Limites de Dureza e Lascamento em Ferramentas de Impacto
Uma ferramenta de impacto é a única aplicação de aço ferramenta em que a dureza que torna a ferramenta útil é também a dureza que a torna perigosa. Após certo ponto, a face de impacto deixa de se deformar e começa a fraturar, e o fragmento que se desprende da face carrega energia suficiente para ferir quem segura o cabo. Esta página aborda a janela de dureza que as especificações publicadas estabelecem para ferramentas de impacto e ferramentas golpeadas, o que a ferramenta faz em cada extremo dessa janela, como uma ferramenta aceitável é comprovada por ensaio, e o que um lascamento grande revela sobre o aço subjacente.
A janela de dureza é um limite de segurança, não um limite de desgaste
A dureza máxima permitida para uma face de impacto por duas das especificações tabuladas pela fonte é 60 HRC, e a fonte deixa claro por que o número está onde está. A fratura frágil por clivagem tende a ocorrer em dureza ligeiramente superior a essa, portanto 60 HRC está muito próximo, talvez demasiado próximo, de exceder o limite de segurança para uma ferramenta de impacto. A fronteira entre uma dureza superior segura e uma insegura não é discreta, mas transicional, razão pela qual o mesmo valor aparece em várias especificações como um julgamento compartilhado e não como um limiar nítido.
O limite inferior funciona no sentido oposto. Uma face de impacto é geralmente mantida em cerca de 50 HRC ou acima, e quando a ferramenta pode ser usada para golpear outra ferramenta de aço, como uma cunha, o limite inferior cai para cerca de 45 HRC. Esse valor é escolhido pelo aviso que proporciona. A 45 HRC o expoente de encruamento é maior e a deformação é mais generalizada, então a ferramenta tende a formar cogumelo em vez de quebrar, e a face deformada avisa o usuário de que um lascamento está por vir. Uma face dura demais para formar cogumelo é também uma face que não dá aviso.
A ferramenta golpeada carrega a mesma lógica na direção oposta. A dureza máxima admissível de uma ferramenta golpeada é inferior à da ferramenta de impacto, então a ferramenta golpeada sofre a deformação plástica macroscópica, sua área de contato cresce, e a tensão na ferramenta de impacto se distribui por um volume maior. Uma ferramenta golpeada macia é, portanto, parte da proteção da ferramenta de impacto, e o cogumelo que ela desenvolve é intencional.
| Dureza da face de impacto | O que a ferramenta faz sob um golpe | O que significa para o usuário |
|---|---|---|
| Acima do máximo permitido | A fratura frágil por clivagem começa em dureza ligeiramente superior à permitida pelas especificações | O fragmento que se desprende da face carrega energia suficiente para ferir, razão pela qual duas das especificações param em 60 HRC e a fonte chama esse valor de muito próximo do limite de segurança |
| No topo da faixa, 55 a 60 HRC | A face permanece plana e não se deforma antes de quebrar | Resistência ao desgaste no melhor caso e aviso no pior. Uma face que não pode formar cogumelo não dá sinal antes de lascar |
| Faixa intermediária, 50 a 55 HRC | A face se desgasta e se deforma lentamente sob golpes repetidos | A faixa prática para uma cabeça de martelo, uma ferramenta de percussão e uma ferramenta de impacto pesada |
| Cerca de 45 a 50 HRC | O expoente de encruamento é maior e a deformação é mais generalizada, então a face forma cogumelo | O cogumelo é um aviso de que o lascamento pode ser iminente. Esta é também a faixa usada quando a ferramenta precisa golpear outra ferramenta de aço, como uma cunha |
| Ferramenta golpeada, abaixo da ferramenta de impacto | A ferramenta golpeada se deforma primeiro e sua área de contato cresce | A área de contato maior distribui a tensão por um volume maior da ferramenta de impacto, então uma ferramenta golpeada macia é a medida de segurança e não um compromisso |
A janela de dureza para uma face de impacto e o que a ferramenta faz em cada ponto dela. Compilado a partir dos comentários sobre especificações e da discussão do ensaio de impacto no artigo Spalling from Impact Events.
