Desgaste por Impacto e Lascamento de Ferramentas
Impactos repetidos desgastam uma superfície através de uma sequência de mecanismos, desde um regime ameno de filme de óxido até trincamento subsuperficial que remove lascas de metal. Esta página reúne a estrutura subsuperficial que se forma sob impacto, os mecanismos de dano e os dados de coeficiente por trás deles, e as regras de dureza e geometria que os estudos de lascamento em ferramentas de impacto produziram.
Dois estágios do desgaste por impacto
O desgaste por impacto começa com um período de indução no qual a superfície se deforma e uma marca de desgaste se forma, mas nenhum material é perdido em quantidades mensuráveis. O fim desse período é o limite de desgaste zero, e é o ponto a partir do qual o desgaste mensurável é contado.
- O modelo que a fonte fornece para o limite de desgaste zero trata cada impacto como contribuindo com dano da tensão de cisalhamento superficial e da tensão de cisalhamento subsuperficial máxima. O fator de desgaste do material nessa expressão resulta em aproximadamente 1,1 para corpos de prova de aço carbono e aço para ferramentas.
- Além do limite, a vida útil da maioria dos componentes está atrelada à perda de uma profundidade específica de material, e não ao início do desgaste, razão pela qual a região de desgaste mensurável é a que carrega a previsão de vida. Os valores de coeficiente medidos na tabela abaixo situam-se na cauda desse modelo, onde o volume de desgaste segue a energia de impacto e o número de impactos.
- Para metais não lubrificados, o coeficiente de desgaste por deslizamento k fica entre cerca de 5 x 10 elevado a menos 3 e 3 x 10 elevado a menos 5. Espera-se que o coeficiente de desgaste por impacto K seja uma ordem de magnitude menor, entre cerca de 5 x 10 elevado a menos 4 e 1 x 10 elevado a menos 6, e os valores medidos abaixo ficam dentro dessa faixa.
| Superfície medida | Energia de impacto, kgf mm | Número de impactos | Lubrificação | Coeficiente de desgaste por impacto K |
|---|---|---|---|---|
| Cobre, duro | 2 | 1 | Nenhum | 53 x 10-6 |
| Aço | 20 | 1 | Nenhum | 67 x 10-6 |
| Aço | 20 | 1 | Sim | 10 x 10-6 |
| Tungstênio | 138 | 2.4 x 103 | Nenhum | 130 x 10-6 |
| Cobre | 60 | 5 x 105 | Nenhum | 20 x 10-6 |
| Soft steel | 120 | 5 x 105 | Nenhum | 19 x 10-6 |
| Liga de alumínio | 60 | 5 x 105 | Nenhum | 42 x 10-6 |
| Liga de titânio | 120 | 5 x 105 | Nenhum | 15 x 10-6 |
| Hard steel | 160 | 5 x 105 | Nenhum | 28 x 10-6 |
| Hard steel | 700 | 4 x 103 | Nenhum | 43 x 10-6 |
| Hard steel | 42 | 2 x 104 | Nenhum | 104 x 10-6 |
| Hard steel | 0.36 | 6.5 x 104 | Nenhum | 14 x 10-6 |
| Hard steel | 0.36 | 4.3 x 105 | Sim | 1.2 x 10-6 |
| Soft steel | 0.36 | 1 x 104 | Nenhum | 247 x 10-6 |
| Soft steel | 0.36 | 3.2 x 106 | Sim | 0.8 x 10-6 |
Fonte: ASM Handbook, Vol. 11, Failure Analysis and Prevention (ASM International), valores de coeficiente de desgaste por impacto no artigo Impact Wear Failures. A tabela da fonte também contém uma coluna de referência, omitida aqui porque suas linhas baseiam-se em vários estudos.
- A lubrificação reduz o coeficiente em aproximadamente uma ordem de grandeza no mesmo material e na mesma energia, o que é visível nas duas linhas de aço duro e nas duas linhas de aço macio que compartilham uma energia de impacto de 0,36 kgf mm.
