silva, jonas. a. de s. análise de falha de matrizes de trefilação de tubos
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Trabalho de Conclusão de Curso sobre análise de falhas no processo de trefilação.TRANSCRIPT
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
ESCOLA DE ENGENHARIA
CURSO DE GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA
ANLISE DE FALHA DE MATRIZES DE
TREFILAO DE TUBOS
JONAS ARAJO DE SOUZA SILVA
Belo Horizonte, 26 de maio de 2014
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Jonas Arajo de Souza Silva
ANLISE DE FALHAS DE MATRIZES DE
TREFILAO DE TUBOS
Trabalho de concluso de curso apresentado ao
Curso de Graduao em Engenharia Mecnica da
Universidade Federal de Minas Gerais, como
requisito parcial obteno do ttulo de Bacharel em
Engenharia Mecnica.
Orientador: Prof. Dr. Ernani Sales Palma
(Universidade Federal de Minas Gerais)
Belo Horizonte
Escola de Engenharia da UFMG
2014
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RESUMO
A fabricao de tubos pode ser realizada atravs dos processos de laminao, extruso ou
conformao de chapas seguida de soldagem. Os tubos assim obtidos podem ser submetidos
trefilao, a fim de conferir dimenses, tolerncias e acabamento mais acurados. A trefilao
de tubos utiliza matrizes normalmente constitudas de um ncleo de material com alta
resistncia ao desgaste e alto mdulo de elasticidade, como o metal duro e aos revestidos de
cromo, inserido em uma carcaa de ao comum. Durante o processo de trefilao, a matriz
submetida a esforos de nveis significantes, assim como a vrias outras condies que
contribuem para a sua degradao ao longo de sua vida til, levando-a falha. Os custos de
recuperao e reposio das matrizes representam uma parcela significativa dos custos de
produo, pelo que as empresas investem em grupos de melhoria contnua com o objetivo de
reduzir as ocorrncias de falha das matrizes. Neste trabalho foi realizada a anlise de falha de
matrizes de metal duro utilizadas na trefilaria da Vallourec Tubos do Brasil S. A. no processo
de fabricao de tubos sem costura. Foram selecionadas cinco matrizes de diferentes
tamanhos e com diferentes tipos de falha. Realizou-se uma anlise prvia das condies de
trabalho das matrizes, baseada no seu histrico de uso. O aspecto da regio da falha em cada
amostra foi registrado atravs de fotografias e comparado com os tipos de falha descritos na
literatura pertinente. Propriedades das matrizes foram medidas e comparadas com as
especificaes de projeto e com os registros da literatura. Os esforos solicitantes aos quais as
matrizes so submetidas durante o processo de trefilao foram simulados atravs do mtodo
de elementos finitos, com base nos desenhos de fabricao e no histrico de uso das matrizes.
Os resultados obtidos mostram que em condies normais de operao os esforos solicitantes
nas matrizes no superam os limites de resistncia dos materiais dos quais so fabricadas,
descartando a hiptese de que inadequaes no projeto ou no emprego das matrizes
constituam a causa-raiz das falhas. Por outro lado, defeitos superficiais decorrentes da
avanada condio de desgaste (devido ao tempo de uso das matrizes) e defeitos na
microestrutura do ncleo de metal duro (inerentes ao seu processo de fabricao) constituem a
provvel causa-raiz das falhas.
Palavras-chave: Anlise de falha. Trefilao de tubos. Matrizes de metal duro.
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ABSTRACT
Manufacture of tubes can be made by the processes of milling, extrusion or metal forming and
welding. Tubes obtained by these processes can be submitted to cold drawing, in order to
achieve more accurate dimensions, tolerances and finishing. The cold drawing of tubes uses
dies generally constituted of a nucleus made of a material that has high strength to resist wear
and high modulus of elasticity, such as hardmetal and chromed steels. This nucleus is inserted
on a steel container. During cold drawing process, die is submitted to significant loadings, as
well as to several conditions that contribute to its damage along its lifetime, resulting on its
failure. Recovery or substitution costs of dies represent a significant portion of production
costs, so companies invest in continuous improvement groups in order to reduce the
occurrences of dies failure. This work performs failure analysis of cold drawing dies used in
the manufacture of seamless tubes at Vallourec Tubos do Brasil S. A. It was selected five dies
of different sizes and presenting different failure types. A previous analysis of dies service
conditions was made, based on its using history. The aspect of region where failure occurred
on each sample was registered by photographs and compared with failure types described on
related literature. Properties were measured and compared with design specifications and with
literature data. The loadings which dies are submitted to during cold drawing were simulated
by finite element method, based on manufacture drawings and on using history of dies.
Results obtained show that the loadings on dies in normal conditions of operation are not
superior to the strength of its constitutive materials, rejecting the hypothesis that inadequate
design or utilization would be the root cause of failures. On the other hand, surface damages
due to advanced wear condition (by reason of dies time use) and voids present on
microstructure of the nucleus (inherent to its manufacture process) constitute the probable
root cause of failures.
Keywords: Failure analysis. Tubes cold drawing. Hardmetal dies.
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SUMRIO
1. INTRODUO .................................................................................................................... 5
2. REVISO BIBLIOGRFICA ............................................................................................ 6
2.1. Processo de trefilao de tubos ......................................................................................... 6
2.1.1. Caractersticas gerais do processo ........................................................................ 6
2.1.2. Matrizes utilizadas no processo .......................................................................... 11
2.1.3. Esforos envolvidos no processo ........................................................................ 15
2.2. Anlise de falha ................................................................................................................ 16
2.2.1. Aspectos gerais da anlise de falha .................................................................... 16
2.2.2. Metodologia da anlise de falha ......................................................................... 18
2.2.3. Anlise de falha de matrizes de conformao mecnica .................................... 19
2.2.4. Mecanismos de falha em componentes fabricados em metal duro ..................... 22
3. METODOLOGIA ............................................................................................................... 24
4. RESULTADOS E DISCUSSO ....................................................................................... 28
5. CONCLUSO ..................................................................................................................... 42
6. SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ............................................................ 44
7. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ............................................................................. 44
APNDICE A Quadro comparativo dos resultados das simulaes atravs do
mtodo dos elementos finitos
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1. INTRODUO
A fabricao de tubos pode ser realizada atravs dos processos de laminao, extruso ou
conformao de chapas seguida de soldagem. Os tubos assim obtidos podem ser submetidos
trefilao, a fim de conferir dimenses, tolerncias e acabamento mais acurados. A trefilao
de tubos utiliza matrizes normalmente constitudas de um ncleo de material com alta
resistncia ao desgaste e alto mdulo de elasticidade, como o metal duro ou ao revestido de
cromo, inserido em uma carcaa de ao comum.
Durante a trefilao, as matrizes esto sujeitas a diversos fatores que provocam sua
degradao ao longo de sua vida til, como os esforos de nveis significantes inerentes ao
processo, o atrito com a superfcie do tubo, eventuais vibraes, etc. A degradao causada
por esses fatores provoca inevitavelmente a falha das matrizes, determinando sua vida til de
gerando custos produo, devido necessidade de se recuper-las ou substitu-las. Os tipos
de falha geralmente apresentados pelas matrizes so desgaste da superfcie ou fratura do
ncleo.
Embora informaes sobre os custos de recuperao ou substituio das matrizes sejam
confidenciais, pode-se afirmar que representam uma parcela significativa dos custos totais de
produo, o que leva as empresas a investirem continuamente em programas de melhoria que
objetivam investigar e reduzir as ocorrncias de falhas em matrizes de trefilao.
Este trabalho tem como objetivo realizar a anlise de falha de matrizes utilizadas na trefilao
de tubos de ao sem costura na Vallourec Tubos do Brasil S.A, de forma a identificar a causa-
raiz das falhas e sugerir maneiras de que tais causas sejam mitigadas, conduzindo a melhorias
que reduzam a ocorrncia das falhas e consequentemente os custos de produo.
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2. REVISO BIBLIOGRFICA
2.1. Processo de trefilao de tubos
2.1.1. Caractersticas gerais do processo
A fabricao de tubos pode ser realizada de maneira relativamente simples atravs da
soldagem de chapas previamente conformadas, dando origem a tubos com costura.
