Características da superfície de fratura e o que elas significam
Uma superfície de fratura registra como uma trinca se propagou, e as marcas nela podem ser lidas em baixa ampliação, sob o microscópio e em seção transversal. Esta página reúne as características macro e microscópicas tabuladas pela fonte, o que cada uma implica e as regras para localizar a origem de uma trinca a partir da própria fratura.
O que uma superfície de fratura pode estabelecer
A fonte lista seis perguntas que as características de uma superfície de fratura respondem em conjunto. Lidas em conjunto com a geometria da peça e o histórico de serviço, elas levam a análise até onde o microscópio é necessário.
Onde a trinca começou e para onde foi
O local de iniciação e a direção de propagação vêm primeiro, porque todas as outras leituras dependem deles. Chevrons, marcas radiais, marcas de catraca e a curvatura das linhas de parada contribuem.
Como o metal se separou
O mecanismo e o caminho, dúctil ou frágil, transgranular ou intergranular, com as características microscópicas nomeando o processo.
Se a carga foi monotônica ou cíclica
Marcas de praia e estriações resolvem isso quando presentes, e sua ausência não descarta a fadiga.
O ambiente
Descoloração, produtos de reação, flautas e depósitos de corrosão registram a que a superfície foi exposta, antes e depois da fratura.
A restrição sob a qual a peça trabalhou
Lábios de cisalhamento, a orientação da superfície e se as linhas de parada aparecem ou não descrevem quão restrita era a ponta da trinca.
Se uma imperfeição de fabricação estava envolvida
Entalhes, costuras, marcas de usinagem e inclusões são registrados na fratura, e a questão de saber se uma delas causou a falha é uma etapa separada.
- Raramente uma característica pode ser atribuída a uma única causa. O exame macroscópico por si só é frequentemente inconclusivo, e o exame microscópico sem o quadro macroscópico e microestrutural pode produzir uma conclusão errada. A fonte descreve o método de trabalho como uma série de fotografias em ampliação crescente, cada uma marcando a região que a próxima fotografia amplia.
- A superfície de fratura registra apenas a propagação da trinca. Eventos anteriores à nucleação da trinca, como uma mudança de forma por deformação prévia, aparecem na peça ao redor da fratura ou na microestrutura distante dela, não na face de fratura.
Características macroscópicas
Visíveis de 1 a cerca de 50 vezes na superfície de fratura, e o nível em que a origem é geralmente encontrada e marcada. A segunda coluna é a implicação que a fonte dá para cada marca.
| Marca ou indicação | O que implica |
|---|---|
| Distorção visível | A deformação plástica excedeu o limite de escoamento, e pode apontar para uma instabilidade como estricção ou flambagem, ou pode ser dano ocorrido após a fratura. |
| Entalhes ou ranhuras visíveis | Um possível local de iniciação de trinca. Observe a marca antes de decidir que a fratura começou em outro lugar. |
| Orientação da superfície de fratura | Leia em relação à geometria do componente e às condições de carregamento. Ajuda a separar os três modos de carregamento e identifica macroscale dúctil e fratura frágil. |
| Fratura plana junto com lábios de cisalhamento | A trinca propagou-se paralelamente aos lábios de cisalhamento, e a aparência mista indica restrição incompleta. |
| Trinca firmemente fechada na superfície | Possível carregamento cíclico, e também uma possível imperfeição de processamento como dano por jateamento de granalha ou trinca de têmpera. |
| Marcas radiais e chevrons | As formas em v apontam de volta para o local de iniciação da trinca e mostram a direção de propagação da trinca. |
| Linhas de parada por carregamento monotônico | As formas em u abrem-se na direção de propagação da trinca e indicam restrição incompleta. |
| Linhas de parada por carregamento cíclico | Marcas de praia ou marcas conchoidais indicam carregamento cíclico, e crescem a partir do centro de seu raio de curvatura. Em uma seção cilíndrica a curvatura pode se inverter à medida que a trinca avança. |
| Marcas de catraca | Mais prováveis sob carregamento cíclico, e marcam o local ou locais de iniciação onde várias trincas se uniram. |
| Descoloração da superfície ou da fratura | Pode indicar um ambiente corrosivo, ou uma temperatura elevada a que a superfície foi submetida antes ou depois da separação. |