O que as especificações realmente exigem
As especificações diferem em mais do que suas faixas de dureza. Elas diferem no aço que nomeiam, em qual face da ferramenta controlam, e no ensaio usado para comprovar a ferramenta. Uma ferramenta de percussão é controlada em quatro pontos, a face de impacto, a face golpeada, o fio de corte e a extremidade da ponta, com uma dureza diferente permitida em cada um. Um martelo é controlado na face e novamente três milímetros abaixo da face, que é onde uma superfície dura sobre um interior macio de outra forma se esconderia. Um cinzel permite uma face golpeada de 45 HRC no máximo ao lado de um fio de corte de 53 a 60 HRC, que é a mesma ideia aplicada a uma ferramenta que precisa ser golpeada e cortar.
| Especificação | Tipo de ferramenta | Composição do aço | Dureza, HRC | Ensaio de impacto |
|---|---|---|---|---|
| AREMA | Ferramentas de via de percussão | 9260A, 0,56 a 0,64C, 1,8 a 2,0Si, 0,75 a 1,0Mn. 9260B, 0,51 a 0,60C, 1,8 a 2,2Si, 0,75 a 1,0Mn, 0,35 a 0,50Mo, 0,45Si máx | Face de impacto 51 a 55. Face golpeada 44 a 48. Fio de corte 56 a 60. Extremidade da ponta 52 a 56 | Nenhum |
| ANSI B173.3-1991 | Ferramentas de impacto pesado | 0,45 a 0,88C, 0,3 a 1,2Mn, 0,35Si máx, conforme ASTM A576, A322 ou A681 | Face de impacto 45 a 60. Marreta de lenhador 44 a 55. Penna 45 a 60 | Dureza do bloco 92 a 105 HRB |
| BS 876-1981 | Martelos | 0,5 a 0,6C, 0,5 a 0,9Mn, 0,1 a 0,4Si, com 0,2 a 0,3Cr para massa da cabeça acima de 1,8 kg (4 lb) | Face de impacto 50 a 58. Três mm abaixo da face de impacto 46 | Bloco de aço normalizado, mesmo aço do martelo, seis golpes na periferia da face |
| GGG-H-86C-1963 | Martelos | 0,46 a 0,85C, 0,2 a 0,9Mn, 0,1 a 3Si | Martelo de face dupla 44 a 55. Martelo de carpinteiro 50 a 60. Martelo de bola 50 a 57 | Cabo com menos de 60 cm (25 in.), 92 a 105 HRB. Cabo com mais de 60 cm, 40 a 45 HRC |
| ANSI B209.3-1990 | Cunhas para rachar lenha | Aço carbono conforme ASTM A29, A576 ou A681 | 35 máx. | Ensaio de queda de peso, 4,5 kg (10 lb) de 1,5 m (5 ft) |
| ANSI B209.1-1991 | Cinzéis | Aço carbono ou liga conforme ASTM A29, A322, A331, A576 ou A681 | Face de impacto 45 máx. Gume de corte 53 a 60 | Ensaio de queda de peso |
As seis especificações de ferramentas de golpear e de serem golpeadas que a fonte tabula, com a composição do aço que cada uma nomeia e a faixa de dureza que permite. Todas as ferramentas ferroviárias de golpear e de serem golpeadas são atualmente fabricadas com o aço grau B, e ferramentas não percussivas como alavancas de unha, tenazes para trilhos e garfos para trilhos são fabricadas com aço carbono comum. Fonte, Tabela 1 do artigo.
Comprovar uma ferramenta por ensaio
Duas das especificações exigem que a ferramenta de golpear seja golpeada contra um bloco de aço de 92 a 105 HRB, e uma terceira exige um bloco de aço normalizado. Esses níveis de dureza são baixos, e a fonte é direta quanto à consequência. Os blocos deformam-se significativamente sob o golpe e, pelo mesmo argumento usado para a ferramenta golpeada, uma bigorna macia distribui a tensão e reduz a chance de a ferramenta de golpear lascar. A evidência citada é que McIntire e Manning não conseguiram lascar martelos com uma energia de impacto de 190 J (140 ft · lbf) golpeada contra uma bigorna de 24 HRC. Um ensaio de golpe com 100 golpes completos desferidos contra tal bigorna é, portanto, um ensaio da durabilidade da ferramenta e não de sua tendência a lascar.