Naturalmente, esse processo de fabricao conveniente para tubos com grandes dimetros
externos e pequenas espessuras de parede. Porm, em diversas aplicaes, as solicitaes
mecnicas s quais os tubos so submetidos exigem maior resistncia, pelo que se torna mais
apropriado o uso de tubos sem costura (BRENSING, 2004).
A produo de tubos sem costura pode ser realizada por meio de processos como a extruso
ou a laminao, como no processo Mannesmann. No processo Mannesmann, o laminador
possui rolos embarrilados e oblquos, de forma que a barra laminada fica sujeita a tenses que
favorecem a ruptura de sua linha central. Posicionando-se convenientemente um mandril na
direo da linha central da barra, e forando-o contra ela, ocorre a abertura da mesma, dando
origem ao tubo sem costura (DIETER, 1988). A figura 1 ilustra esquematicamente o processo
Mannesmann.
O tubo laminado obtido no processo descrito denominado lupa. Aps a laminao inicial
realizada com o mandril, so realizados diversos passes de laminao sem mandril, em
laminadores ditos calibradores, a fim de obter um ajuste mais refinado das dimenses da lupa.
Os tubos obtidos at essa etapa do processo atendem satisfatoriamente a vrias aplicaes.
Entretanto, a diversidade de aplicaes dos tubos sem costura exige uma ampla
disponibilidade de dimenses e, em certos casos, como tubos utilizados em circuitos
hidrulicos, so exigidas tolerncias muito restritas tanto no dimetro externo quanto na
espessura da parede, bem como acabamento superficial que no podem ser obtidos no
processo de laminao. Para atender a essas exigncias, as lupas so submetidas ao processo
de trefilao (BRENSING, 2004; GIORGINI, 2013).
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Figura 1 Ilustrao esquemtica do processo Mannesmann para obteno de tubos sem
costura. (BRENSING, 2004).
O processo de trefilao consiste em submeter o metal a uma fora de trao que o faa passar
atravs de uma matriz. Dessa forma, o metal levado a conformar-se s dimenses da sada
da matriz, sofrendo reduo da rea transversal e consequente alongamento longitudinal.
Essas deformaes plsticas so devidas principalmente ao das foras compressivas
decorrentes das restries geomtricas impostas pela matriz (DIETER, 1988).
No processo de trefilao de tubos, podem-se distinguir trs tipos bsicos: os que utilizam
mandril, os que utilizam plugue e os que no utilizam nem mandril nem plugue, mas apenas a
matriz. A figura 2 ilustra os trs tipos citados. O mandril (figura 2d) um corpo cilndrico, de
dimetro constante, posicionado no interior do tubo trefilado. O mandril pode ser fixo, de
maneira que o tubo desliza sobre sua superfcie, ou pode ser mvel, de maneira que
acompanha o movimento do tubo ao passar pela matriz. O plugue, por sua vez, possui uma
geometria que auxilia a ocorrncia das deformaes plsticas na regio de conformao, e
pode ser fixo (figura 2b) ou flutuante (figura 2c), ocupando uma posio fixa no interior do
tubo em ambos os casos. O plugue fixo suportado por uma haste (biela), enquanto o plugue
flutuante permanece na mesma posio devido ao dimensionamento das foras de tal forma
que estabeleam um estado de equilbrio dinmico (GIORGINI, 2013). A utilizao do plugue
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confere melhor acabamento superfcie interna e permite um melhor controle das dimenses
finais, principalmente da espessura da parede do tubo trefilado (DIETER, 1988).
Figura 2 Ilustrao dos tipos de trefilao de tubos. Da esquerda para a direita, (a) trefilao
sem mandril ou plugue; (b) trefilao com plugue fixo; (c) trefilao com plugue flutuante;
(d) trefilao com mandril. (DIETER, 1988).
A figura 3 ilustra o processo de trefilao de tubos utilizando plugue fixo. Nesta configurao,
o plugue posicionado no interior do tubo de forma que a parede do tubo passa atravs do
interstcio entre as superfcies do ncleo da matriz e do plugue, deslizando sobre elas
(GIORGINI, 2013).
Figura 3 Ilustrao do processo de trefilao de tubos com plugue fixo. (GIORGINI, 2013).
(a) (b) (c) (d)
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O processo de trefilao normalmente inclui etapas anteriores que preparam a superfcie do
metal a ser trefilado. Nessas etapas so realizados banhos qumicos que promovem tanto a
limpeza da superfcie (decapagem), removendo camadas de xidos e impurezas, quanto a
formao de camadas que atuam como lubrificantes (GIORGINI, 2013). Alm disso, a
trefilao pode se dar em vrios passes, com a possibilidade de haver tratamentos trmicos
tanto entre os passes quanto ao final do processo. A fim de exemplificar, a figura 4 mostra
uma possvel rota de produo de um tubo trefilado.
Figura 4 Diagrama esquemtico de uma possvel rota de produo de um tubo trefilado, com
dois passes de trefilao e tratamentos trmicos intermedirio e final. Desenho do autor.
Aps realizada a preparao da superfcie, o material a ser trefilado levado banca de
trefilao, na qual se realiza o processo. A figura 5 mostra de forma esquemtica e a figura 6
mostra uma fotografia de uma tpica banca de trefilao de tubos.
Laminao Obteno do tubo a partir do bloco
macio, atravs do processo Mannesmann. O tubo assim obtido chamado lupa.
Apontamento Conformao da ponta da lupa por
martelamento, para diminuio do dimetro, possibilitando a introduo da ponta da lupa na entrada da matriz.
Preparao qumica Limpeza e decapagem da
superfcie da lupa atravs de banhos qumicos;
Adio, atravs de banhos qumicos, de camadas de materiais que atuam como lubrificantes durante o processo.
Trefilao 1 passe Passagem da lupa pela matriz,
promovendo a reduo do dimetro e da espessura da parede do tubo para dimenses intermedirias.
Tratamento trmico intermedirio Recozimento do ao para
anulao dos efeitos do trabalho a frio (encruamento).
Trefilao 2 passe Passagem da lupa pela matriz,
promovendo a reduo do dimetro e da espessura da parede do tubo para as dimenses finais desejadas.
Tratamento trmico final Tratamento trmico para obteno
das propriedades mecnicas finais desejadas.
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Figura 5 Desenho esquemtico de uma tpica banca de trefilao com trao por correntes.
Na parte superior da figura est representada a vista lateral da banca. Na parte inferior da
figura est representada a banca vista de cima. (BRENSING, 2004).
Figura 6 Fotografia de uma tpica banca de trefilao de tubos com trao por correntes. As
partes numeradas na figura so: (1) correntes de trao, (2) carrinho de trao, (3) matriz de
trefilao (BRENSING, 2004).
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Na banca de trefilao, um sistema de rolos posiciona as lupas de maneira que a biela que
suporta o plugue possa ser introduzida no interior da lupa a trefilar. Em seguida, a lupa
alinhada na direo da matriz, que est acondicionada em um porta-matriz cuja funo
suport-la fornecendo a fora de reao que equilibra a trao de trefilao. A ponta da lupa
ento introduzida na matriz; o carrinho de trao se aproxima e, atravs de mordentes, agarra
a ponta da lupa, que tracionada pelo carrinho por meio da fora aplicada nas correntes de
trao movidas por um motor eltrico. A fora de trao aplicada e a velocidade da trefilao
variam durante o processo em decorrncia de diversos fatores, principalmente da variao da
espessura da parede da lupa e a condio da superfcie (BRENSING, 2004).
2.1.2. Matrizes utilizadas no processo
As matrizes de trefilao de tubos so geralmente constitudas de um ncleo de material com
alta resistncia ao desgaste e alto mdulo de elasticidade, como o metal duro ou ao
ferramenta revestido de cromo, inserido em uma carcaa de ao comum (GIORGINI, 2013).
A figura 7 ilustra o corte diametral de uma tpica matriz de trefilao de tubos, exibindo o
ncleo e a carcaa.
Figura 7 Ilustrao de uma tpica matriz de trefilao de tubos, mostrando o ncleo e a
carcaa. Desenho do autor.
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A fotografia mostrada na figura 8 exibe algumas matrizes de diversos tamanhos utilizadas na
trefilao de tubos.
Figura 8 Fotografia mostrando algumas matrizes utilizadas na trefilao de tubos. Cortesia da
Vallourec Tubos do Brasil S.A.
