presença dessas regiões permite descrever qualitativamente o resultado do corte.
Figura 4 Regiões características de um corte por estampagem. a - zona de arredondamento, b
cisalhada, c - zona fraturada, d - rebarba, e -- empenamento(DE SOUZA, 2001).
zona
O processo de corte por estampagem segue algumas etapas, conforme
representado abaixo na figura 5. O corte tem início quando a força exercida pelo
punção provoca uma deformação elástica na chapa. Essa força promove a elevação das extremidades da chapa devido a existência de uma pequena folga entre o punção
e a matriz. Rapidamente,
a chapa começa a deformar plasticamente,
resultando
na
formação da zona de arredondamento. Com o avanço da deformação forma-se a zona
de cisalhamento,
devido ao escoamento
do material provocado
pelo esforço do
punção. O cisalhamento ocorre na direção do plano estabelecido pelo punção e pela matriz, perpendicular ao plano da chapa.
O material vai encruando gradativamente, até que o limite de deformação da seção da chapa seja atingido. Neste instante, ocorre a formação de uma trinca na aresta de corte da matriz, com a direção da máxima tensão de cisalhamento. A trinca provoca, então, a formação da zona fraturada que possui aspecto rugoso e oblíquo, e é também
responsável pelo tipo e tamanho da rebarba resultante. Uma vez separado o
seguimento de interesse, a chapa acaba se comprimindo em volta do punção, devido ao retorno elástico. Por último, com um movimento ascendente, o punção é extraído da chapa (DE SOUZA, 2001).
15
Figura 5 Sequência das etapas de corte por estampagem. 1 - punção, 2 chapa, 3 -- matriz IDE SOUZA, 2001)
A qualidade resultante do corte está relacionada principalmente ao material da chapa e à folga existente entre o punção e a matriz. Segundo Souza (2001), a folga ideal está diretamente relacionada ao desgaste das partes ativas da ferramenta de
corte, porque quanto menor o espaço entre a matriz e o punção, maior a força
necessária para promover o corte da chapa. A fórmula para determinar a folga mais adequada para um corte varia, mas em geral, materiais mais macios e de menor espessura exigem folgas menores, e materiais mais duros e de maior espessura, exigem folgas maiores. Souza (2001) destaca ainda que é prática comum calcular a folga como espessura da chapa dividida por 20, 16 ou 14, para metais macios (aço doce, latão e similares), aço médio e aço duro, respectivamente.
O corte ideal, segundo Focosi et. al. (2010) é composto por um terço da
espessura da chapa de corte cisalhado, com aspecto brilhante e dois terços da espessura de corte com estouro, ou seja, de aspecto fosco. conforme figura 6. Nessas
condições, o material apresenta boas características que possibilitam seu
aproveitamento, mesmo que as próximas etapas de processamento e uso exijam maior maleabilidade do material.
figura 6: Bobina de aço com corte adequado(FOCOSI et. al., 20i01
Ainda segundo Focosi et. al. (2010) quando a folga utilizada está muito larga o
corte tende a sair estourado, com aspecto fosco. Nesse caso, trincas podem aparecer nas etapas seguintes de processamento e uso do material. Para folgas um pouco mais abertas que o ideal, o corte pode sair encaroçado, com regiões concentradoras de tensão, mas que ainda assim resulte em um corte aceitável, porém distante do que seria ideal. Por último, se a folga estiver muito apertada, o corte fica cisalhado, com aspecto brilhante, devido a excessiva deformação plástica que causa o encruamento
da região, favorecendo
a formação
de trincas nas etapas seguintes
de
processamento, ainda que o material passe por recozimento. A figura 7 abaixo ilustra essas possíveis inconformidades resultantes da utilização de uma folga inadequada.
Figura 7: Possíveis defeitos do processo de corte. A - Corte estourado, B - Corte encaroçado, C Corte cisalhado
17
2.5.2. O corte a plasma
Quando um gás é aquecido a temperaturas superiores a 2000'C suas ligações
moleculares começam a se separar, transformando-se em seus átomos constituintes.
Para temperaturas ainda mais altas, em torno de 30000'C, acontece a ionização
desses átomos, neste estágio o gás é denominado plasma e é composto de partículas carregadas.
O processo de corte a plasma trata-se de um procedimento térmico utilizado no beneficiamento de materiais. Desenvolvido na década de 1950, ele representa uma
alternativa ao processo de corte a laser, mas com menor custo de aquisição e
manutenção e maior produtividade, e que pode ser utilizado para materiais condutores e não-condutores (BEGIC, D.; et. al., 2012).
