Falha por Fadiga em Aço Ferramenta
Uma ferramenta que falha por fadiga passou nas verificações exigidas pelo desenho. A dureza está dentro da especificação, o grau é o que a aplicação exigia, e a carga nunca excedeu o valor de projeto. A trinca ainda se iniciou, geralmente em um detalhe que ninguém especificou, e cresceu um pouco a cada ciclo até que a seção remanescente cedesse. Esta página aborda onde uma trinca de fadiga se inicia em uma ferramenta, as práticas de marcação e acabamento que a determinam, os modos de fadiga de contato que retiram um cilindro ou um dente de engrenagem de serviço, e o que as duas indústrias envolvidas finalmente concordaram em chamar cada um.
Por que uma trinca de fadiga se inicia onde ninguém olhou
Uma falha por fadiga começa em um local onde a tensão local é maior que a tensão nominal na seção, e cresce sob cargas cíclicas cujo pico permanece abaixo do limite de escoamento do aço. A fratura resultante apresenta duas zonas, uma progressiva e lisa onde a trinca avançou ciclo a ciclo e uma final mais rugosa onde a seção remanescente se rompeu. O tamanho da zona progressiva em relação à seção é uma medida direta de quanta carga a peça estava realmente suportando, razão pela qual vale a pena fotografar as duas zonas antes de qualquer corte.
A localização da origem é a parte da análise sobre a qual uma oficina de ferramentaria pode agir, porque quase sempre é um detalhe que alguém produziu. Um sulco de usinagem, uma marca de estampo, um sulco de retificação, um canto interno vivo, uma inclusão, uma camada descarbonetada e uma pite de corrosão são todos entalhes, e um entalhe multiplica a tensão nominal por um fator determinado por sua profundidade e seu raio. A tabela abaixo lista os locais que a fonte analisa e associa cada um à verificação de processo que determina se ele deveria estar ali.
| Local de iniciação | Por que a tensão se concentra ali | O que verificar primeiro |
|---|---|---|
| Sulco de usinagem ou retificação | Um sulco é um entalhe, e um entalhe multiplica a tensão nominal por um fator determinado por sua profundidade e seu raio | A especificação de acabamento no desenho, e se a última operação deixou uma marca circunferencial |
| Estampo de identificação em área tensionada | Um estampo a frio desloca o metal e deixa um entalhe ao redor do contorno do caractere | Onde o número de corrida e o número da peça são aplicados, e quão profunda foi a impressão |
| Canto interno vivo ou mudança brusca de seção | As linhas de carga se aglomeram em um raio pequeno, então a tensão local excede a média pelo fator de entalhe | O raio de concordância no desenho em comparação com o raio medido na peça |
| Inclusão não metálica ou estria | Uma inclusão dura é incoerente com a matriz e não pode acompanhar sua deformação | O nível de limpeza do aço, e onde a peça estava posicionada na barra |
| Camada descarbonetada ou supercarbonetada | A camada difere do núcleo em dureza e em tensão residual, e carrega seu próprio estado de tensão | O sobremetal removido antes da têmpera e o potencial de carbono da atmosfera do forno |
| Ajuste com interferência ou junta apertada | O ajuste é uma concentração de tensão, e quando a junta respira adiciona dano por fretting sobre ela | Pressão de contato, e se as peças foram projetadas para se mover uma em relação à outra |
| Pite de corrosão | Uma pite é um entalhe, e retém o eletrólito que mantém a trinca avançando | Se a superfície foi protegida, e o que o depósito na fratura contém |
| Queimadura por arco ou reparo por solda | A fusão local e a retêmpera deixam uma zona frágil em tração residual | O histórico de reparos da ferramenta, e a dureza da zona reparada |
Onde uma trinca de fadiga se inicia em uma ferramenta, por que esse detalhe concentra tensão, e a verificação que associa o local a uma etapa de processo. Compilado a partir das seções de identificação de falhas da fonte.