A figura 9 mostra esquematicamente a seo diametral de uma tpica matriz de trefilao de
tubos, na qual podem-se observar trs semi-ngulos representados por , e e uma regio
cilndrica representada pelo comprimento HC. Tambm so indicados na figura o dimetro
externo da carcaa (Dcar), o dimetro externo do ncleo (Dnuc), o dimetro da regio de
calibrao (Dc), que corresponde ao dimetro nominal da matriz, e o dimetro de entrada
(Dent).
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Figura 9 Seo diametral de uma matriz de trefilao de tubos. Desenho do autor.
Os semi-ngulos e a regio cilndrica mostrados na figura 9 caracterizam quatro regies no
ncleo da matriz:
Regio de entrada: a regio formada pelo ngulo 2. Nessa regio o tubo guiado
para o interior da matriz;
Regio de trabalho (tambm chamada rampa): a regio representada pelo ngulo
2. Nessa regio, o material se deforma plasticamente, escoando de maneira
convergente para o interior da matriz;
Regio de calibrao (tambm chamada paralelo): exceto pela pequena recuperao
elstica que ocorre na sada da matriz, na regio de calibrao, representada na
figura pela altura de calibrao HC, que o tubo adquire sua dimenso final;
Regio de sada: na regio de sada, formada pelo ngulo 2, o tubo se recupera
elasticamente e deixa a matriz (BUTTON, 2008).
Geralmente a regio de entrada e a regio de sada das matrizes de trefilao de tubos so
arredondadas, assim como na transio entre as regies, a fim de tornar o fluxo do material
mais suave durante a conformao e evitar concentrao de tenses no ncleo.
Dc
Dnuc DcarDentHc
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Em relao aos materiais dos quais so fabricadas as partes das matrizes, o material da
carcaa da matriz normalmente um ao comum ao carbono; quanto ao ncleo, deseja-se um
material suficientemente duro para resistir ao desgaste e aos elevados esforos aplicados
durante o processo. Tambm desejvel que o material do ncleo possua mdulo de
elasticidade muito maior que o do material trefilado, a fim de minimizar as deformaes da
matriz, uma vez que objetiva-se a preciso dimensional do produto trefilado. Dentre os
materiais mais utilizados, esto o metal duro e os aos-ferramenta revestidos de cromo
(GIORGINI, 2013).
O METALS HANDBOOK (1999) descreve um breve histrico da produo do metal duro e
fornece uma completa descrio de seu processo de produo. O metal duro, obtido atravs da
tcnica da metalurgia do p, trata-se de um compsito sinterizado constitudo de partculas de
carbeto de tungstnio (WC) imersas em um ligante, comumente o cobalto (Co), cujo teor
presente no compsito varia entre 3% e 30% em peso. O carbeto de tungstnio e o cobalto
possuem grande afinidade qumica, e a associao da alta dureza daquele alta tenacidade
deste resulta em propriedades bastante interessantes aplicao do compsito WC-Co em
ferramentas de conformao. A figura 10 mostra atravs de fotomicrografias a microestrutura
tpica do compsito WC-Co para diversas composies e tamanhos das patculas de WC.
Figura 10 Fotomicrografias com aumento de 1500 mostrando a microestrutura tpica do
compsito WC-Co para diversas concentraes em peso de cobalto e tamanhos das partculas
de WC: (a) 3% Co, partculas mdias; (b) 6% Co, partculas mdias; (c) 6% Co, partculas
grosseiras; (d) 15% Co, partculas grosseiras (METALS HANDBOOK, 1999).
(a) (c) (b) (d)
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As propriedades do compsito WC-Co variam significativamente com o teor de cobalto. A
tabela 1 exibe as faixas de valores tpicos para algumas propriedades do WC-Co e a figura 11
mostra de forma qualitativa a variao dessas propriedades com o teor de cobalto.
Tabela 1 Faixas de valores tpicos para algumas propriedades do compsito WC-Co Propriedade Faixa de valores
Massa especfica 12,70 a 15,10 g/cm Dureza 81,5 a 94,3 Rockwell A Resistncia ruptura transversal 2000 a 3500 MPa Resistncia compresso 2800 a 5600 MPa Tenacidade fratura (KIC) 8 a 30 MPam Mdulo de elasticidade longitudinal 450 a 650 GPa Coeficiente de Poisson 0,21 a 0,25 Coeficiente de dilatao trmica linear 5,0106 a 7,0106 K1 Fonte: (BARAT CARBIDE, 2006)
Figura 11 Variao de algumas propriedades do WC-Co com o teor de cobalto presente no
compsito (KENNAMETAL, 2000).
2.1.3. Esforos envolvidos no processo
Quanto aos esforos inerentes ao processo de trefilao de tubos, podem-se definir trs
tenses atuantes sobre o tubo na regio de trabalho da matriz: a tenso trativa devido ao
tracionamento do tubo (tenso de trefilao); as tenses radiais compressivas devido reao
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da parede cnica da matriz e do plugue ao movimento axial do tubo e as tenses tangenciais
devido ao atrito causado pelo movimento do tubo em contato com a matriz e com o plugue
(BUTTON, 2008). A figura 12 mostra esquematicamente como essas tenses atuam sobre o
tubo durante o processo. Na figura, t a tenso de trefilao, r a tenso radial imposta pela
matriz, a tenso tangencial devido ao atrito entre as superfcies, Di e Df so os dimetros
do tubo antes e aps passar pela matriz.
Figura 12 Tenses atuantes no processo de trefilao de tubos. Desenho do autor.
2.2. Anlise de falha
2.2.1. Aspectos gerais da anlise de falha
COLLINS (2006) estabelece que qualquer modificao no tamanho, forma ou propriedades
do material de uma mquina ou pea de mquina que a torne incapaz de realizar a funo
pretendida deve ser considerada como uma falha mecnica. O METALS HANDBOOK
(2002) comenta que a falha pode ser compreendida, dentre vrios outros significados, como a
degenerao ou perda da funo de um componente.
Entre os tipos de falha citam-se a deformao elstica, deformao plstica, fratura, fadiga,
corroso, desgaste, fluncia, flambagem e suas combinaes. A tabela 2 fornece uma
estatstica da ocorrncia de cada um desses tipos na indstria (ALEXANDER et al., 1985).
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Tabela 2 Ocorrncia de tipos de falha na indstria Tipo de falha Ocorrncia
Corroso 29% Fadiga 25% Fratura Frgil 16% Sobrecarga 11% Fadiga e corroso 7% Corroso sob tenso 6% Fluncia 3% Desgaste, abraso e eroso 3%
Fonte: ALEXANDER et al., 1985
O METALS HANDBOOK (2002) se refere anlise de falha como um processo critico na
determinao das causas-razes dos problemas. Como um processo complexo, exige o
conhecimento de vrias disciplinas e uma variedade de observaes, inspeo e habilidades de
laboratrio. A anlise de falha requer uma clara definio da falha, e a distino entre um
indicador, uma causa, um mecanismo de falha e uma consequncia. Cada um desses
elementos pode ser entendido como segue:
O indicador uma parte observvel do processo ou componente que possa revelar a
falha, por exemplo, anomalias no funcionamento de um sistema, marcas na superfcie
de um componente mecnico, etc.;
A causa o que deve ser mitigado a fim de evitar a ocorrncia da falha;
O mecanismo de falha a descrio de como ocorreu a falha do componente, baseada
na literatura concernente ao assunto. A determinao correta do mecanismo de falha
necessariamente apontar a causa da mesma, do contrrio, a causa no ser
identificada corretamente;
As consequncias da falha so os seus efeitos, que o que se deseja evitar.
As causas-razes da falha podem ser entendidas como as causas fundamentais da falha, que, se
corrigidas, preveniro a reocorrncia da falha. Podem-se distinguir trs nveis entre as causas-
razes:
Razes fsicas: esto relacionadas a problemas em equipamentos e podem ser
determinadas atravs da investigao em laboratrio. As causas-razes fsicas podem
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ser categorizadas como deficincias de projeto, defeitos em materiais, defeitos de
fabricao ou instalao e anomalias no funcionamento;
Razes humanas: esto relacionadas falha da operao humana, como um
descumprimento de padro ou uma tomada de deciso incorreta;
Razes latentes: esto relacionadas ao erro humano e incluem causas ligadas ao
procedimento, ambiente, e outros fatores que no podem ser controlados. (METALS
HANDBOOK, 2002).