| Unha oxidada | Uma mancha de óxido na superfície de fratura que pode marcar o local de iniciação da trinca. |
| Refletividade da fratura | Fosco aponta para fratura dúctil ou carregamento cíclico. Brilhante aponta para clivagem. Facetado e brilhante juntos apontam para fratura intergranular em um aço de grão grosso. |
| Rugosidade da fratura | A rugosidade aumenta na direção de crescimento da trinca, embora a flexão possa inverter o padrão quando a trinca avança para a região de compressão. Uma região lisa ao lado de uma rugosa indica carregamento cíclico, uma fratura rugosa fosca é dúctil, e uma mudança brusca de textura marca a transição do crescimento por fadiga para sobrecarga. |
| Atrito geral | Pode indicar vibração, e pode mostrar a direção final de separação. Um padrão em redemoinho indica torção. |
| Atrito localizado | Pode indicar fechamento da trinca sob carregamento cíclico, e pode apagar marcas de praia que estavam lá anteriormente. |
| Marcas de estiramento deformadas e riscos de laminação | Uma aparência torcida indica carregamento por torção. |
| Marcas de usinagem | Marcas perpendiculares ao eixo do componente não são distorcidas pelo carregamento por torção, o que separa a torção de uma carga de flexão. |
| Rugosidade variável ao longo da borda da fratura | Em flexão frágil o lado rugoso é o lado de tração. |
| Artefatos, marcas de pneu | Comum em carregamento cíclico e causado por material particulado preso entre as duas faces. Um artefato, não um mecanismo. |
Fonte: ASM Handbook, Vol. 11, Failure Analysis and Prevention (ASM International), a tabela de características fractográficas em macroescala do artigo Fracture Appearance and Mechanisms of Deformation and Fracture.
Características em microescala
Lidas sob o microscópio eletrônico de varredura, tipicamente de cerca de 20 vezes a 10.000 vezes. Essas características nomeiam o processo de separação no ponto onde ocorreu.
| Marca ou indicação | O que implica |
|---|---|
| Superfície com dimples | Fratura dúctil por sobrecarga naquele local, por coalescência de microvazios. |
| Superfície facetada | Fratura frágil por clivagem, e também possível em corrosão sob tensão ou em fadiga de baixo delta K. |
| Intergranular, contornos de grão lisos | Provavelmente processamento térmico inadequado ou fratura assistida pelo ambiente em alta temperatura ou em ambiente corrosivo. Fadiga de baixo delta K é uma causa menos comum. |
| Intergranular, contornos de grão com dimples | Ruptura decoesiva próxima ao ponto de fusão, ou processamento inadequado que deixou uma zona desnudada ao lado do contorno de grão. |
| Padrão de rio ou leque | Fratura por clivagem. A trinca corre ao longo do rio, e os raios do leque apontam para o local de iniciação dentro do grão. |
| Línguas | Deformação por maclação durante propagação rápida de trinca. |
| Flautas em uma superfície transgranular | Um ambiente corrosivo junto com fratura dúctil. A trinca se propaga paralelamente às flautas. |
| Superfície estriada ou com cristas | Estrias de fadiga por carregamento cíclico. Espaçamento constante aponta para amplitude de tensão constante, espaçamento variável para amplitude variável ou carregamento em blocos. Um aspecto estriado também pode vir de segundas fases na microestrutura, então as características ao redor precisam concordar. |
| Sulcos ou flautas | Corrosão sob tensão. |
| Artefatos, trincas de lama | Líquido secado na superfície, o que pode simplesmente significar limpeza incompleta. Na condição como recebido, pode apontar para fluidos de serviço e para corrosão sob tensão, então o depósito deve ser analisado. |
Fonte: ASM Handbook, Vol. 11, a tabela de características fractográficas em microescala do mesmo artigo.
- A fratura intergranular é o caso mais claro de uma característica que aponta para uma família de causas em vez de uma só. Pode vir de processamento térmico, de um mecanismo assistido pelo ambiente, ou de fadiga de baixo delta K, razão pela qual a fonte a remete a um artigo dedicado.
- Os mecanismos que produzem uma fratura de aspecto frágil sem sobrecarga estão reunidos na Página sobre tipos de fragilização do aço, e os seis modos de dano com suas assinaturas em cada escala são lidos em relação ao gráfico de identificação de modos de dano.
