analise de falha de eixo viga tubular

ANÁLISE DE FALHA DE EIXO

VIGA TUBULAR

Universidade Federal do Espírito SantoCentro Tecnológico

Departamento de Engenharia Mecânica

Alunos: André Canal

Filipe Andrade Vidal

Maquense Lemos

Prof.: Luciano de Oliveira

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SUMÁRIO

� Introdução;� A metodologia adotada;� Fluxograma com as etapas de investigação;� Identificação da falha;� Análise macroscópica;� Análise microscópica da fratura;

Análise metalográfica;� Análise metalográfica;� Análise de composição química;� Ensaio de dureza;� Ensaio de tração;� Diagrama de fadiga;� Discussão dos resultados;� Conclusão;� Referências.

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INTRODUÇÃO

� O componente analisado é um eixo veicular auxiliar(EVA), que faz parte de um conjunto de elementosmecânicos que fazem a ligação entre as rodas, sendosempre integrados por componentes de freio erodagem, podendo ainda estar integrado porrodagem, podendo ainda estar integrado porcomponentes estruturais da carroçaria e suspensão.

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INTRODUÇÃO

� O eixo rompeu em ensaio de verificação de fadiga por flexão vertical realizado no IPT/SP, conforme o relatório nº 48.044 – ENSAIO DE VERIFICAÇÃO DE FADIGA POR FLEXÂO VERTICAL EM EIXO VEICULAR AUXILIAR.

� Algumas Propriedades:� Dureza escala Brinell > 150 HB� Tensão de Escoamento = 440 MPa� Tensão de Ruptura = 600 MPa

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INTRODUÇÃO

� Características Requeridas:� Resistência mecânica� Resistência à corrosão� Boa resistência à flexão� Boa resistência à fadiga� Boa resistência à fadiga

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A METODOLOGIA ADOTADA

� Análise macroscópica� Análise microscópica da fratura� Análise metalográfica� Análise de composição química

Ensaio de dureza� Ensaio de dureza� Ensaio de tração� Construção do diagrama de fadiga do componente

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FLUXOGRAMA DAS ETAPAS DE INVESTIGAÇÃO

Análise Metalográfica

Análise Microscópica da Fratura

Análise Macroscópica

Construção do Diagrama de

Fadiga

Ensaio de Dureza e de

Tração

Análise de Composição

Química

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IDENTIFICAÇÃO DA FALHA

� A norma NBR6744/87 especifica que o ensaio deflexão simples deve ser realizado com uma cargaentre 5000 N e duas vezes o peso máximo indicadopara o eixo veicular, o que resulta em 220000 N, comfrequência de aplicação de carga entre 1 e 10 Hz.

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ANÁLISE MACROSCÓPICA

� Foram observadas regiões distintas na superfície da fratura:

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� Regiões Observadas:

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ANÁLISE MICROSCÓPICA DA FRATURA

� Foram analisadas no MEV duas amostras retiradas doinício da fratura dos dois lados do eixo e uma amostraretirada da região próxima a solda da haste lateral.

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ANÁLISE MICROSCÓPICA DA FRATURA

� Regiões Observadas no MEV:

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ANÁLISE METALOGRÁFICA

� Foram preparados corpos de prova retirados daregião próxima ao início da fratura.

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ANÁLISE METALOGRÁFICA

� Microestrutura encontrada:

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ANÁLISE DE COMPOSIÇÃO QUÍMICA

� A análise química foi realizada em uma amostra, comuma média de três análises. Os resultados obtidosestão de acordo com a especificação.

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ENSAIO DE DUREZA

� O ensaio de dureza foi realizado na escala Brinell

(HB), utilizando-se uma carga de 62,5 kgf , esfera de

2,5 mm e obtendo-se como resultado a média de 182

HB. Este valor está de acordo com a especificação,

cujo valor mínimo é de 150 HB.cujo valor mínimo é de 150 HB.

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ENSAIO DE TRAÇÃO

� Foram confeccionados três corpos de prova conformea Norma ASTM E8M, utilizando-se diâmetro de4mm. Os resultados dos testes foram 390 MPa paratensão de escoamento e 620MPa para tensão deruptura. Os valores especificados são de 600MParuptura. Os valores especificados são de 600MPapara a tensão de ruptura e 440MPa para o limite deescoamento.

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DIAGRAMA DE FADIGA

� Diagrama de Goodman relaciona tensão aplicadae resistência à fadiga do eixo.

� O diagrama é determinado conhecendo-se os valoresda tensão aplicadada tensão aplicada(relatório IPT), tensão deescoamento (ensaio de tração),tensão de ruptura (ensaiode tração) e resistência à fadiga.