2.2.2. Metodologia da anlise de falha
Existem vrios mtodos propostos para se realizar uma anlise de falha. Uma vez que deseja-
se prevenir a falha ou descobrir suas causas-razes a fim de evitar sua reocorrncia, esses
mtodos geralmente esto ligados a ferramentas de gesto de qualidade como Total Quality
Management (TQM), Continuous Improvement (CI), Six Sigma, etc. (METALS
HANDBOOK, 2002).
WULPI (1999) sugere uma sequncia de etapas para se realizar a anlise da falha, que
envolvem predominantemente a obteno de amostras do componente no qual ocorreu a falha
e sua anlise atravs de testes e ensaios. As etapas so as listadas a seguir.
1. Obteno de dados e seleo de amostras;
2. Exame preliminar da pea que sofreu a falha;
3. Ensaios no-destrutivos;
4. Ensaios mecnicos (incluindo dureza e tenacidade);
5. Seleo, identificao, preservao e limpeza das peas (e comparao com as peas
que no sofreram falha);
6. Exame macroscpico e anlise e documentao fotogrfica (superfcies fraturadas,
trincas secundrias e outros fenmenos de superfcie);
7. Exame microscpico e anlise (microscpio eletrnico se necessrio);
8. Seleo e preparao de amostras metalogrficas;
9. Exame e anlise de amostras metalogrficas;
10. Determinao do mecanismo de falha;
11. Anlise qumica;
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12. Anlise da fratura mecnica;
13. Ensaio sob a simulao das condies de trabalho;
14. Anlise de todas as evidncias, formulao de concluses e redao do relatrio
(incluindo recomendaes).
Em diversos cenrios na anlise de falha, a anlise das tenses particularmente relevante,
uma vez que tenses elevadas seguramente so causa-raiz de falhas de componentes
mecnicos. A anlise das tenses consiste na determinao dos esforos solicitantes do
componente e sua comparao com as condies de projeto desse componente. A
determinao dos esforos pode ser realizada:
analiticamente, atravs da modelagem matemtica usando as equaes da engenharia;
experimentalmente, atravs da medio dos esforos usando instrumentao adequada;
por meio da modelagem atravs de anlise computacional por elementos finitos, no
caso de geometrias complexas. (METALS HANDBOOK, 2002).
Em muitas situaes a modelagem dos esforos utilizando mtodos analticos ou
experimentais se torna muito complexa ou pouco revela sobre o comportamento do sistema. A
anlise por meio de elementos finitos tem se tornado uma poderosa ferramenta na anlise de
falha, pois permite no apenas modelar os esforos mecnicos, mas obter uma viso geral do
comportamento do sistema diante de diversas configuraes (METALS HANDBOOK, 2002).
2.2.3. Anlise de falha de matrizes de conformao mecnica
No caso de matrizes de conformao mecnica, falhas devido a quebra so geralmente
catastrficas e fceis de diagnosticar, mas a anlise no deve se deter a problemas bvios, pois
a falha pode ter sido causada por vrios outros fatores que contribuem em diversos graus. O
objetivo da anlise de falha fornecer um cenrio dos problemas que leve a aes corretivas.
Alm de trincas, vrios outros modos de falha podem ocorrer em matrizes, como
deformaes, desgaste excessivo, desgaste por contato (galling), eroso, pitting e corroso.
Dentre vrios fatores, as causas da falha de matrizes incluem aspectos relacionados a:
projeto mecnico: deve ser compatvel com o material, a fabricao e a uso da matriz;
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preparao da matriz: a matriz deve ser corretamente posicionada, pois tenses
excessivas podem acelerar o processo de desgaste ou causar fratura;
operao da matriz: sobrecargas devem ser evitadas para assegurar que a vida desejada
da matriz seja atingida (METALS HANDBOOK, 2002).
O METALS HANDBOOK (2002) comenta que no caso especfico de anlise de falha em
ferramentas e matrizes, essencial conhecer o histrico de fabricao e uso da pea.
Entretanto, essas informaes geralmente so limitadas, pelo que a anlise deve permanecer
sob o ponto de vista da experincia em engenharia. Eventualmente, as causas da falha no so
determinadas, sendo atribuda a alguma condio de operao desconhecida. Inicialmente,
necessrio realizar o levantamento do mximo das informaes disponveis a respeito do
projeto e do histrico de uso da matriz que falhou. Esta fase, porm, trabalhosa e nem
sempre conseguem-se informaes realmente satisfatrias. A seguir, a pea deve ser
cuidadosamente examinada, medida e fotografada a fim de caracterizar e documentar o dano
causado pela falha. essencial determinar a composio dos componentes da pea a fim de
verificar se concorda com as especificaes de projeto, uma vez que comum ocorrerem
falhas devido utilizao de material imprprio na fabricao das matrizes. A inspeo visual
essencial na determinao do tipo da falha. Se houver trincas, elas devem ser abertas e
analisadas. O exame da microestrutura igualmente importante.
H vrios trabalhos publicados na literatura a respeito de anlise de falha de matrizes de
conformao mecnica. A seguir, realizada uma reviso bibliogrfica de diversas
publicaes relacionadas ao tema; as referncias encontram-se citadas.
EBARA et al. (2008) utilizou fotomicrografias na anlise de falha de matrizes de
conformao a frio. A falha mecnica atribuda inadequao de um dos seguintes fatores:
materiais empregados, projeto, fabricao e condies de operao. comentado que a falha
geralmente est associada propagao de trincas iniciadas devido a concentraes de tenso,
e que torna-se ento necessrio o conhecimento dos comportamentos dos mecanismos de
fadiga e fratura nos materiais empregados nas matrizes, porm a falta de informaes a
respeito da morfologia da fratura nos aos de alta dureza dificulta a anlise da falha atravs de
fotomicrografias. Finalmente so fornecidas caractersticas da morfologia de diversos tipos de
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21
falha em aos de alta dureza e realizada uma anlise quantitativa da relao entre as
dimenses da regio fraturada e a tenacidade fratura dos materiais estudados.
STAVRIDIS et al. (2010) comenta que as matrizes de conformao so componentes crticos,
devido ao seu alto custo, tolerncias restritas e propriedades mecnicas singulares como alta
dureza, combinao de alta resistncia e tenacidade e alta resistncia ao desgaste. As matrizes
so fabricadas para uma aplicao especfica e possuem uma vida til determinada. Pode ser
considerada falha qualquer mudana no tamanho, forma ou propriedades do material das
matrizes durante sua vida til, a qual depende do seu processo de fabricao, material
selecionado, projeto e condies de operao. A anlise de falha de uma matriz de corte
fabricada em ao AISI O1, utilizada na fabricao de um componente automotivo, realizada
atravs da anlise do histrico de uso da ferramenta e ensaios no destrutivos (partculas
magnticas, anlise qumica, inspeo por raios-X). Aps a anlise, conclui-se que a causa da
falha seria a no homogeneidade da dureza do material da pea devido inadequao de um
processo de recuperao.
PANTAZOPOULOS e ZORMALIA (2011) apresentam a anlise de falha de uma garra
fabricada em uma liga de ao ao cromo-molibdnio, utilizada em uma banca de trefilao,
submetida a foras de trao da ordem de 720 kN. comentado que a maioria das falhas
mecnicas em componentes de mquinas e em processos de fabricao pode ser atribuda ao
mecanismo de fadiga, no qual o tempo necessrio para a nucleao da trinca que leva fratura
cerca de 80% a 90% da vida til da ferramenta. Os autores citam que o mecanismo de fadiga
pode ser entendido como composto por trs estgios: nucleao da trinca, propagao da
trinca numa direo perpendicular tenso e fratura repentina da regio remanescente, numa
velocidade prxima metade da velocidade do som no material.
A superfcie da fratura foi caracterizada atravs de fotomicrografias e seu aspecto comparado
a casos da literatura, concluindo-se que a falha se deu por meio do mecanismo de fadiga.