Dois fatos sobre a cronologia definem o valor da discussão. Na fadiga simples, a iniciação da trinca pode representar cerca de 90 por cento da vida total, então a peça passa quase toda a sua vida antes que haja qualquer trinca a encontrar, e um intervalo de inspeção que parece generoso no papel pode ser a maior parte da vida. Quando o fretting também está presente no contato, a iniciação cai para cerca de 55 por cento da vida e o fator de redução de resistência sobe para entre 2 e 5 ou mais, razão pela qual uma junta que nunca foi projetada para se mover é uma forma tão eficaz de perder uma ferramenta prematuramente. O lado do fretting desse par é abordado em desgaste por fretting em ferramentaria.
Marcar a peça sem iniciar a trinca
As marcas de identificação são aplicadas após o acabamento da ferramenta, e não fazem parte do projeto, o que é exatamente a razão pela qual causam problemas. A fonte é direta quanto à ordem de preferência. Caracteres em relevo são melhores que os indentados, porque uma marca em relevo adiciona material em vez de deslocá-lo. Onde a marca precisa ser indentada, um processo a quente é preferido a um a frio, e uma tinta de marcação é preferida a um lápis de gravação elétrico ou um gravador vibratório. Todos esses três métodos de indentação ainda são menos agressivos que um estampo de aço a frio. Onde um estampo é inevitável, um estampo de baixa tensão com as arestas vivas dos caracteres removidas, ou um estampo desgastado, causa o menor dano, particularmente quando a impressão é leve, e o estampo pertence a uma área de baixa tensão conhecida em vez de próximo a um raio de concordância ou mudança de seção. Caracteres com longos trechos retos têm a maior tendência a iniciar uma trinca.
| Método de marcação | Efeito na superfície | Onde é aceitável |
|---|---|---|
| Caractere em relevo, fundido ou forjado | O material é adicionado em vez de deslocado, portanto não é introduzido entalhe | Em qualquer local onde a geometria permita uma marca em relevo |
| Tinta de marcação | A marca é um revestimento e a superfície não é alterada | Qualquer superfície usinada |
| Lápis de gravação elétrica | Aquecimento local superficial com pequena alteração da superfície | Áreas de baixa tensão e superfícies não críticas |
| Gravador mecânico vibratório | Um sulco contínuo com raio fino no fundo | Somente áreas de baixa tensão, nunca sobre um filete |
| Estampagem a quente | O metal é deslocado a quente e dúctil, deixando um entalhe superficial | Áreas de baixa tensão, e preferível à estampagem a frio |
| Punção de aço a frio | O metal é deslocado a frio, deixando um entalhe de fundo agudo com tensão residual ao redor | Somente áreas de baixa tensão conhecidas, aplicado levemente |
| Cunhagem a frio de uma marca grande | O mais severo dos métodos tanto em profundidade de entalhe quanto em tensão residual | Evitar em qualquer ferramenta sujeita a carga cíclica |
Métodos de marcação de identificação na ordem dada pela fonte, do menos ao mais danoso à superfície. Fonte, as regras de marcação de identificação no artigo Fatigue Failures.
Quando o ambiente participa
A fadiga por corrosão é a combinação de uma tensão cíclica e um ambiente em que nenhum dos dois isoladamente trincaria a peça. Sua assinatura prática é um grupo de pequenas trincas ao lado da fratura principal, produto de corrosão compactado na superfície, e uma origem esfregada e descolorida porque a metade de compressão de cada ciclo pressionou as duas faces uma contra a outra. No aço carbono as trincas frequentemente começam em pits de corrosão hemisféricos, embora a pitting não seja um requisito, e o caminho é geralmente transgranular com uma pequena quantidade de ramificação. O número de trincas é um discriminador utilizável. Várias trincas de fadiga por corrosão frequentemente crescem lado a lado ao longo de caminhos paralelos, enquanto uma trinca de fadiga mecânica pode começar em vários pontos na mesma região, mas um deles se torna dominante antes que a trinca avance muito.