- O aço macio com baixa energia e poucos impactos apresenta o maior coeficiente do conjunto, em 247 x 10 elevado a menos 6. O mesmo aço submetido a 3,2 milhões de impactos lubrificados cai para 0,8 x 10 elevado a menos 6, que é o comportamento de acomodação que torna as primeiras horas de um contato de impacto repetitivo tão danosas.
A estrutura que se forma abaixo da superfície
O carregamento por impulso repetitivo constrói uma estrutura em camadas abaixo do contato que está presente em uma ampla variedade de materiais. Ela se forma dentro de algumas centenas de impactos e então mantém um estado estacionário à medida que mais impactos chegam, crescendo em ambos os corpos em contato.
| Zona | O que é isso? | O que ela faz |
|---|---|---|
| Material base | A zona mais distante do contato. Metal não perturbado, e a referência para o que a peça era antes de sofrer impactos repetidos. | Sem deformação. |
| Zona de deformação | Material de base plasticamente deformado, de nenhuma deformação no limite interno até um máximo no limite externo. Formada pelo ciclo de tensão repetido, e endurece por deformação à medida que se forma. | Transição gradual para a camada branca acima dela. |
| White layer | A zona superficial, geralmente homogênea e de estrutura fina, com dureza desenvolvida no local. Sua composição é frequentemente mista, atraindo material de ambos os corpos impactantes e do ambiente. | Microtrincas nucleiam aqui prontamente uma vez que esteja fortemente endurecida por deformação, e o caminho de menor resistência para elas é a interface com a zona de deformação. |
Fonte: ASM Handbook, Vol. 11, zonas subsuperficiais encontradas abaixo de superfícies submetidas a carregamento por impacto repetitivo, no artigo Impact Wear Failures.
- A dureza aumenta na superfície dos corpos impactantes. Na zona de deformação isso é endurecimento por deformação. Na camada branca, a dureza é uma propriedade do material próximo à superfície desenvolvida no local, e a própria camada se forma através de uma combinação de adesão, mistura mecânica e difusão.
- Quando o metal sob a superfície é frágil ou não se deforma, a camada branca ainda se forma e o material de base permanece indeformado. A camada, portanto, não é evidência de que a peça era macia ou mal tratada. É evidência de impacto repetitivo, e no caso frágil ela fica diretamente sobre metal indeformado.
- Trincas aparecem em algumas dessas estruturas e não em outras, e onde aparecem, percorrem a camada branca ou ao longo da interface com a zona de deformação. Camadas brancas subsuperficiais também foram encontradas em profundidades de dezenas a várias centenas de microns, e uma trinca que corre em uma delas remove tudo entre ela e a superfície de desgaste.
Como o material se desprende
Cinco mecanismos são listados na fonte, e as condições de contato decidem qual está ativo. A escala de severidade abaixo vai da extremidade amena à extrema.
| Mecanismo | Como se parece | Onde é encontrado |
|---|---|---|
| Desgaste oxidativo | O regime ameno. Filmes de óxido separam os corpos e reduzem o contato metal com metal. Os detritos são finos e em grande parte óxido de metal. | Contatos de baixa tensão, incluindo aqueles com uma pequena quantidade de deslizamento ou fretting comportamento. |
| Adesão | O material se espalha e transfere de um corpo para o outro. Junções se soldam nas pontas das asperezas, trincas nucleiam nas pontas endurecidas por deformação, e as pontas quebradas permanecem aderidas à outra superfície. | Impacto normal ou composto moderado, comportando-se de forma muito semelhante ao desgaste adesivo em deslizamento. |
| Abrasão | Sulcos de arado e um enrugamento da superfície de contato. Em tensões de impacto mais altas, nucleação de trincas e partículas planas semelhantes a placas aparecem dentro dos sulcos. | Principalmente contatos de impacto composto, onde o deslizamento acompanha o impacto. |
| Fadiga superficial e delaminação | Trincas subsuperficiais nucleiam, então crescem ao longo do limite da camada branca, e o material se desprende como lascas. Esta é a rota de lascamento. | As condições de contato mais severas, onde a camada branca é construída e endurecida por deformação. |
| Deformação plástica | O material não é removido, é deslocado para fora da área de contato como repuxamento. | Superfícies de impacto macias ou subendurecidas, e serve como alerta de danos piores por vir. |
Fonte: ASM Handbook, Vol. 11, mecanismos de remoção de material no artigo Impact Wear Failures.