MOURA et al. (2004) apresentam a anlise de falha de uma matriz cilndrica de
embutimento, utilizada na fabricao de um componente automotivo. A matriz, fabricada em
ao ferramenta D3, dureza prxima de 60 HRC, apresentava desgaste excessivo
prematuramente. Os esforos solicitantes envolvidos no processo foram simulados atravs do
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22
mtodo de elementos finitos. Os valores das deformaes obtidos nas simulaes foram
comparados com os valores das deformaes nas peas conformadas medidos com o auxlio
de um projetor de perfis, demonstrando forte concordncia, de maneira que os resultados das
simulaes foram assim validados. A anlise realizada atravs do mtodo de elementos finitos
permitiu concluir que o desgaste demasiado estava relacionado aos excessivos valores de
presso aplicada sobre as paredes da matriz.
2.2.4. Mecanismos de falha em componentes fabricados em metal duro
Dentre suas diversas aplicaes, o metal duro extensivamente utilizado na indstria
mecnica na fabricao de matrizes de conformao, devido sua alta dureza, o que confere
alta resistncia ao desgaste, assim como sua alta resistncia compresso. Entretanto, por se
tratar de um compsito em cuja composio predomina o WC (um material cermico e,
portanto, frgil), o WC-Co normalmente no sofre deformaes plsticas significativas antes
da ruptura, podendo ocorrer a fratura at mesmo no regime elstico, uma vez que seu limite
de resistncia trao muito prximo de seu limite de escoamento. Por outro lado, pode-se
esperar que ocorram no WC-Co ambos os mecanismos de fratura, frgil e dtil (GENERAL
CARBIDE, 2006; KIM, 2004).
Entre as propriedades utilizadas para expressar a resistncia do WC-Co, a mais utilizada a
resistncia ruptura transversal (transverse rupture strength, TRS). A resistncia ruptura
transversal determinada atravs de ensaios definidos nas normas ISO 3327, CCPA P102
(Cemented Carbides Producer Association) e ASTM/ANSI B 406, mas os fabricantes
tambm definem seus prprios testes a fim de divulgar em seus catlogos os valores obtidos.
A figura 13 mostra esquematicamente o teste para se obter a resistncia ruptura transversal.
O teste consiste basicamente em pressionar um cilindro circular reto contra a superfcie de um
corpo-de-prova em forma de paraleleppedo, bi-apoiado em outros dois cilindros circulares
retos. A resistncia ruptura transversal definida como a fora necessria para fraturar o
corpo-de-prova dividida pela rea de sua seo transversal (METALS HANDBOOK, 1998;
KENNAMETAL, 2000).
-
23
Figura 13 Ensaio para determinao da resistncia ruptura transversal. Desenho do autor.
O comportamento do WC-Co na presena de tenses de trao pode ser compreendido com
base no modelo estatstico de Weilbull. Esse modelo leva em considerao o tamanho da
pea, j que a resistncia de materiais frgeis depende fortemente da quantidade de lacunas
presentes em sua estrutura, cuja probabilidade de ocorrncia varia com o volume da pea. O
limite de resistncia trao pode ser obtido a partir da resistncia ruptura transversal
utilizando o modelo estatstico de Weibull, segundo a equao 1.
( )1
1m
T
P
VLRT TRS mV
= +
(1)
Na equao 1, LRT o limite de resistncia trao, TRS a resistncia ruptura transversal,
VT o volume do corpo de prova, VP o volume da pea e m uma constante estatstica
relacionada ao material no modelo de Weibull. Comumente utiliza-se m = 9,0, mas em uma
abordagem mais conservadora, pode-se utilizar m = 7,5 (GENERAL CARBIDE, 2006).
OLIVEIRA et al. (2004) apresenta um trabalho sobre mecanismos de falha no WC-Co com
gros ultrafinos. O trabalho conclui que a falha semelhante a falhas observadas em materiais
cermicos e sua origem ocorre predominantemente em pontos de concentrao de tenso, tais
como arestas e porosidades.
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24
De maneira geral, para evitar a falha de componentes em metal duro, deve-se evitar
concentraes de tenso, cuja presena fatalmente leva ruptura do material. Portanto, a fim
de prevenir a falha em cada um dos fatores nos quais possvel que resida a causa-raiz:
quanto ao projeto do componente, deve-se evitar a presena de arestas, utilizando tanto quanto
possvel os maiores raios de curvatura; quanto utilizao, deve-se evitar o desgaste; quanto
fabricao, o material deve ser isento de porosidades tanto quanto possvel (GENERAL
CARBIDE, 2006).
3. METODOLOGIA
Foram selecionadas cinco matrizes que apresentaram diferentes tipos de falha. Os desenhos de
fabricao das matrizes selecionadas foram obtidos a fim de verificar suas especificaes de
projeto. A tabela 3 exibe as principais caractersticas de cada matriz, cujos valores foram
obtidos dos respectivos desenhos de fabricao. Alm dos desenhos, dados complementares
sobre as propriedades do metal duro foram pesquisados na literatura, os quais se encontram
sombreados na tabela 3. A tabela 4 exibe em resumo as falhas apresentadas pelas matrizes.
Tabela 3 Caractersticas das matrizes selecionadas para anlise Dimenses (vide figura 9)
Identificao da matriz 2828 3731 4788 4814 5917 Dim. externo da carcaa (D
car) 150 mm 230 mm 230 mm 120 mm 230 mm
Largura da carcaa (wcar
) 60 mm 75 mm 70 mm 35 mm 80 mm Dim. externo do ncleo (D
nuc) 80 mm 120 mm 90 mm 35 mm 110 mm
ngulo de entrada () 30 30 30 30 30 Dimetro de entrada (D
ent) 57 mm 95 mm 72 mm 29 mm 77 mm
ngulo de trabalho () 12,5 10 10 12,5 10 Dimetro de calibrao (D
c) 41,96 mm 76,14 mm 56 mm 14 mm 62,30 mm
ngulo de sada () 30 15 15 30 15 Material da carcaa
Identificao da matriz 2828 3731 4788 4814 5917 Ao SAE 8640 SAE 8640 SAE 8640 SAE 8640 SAE 8640 Dureza Indisponvel 40 HRC 40 HRC Indisponvel 40 HRC
Material do ncleo Identificao da matriz 2828 3731 4788 4814 5917 Classe do metal duro DIN G20 DIN G40 DIN G40 DIN G20 DIN G40 Dureza 84,9 HRA 84 HRA 84 HRA 91 HRA 84 HRA Limite de resistncia trao 1482 MPa 1516 MPa 1516 MPa 1482 MPa 1516 MPa Lim. de resistncia compresso 4857 MPa 3652 MPa 3652 MPa 4857 MPa 3652 MPa Resistncia ruptura transversal 2963 MPa 3032 MPa 3032 MPa 2963 MPa 3032 MPa Rugosidade 0,05 m Ra 0,05 m Ra 0,05 m Ra 0,05 m Ra 0,05 m Ra
-
25
Tabela 4 Falhas apresentadas pelas matrizes selecionadas para anlise Matriz Descrio da falha Esquema de localizao da falha
2828
Rompimento total do ncleo na direo transversal, ao longo de toda a circunferncia, prximo regio de calibrao.
3731
Rompimento total do ncleo na direo longitudinal, apresentando remoo de uma pequena parte do material, semelhante a um lascamento (circulado na fotografia em detalhe).
4788
Rompimento total do ncleo na regio de entrada. Irregularidades na superfcie do ncleo, com aspecto de aderncia de material.
4814
Rompimento total do ncleo na direo transversal, ao longo de toda a circunferncia, em plano oblquo, prximo regio de calibrao.
5917 Rompimento total do ncleo na direo longitudinal .
continua
-
26
continuao Matriz Fotografia Fotografia em detalhe
2828
3731
4788
4814
5917
-
27
Informaes sobre o histrico de utilizao das matrizes foram obtidas, tais como materiais
trefilados, data de cadastro, recuperaes realizadas e informaes sobre a falha. A tabela 5
exibe em resumo essas informaes.
