Introdução à análise de falhas de peças metálicas e plásticas

Introdução à análise de falhas de peças metálicas e plásticas

Fig. 2. A superfície de fratura deste parafuso foi removida da máquina na qual ele estava sendo utilizado por 20 anos. A superfície de fratura foi separada (cortada) do resto do comprimento do parafuso antes que fossem tiradas fotos para mostrar a orientação das características. O buraco na superfície de fratura, feita quando alguém pensou que a análise da composição química forneceria a causa da falha, não interferiu muito, neste caso, nas investigações. Eles foram sortudos

Todos os tipos de falhas acontecem no mundo. Neste artigo, olharemos para aqueles nos quais um entendimento da estrutura interna de um material poderia jogar alguma luz nos fatores envolvidos na falha – em outras palavras, aqueles que você deveria enviar para um engenheiro de materiais ou metalurgista. Nós olharemos principalmente para os componentes utilizados em máquinas, produtos de consumo e estruturas

As falhas, adicionados os eventos em geral, ocorrem quando fatores interagem de uma forma inesperada. Isto é importante para entender. Muitas empresas atribuem “fazendo uma análise de falhas” para pessoas sem muito conhecimento técnico. Os resultados de tal trabalho são com frequência desapontadores e confusos (Fig. 2). Eles frequentemente deixam todos imaginando o porquê eles gastaram tanto dinheiro naquela análise. Uma forma típica de como isto ocorre é quando alguém envia uma peça para um laboratório para verificar se “o material está dentro das especificações”. Aqui está aquele mistério especial. Qualquer um pode ver as dimensões e as cores. Qualquer um pode ver que a peça em questão está enferrujada, quebrada, deformada ou desgastada. Há diversas pessoas que são realmente boas em entender os aspectos mecânicos do que os seus equipamentos fazem (Fig. 3). O que não é todo mundo que pode ver é a dureza, a resistência, a composição e a microestrutura.

A microestrutura é essencialmente a armazenagem do histórico de processamento da peça. Se o material correto foi utilizado, a microestrutura é o que trará luz para mostrar se o material foi processado corretamente. Você pode ter a dureza certa e a microestrutura errada. Certo e errado são termos úteis, mas eles raramente têm o significado objetivo e absoluto que pessoas que não são treinadas em engenharia de materiais pensam que eles têm. A “causa” de muitas, talvez a maioria, das falhas que eu vejo pode ser vista como uma falha em especificar em detalhes suficientes o processo de manufatura da peça.

A Análise de Laboratório

Composição

Voltando no por que “mandamos as peças que falharam para um laboratório”, vamos esquecer por um tempo a microestrutura e o histórico de processamento e focar no que provavelmente está incluso na maioria das especificações que uma típica pequena empresa não pode verificar por si mesma. Isto inclui a determinação da composição básica do material.

Para os metais, isto é relativamente simples se houver uma superfície plana e facilmente acessível que possa ser lixada em uma lixadeira de cinta para expor um círculo de meia polegada de diâmetro de metal. Em seguida, a peça pode ser analisada por um espectrômetro. Muitas peças, entretanto, são grandes demais para serem colocadas na câmara do instrumento, então, terão que ser cortadas. Assim, nós vemos o primeiro problema com a substituição de uma simples checagem de certificação para uma análise de falhas, pois a maioria dos ensaios para verificar se o material atende às especificações é destrutiva. Uma vez que o conjunto é desmontado – a peça é cortada – perdemos para sempre algumas das informações que poderiam ter ajudado a confirmar ou desmentir alguns dos cenários de falhas possíveis.

Se a peça for pequena demais para a análise em espectrômetro, então uma parte dela deverá ser dissolvida em ácido ou consumida por combustão como parte do método analítico. Esta técnica é, obviamente, ainda mais destrutiva. Se a “peça que falhou” for feita de uma resina polimérica, serão necessários métodos diferentes para analisá-la. Neste caso, são os tipos de moléculas que são de interesse, não as espécies atômicas. O polietileno, o poliestireno e o polibutadieno são todos feitos de carbono e hidrogênio.