Uma especificação exigia algo mais severo, uma bigorna de 40 a 45 HRC para um martelo com cabo maior que 635 mm (25 in.), e esse requisito foi desde então substituído pela especificação ANSI com sua bigorna muito mais macia, com ensaio por partículas magnéticas ou ultrassônico adicionado em seu lugar. A outra variável no ensaio é como o golpe é desferido. A especificação pede um golpe desferido em cheio com a face de impacto paralela à superfície, e pede que golpes de raspão, golpes acima e golpes abaixo sejam evitados, porque um golpe que atinge uma borda coloca a carga onde a seção não a suporta.
Como uma lasca se parece quando é cortada
Uma lasca examinada adequadamente carrega mais informação do que o fato de a ferramenta ter quebrado. No martelo de bola cujas seções a fonte examina, a borda da cavidade apareceu cisalhada e um pedaço da superfície de impacto ainda estava preso a ela, com as marcas de retífica na face terminando na borda do aro. A superfície da cavidade apresentava um fino filme de óxido, que fixou a temperatura mínima atingida durante o evento em algum ponto na faixa de 430 a 540 °C, e a temperatura veio da deformação plástica do processo de lascamento e não de qualquer tratamento térmico. Em seção, uma banda de cisalhamento adiabático cobria toda a superfície da cavidade. Essa banda é uma camada de martensita não revenida de ataque claro, e seu perfil mostrou que dois cisalhamentos separados estiveram envolvidos na remoção daquela lasca.
O mesmo exame aplicado a uma cavidade diferente deu a resposta oposta. Onde as marcas de retífica atravessam o aro em vez de terminar nele, o aro é uma indentação e não uma borda cisalhada, e a cavidade formou-se por ejeção da lasca seguida de deformação plástica da face ao redor. Distinguir esses dois casos é o objetivo de seccionar uma lasca, e é um passo frequentemente indisponível, porque ferramentas de golpear são com frequência objeto de litígio e ensaios destrutivos não são permitidos. Quando isso acontece, a própria lasca e as superfícies de fratura são a única evidência, e o pedaço que se soltou vale a pena guardar exatamente por esse motivo.
| O que se vê | O que significa |
|---|---|
| Um aro cisalhado, com marcas de retífica na face de impacto terminando na borda do aro | O material deixado pelo golpe foi cortado por cisalhamento, e a lasca saiu como um pedaço separado. Pedaços da superfície de impacto podem permanecer presos ao aro |
| Um aro deformado, com as marcas de retífica continuando através do aro | O aro é uma indentação e não uma borda cisalhada, então a cavidade formou-se por ejeção da lasca seguida de deformação plástica da face ao redor |
| Um fino filme de óxido escurecendo parte da superfície da cavidade | Calor da deformação plástica que produziu a lasca. A temperatura mínima atingida está na faixa de 430 a 540 °C (800 a 1000 °F) |
| Uma banda de ataque claro cobrindo a superfície da cavidade em uma seção polida e atacada | Uma banda de cisalhamento adiabático, que é uma camada de martensita não revenida. O perfil da banda mostra quantos cisalhamentos separados estiveram envolvidos na remoção da lasca |
| Uma trinca prévia cuja superfície é brilhante no interior da peça e escura onde encontra uma superfície livre | Uma trinca de têmpera. A parte da trinca que nunca intersectou a superfície permaneceu não oxidada, e a parte que atingiu a superfície oxidou durante o revenimento, então superfícies de fratura antigas e novas diferem em contraste |
| Muitas ferramentas de um mesmo lote falhando com essencialmente a mesma geometria de lasca | Fragilização por revenimento, que é confirmada revelando os contornos de grão fragilizados com um reagente de ataque como o reagente de Rucker’s |
As características que uma cavidade de lasca carrega e a leitura que cada uma sustenta, a partir das seções e casos práticos no artigo Spalling from Impact Events.