Tabela 5 Histrico de utilizao das matrizes selecionadas para anlise Antes da falha
Identificao da matriz 2828 3731 4788 4814 5917
Data de cadastro Indisponvel 10/5/2010 Indisponvel 05/10/1980 05/08/2011
Nmero de recuperaes Indisponvel 2 2 3 0
Histrico dos dimetros de calibrao nas reciperaes
41,96 mm 76,14 mm; 78,00 mm; 79,95 mm
56,00 mm; 58,05 mm; 59,00 mm
14,00 mm; 15,00 mm; 17,00 mm; 18,05 mm
62,30 mm
Histrico de materiais trefilados
FB70; E355;
SAE1045; SAE4130H;
DIN 19MnCr5; DIN ST52;
E355; JIS STAM 390 G;
SAE 1045; SAE 1541;
SAE 4130H; SAE 8617H
DIN ST; FB70;
SAE1541; SAE4130H; SAE8617H
Indisponvel
DIN ST 52; FB70;
SAE 1541; SAE 8617H
Mdia das redues de rea do produto trefilado
30% 30% 39% Indisponvel 41%
Grau de utilizao 1 = matriz nova 2 = uso normal 3 = recuperada 4 = fim de vida til
2 4 3 4 2
Na ocorrncia da falha Identificao da matriz 2828 3731 4788 4814 5917
Data da falha 29/11/2012 26/12/2012 10/12/2012 25/02/2013 09/02/2013
Material trefilado (lupa)
48,3 7,50; Ao E355
88,9 9,52; Ao
SAE8617H
76,1 3,91; Ao
SAE4130H Indisponvel Indisponvel
Fora mxima de trao (fornecida pelo sistema de controle da banca)
190 kN 580 kN 550 kN 30 kN 740 kN
Reduo de rea do produto trefilado 22% 29% 54% Indisponvel Indisponvel
-
28
Com base no histrico de uso das matrizes, sobretudo nas informaes acerca das condies
na ocorrncia da falha, foram realizadas simulaes do processo de trefilao no software
MSC.Marc v 2005r2, a fim de obter os valores dos esforos solicitantes nas matrizes e
compar-los resistncia dos materiais que as constituem. As simulaes foram realizadas
considerando condies axissimtricas em torno do eixo das matrizes, tomado como o eixo X.
Foram utilizadas quatro malhas, representando a carcaa, o ncleo, o tubo e o plugue. As
malhas foram desenhadas em conformidade com as geometrias de cada componente
utilizando elementos retangulares. Foram obtidos os valores de tenso na direo axial
(direo X), radial (direo Y) e circunferencial (direo Z).
As dimenses das matrizes foram medidas para comparao com as especificaes dos
desenhos de fabricao. As medies foram efetuadas utilizando um paqumetro de resoluo
0,01 mm na medio dos comprimentos e dimetros externos; micrmetro de trs pontos de
resoluo 0,01 mm na medio dos dimetros internos; transferidor de resoluo 0,5 na
medio de ngulos.
As falhas apresentadas pelas matrizes selecionadas foram caracterizadas atravs de
fotografias, como mostrado na tabela 4. A localizao das falhas fotografadas foi comparada
com a localizao dos nveis extremos dos esforos solicitantes obtidos nas simulaes
atravs do mtodo de elementos finitos.
As matrizes selecionadas tiveram as carcaas cortadas a fim de remover o ncleo para abrir as
trincas e caracterizar a superfcie na qual ocorreu a falha. O aspecto das superfcies das
fraturas foi caracterizado atravs de fotografias obtidas utilizando-se uma cmera digital e
uma lupa estereoscpica.
4. RESULTADOS E DISCUSSO
O resultado das medies das dimenses e da rugosidade dos ncleos mostrado na tabela 6.
Limitaes no processo de medio relacionadas geometria das matrizes impediram a
medio dos valores que se encontram indicados como indisponveis.
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29
Tabela 6 Resultado das medies das matrizes selecionadas Identificao da matriz 2828 3731 4788 4814 5917 Dim. externo da carcaa (D
car) 148,80 mm 230 mm 230 mm 120 mm 230 mm
Largura da carcaa (wcar
) 59,00 mm 74,95 mm 70,2 mm 35 mm 80,44 mm Dim. externo do ncleo (D
nuc) 80,00 mm 119,65 mm 90 mm Indisponvel 108,92 mm
ngulo de entrada () 29 Indisponvel Indisponvel Indisponvel 35 Dimetro de entrada (D
ent) 56,80 mm 95,00 mm 70,4 mm 26,22 mm 74,68 mm
ngulo de trabalho () 12,5 9,5 8,5 16 10 Dimetro de calibrao (D
c) 42,00 mm 80,00 mm 59,20 mm 18,05 mm 62,28 mm
ngulo de sada () 26 31 29 Indisponvel 12
Rugosidade 0,40 m Ra 0,58 m Ra 0,11 m Ra 0,07 m Ra 0,08 m Ra
A tabela 7 exibe os desvios percentuais dos valores medidos, exibidos na tabela 6, em relao
aos valores especificados nos desenhos das matrizes, exibidos na tabela 4.
Tabela 7 Desvios percentuais dos valores medidos em relao aos especificados Identificao da matriz 2828 3731 4788 4814 5917 Dim. externo da carcaa (D
car) -1% 0% 0% 0% 0%
Largura da carcaa (wcar
) -2% 0% 0% 0% 1% Dim. externo do ncleo (D
nuc) 0% 0% 0% Indisponvel -1%
ngulo de entrada () -3% Indisponvel Indisponvel Indisponvel 17% Dimetro de entrada (D
ent) 0% 0% -2% -10% -3%
ngulo de trabalho () 0% -5% -15% 28% 0% Dimetro de calibrao (D
c) 0% 5% 6% 29% 0%
ngulo de sada () -13% 107% 93% Indisponvel -20%
Rugosidade 700% 1060% 120% 40% 60%
A comparao desses valores revela que as dimenses das matrizes esto prximas das
especificadas nos desenhos de fabricao, exceto os dimetros internos dos ncleos das
matrizes recuperadas e, consequentemente, os ngulos da regio de trabalho dessas matrizes.
O processo de recuperao das matrizes consiste basicamente na usinagem do ncleo, de
forma a eliminar a superfcie desgastada. O processo de recuperao provoca perda de
resistncia, j que as dimenses do ncleo so reduzidas em relao s especificadas em seu
projeto. Entretanto, os resultados das simulaes em elementos finitos mostraram que essa
perda de resistncia no foi suficiente para que constitua a causa-raiz das falhas.
-
30
Os valores da fora de trefilao obtidos nas simulaes para cada matriz so mostrados
graficamente na figura 14 a seguir. Observa-se que os valores obtidos atravs das simulaes
concordam com os valores fornecidos pelo sistema de controle das bancas de trefilao (vide
tabela 5), validando as simulaes realizadas.
Figura 14 Valores da fora de trefilao obtidos nas simulaes.
Os resultados dos valores das tenses nas direes X (axial), Y (radial) e Z (circunferencial)
obtidos atravs das simulaes pelo mtodo de elementos finitos so mostrados em forma de
figura no quadro que se encontra no apndice A. A anlise comparativa dos resultados revela
que a distribuio dos valores das tenses semelhante em todas as matrizes. No so
observados nveis significativos de tenso nas carcaas das matrizes. Os maiores nveis de
tenso so observados na regio de trabalho do ncleo prximo regio de calibrao e
tambm na regio de entrada, as quais coincidem com o trmino e o incio do contato entre o
tubo e a matriz. As tenses sobre o ncleo na direo X so predominantemente compressivas
e os nveis mais elevados ocorrem prximo regio de calibrao e na regio de entrada do
ncleo, onde a lupa inicia o contato com a matriz. Os resultados so comentados a seguir para
cada matriz analisada.
Na simulao referente matriz 4788, observa-se no quadro do apndice A que os nveis das
tenses compressivas so particularmente elevados na regio de entrada do ncleo da matriz
0,0
200,0
400,0
600,0
800,0
1000,0
1200,0
0% 20% 40% 60% 80% 100%
For
a d
e tr
efila
o
[kN
]
Progresso da simulao
2828
3731
4788
4814
5917
-
31
em todas as direes (X, Y e Z). A figura 15 mostra os valores de tenso na direo Y e a
figura 16 mostra os valores da tenso de von Mises na matriz 4788.
Figura 15 Valores de tenso na direo Y (radial) na matriz 4788.
Figura 16 Valores da tenso de von Mises na matriz 4788.