Geralmente se utiliza algum tipo de analisador infravermelho para determinar o tipo de resina, olhando para as ligações atômicas. Mas, se o polímero for preenchido com vidro ou mineral, serão necessários ensaios adicionais para determinar se a quantidade correta de vidro e mineral foi incluída na resina. Note que o vidro é utilizado para reforçar a maioria das resinas, enquanto o mineral é utilizado para reduzir o custo e pode enfraquecer o material.

Assim, conhecer a quantidade de material de preenchimento não é o suficiente. Temos de saber a quantidade de vidro e a quantidade de mineral. Se você quiser diferenciar os diversos tipos de nylon ou poliuretano, serão necessários testes adicionais. Até agora você provavelmente já gastou algo em torno de US$ 500 e US$ 1.000, se você precisou ir a um laboratório externo.

Microestrutura

Pior ainda se estivermos lidando com um metal ou uma peça de plástico na qual nada foi feito para determinar se a distribuição dos diferentes constituintes que compõem o material é uniforme ou não. Isto é normalmente avaliado com as técnicas de exame microscópico das seções transversais especialmente preparadas (Figs. 5-6). Isto pode ser feito em componentes metálicos e poliméricos. Mas como a uniformidade de distribuição dos constituintes da microestrutura é uma daquelas coisas que geralmente não são especificadas, vamos voltar para as coisas que são mais frequentemente especificadas.

Dureza

Para uma peça metálica, a dureza é uma característica frequentemente especificada. Não há qualquer problema se as peças aqui são grandes e a engenharia especifica claramente onde o teste deverá ser realizado e com qual escala. Este poderia ser o caso no qual para um forjado ou fundido de 5 kg é específicada a dureza Brinell. Infelizmente, as pessoas que colocam as especificações de dureza nos projetos de engenharia são muitas vezes ignorantes em relação a como os testes são realmente realizados. A prática comum para pequenas peças metálicas é utilizar a escala Rockwell B ou C. No entanto, há uma espessura mínima para todas as peças, um diâmetro mínimo para superfícies curvadas e uma exigência por uma superfície plana paralela à superfície a ser testada, ou uma superfície curvada convexa. Tecnicamente, isto não é válido para testar uma superfície côncava com a escala Rockwell. Para superfícies convexas, tais como barras sólidas, há uma correção para compensar este arredondado, mas não há nenhuma maneira de corrigir o metal extra sobre uma superfície côncava.

A história fica mais complicada se a peça for endurecida superficialmente. A maneira mais apropriada para ensaiar estas peças é com perfis de microdureza, e isto exige a preparação de uma seção transversal. Esperamos que agora tenha ficado claro que “só fazer um teste de dureza e uma verificação de composição” não é algo tão simples assim! Mesmo que a situação não exija uma análise completa, se vale a pena fazer algum teste, vale a pena ter alguém que seja conhecedor sobre o uso da peça para conversar com quem vai supervisionar ou executar os testes. Desta forma, os testes poderão ser personalizados para lançar luz sobre por que a peça não teve o desempenho desejado. Sem isso, os resultados dos testes podem ser enganadores.

Elementos da Análise de Falhas

Qual a diferença entre uma série de testes para verificar a conformidade com a especificação e para fazer uma análise de falhas? A diferença essencial é que uma análise de falhas inclui uma inspeção visual, uma revisão da documentação e um planejamento para executar uma verificação consistente com todos os dados.

Inspeção Visual

Há diversos tipos de inspeção visual. Quando as peças são produzidas de forma incorreta ou são planejadas inspeções em campo para um problema em serviço a inspeção visual precisa ser planejada. Para haver uma viabilidade econômica, os inspetores – humano ou máquina – precisam ter uma lista finita de coisas para olhar. Talvez seja um risco, um entalhe ou alguma ferrugem. Talvez a tinta esteja da cor errada ou uma abertura não foi feita.

O que quer que seja ninguém quer pagar por algo e olhar para um arranhão, entalhe, ferrugem ou o tom errado de fúcsia. O ser humano é simplesmente incapaz de olhar simultaneamente para um número indefinido de características. Nós, basicamente, temos que memorizar a lista de características e procurar por cada uma separadamente.