O que uma lasca grande diz sobre o aço
A lasca superficial comum é um evento de serviço, e uma lasca grande não é. A formação de lascas grandes está invariavelmente associada a um material defeituoso, e os dois defeitos que a fonte nomeia são uma trinca prévia e uma alteração nos contornos de grão. Uma trinca de têmpera é o mais comum dos dois. Quando uma trinca desse tipo fica inteiramente dentro da ferramenta, sua superfície nunca vê o forno e permanece brilhante, enquanto a parte dela que mais tarde atinge uma superfície livre oxida durante o revenimento, então as superfícies de fratura antigas e novas diferem em contraste e o contorno da trinca original pode ser lido como uma forma distinta dentro da cavidade. Onde a trinca estava aberta à superfície desde o início, toda a superfície da trinca está oxidada, e o pedaço que se soltou é então muito mais fácil de identificar como um defeito antigo.
A fragilização por revenimento é a segunda causa e comporta-se de modo diferente, porque não deixa trinca alguma a encontrar. O caso que a fonte apresenta é de três marretas de rasgar compradas em um único lote encaixotado que falharam de modo muito semelhante, com essencialmente a mesma geometria de lasca em cada uma. A evidência estava nos contornos de grão e não no aspecto da fratura, e foi revelada por ataque com o reagente de Rucker’s. Um lote de ferramentas que falha de modo semelhante é, portanto, um sinal para examinar o tratamento térmico do lote em vez de como qualquer ferramenta individual foi usada, e os tipos de fragilização que podem produzir esse padrão estão reunidos em Tipos de fragilização em aços.
O que isso significa em um pedido de aço ferramenta
Um pedido de ferramenta de golpear é um dos poucos em que o valor de dureza e o modo de falha têm de ser decididos em conjunto. A janela de dureza é estreita, sua extremidade inferior é escolhida pelo aviso que dá e não pelo desempenho que entrega, e a ferramenta golpeada tem de ser mais macia que a ferramenta de golpear para que o par funcione. Três itens valem a pena anotar. A dureza da face e da ponta três milímetros abaixo dela, já que uma camada dura superficial sobre um núcleo macio comporta-se de modo diferente de uma ferramenta temperada em toda a seção. A tenacidade ao impacto por trás dessa dureza, porque uma face no topo da faixa precisa da tenacidade para sobreviver aos golpes sob os quais não se deformará. E o lote de tratamento térmico, porque um lote de ferramentas que falha de modo semelhante aponta para o revenimento e não para o serviço. Graus tenazes resistentes ao choque e seu tratamento térmico estão em Tratamento térmico de aço ferramenta S7 e em Aços para ferramentas para resistência ao trincamento, a energia de impacto que esses graus absorvem está registrada em Ensaio de Impacto Charpy em Aço Ferramenta, e o lado relacionado de desgaste do mesmo impacto está em Desgaste por Impacto e Lascamento de Ferramentas. A forma como uma fratura é classificada antes de ser explicada está em o gráfico de identificação de modos de dano, as marcas na própria superfície são lidas com Características da superfície de fratura e o que elas significam, a trinca que existia antes do serviço é descrita em trincas de têmpera em aço ferramenta, e a referência de qual aço é usado para qual ferramenta está em Materiais para Ferramentas e Matrizes por Tipo de Ferramenta. A sequência mais ampla de falhas, do projeto ao serviço, é apresentada em Análise de falha de ferramentas e matrizes.
Antes de agir sobre uma lasca
Uma página de referência, não é uma especificação da Aobo Steel, e as faixas de dureza acima são os valores publicados nas especificações citadas, que se aplicam às ferramentas abrangidas por essas especificações. Uma ferramenta fora dessas normas, ou uma ferramenta com face reparada, não é regida por esses números. Não devolva uma ferramenta de impacto ao serviço com dureza acima da faixa porque desgastou rápido demais, pois a falha que se segue não é gradual. Quando uma ferramenta já lascou, guarde o fragmento que se soltou, pois a superfície de fratura nele pode ser a única evidência restante quando o ensaio destrutivo for descartado.
Fonte: ASM Handbook, Volume 11, Failure Analysis and Prevention, ASM International, 2002.