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32
Observa-se nas figuras 15 e 16 que na entrada do ncleo a tenso compressiva chega a atingir
2166 MPa. A tenso de von Mises chega a 3449 MPa, valor muito superior resistncia
trao do material, da ordem de 1500 MPa (vide tabela 3). A localizao dos maiores nveis
de tenso obtidos na simulao coincide com a localizao da regio rompida no ncleo da
matriz. Esses resultados justificam a ruptura do material na regio considerada, mostrada na
tabela 4 e em detalhe na figura 17.
Figura 17 Falha da matriz 4788, localizada na regio de entrada do ncleo.
O alto nvel de tenses atingido na regio de entrada do ncleo da matriz 4788 pode ser
compreendido observando-se que o dimetro da lupa trefilada na falha, 76,1 mm (vide tabela
5), superior ao dimetro de entrada da matriz, 70,4 mm (vide tabela 6), significando que a
lupa foi forada contra o ncleo de maneira anormal, levando falha. A causa-raiz da falha na
matriz 4788 pode ser ento atribuda a um erro de operao.
A figura 18 mostra os valores de tenso na direo Y e a figura 19 mostra os valores da tenso
de von Mises na matriz 3731.
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33
Figura 18 Valores de tenso na direo Y (radial) na matriz 3731.
Figura 19 Valores da tenso de von Mises na matriz 3731.
Na figura 18, observam-se tenses compressivas elevadas na regio de trabalho do ncleo,
prximo ao seu centro. Como no caso da matriz 4788, a localizao dos maiores nveis de
tenso coincide com a localizao da falha, porm, os valores das solicitaes (cerca de 1200
MPa para a tenso compressiva e 1400 MPa para a tenso de von Mises) no superam a
resistncia do material (da ordem de 3600 MPa para a compresso e 1500 MPa para a trao).
-
34
Todavia, necessrio observar que os valores obtidos atravs da simulao no contemplam a
presena de avarias nas matrizes.
Observando a superfcie do ncleo da matriz 3731, nota-se uma avanada condio de
desgaste. Com efeito, a medio da rugosidade na superfcie resultou em 0,58 m Ra, valor
cerca de dez vezes superior ao especificado, 0,05 m Ra (vide tabelas 3 e 6). A figura 20
exibe uma fotografia da superfcie do ncleo da matriz 3731, na regio de entrada, na qual
nota-se a presena de vrias marcas longitudinais.
Figura 20 Fotografia da superfcie do ncleo da matriz 3731, exibindo severas marcas de
desgaste. Aumento de 6,25 .
A figura 21 mostra em detalhe o aspecto da falha da matriz 3731. Na figura, v-se a superfcie
do ncleo com a regio de entrada esquerda e a regio de calibrao direita. Em destaque,
observa-se a trinca que passa por um lascamento situado no meio da regio de trabalho.
Figura 21 Fotografia em detalhe da falha da matriz 3731. Observa-se qua a trinca,
longitudinal, passa sobre um lascamento situado na regio de trabalho.
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35
O desgaste apresenta-se uniforme sobre a superfcie do ncleo da matriz 3731, de forma que
no h razes aparentes que privilegiem a ocorrncia do lascamento na regio indicada.
Porm, nota-se que a regio onde ocorreu o lascamento coincide com a regio onde verificam-
se os maiores nveis de tenso nas simulaes para essa matriz.
A figura 22 mostra o aspecto da regio da fratura do ncleo da matriz 3731. Na figura, v-se a
superfcie do ncleo aps aberta a trinca, num plano diametral.
Figura 22 Superfcie da fratura do ncleo da matriz 3731.
Comparando-se o aspecto da superfcie da fratura com os aspectos de falhas discutidas na
literatura, pode-se perceber uma morfologia tpica de falha por fadiga. H a presena de
marcas de praia, apontadas na figura pelas setas, caracterizando a propagao de uma trinca
que provavelmente se iniciou na regio circulada, na qual situa-se exatamente o lascamento
mostrado na figura 21.
Com base nos resultados apresentados na anlise da falha da matriz 3731, plausvel concluir
que a presena de irregularidades superficiais levou ocorrncia das falhas, pois, como
descrito anteriormente, o metal duro extremamente sensvel a concentraes de tenso, que
fatalmente levam o material ruptura. Essa concluso reforada pelo fato de a regio de
nucleao da trinca situar-se exatamente onde ocorreu o lascamento mostrado na figura 21,
que coincide ainda com a regio onde a simulao revela os maiores valores de tenso.
Apesar de os valores de tenso no superarem a resistncia do material, observa-se que a
tenso de von Mises no local muito prxima da resistncia trao (cerca de 1400 MPa
-
36
contra 1500 MPa), o que, na presena de concentradores de tenso, fatalmente leva
nucleao da trinca e posteriormente, fratura.
A figura 23 mostra em detalhe a falha apresentada pela matriz 2828. Na figura, v-se o ncleo
a partir da regio de entrada, com a regio de sada ao fundo. Nota-se a trinca circunferencial
apontada pelas setas, de maneira que a superfcie da fratura est situada num plano
transversal, prximo transio entre a regio de trabalho e a regio de calibrao do ncleo.
Notam-se tambm marcas superficiais semelhantes s presentes na matriz 3731.
Figura 23 Detalhe da falha da matriz 2828.
A figura 24 mostra o ncleo da matriz 2828 aps a abertura da fratura. Na figura, v-se a
superfcie da fratura, num plano transversal do ncleo.
Figura 24 Detalhe da fratura do ncleo da matriz 2828.
Ponto de nucleao da trinca
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37
Analisando-se o aspecto da fratura na figura 24, nota-se claramente uma morfologia tpica de
fadiga, semelhante superfcie da fratura na matriz 3731. As marcas de praia, apontadas pelas
setas na parte superior esquerda da figura, evidenciam a propagao da trinca numa direo
perpendicular ao ponto de nucleao, a regio de aspecto spero indicada na figura.
Entretanto, diferentemente da matriz 3731, o ponto de nucleao da trinca est mais prximo
da superfcie externa do ncleo.
A figura 25 exibe os valores da tenso de trao na direo X obtidos na simulao em
elementos finitos para a matriz 2828.
Figura 25 Valores de tenso na direo X (axial) na matriz 2828.
Na figura 25, nota-se uma concentrao de tenses na regio prxima interface entre a
carcaa e o ncleo, em um plano prximo transio entre as regies de trabalho e de
calibrao. Embora os valores de tenso sejam baixos em comparao com a resistncia do
material, a regio em questo exatamente a regio onde ocorreu a nucleao da trinca
mostrada nas figuras 23 e 24. Esse fato sugere que a nucleao da trinca tenha sido favorecida
pela concentrao de tenses em conjunto com a presena de alguma descontinuidade no
material, j que, como discutido anteriormente, o compsito WC-Co extremamente sensvel
presena de descontinuidades, tais como porosidades, e que estas so inerentes ao processo
de fabricao do material.
Concentrao de tenses
-
38
Os resultados obtidos na anlise das matrizes 3731 e 2828 evidenciam a ocorrncia de falha
pelo mecanismo de fadiga, ao exibir aspectos caractersticos desse mecanismo. Como descrito
anteriormente na reviso bibliogrfica, embora o WC-Co seja um material que exibe
normalmente comportamento frgil, no qual as deformaes plsticas anteriores ruptura
praticamente inexistem, possvel que ambos os comportamentos, dtil e frgil, sejam
observados no mecanismo de propagao da trinca, devido presena do cobalto. Alm disso,
uma vez que o ncleo embutido na carcaa atravs de montagem por interferncia, so
impostas sobre ele tenses compressivas, pelo que razovel presumir que a ruptura ocorre
em estgios ao invs de ocorrer repentinamente, justificando as marcas de praia observadas.
Para a matriz 5917, os maiores valores de tenso foram observados para a trao na direo Z
(circunferencial). A figura 26 mostra os valores da tenso de trao na direo Z obtidos na
simulao do processo de trefilao para a matriz 5917.
Figura 26 Valores da tenso de trao na direo Z (circunferencial) na matriz 5917.
Observa-se que os maiores nveis da tenso de trao na direo Z esto situados no centro da
regio de trabalho e na regio de calibrao. A figura 27 mostra em detalhe a trinca
longitudinal observada no ncleo da matriz 5917.
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Figura 27 Detalhe da falha da matriz 5917.