| Condição de contato | O que acontece |
|---|---|
| Low stress | Desgaste oxidativo, pequenas partículas submicrométricas, uma superfície altamente oxidada. As taxas de desgaste são baixas porque os filmes de óxido lubrificam melhor que o metal nu. |
| Impacto moderado | Um processo semelhante ao desgaste adesivo em deslizamento, com esmagamento e transferência entre os corpos. |
| Contato mais severo | Fadiga superficial, crescimento de trinca subsuperficial e lascamento. Brocas de carboneto de tungstênio em perfuração de rocha perdem material dessa forma. |
| Energia de impacto muito grande | Falha por fratura superficial, com remoção rápida de material. |
Fonte: ASM Handbook, Vol. 11, a evolução dos mecanismos de desgaste por impacto à medida que as condições em um contato se tornam mais severas.
Desplacamento O desplacamento é um dano superficial em que o material se desprende da superfície na forma de lascas ou fragmentos, abrangendo uma área maior e uma profundidade maior que a pitting. Na engenharia ferroviária, um estágio avançado é chamado de shelling.
- Em contatos de rolamento, como pistas de rolamentos e dentes de engrenagens, o pitting começa nos pontos de tensão de contato hertziana máxima e forma pequenas cavidades de cerca de 0,5 a 1,0 mm de diâmetro, com o número de ciclos de tensão decidindo até onde vai. Áreas maiores de perda de material são chamadas de lascamento, e geralmente começam como fadiga subsuperficial por contato de rolamento cíclico, razão pela qual o mesmo dano também é chamado de fadiga de contato de rolamento ou desgaste por fadiga.
- Em ferramentas de impacto e impactadas, a mesma remoção ocorre sob impacto em vez de rolamento. Um lascamento também pode seguir um defeito em vez de um processo de fadiga, e uma das causas registradas é uma trinca de têmpera na ferramenta que posteriormente se abre em um lascamento. A forma como uma trinca de têmpera é lida antes de se tornar um lascamento está descrita na página de trincas de têmpera.
- Mecanicamente, a camada branca se endurece por trabalho até que microtrincas nucleiem nela, e essas trincas percorrem o caminho de menor resistência, que é o limite com a zona de deformação abaixo. O material então se separa como um floco. Essa é uma rota diferente do quadro clássico de delaminação, onde o acúmulo de discordâncias sob carga de deslizamento nucleia a trinca subsuperficial.
Limites de dureza e geometria para ferramentas de impacto
Seis especificações são resumidas na fonte, e entre elas definem as faixas de dureza para as quais as ferramentas de impacto são fabricadas em trabalho ferroviário, industrial e de ferramentas manuais. A tabela apresenta o tipo de ferramenta, a família de aço e a dureza permitida pela especificação.