Localização da origem
A origem é onde a tensão local excedeu pela primeira vez a resistência local do material, e o local é geralmente previsível a partir do caso de carregamento antes de a fratura ser examinada. Onde a fratura começa é então verificado em relação a essa expectativa.
| Caso de carregamento | Onde se espera que a trinca comece |
|---|---|
| Barra lisa sob tração axial, sem entalhe | Ao longo da linha de centro, a menos que haja um concentrador de tensão superficial. As regiões próximas à superfície e da linha de centro são as duas candidatas, e a linha de centro vence quando nada mais eleva a tensão local. |
| Flexão em três pontos | No ponto de momento fletor máximo. Uma trinca que começa em outro lugar significa que uma imperfeição geométrica ou de material deslocou a tensão máxima local. |
| Contato de rolamento | Abaixo da superfície, onde a tensão máxima se desenvolve. Uma origem superficial em um contato de rolamento geralmente significa que outra coisa está atuando, como um amassado, uma quebra do filme lubrificante ou uma marca de manuseio. |
| Torção | A orientação da fratura e a forma como as marcas de usinagem sobrevivem ou se distorcem separam torção de flexão. |
| Processamento prévio deixou tensão residual | O campo residual soma-se ou subtrai-se à carga aplicada, então a origem se desloca. Ele deve ser considerado junto com a tensão aplicada, e não isoladamente. |
Fonte: ASM Handbook, Vol. 11, a seção de iniciação de trinca do mesmo artigo, e o artigo de metalurgia para as regras de local de iniciação.
- A ramificação e bifurcação de trincas localizam a origem quando a peça se separou em mais de um pedaço e chevrons estão visíveis. O padrão de ramificação se abre a partir da origem, o que reduz uma grande face de fratura a uma área para examinar de perto.
- Uma descontinuidade não é automaticamente um defeito. O material fabricado carrega imperfeições, e uma imperfeição se torna um defeito em serviço somente quando interfere na função e na vida esperada da peça. Se uma falha na superfície de fratura causou a falha, ou estava simplesmente presente enquanto outra coisa causou o dano, é uma decisão que a análise quantitativa resolve.
- Essa distinção é o que mantém uma investigação de falha honesta, e é trabalhada caso a caso na Página de análise de falhas de ferramentas e matrizes. Os defeitos que chegam a uma bancada na forma de barra de aço são catalogados na página de defeitos em barras de aço.
Uma trinca que já existia antes do serviço
Cor de revenimento ou carepa em uma face de fratura datam a trinca de um ciclo térmico em vez da carga. Como uma trinca de têmpera é distinguida de uma trinca de serviço está descrito na página de trincas de têmpera.
Uma trinca que começou em uma marca de usinagem
Marcas de ferramenta rugosas, marcas de estampo e superfícies erodidas por faísca atuam todas como concentradores de tensão, e a camada que uma superfície erodida por faísca deixa para trás está descrita no artigo sobre camada branca de EDM.
Quando a fratura parece frágil e nenhuma sobrecarga a explica
Esse grupo de falhas geralmente vem de uma mudança no aço em vez da carga, e a janela de temperatura por trás disso normalmente é visível no registro do processo.
Quando a dureza superficial faz parte da questão
Leituras de dureza na origem, na superfície e no núcleo são o ensaio mais barato da sequência, e as escalas e sua conversão são abordadas na página de métodos de ensaio de dureza.
Confirme antes de fornecer um orçamento.
Esta página é um auxílio de leitura para referência geral. Uma conclusão de fratura baseia-se na própria peça, em seu registro de fabricação e tratamento térmico e em seu histórico de serviço. Confirme o achado com um exame metalúrgico antes de mudar um grau ou um processo.
As superfícies de fratura são lidas em várias ampliações na prática, e uma conclusão tirada de uma única fotografia pode enganar. Mantenha o corpo de prova e o registro juntos.
Páginas de referência relacionadas
Solução de problemas de tratamento térmico de aço para ferramentas · Por que o aço para ferramentas D2 lasca e trinca · Aços para ferramentas para resistência ao trincamento · Verificação de qualidade do aço ferramenta · Aços para ferramentas de trabalho a frio · Fornecimento de aço para ferramentas
Fonte: ASM Handbook, Volume 11, Failure Analysis and Prevention (ASM International), artigo Fracture Appearance and Mechanisms of Deformation and Fracture de W.T. Becker e S. Lampman, as tabelas de características fractográficas em macro e microescala e a seção de informações sobre superfície de fratura. Dados de referência apenas para interpretação. Confirme o resultado na peça real. A Aobo Steel fornece aço para ferramentas na condição recozida.