A direo na qual as partes se separaram na fratura concorda com a direo dos maiores
valores evidenciados nas simulaes para as tenses de trao, as quais so circunferenciais,
tendendo, portanto, a separar as partes segundo um plano diametral. A figura 28 mostra os
valores da tenso de von Mises obtidos na simulao para a matriz 5917.
Figura 28 Valores da tenso de von Mises na matriz 5917.
Apesar da concordncia entre a direo das maiores tenses de trao observadas e a direo
da fratura, observa-se na figura 27 que a magnitude dos valores muito baixa em relao
resistncia trao do material (400 MPa contra 1500 MPa). Observa-se tambm, na figura
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28, que os valores mais prximos da resistncia trao do material so atingidos pelas
tenses de von Mises (cerca de 1000 MPa contra 1500 MPa), sendo ainda relativamente
baixos. Alm disso, no h evidncias, como nas outras matrizes, de alguma avaria que possa
ter ocasionado a falha. Tambm os dados sobre a utilizao da matriz so insuficientes para
que se chegue a alguma concluso quanto a inadequaes no processo.
Esses resultados conduzem hiptese de que a falha da matriz 5917 seja decorrente de algum
fator operacional, como avarias no processo que tenham ocasionado solicitaes mecnicas
superiores resistncia do material, tais como a condio de lubrificao do material trefilado
ou choques mecnicos.
A figura 29 e a figura 30 mostram respectivamente os valores das tenses de trao na direo
Z (circunferencial) e de von Mises obtidos na simulao do processo de trefilao para a
matriz 4814.
Figura 29 Valores da tenso de trao na direo X (axial) na matriz 4814.
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Figura 30 Valores da tenso de von Mises na matriz 4814.
A anlise dos dados das figuras 30 e 31 mostra que os nveis de tenso atingidos no processo
so muito baixos em comparao com a resistncia do material. Entretanto, observando-se o
aspecto do ncleo da matriz 4814 aps removido da carcaa, nota-se a presena de fraturas
mltiplas, inclusive partes onde o material se encontra completamente desintegrado. A figura
32 mostra fotografias do ncleo da matriz 4814 aps removido da carcaa.
Figura 32 Fotografias do ncleo da matriz 4814 aps removido da carcaa.
Observa-se na figura 32 que o ncleo da matriz 4814 mostra-se bastante degradado na regio
da fratura. Isso est de acordo com as anotaes feitas a respeito da matriz 4814 no controle
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de gesto de ferramentas por parte da empresa, pois sua utilizao j contava mais de 30 anos
e seu grau de utilizao j havia sido indicado como mximo (vide tabela 5). Esses resultados
permitem concluir que a falha da matriz 4814 ocorreu em virtude de seu estado avanado de
desgaste, tendo em vista que seu tempo de uso j ultrapassava em muito a mdia de vida til
de ferramentas similares (vide dados de cadastro das matrizes disponveis na tabela 5).
5. CONCLUSO
Neste trabalho a anlise de falha de cinco matrizes de trefilao realizada por meio da
anlise comparativa das especificaes do projeto de fabricao, do histrico de uso das
matrizes, do aspecto das falhas observadas e das solicitaes mecnicas no processo de
trefilao obtidas atravs de simulao usando o mtodo de elementos finitos.
A matriz identificada pelo nmero 4788 apresentou rompimento total do ncleo na regio de
entrada. A anlise dos resultados permite concluir que o material foi levado ruptura devido
solicitao mecnica no local ter sido superior resistncia do material. A causa-raiz desta
falha reside na operao, uma vez que a sobrecarga ocorreu devido a uma inadequao no uso
da matriz de trefilao, ao tentar-se introduzir no ncleo um tubo com dimetro maior que seu
dimetro de entrada. A ateno aos procedimentos poderia ter evitado a falha neste caso.
A matriz 3731 apresentou uma trinca longitudinal na superfcie interna do ncleo. A remoo
do ncleo de dentro da carcaa da matriz permitiu observar que houve fratura completa, com
separao das partes. Os resultados obtidos atravs da simulao pelo mtodo dos elementos
finitos revelaram que as solicitaes sobre o ncleo da matriz no superam a resistncia do
material. Porm, observando cuidadosamente a superfcie interna do ncleo, notou-se a
presena marcas de desgaste e lascamento. Alalisando a regio da fratura, notou-se que seu
aspecto exibia uma morfologia tpica de falha por fadiga, e que o ponto de nucleao da trinca
coincide com o ponto onde foi observado o lascamento. Esses resultados permitem concluir
que embora na simulao as solicitaes no tenham superado a resistncia do material, a
presena de irregularidades na superfcie do ncleo provocou concentraes de tenses que
levaram nucleao da trinca e posteriormente fratura. A causa-raiz da falha reside,
portanto, em aspectos fsicos (condio da ferramenta) e pode ser mitigada evitando-se o uso
das matrizes quando houver marcas na superfcie do ncleo de metal duro. Sugere-se o
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acompanhamento do estado da superfcie do ncleo das matrizes, e seu envio ao processo de
recuperao quando forem observados marcas ou desgaste excessivo.
A matriz 2828 exibiu trinca transversal ao longo de toda a circunferncia da superfcie interna
de seu ncleo. Pde-se observar, aps a remoo do ncleo de dentro da carcaa da matriz,
que houve fratura num plano transversal, com separao completa das partes. Como no caso
da matriz 3731, os valores das solicitaes obtidos a partir da simulao pelo mtodo dos
elementos finitos so inferiores resistncia do material, porm, a observao cuidadosa da
regio da fratura tambm revela uma morfologia tpica do mecanismo de falha por fadiga.
Neste caso, a nucleao da trinca ocorreu prximo superfcie externa do ncleo, regio onde
a simulao revelou uma concentrao de tenses de trao. Esses resultados permitem
sugerir que a causa-raiz da falha reside em aspectos fsicos, tratando-se da presena de
imperfeies no material, as quais em conjunto com a concentrao de tenses observada,
teria levado nucleao da trinca. Estando ligada ao processo de fabricao do material, a
causa-raiz da falha poderia ser evitada atravs de um controle mais rigoroso do processo de
fabricao das ferramentas em compsitos de WC-Co, ou da inspeo atravs de ensaios no-
destrutivos de forma a evitar o uso de materiais no isentos de descontinuidades.
A matriz 5917 apresentou trinca longitudinal na superfcie interna do ncleo. Aps removido
o ncleo do interior da carcaa da matriz, pde-se notar que, como nos outros casos, houve
fratura com separao das partes. Os resultados da simulao pelo mtodo dos elementos
finitos revelaram que a direo das tenses de trao cujos valores foram mais elevados
concorda com a direo na qual ocorreu a separao das partes na fratura. Entretanto, a
escassez de maiores informaes acerca da falha e do histrico de uso da matriz impede
concluses mais assertivas, restando a hiptese de que a falha da matriz seja decorrente de
algum fator operacional, como avarias no processo que tenham ocasionado solicitaes
mecnicas superiores resistncia do material, tais como a condio de lubrificao do
material trefilado ou choques mecnicos.
A matriz 4814 apresentou trinca circunferencial, prximo regio de sada do ncleo da
matriz. A remoo do ncleo do interior da carcaa da matriz mostrou a presena de fraturas
mltiplas, inclusive partes completamente desintegradas. A anlise do histrico de uso da
matriz permite concluir que a causa-raiz da falha deve-se ao longo tempo de uso da
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ferramenta, muito superior mdia de vida til de ferramentas de mesma aplicao, pelo que
no se trata de falha prematura cuja causa-raiz deva ser mitigada.
6. SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS
A partir das concluses apresentadas, podem-se sugerir trabalhos futuros que investiguem de
forma mais aprofundada os mecanismos de falha em compsitos tais como o WC-Co.
Tambm sugestivo realizar a anlise de falha de matrizes de metal duro utilizadas em outros
processos de fabricao, tais como conformao de chapas e usinagem, a fim de obter
informaes que conduzam melhoria do projeto dessas ferramentas.
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APNDICE A Quadro comparativo dos resultados das simulaes atravs do mtodo de elementos finitos
Matriz 2828 Matriz 3731
Tenso X
Tenso Y
Tenso Z
continua
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48
continuao Matriz 4788 Matriz 4814
Tenso X
Tenso Y
Tenso Z
continua
-
49
continuao Matriz 5917
Tenso X
Tenso Y
Tenso Z