| Especificação | Tipo de ferramenta | Aço | Dureza, HRC |
|---|---|---|---|
| AREMA | Ferramentas de via de percussão | 9260A, e 9260B com molibdênio | Face de impacto 51 a 55, face impactada 44 a 48, gume de corte 56 a 60, extremidade de ponta 52 a 56 |
| ANSI B173.3-1991 | Ferramentas de impacto pesado | 0,45 a 0,88 de carbono, 0,3 a 1,2 de manganês, 0,35 de silício no máximo | Face de impacto 45 a 60, marreta para lenha 44 a 55, pena 45 a 60 |
| BS 876-1981 | Martelos | 0,5 a 0,6 de carbono, 0,5 a 0,9 de manganês, 0,1 a 0,4 de silício, com 0,2 a 0,3 de cromo acima de 1,8 kg de massa da cabeça | Face de impacto 50 a 58, e 46 a 3 mm abaixo da face |
| GGG-H-86C-1963 | Martelos | 0,46 a 0,85 de carbono, 0,2 a 0,9 de manganês, 0,1 a 3 de silício | Face dupla 44 a 55, carpinteiro 50 a 60, pena esférica 50 a 57, com 92 a 105 HRB sob um cabo de 25 in. e 40 a 45 HRC sobre ele |
| ANSI B209.3-1990 | Cunhas para rachar lenha | Aço carbono | 35 no máximo, verificado com um peso de queda de 10 lb de 5 ft |
| ANSI B209.1-1991 | Cinzéis | Aço carbono ou liga | Face impactada 45 no máximo, gume de corte 53 a 60 |
Fonte: ASM Handbook, Vol. 11, especificações de ferramentas de golpear e golpeadas no artigo Spalling from Impact Events. Ferramentas ferroviárias de golpear e golpeadas são atualmente fabricadas em aço grau B, e ferramentas não de percussão, como alavancas e tenazes para trilhos, em aço carbono comum.
- A especificação da American Railway Engineering and Maintenance of Way Association exige que toda a cabeça de uma marreta ou maço de cravar seja austenitizada, temperada e revenida, em vez de endurecer apenas a extremidade de impacto. Os ensaios de campo na fonte foram realizados com martelos tratados em toda a cabeça.
- As especificações de dureza para essas ferramentas delimitam a faixa segura por baixo e por cima. Duas das seis permitem 60 HRC na face de impacto, e a fonte observa que a fratura frágil por clivagem começa logo acima desse nível, o que coloca o limite superior desconfortavelmente próximo da fronteira de segurança. O limite inferior é de cerca de 50 HRC, reduzido para cerca de 45 HRC onde a ferramenta pode impactar outra ferramenta de aço, porque uma face mais macia se deforma em uma área maior e forma cogumelo, que é o aviso visível de que um lascamento está por vir. A leitura de um valor de dureza em uma ferramenta acabada é abordada na página de métodos de ensaio de dureza.
O que os estudos de lascamento descobriram
A fonte revisa ensaios de campo e dispositivos de laboratório que impactaram cabeças de martelo contra bigornas e blocos de aço em energias e ângulos controlados. Os resultados são resumidos abaixo, e os valores de composição química citados são apenas para referência.