A figura 8 ilustra esquematicamente os componentes de um equipamento de corte a plasma. No processo, um arco elétrico é aberto entre o eletrodo da tocha e a chapa que será cortada. um gás de corte sob alta pressão é aquecido por esse arco elétrico, e a medida que a temperatura do gás aumenta suas moléculas se dissociam e ionizam formando então o plasma, que é direcionado à peça através de um bocal de diâmetro bem pequeno que proporciona alta velocidade ao plasma. Ao tocar a chapa, as partículas se recombinam e voltam ao estado gasoso, consequentemente, a energia que havia sido absorvida é transferida para o material provocando sua fusão, a alta velocidade do gás remove o material que foi fundido.
Eletroda
Gásde Col Gás de Proteção
Bocal
Chapa
A precisão e a qualidade do corte alcançados por essa técnica dependem de fatores como a espessura e o tipo de material cortado, a velocidade da tocha, o diâmetro do feixe de plasma, o tipo de gás utilizado (hidrogênio, argõnio, nitrogênio, hélio, oxigênio ou até mesmo ar comprimido) e também da vazão (GORDOS CARVALHO; SOARES, 2006).
2.5.3. Têmpera e revenimento
Têmpera é o nome dado ao tratamento térmico utilizado para promover o
endurecimento de uma liga através da formação de martensita. A transformação martensítica acontece pelo resfriamento rápido e contínuo de um aço austenitizado
em contato com um meio refrigerante
como água, óleo ou ar. A velocidade
de
resfriamento deve ser tal que não ocorra difusão dos átomos de carbono, sendo assim, a transformação martensítica acontece instantaneamente, e por isso, independe do
tempo.
A martensita é a mais dura e mais frágil microestrutura existente entre todas as
ligas de aço. Sua estrutura monofásica, tetragonal de corpo centrado (TCC).
apresenta ductilidade praticamente nula, o que na prática inviabiliza sua utilização
sem um prévio tratamento de revenimento. A dureza da martensita aumenta proporcionalmente à quantidade em peso de carbono, até uma concentração
aproximada de 0,6%p, na qual a dureza da martensita assume um valor estável mesmo com a elevação da concentração de carbono.
A extrema dureza apresentada pela estrutura martensítica está relacionada à dois fatores principais, primeiro, à baixa concentração de planos de escorregamento em sua estrutura, ao longo dos quais as discordâncias podem se mover, e segundo, à
boa eficiência com a qual os átomos de carbono ocupam os interstícios da
microestrutura impedindo a propagação das discordâncias. A martensita funciona como uma solução sólida supersaturada, onde os átomos de carbono permanecem como impurezas na microestrutura. e quando aquecida a temperaturas onde as taxas de difusão se tornam significativas ela rapidamente se converte em outras estruturas.
19
Durante a transformação martensítica, que acontece através da têmpera do aço, observa-se um aumento do volume líquido do material, pois a austenita é ligeiramente mais densa que a martensita. Essa expansão volumétrica pode resultar na formação de trincas em peças relativamente grandes devido ao acumulo de tensões internas. caso a velocidade de têmpera seja muito elevada. E, segundo Callister Jr. (2002), aços com teor de carbono superior a 0,5%p são especialmente suscetíveis a esse tipo de problema
Para minimizar as tensões internas provenientes da têmpera e melhorar a
ductilidade e a tenacidade da martensita, utiliza-se o processo de tratamento térmico
conhecido como revenimento.
Esta etapa de tratamento térmico consiste em aquecer o aço martensítico a uma temperatura inferior a temperatura eutetóide, por um determinado intervalo de tempo.
Usualmente
as temperaturas utilizadas giram em torno de 250'C e 650'C. Esse
processo permite a ocorrência de difusão, dando origem a martensita revenida,composta pelas fases estáveis ferrita e cementita, de acordo com a equação abaixo. martensita ---' martensíta revenida
[TCC, Monofásica) (Fases a+ FesC)
A martensita revenida é composta de partículas muito pequenas e duras de
cementita distribuídas de forma uniforme em uma matriz contínua e relativamente tenaz de ferrita, e possui dureza e resistência quase tão elevadas quanto a martensita.
