Análise de falhas em componentes de aço carbono cementado 20MnCr5

O 20MnCr5 é um material utilizado no powertrain automotivo. Assim, a análise de falhas que envolvem componentes fabricados com este material são de grande relevância na indústria automotiva.

Histórico – Distribuição das falhas e sua freqüência

O histórico de falha indica uma vida curta (algumas horas de uso), com a falha ocorrendo no início de sua vida considerando a sua vida esperada (mais de 10 anos). Nesta fase, as falhas ocorrem devido à problemas de fabricação, qualidades de matéria prima inadequadas, entre outras. A quantidade de falhas ocorridas também foi elevada também indicando o período de falhas em início de vida.

ciclo de vida do produto
Distribuição das falhas e sua frequência ao longo da vida do produto.

Caso a falha tivesse ocorrido após um ano, probabilidade de grandes quantidades de falhas seria menor e os problemas de falhas estariam relacionado muito provavelmente com parâmetros de projeto. As falhas em fim de vida estão relacionadas com o desgaste do material e mecanismos de fadiga.

Características do 20MnCr5 para Análise de Falhas

O DIN 20MnCr5 é um aço com baixo teor de carbono para processo de fabricação com tratamento térmico superficial por cementação, com boa temperabilidade e alcançando boa resistência ao desgaste devido à alta dureza superficial após o processo de têmpera no tratamento térmico. O tamanho de grão reduzido proporciona uma boa tenacidade e resistência à fadiga. É um material selecionado para componentes de caixa de câmbio, engrenagens e outra peças de alto desgaste. Pode ser fornecido com teor de enxofre controlado para proporcionar boas propriedades de usinagem com ótimo acabamento superficial.

Variáveis de Processo Importantes na Análise de Falhas

O processo de cementação do DIN 20MnCr5 deve ser controlado com grande atenção ao potencial de carbono para evitar a formação de rede de carbonetos na superfície da peça nas regiões cementadas. A imagem a seguir da análise de falhas apresenta uma formação de rede de carbonetos numa amostra preparada sem ataque.

O processo precisa ter uma fonte de carbono com craqueamento controlado, e devem ser evitados os processos de cementação por via sólida, que tem um potencial de carbono muito elevado.

Análise de falhas. Metalografia da superfície do corpo de prova cementado por via gasosa.
Figura 01 – Análise de falhas. Metalografia da superfície do corpo de prova cementado por via gasosa. Rede de carbonetos visível na superfície da amostra somente polida. Ataque: Nenhum. Aumento: 200x.

Outro ponto crítico no controle deste processo metalúrgico de cementação é a temperatura e tempo de exposição do material nestas altas temperaturas. Caso estas temperaturas solubilizem os elementos de liga adicionados para ancorar os contornos de grão austeníticos poderá ocorrer crescimento de grão exagerado e em alguns casos, o crescimento anormal de grão. A presença de grãos crescidos anormalmente é um fator que diminui severamente a tenacidade do material.

Importância do Tamanho de Grão na Análise de Falha

Na análise de falhas do componente verificou-se o tamanho de grão após o tratamento térmico e foi possível caracterizar na superfície da amostra grãos com crescimento de grão anormal. Esta microestrutura foi revelada por ataque químico metalográfico indicado para revelação de tamanho de grão austenítico, o Tepol. A medição de tamanho de grão segue a norma ASTM E 112, e no caso foram medidos na figura abaixo os grãos com crescimento anormal somente. Veja mais sobre Medição de Tamanho de Grão aqui.

Análise de falhas. Grãos com crescimento anormal forma medidos com média acima de 60µm.
Figura 02 – Análise de falha. Metalografia do 20MnCr5 após cementação e têmpera. Superfície polida e atacada. Grãos com crescimento anormal forma medidos com média acima de 60µm. Ataque: Tepol. Aumento: 200x.

Análise de Falhas: Alterações Microestruturais e Vida em Campo

Um filme de carbonetos formado no contorno de grão austenítico do material é um fator que diminui a resistência do material severamente nestas regiões. Como o carboneto é frágil, com o esforço mecânico elevado, este se rompe facilmente ao longo da região precipitada. Isto fornece ao material a característica de comportamento frágil em tensões de trabalho. No caso de falha analisado, a ruptura percorreu esses precipitados e em regiões isoladas onde esse carboneto não se formou é visível a formação de alvéolos de deformação plástica. No caso a análise microestrutural descreveu comportamento do mecânico do item em campo e foi uma fato conclusivo na análise da falha da peça.

Desta forma, resultado de uma microestrutura cementada, temperada e revenida com carbonetos precipitados em contorno de grão e com grãos austeníticos crescidos anormalmente é uma estrutura frágil em campo. A figura a seguir apresenta a fratura típica do item após curto serviço em campo.

Análise de falhas. Microscopia Eletrônica de Varredura. Superfície de falha com presença de fratura frágil com propagação da fratura intergranular
Figura 03 – Análise de falhas. Microscopia Eletrônica de Varredura. Superfície de falha com presença de fratura frágil com propagação da fratura intergranular provavelmente pela presença dos carbonetos em contorno de grão (setas vermelhas) com algumas regiões com característica dútil, ou alveolar (setas verdes). Aumento: 2000x.

Conclusão

  • A Análise de Falhas é uma técnica multidisciplinar que envolveu neste caso parâmetros de controle e manutenção do forno de tratamento térmico e seus efeitos negativos sobre a qualidade microestrutural no material da peça com falha. Veja mais sobre métodos de análise de falhas aqui.
  • Análise de falhas mecânicas podem indicar influências de parâmetros de processo ou de manutenção de equipamentos inadequados. Veja mais sobre Serviços da TestMat aqui.

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