| Constatação | Detalhe |
|---|---|
| Grau de aço em uma ampla faixa | Ensaios de campo em martelos cobrindo aços carbono comuns, um grau de cromo-molibdênio a 1 por cento, um grau de liga mais alta 0,65C-1Si-3Ni e martelos com têmpera de borda, todos dentro da faixa de dureza da especificação, não encontraram diferença significativa no lascamento de arestas ou na taxa de desgaste. Ensaios de laboratório de lascamento em aços 1045, 1060, 1072, 1075, 1080, 1552, 9260 e 4340 chegaram à mesma conclusão. |
| Limites de dureza usados na prática | Duas das seis especificações permitem uma face de impacto de até 60 HRC, que a fonte descreve como muito próxima do limite de segurança, porque a fratura frágil por clivagem começa logo acima disso. O limite inferior normalmente fica em torno de 50 HRC, e cai para cerca de 45 HRC onde a ferramenta pode impactar outra ferramenta de aço. A 45 HRC a ferramenta forma cogumelo em vez de lascar, e a formação de cogumelo é o aviso. |
| Ferramenta golpeada mais macia que a ferramenta de golpe | Toda especificação permite à face impactada uma dureza máxima menor que a da face de impacto. Uma ferramenta impactada mais macia se deforma, o que amplia a área de contato e distribui a carga, reduzindo a chance de lascamento na ferramenta mais dura. |
| Geometria da aresta | Arestas chanfradas ou com raio aumentam a resistência ao lascamento para impactos de aresta contra superfície e aresta contra aresta. Um raio medido pelo menos igual a um chanfro para pequenas sobreposições e melhor em uma sobreposição de 4,8 mm. Os martelos de ajuste de funileiro testados não tinham chanfro algum, e lascaram prontamente com uma separação angular de apenas 7,5 graus. |
| Ângulo de impacto | Para impactos de aresta contra superfície, a janela de lascamento é estreita, centrada em torno de 25 graus. Martelos de unha não lascaram abaixo de cerca de 20 graus e lascaram com menos frequência a 35 graus. Nenhum martelo pôde ser levado a lascar com um golpe rente. |
| Encruamento em serviço | O encruamento de uma face de impacto durante o uso elevou a dureza em 1,5 a 2,5 pontos HRC em um estudo de campo. O lascamento de arestas foi registrado cerca de uma vez a cada 200 semanas de martelo. |
Fonte: ASM Handbook, Vol. 11, as conclusões extraídas dos estudos de lascamento e as seções de geometria da ferramenta e ângulo de impacto de Spalling from Impact Events. As velocidades da cabeça do martelo nos ensaios de laboratório variaram de 14 m por segundo para cravar pregos a 33 m por segundo para lascamento deliberado contra uma bigorna de aço.
Onde o desgaste por impacto encontra a seleção da ferramenta
Ferramentas sujeitas a impacto abre mão da resistência ao desgaste abrasivo em troca de tenacidade, e os graus resistentes a choque são os escolhidos para isso. Os graus e seu comportamento são apresentados na página de resistência ao lascamento de arestas, com o S7 na página do grau S7.
Quando a ferramenta trincou em vez de se desgastar
Uma ferramenta dura que falha precocemente sem nenhum desgaste geralmente ultrapassou seu orçamento de tenacidade. As causas etapa por etapa e a sequência de exame estão na Página de análise de falhas de ferramentas e matrizes.
Leitura da superfície de falha
Marcas de praia, marcas de catraca, chevrons e dimples dizem cada um algo diferente, e o conjunto completo de leituras está tabelado na gráfico de características da superfície de fratura.
Separando desgaste de sobrecarga
Desgaste, fadiga e sobrecarga parecem diferentes na mesma ampliação, e os seis modos de dano com suas assinaturas em três escalas estão reunidos no gráfico de identificação de modos de dano.
Confirme antes de fornecer um orçamento.
Os dados de composição são apenas para referência geral. Os valores reais variam por norma, usina e número de corrida. Confirme com o certificado de ensaio do material ou entre em contato com a Aobo Steel.
Os valores dos coeficientes descrevem ensaios de laboratório e de campo com os materiais e condições de contato indicados na fonte. Eles dimensionam o efeito de uma mudança de projeto ou de lubrificação, em vez de especificar uma vida útil para sua ferramenta. Confirme a geometria, a dureza e as condições de impacto da sua própria aplicação antes de alterar uma especificação.
Páginas de referência relacionadas
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Fonte: ASM Handbook, Volume 11, Failure Analysis and Prevention (ASM International), artigo Impact Wear Failures de Roger Lewis e Rob Dwyer-Joyce, e artigo Spalling from Impact Events de Dennis L. McGarry, Gordon W. Powell e Cameron Lonsdale. Dados de referência apenas para comparação. Confirme a geometria da ferramenta e os limites de dureza com a norma que rege seu próprio produto. A Aobo Steel fornece aço para ferramentas na condição recozida.