A dureza dessa estrutura está diretamente relacionada a grande proporção de contornos existentes entre as fases ferrita e cementita, que atuam impedindo a
movimentação das discordâncias durante a deformação plástica. Entretanto, a presença de uma matriz contínua de ferrita, que possui boa ductilidade e tenacidade
relativamente alta, resulta em uma melhoria dessas propriedades em relação a
estrutu ra martensítica.
Quanto maior o tamanho das partículas de cementita, menor a quantidade de contornos e, consequentemente, mais tenaz e mais fraca se torna a martensita revenida. A temperatura e o tempo de tratamento são fatores determinantes no tamanho das partículas de cementita. Como a transformação de martensita em martensita revenida depende da difusão dos átomos de carbono, quanto maior a
temperatura de tratamento mais rápido o processo de difusão, maiores as partículas
de cementita resultantes e, portanto, maior a taxa de amolecimento do material. A
figura 9 ilustra como as propriedades de resistência à tração e de escoamento e a ductilidade de um aço-liga temperado em óleo variam em função da temperatura de revenimento. '8 T r \perdura ü rovenido ('F} P E g $ © 'Q-Q Ê Ü
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» « Ü' g @ B a g 8 2 E ..J t2{D lú® 30G 4Q0 500 $0© TempemMra de FQwrüdo {'c}Figura 9: Variação dos limites de resistência à tração e de escoamento, e ductilidade j%RA) em função da temperatura de revenido para um aço-liga temperado em óleo(CALLISTER JR., 2002).
O processo de revenimento pode resultar em uma diminuição indesejada na tenacidade do material, denominada fragilização por revenido. Esse comportamento é observado quando o tratamento de revenimento acontece a uma temperatura superior a 575'C seguido de um resfríamento demorado até a temperatura ambiente, ou ainda, quando o revenimento acontece em temperaturas entre 375' e 575'C.
Entretanto, Callister Jr. (2002) ressalta que apenas aços contendo quantidades elevadas dos elementos de liga manganês, níquel ou cromo, associados a um ou mais
21
elementos como antimónio, fósforo, arsênio ou estanho, em concentrações significativamente mais baixas, é que estão sujeitos a sofrer fragilização por revenido. Acontece que esses elementos de liga e impurezas elevam consideravelmente os valores de temperatura de transição dúctil-frágil, desse modo, a temperatura ambiente
fica abaixo da temperatura de transição, na região de fragilidade, podendo levar a
3. ANÁLISE EXPERIMENTAL
Para a análise de falha do caso do disco de corte foram considerados dois tipos de aço. Um deles proveniente de um fornecedor nacional, do qual resultou a falha em
questão, e um segundo proveniente de um fornecedor chinês, que apresentou
desempenho satisfatório.
Do aço brasileiro foram consideradas amostras da chapa de aço utilizada na
confecção dos discos de corte, antes de qualquer etapa de processamento, e
amostras provenientes do furo central do disco. Para o aço chinês foram utilizadas
amostras apenas do furo central. As amostras foram cortadas com serra em
seguimentos com largura de aproximadamente 10 mm e embutidas em baquelite.
Para a análise de falha no caso da mola plana foram utilizadas apenas
amostras da própria peça danificada. A mola também foi cortada com serra emseguimentos menores, com largura de aproximadamente 20 mm~e embutida em baquelite.
As peças embutidas de ambos os aços, 1080 e 1075, foram lixadas com lixa 1200 e então, polidas em politriz orbital por cerca de 3 minutos para cada etapa de polimento, utilizando sucessivamente pastas de polimento de 6 Fim, 3 pm e l pm, por fím, as amostras foram atacadas com nital 2 % para ter sua microestrutura revelada.
Todas as amostras foram observadas em lupa estereoscópica e em
microscópio óptico com diversos aumentos e as imagens de ambos os equipamentos
23
4. RESULTADOSEDISCUSSAO
4.1.Disco de Serra
4.1.1. Lupa Estereoscópica
O primeiro aspecto analisado foi a qualidade da superfície de corte resultante do processo de corte por estampagem, tanto para o aço chinês como para o brasileiro. Para tanto foram utilizadas as sobras de aço do furo introduzido no centro do disco.
Essas amostras foram observadas em lupa estereoscópica e o resultado está
representado nas figuras 10 e 1 1 a seguir.
Figura 10 A e B: Amostra do aço SAE 1080 do fornecedor nacional observado na lupa estereoscópica
A figura 10 mostra que o processo de corte utilizado pelo fornecedor nacional resultou em uma superfície encaroçada, esse resultado é um indicativo de que a folga utilizada no corte por estampagem está mais aberta que o ideal, conforme descrito por Focosi et. al. (2010). Além disso, pode-se observar que o encaroçamento é mais significativo em um dos lados da amostra, figura 1 0-B, isso porque o centro punção não está alinhado exatamente com o centro da matriz, resultando em uma folga mais larga de um lado do que do outro.