Nós somos incapazes de olhar para “tudo o que talvez seja incomum” a não ser que tenhamos muito tempo. Ter este tempo extra é a primeira das duas maiores diferenças entre uma inspeção procurando por defeitos e uma análise de falhas.

Se a peça tiver uma superfície de fratura visível, então parte da inspeção visual será uma análise fractográfica das características da face da fratura e das áreas ao redor. Isto inclui uma avaliação da forma da peça e da forma em que as cargas são aplicadas à peça. Com frequência é possível determinar se a peça foi submetida a dobramento, a torção ou a cisalhamento. Alguns componentes estão sujeitos a um carregamento em tração ou compressão.

Uma informação-chave da análise da fratura mostra uma comparação entre a orientação aparente das cargas que causou a fratura e a orientação das cargas as quais o componente foi submetido. Um carregamento sob torção pode criar tensões que são o dobro daquelas que aconteceriam se fosse um carregamento de tração ou dobramento. Olhe a legenda da Fig. 3. Além disso, cargas não planejadas podem alterar o padrão de tensões de forma que uma posição que não deveria nunca estar sujeita a altas tensões pode estar sujeita a uma. Perceba que este não é o caso da peça mostrada na Fig. 1. A porção fractográfica da inspeção visual é crítica para a análise da fratura. A outra “metade” da inspeção visual para a análise de falhas inclui algo que a maioria das pessoas não está familiarizada.

Ela exige olhar para a peça, de preferência com o menor número de ideias pré-concebidas sobre o que poderia ter causado o problema quanto possível, para ver o que está lá, na tentativa de encontrar coisas que nunca iriam ocorrer a qualquer um para colocar em uma lista.

Uma das minhas partes preferidas para ilustrar isto é o tubo de aço inoxidável mostrado na Fig. 7. Determinou-se que a corrosão que causou o buraco era devido às excreções de ácido de uma colônia de bactérias. As bactérias gostam do ambiente ácido. Assim, conforme a corrosão acontecia e eram formados pits na área da corrosão, as bactérias colonizavam os pits, eventualmente fazendo túneis entre as superfícies internas e externas da parede do tubo.

Quando relatei isso para o meu cliente, ele disse: “Hmmm … sim… certo. Havia pombos voando ao redor, dentro da planta. Corrosão por cocô de pombo! OK. Faz sentido.” A pessoa fazendo a análise nunca esteve na fábrica e nunca viu a peça em serviço. Este é um excelente exemplo de uma “verificação de consistência”. Realmente havia uma razão para haver um alto nível de bactérias na peça. Em uma inspeção casual com isso em mente, a forma da mancha de fato parecia que poderia ter sido feita por um cocô de pombo (Fig. 7).

Documentação

Isso levanta outra questão. Ao mover a evidência física, é importante documentar as posições das peças de encaixe antes da desmontagem. Quando se olha para qualquer componente de um sistema de tubos, saber onde a parte do sistema em questão estava, se em posição vertical ou horizontal, pode tornar a interpretação dos dados muito mais fácil. Aprender a estender este princípio de conservação de evidências para todos os outros tipos possíveis de falhas em todos os tipos possíveis de situações em que os componentes falham é uma tarefa de vida e um dos maiores desafios do trabalho de análise de falha. A recomendação de uma inspeção mais simples dos parafusos restantes em serviço combinados com o mostrado na Fig. 2 teria sido possível se soubéssemos a orientação das fissuras maiores e menores em serviço.

Os resultados da inspeção visual e o tempo que se gastou permitindo verificar as pequenas diferenças disponíveis nesta avaliação inicial do componente foram o que permitiu uma seleção inteligente dos locais para a análise de composição e dureza (e microestrutura, se desejado), de modo que os dados obtidos foram suficientes para fornecer as informações necessárias, mantendo a maior chance de obter mais dados de qualidade, se necessário, em um momento posterior.

Mais informações, contate: Debbie Aliya, Aliya Analytical, Inc., tel: +1 616-475-0059; e-mail: DaAliya@itothen.com; www.itothen.com.

 

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