A ordem de exame importa, e é fácil destruir a evidência antes de lê-la. O primeiro passo dado pela fonte é retirar a superfície de fratura com fita de acetato de celulose ou material replicante plástico, para que qualquer depósito seja capturado para análise posterior. A peça é então limpa e desengraxada em um tanque ultrassônico com acetona de grau reagente, porque a acetona remove o resíduo de acetato de celulose e também dissolve a suspensão de partículas magnéticas e a maioria dos penetrantes líquidos. Solvente aplicado com pincel especificamente não é o método. Um produto de corrosão na origem também pode enganar em baixa ampliação, onde óxido globular ou nodular é facilmente confundido com facetas intergranulares, portanto nenhuma conclusão deve ser tirada apenas da aparência.
O número a levar para uma decisão de aceitação é o limite de fadiga, porque ele não sobrevive ao ambiente. O limite de fadiga do aço doce é eliminado em condições aquosas dependendo do potencial eletroquímico, e a faixa de tensão necessária para causar fratura cai progressivamente à medida que o tempo e o número de ciclos aumentam. É por isso que os ensaios de fadiga por corrosão medem taxas de crescimento de trinca no ambiente em vez de uma vida total, e por que uma peça ciclada em serviço úmido ou com hidrogênio não pode ser liberada contra um limite medido em ar.
Fadiga de contato onde a ferramenta rola ou desliza
A fadiga de contato é a falha de duas superfícies curvas sob rolamento repetido, ou rolamento combinado com deslizamento, e a tensão que importa é a tensão de cisalhamento alternada que inverte de direção à medida que as peças se movem. Em rolamento puro essa tensão de cisalhamento atinge o pico ligeiramente abaixo da superfície, então uma trinca pode começar em material que parece sadio do lado de fora, e atinge a superfície mais tarde como um pit. Quando o deslizamento é adicionado, o atrito move o pico de tensão de cisalhamento para mais perto da superfície e aumenta sua magnitude, razão pela qual um dente de engrenagem apresenta pitting ao lado da linha primitiva em vez de sobre ela, onde o contato é rolamento puro. A micropitting remove material em escala ainda mais fina, e uma camada cementada muito fina para a carga falha na interface entre camada e núcleo, um modo que a fonte chama de fadiga subcase ou esmagamento da camada.
O vocabulário sobre este assunto foi um problema por muito tempo, porque as indústrias de rolamentos e de engrenagens usavam nomes diferentes para o mesmo dano. A ANSI/AGMA 1010-E96 foi emitida para resolver isso, e as duas mudanças que mais importam em um relatório são que macropitting deve ser usado em lugar de spalling e micropitting em lugar de peeling.
| Carepa | Termos que a norma mantém | Termos a descartar |
|---|---|---|
| Macroescala | Macropitting, pitting, pitting inicial, pitting destrutivo, flaking, desgaste por fadiga, e fadiga subcase ou esmagamento da camada | Spalling, que foi aplicado a vários mecanismos diferentes e é, portanto, ambíguo |
| Microescala | Micropitting, microspalling, frosting, glazing, manchas cinzas, deterioração superficial | Peeling, que não descreve nem a aparência nem o mecanismo da micropitting |
Vocabulário de fadiga de contato conforme alinhado pela ANSI/AGMA 1010-E96, que foi emitida para que as indústrias de rolamentos e engrenagens descrevessem o mesmo dano da mesma forma. Fonte, Tabela 1 do artigo Fatigue Failures.
Para um pedido de aço ferramenta, a parte útil dessa norma é o vínculo que ela faz entre o modo e o fator que o controla. Três dos cinco modos na tabela abaixo são influenciados pela lubrificação, incluindo todo modo que começa na superfície, e os dois que começam abaixo da superfície são decididos pelo material. A fadiga de contato com origem em inclusões é o modo primário em rolamentos antifricção, e é a razão pela qual aço tratado a vácuo é usado para eles, porque o modo é controlado pelo tamanho e densidade de inclusões de óxido duro e pelos stringers que elas formam. A fadiga subcase é um problema de projeto e tratamento térmico, e não de limpeza do aço, e a solução é mais profundidade de camada ou mais dureza do núcleo, aplicada com cuidado para que o dente não se torne totalmente temperado e frágil.