A presença desses defeitos favorece a formação de regiões de acúmulo de tensão, que podem levar ao aparecimento e à propagação de trincas nas etapas seguintes de processamento desse aço, ou até mesmo durante a utilização da peça final
X
Figura ll - A e B: Amostra do aço SAE 1080 do fornecedor chinês observado na lupa estereoscópica
A figura 11, por outro lado, mostra que o processo de corte utilizado pelo
fornecedor chinês resultou em uma superfície mais uniforme. E que, a pesar de não respeitar a proporção considerada ideal de 1/3 da espessura cisalhada e 2/3 da espessura com estouro (Focosi et. al., 2010), o corte não apresentou defeitos que impedissem um desempenho satisfatório em serviço.
4.1.2. Microscópio Óptico
A segunda análise consistiu em realizar a metalografia das amostras dessa sobra de material do furo em um microscópio óptico, as figuras 12 e 13 mostram os resultados obtidos.
25
figura 12: A - Amostra do aço chinês observado em microscópio óptico com aumento de 200x, natal 2%. B
Amostra do aço brasileiro observado em microscópio óptico com aumento de 200x, nital 2%.
Comparando as figuras 12-A e 12-B, percebe-se que o aço brasileiro possui uma série linhas horizontais e paralelas de coloração mais escura, o que não acontece para o aço chinês. Essas linhas são um indicativo da ocorrência do fenómeno de
segregação de carbono e outros elementos de liga durante a solidificação. A
segregação resulta na formação de bandas com microestrutura diferente do restante do material, a presença dessas bandas provoca variações nas propriedades
mecânicas do aço que o tornam mais frágil e mais suscetível a falhas.
Ainda na microscopia da figura 12-A, pode-se observar que o material chinês possui em sua microestrutura uma quantidade de permita fina (região de coloração marrom da microscopia) muito maior que a quantidade perlita grossa (região de coloração cinza claro da microscopia). O contrário acontece para o aço brasileiro, a microscopia da figura 12-B mostra a existência de grandes regiões de perlita grossa
e regiões de perlita fina em quantidade muito menor que no aço chinês. A figura 13
apresenta com mais detalhes a distribuição das regiões de perlita fina e de perlita
Figura 13: A - Amostra do aço chinês observado em microscópio óptico com aumento de 500x nital 2%
Amostra do aço brasileiro observado em microscópio óptico com aumento de 500x, nital 2%.
B
Esse resultado é um indicativo de que a qualidade do corte alcançada pelo aço
chinês, bem como a vida útil da serra com ele produzida, devem superar o aço
brasileiro. Isso porque, quanto maior a quantidade de perlita grossa na microestrutura, menor a resistência da peça ao desgaste. A perlita grossa contém mais ferrita, que possui baixa concentração de carbono e, portanto, baixa resistência mecânica e
menos cementita, que possui maior concentração de carbono e, portanto, maior
resistência mecânica. Portanto, a perlita grossa possui resistência mecânica menor que a perlita fina.
Quando a perlita grossa é submetida à esforços, a fase ferrítica que existe em maior abundância, acaba sofrendo desgaste, deixando exposta a cementita que
possui comportamento mais frágil, por isso, a ferramenta fica mais suscetível a
formação e propagação de trincar. Por outro lado, quando a perlita fina é submetida à esforços, a proporção mais adequada entre as fases de ferrita e cementita resulta em uma combinação de tenacidade e resistência mecânica que suporta melhor o desgaste.
Além disso, a quantidade maior de permita grossa apresentada pelo material brasileiro resulta em uma diminuição de dureza, influenciando na determinação da folga mais adequada para utilização no processo de corte por estampagem. Uma vez que a folga adequada é diretamente proporcional à dureza do material cortado(Souza, 2001), quanto maior a quantidade de perlita grossa presente no aço, menor é a folga que deve ser utilizada. Adicionalmente, se a quantidade de perlita grossa não estiver
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respeitando
os limites estabelecidos
para esse aço o ajuste da folga de corte
adequada pode se tornar ainda mais desafiador.
Por último foram analisadas em microscópio óptico as amostras retiradas da
bobina de aço SAE 1080 brasileiro, antes do corte para a fabricação dos discos. A
figura 14 mostra as metalografias obtidas com diferentes aumentos.
Figura 14: A - Amostra da bobina observada em microscópio óptico com aumento de 100x nital 2% Amostra da bobina observada em microscópio óptico com aumento de 500x, nital 2%.
B
A análise das amostras provenientes da bobina confirmou os resultados obtidos para as amostras do furo. O aço apresentou bandas de segregação, além de grandes
regiões de perlita grossa.
Considerando os resultados obtidos pode-se afirmar que a falha do disco de serra estudado foi consequência de uma combinação de fatores. Primeiro, a folga inadequada entre punção e matriz utilizada no corte por estampagem, que resultou em uma superfície de corte encaroçada e repleta de regiões concentradoras de tensão. Segundo, a presença de segregação no aço utilizado para a confecção da ferramenta, pois, a existência de bandas com diferentes composições químicas e propriedades mecânicas gera heterogeneidades na estrutura do material que favorecem a ocorrência e a propagação de tricas.
De modo a evitar a reincidência
do problema, são necessários ajustes na
ferramenta de corte utilizada, como a diminuição da folga aplicada e o realinhamento do equipamento para garantir que punção e matriz estejam alinhados, de modo que a folga seja uniforme ao longo de todo o perímetro da peça cortada.
4.2. Mola
Para a análise do caso da mola foram utilizadas amostras da própria peça
trancada.
A figura 15 abaixo mostra o aspecto da trinca observada
a olho nu, a
coloração mais escura na superfície que se estende para o interior da futura é um indicativo de que houve oxidação. Ou seja, provavelmente a trinca esteve exposta a altas temperaturas, seja durante o processo de corte a plasma ou de têmpera.
Figura 15: Fotos da trinca formada na mola com destaque para região de formação de óxidos
Para caracterizar melhor a trinca a peça foi observada em microscópio óptico As figuras 16 e 17 a seguir mostram os resultados obtidos.
29
H
N
Figura 16: Amostra do aço SAE 1075 da mola observado em microscópio óptico com aumento de 100x, natal 2%
A imagem 16 mostra a existência de uma trinca mais larga próxima à
extremidade da mola, que se propaga em direção ao interior do material, em um ponto parece haver uma descontinuidade, e a trinca continua a se propagar em seguida. A imagem 17 a seguir mostra com mais detalhes a região de descontinuidade.
Figura 17: Região trincada do aço SAE 1075 da mola observado em microscópio óptico com aumento de 500x
Na imagem 17 é possível verque, na verdade, não há descontinuidade, a trinca aparece mais fina e com uma coloração mais clara, indicando a presença de óxidos nessa região, o que confirma a hipótese da ocorrência de oxidação. Além disso, a formato da trinca indica que ela tenha se propagado ao longo dos contornos de grão. A presença de óxidos na trinca da mola sugere que a região fraturada esteve exposta a altas temperaturas, por isso, pode-se afirmar que a falha surgiu durante a fabricação da peça em um dos processos de beneficiamento do aço. Portanto, existem apenas três opções para explicar o ocorrência dessa falha, trinca no corte a plasma, trinco no processo de têmpera, ou trinca durante o revenimento.
Não é possível determinar com exatídão em qual etapa do processo houve a
nucleação da trinca, para tanto seria necessário examinar amostras das etapas
intermediárias do processo de beneficiamento. A saber, amostras do aço como recebido da siderurgia, amostras do aço após o corte a plasma e amostras do aço após o processo revenimento, as quais não foram fornecidas. Entretanto, é discutido a seguir as diferentes hipóteses e indicadas as providências necessárias para corrigir o problema em cada caso.
1 . Trinca durante o corte a plasma
Durante o processo de corte a plasma o aço é aquecido a temperaturas altíssimas, parte dele se funde e é empurrada para longe do material sólido por um gás em baixa temperatura, que ao mesmo tempo separa o excesso de material da peça final e resfria o aço. O aquecimento promovido pelo feixe de plasma leva à solubilização de grande parte dos carbonetos presentes na estrutura do aço, isso
combinado à mudança brusca de temperatura pode resultar em uma têmpera
localizada.
A transformação martensítica, que acontece durante o processo de têmpera
pode sozinha levar à nucleação de trincas na estrutura do aço. Isso porque, a
martensíta possui densidade ligeiramente menor que a austeníta, e resulta em um aumento volumétrico líquido do material (CALLISTER JR., 2002). Ou seja, caso o processo de corte a plasma tenha causado uma têmpera local com velocidade
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relativamente alta, é possível que a trinca tenha se formado nessa etapa de
processamento, e devido à alta temperatura do processo de corte teriam se formado os óxidos observados na metalografia das amostras.