| Modo | Onde se localiza a origem | O que controla se ele ocorre |
|---|---|---|
| Origem em inclusão, subsuperfície | Em uma inclusão não metálica abaixo do contato, acima da profundidade de máxima tensão de cisalhamento alternada | O tamanho e a densidade de óxidos e outras inclusões duras, e a ausência dos outros modos |
| Fadiga subsuperficial, também chamada de esmagamento da camada cementada | Próximo à interface entre a camada cementada e o núcleo | Uma camada cementada muito fina para o raio de curvatura e a carga, ou uma dureza do núcleo muito baixa para a tensão de contato |
| Origem pontual na superfície | Na superfície de contato, onde o filme de lubrificante deixa de separar as asperezas | Baixa viscosidade do lubrificante, filme mais fino que as asperezas em contato, força tangencial e deslizamento global |
| Concentração de tensão geométrica | Na extremidade do contato linear, onde a tensão de contato é mais alta | Geometria do contato de extremidade, desalinhamento e deflexão sob a carga aplicada |
| Micropitting | Na superfície, em escala inferior ao macropitting | Baixa viscosidade, filme fino, perda de pressão elastohidrodinâmica e baixas velocidades de operação |
Os cinco modos de fadiga de contato e os fatores que a fonte lista como controladores de cada um. Três dos cinco são influenciados pela lubrificação, incluindo todos os modos cuja origem está na superfície. Fonte: Tabela 2 do artigo Fatigue Failures.
O que isso significa em um pedido de aço ferramenta
A fadiga é o único modo de falha em que o desenho, o aço e a prática de oficina deixam uma marca que pode ser lida após o fato, e essa leitura vale a pena antes que outra ferramenta seja feita com o mesmo desenho. Quatro itens pertencem ao registro. O acabamento e o raio de filete efetivamente produzidos, porque o fator de entalhe é determinado pela geometria e não pela intenção. A localização e o método de cada marca de identificação, porque uma marca em uma área tensionada é um iniciador de trinca projetado. O nível de limpeza do aço, onde a tensão de contato é alta o suficiente para que as inclusões importem. E o tratamento superficial, porque uma camada compressiva na superfície compra vida de iniciação e é a resposta padrão onde a geometria não pode ser alterada. A tensão residual que essa camada altera é reportada da forma que Medição de Tensão Residual em Ferramental descreve, e a etapa de tratamento térmico que decide com o que a superfície começa está apresentada em trincas de têmpera em aço ferramenta. Os mecanismos por trás das marcas na própria superfície de fratura estão apresentados em Características da superfície de fratura e o que elas significam, as causas estágio por estágio de uma falha de ferramenta ou matriz estão em Análise de falha de ferramentas e matrizes, e a forma como uma fratura é classificada antes de ser explicada está em o gráfico de identificação de modos de dano. Os graus tenazes para serviço sob impacto e cíclico estão agrupados em Aços para ferramentas para resistência ao trincamento, a energia de impacto que um grau absorve está registrada em Ensaio de Impacto Charpy em Aço Ferramenta, e os dados de tenacidade à fratura estão em o gráfico de tenacidade à fratura do aço ferramenta, e a forma como a estrutura por trás desses números é examinada está apresentada em microestrutura do aço ferramenta.
Antes de agir com base em um diagnóstico de fadiga
Página de referência, não é uma especificação da Aobo Steel, e os valores acima são os publicados para as amostras e ligas específicas nomeadas. A vida em fadiga depende do histórico de tensões real, da geometria, da condição superficial e do ambiente, nenhum dos quais pode ser recuperado de uma única fotografia de fratura. Uma zona lisa em uma fratura é evidência de crescimento progressivo e não prova por si só qual carga a produziu, e um produto de corrosão na origem pode ser confundido com uma característica de fratura em baixa ampliação. Remova e registre a superfície antes de limpá-la, e trate qualquer valor de vida como uma estimativa vinculada ao intervalo de inspeção de onde veio.
Fonte: ASM Handbook, Volume 11, Failure Analysis and Prevention, ASM International, 2002.