Nesse caso, o processo de corte deve ser ajustado para evitar a reincidência
do problema. Uma possibilidade é diminuir o diâmetro do feixe de plasma para
minimizar a extensão da zona afetada pelo calor passível de sofrer transformação martensítica. Outra possiblidade é ajustar o fluxo e a temperatura do jato de gás de
modo a diminuir a velocidade de resfriamento do aço, evitando a formação de
ma rtensita .
2 Trinca durante o processo de usinagem
Uma segunda hipótese possível para a falha da mola é que a trinca tenha surgido durante o processo de usinagem. Caso o corte a plasma tenha provocado a têmpera do aço, transformando sua microestrutura em martensita não revenida, a dureza do material que chega à etapa de usinagem é muito mais elevada do que seria adequado.
A martensita possui dureza extremamente alta e baixa usinabilidade, portanto, é natural que surjam trancas quando ela é submetida à esforços na tentativa de
promover sua conformação. Nesse caso, a formação de óxidos na trinca só
aconteceria na etapa posterior de tratamento térmico, quando o aço fosse novamente submetido a temperaturas elevadas.
Para evitar esse tipo de problema, é necessário incluir uma etapa de
revenimento intermediário, entre os procedimentos de corte e usinagem. O tratamento térmico tem como finalidade elevar a tenacidade dos discos de aço tornando possível
sua usinagem sem que haja a formação de defeitos que prejudiquem seu
desempenho ou resultem em falhas. Entretanto, a inserção de uma etapa deprocessamento envolvendo aquecimento do material a altas temperaturas resulta na
3 Trinca durante o processo de têmpera
Por último, a trinca pode ter surgido durante o tratamento térmico de têmpera, caso
tenha sido utilizada nesse processo uma temperatura muito elevada. Em altas temperaturas ocorre a dissolução da maior parte dos carbonetos presentes na
microestrutura
da mola, como resultado,
durante
a etapa de resfriamento
a
transformação da austenita em martensita provoca uma variação de volume líquido grande o suficiente para causar a nucleação de trancas no material. Dado que atemperatura do processo é elevada, ocorre também a formação de óxidos na
superfície da trinca.
Para essa situação os parâmetros do processo de têmpera devem ser ajustados, a diminuição da temperatura utilizada durante a austenitização do aço, por exemplo, implica em menor dissolução de carbonetos e, consequentemente, em uma taxa de conversão martensítica menor. Nesse caso, a variação de volume observada é menor e as chances de aparecimento de trincas e defeitos diminui.
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5. CONCLUSÕES
Aços com alto teor de carbono possuem dureza e resistência mecânica bastante
elevadas, o que permite sua utilização na confecção de peças que operam com
elevada solicitação mecânica como serras, moldes e molas de alta resistência.
Entretanto, o comportamento da microestrutura desses materiais pode apresentar
algumas dificuldades no processo de beneficiamento desses aços, ocasionando
falhas como, por exemplo, a nucleação de trancas.
A metalografía realizada com as amostras do disco de serra revelou que o
processo de corte utilizado pelo fabricante brasileiro possui falhas que resultaram em uma superfície de corte inadequada, que levou a concentração de tensões no material favorecendo a nucleação de trincas. Além disso, foi revelado que o material utilizado na fabricação da serra possui segregação em bandas na sua microestrutura, o que prejudica seu desempenho.
Já a análise em microscópio óptico realizada com a amostra da mola revelou a ocorrência de oxidação ao longo da trinca que se propagou pelo material. Esse fato permitiu concluir que a trinca esteve exposta a temperaturas muito elevadas, ou seja,
que ela surgiu durante uma das etapas de processamento do aço, seja no corte a
plasma, na usinagem ou durante a têmpera. A falta de amostras impossibilitou a identificação exata da etapa que deu origem a trinca.
Em ambos os casos o problema pode ser resolvido com pequenas alterações nos processos de beneficíamento dos aços. Para a serra, o alinhamento do equipamento de corte e o ajuste para uma folga mais adequadas e para a mola, a diminuição da velocidade de resfriamento do material após o corte a plasma, a inserção de uma
etapa intermediária de revenimento ou a diminuição da temperatura de tratamento
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