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DIAGRAMA DE FADIGA

� Teoria de Shigley:

Se = Ka Kb Kc Kd Ke Se’

� Resistência à fadiga do material (Se’): conforme

diagrama, 391 MPa.diagrama, 391 MPa.� Fator de superfície (Ka): para eixo forjado a frio,

0,82 (considerando que a tensão de ruptura do material é 620 MPa).

� Fator de tamanho (Kb): considerando o efeito da superfície e flexão determinou-se Kb, a partir do diâmetro externo do componente, como sendo 0,75.

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DIAGRAMA DE FADIGA

� Os fatores de carga (Kc), de temperatura (Kd) e de entalhe (Ke) foram considerados iguais a 1.

� A resistência à fadiga do componente (Se) calculada foi de 240,5 MPa.

� Coeficiente de segurançaSg = Se/S Sg = Se/S

Onde: � Solicitação empregada: S = Mf/Wf

� Momento fletor: Mf = Pmáximo x L � Momento resistente: Wf = I/R = (̟/64)(D4 – d4)/R

� O valor calculado: Sg = 0,6. 22

DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

� A carga dinâmica aplicada que resultou na fratura é maior que a estabelecida em norma;

� A norma de ensaio prevê que o tubo deve estar usinado, ou seja, isento de imperfeições superficiais;

� Fratura por fadiga na região de maior tração quando da aplicação da carga de flexão, próxima ao centro do da aplicação da carga de flexão, próxima ao centro do componente;

� A região de início da fratura não tem relação com o processo de soldagem;

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� A fratura, enfim, ocorreu como esperado. Esta informação levou a algumas hipóteses:

• sobrecarga oriunda do ensaio, ou algum erro de montagem do ensaio;

• sobrecarga de fadiga devida ao subdimensionamento do componente. Esta hipótese foi avaliada segundo o diagrama de fadiga do componente;

• algum defeito microestrutural.24


� A Norma NBR6744/87, item 4,3, exige um “ dispositivo que permita aplicar a carga de ensaio igualmente sobre os assentos dos feixes de molas. O dispositivo deve ser suficientemente rígido para que não afete os resultados”.

� Imperfeições oriundas do processo de fabricação.A camada ferrítica atua de forma a diminuir a � A camada ferrítica atua de forma a diminuir a resistência do material à nucleação de trincas de fadiga, visto que é prevista uma microestrutura ferrítica e perlítica típica de um aço SAE1020.

� O coeficiente de segurança calculado (Sg = 0,6), considerando o fator de superfície e de tamanho, comprova o subdimensionamento quanto à fadiga. 25

CONCLUSÃO

� Falha prevista, pois a solicitação é maior que a resistência do componente;

� Falha por fadiga devido à flexão na região de maiorsolicitação;

� Início da falha sem relação com a região da solda;� Baixa segurança do componente para fadiga;� Baixa segurança do componente para fadiga;� Problemas de fabricação ocasionou camada

superficial ferrítica e oxidação;� As condições superficiais são críticas para fadiga,

considerando a solicitação empregada;� O método de ensaio, com dois atuadores

independentes, pode apresentar variações nasolicitação prevista.

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CONCLUSÃOApós as análises feitas, as seguintes ações corretivas

podem ser implementadas:� utilizar um coeficiente de segurança maior para

fadiga, o que acarreta em especificar um material de maior resistência mecânica ou com dimensões resistentes maiores;

� melhorar as condições no processo de fabricação para que não ocorra problemas como a camada superficial que não ocorra problemas como a camada superficial ferrítica e a camada de oxidação;

� procurar reproduzir os ensaios o mais próximo possível das especificações previstas em normas para que os mesmos interfiram o menos possível nos resultados.

� tratamentos térmicos e termoquímicos também podem ser feitos para melhorar as propriedades mecânicas e químicas do componente. 27

REFERÊNCIAS

1. Barlavento, M. A., Hoppe, R. A., Pecantet, S., Griza, S., Strohaecker, T. R., “ Análise de Falha em Eixo Viga Tubular “, UFRGS, 2001.

2. Cassou, C. A. , “ Metodologia de Análise de Falha “, Dissertação de Mestrado, PPGEM, UFRGS, 1999.

3. Metals Handbook, “ Fadigue Analysis and Prevention “, 9th edition, ASM 1986.

4. Nishida, S., “ Failure Analysis in Engineering Aplications“, Butterworth – Heinemann, great Britain, 1992.

5. Shigley, J. E., Mischke, C. R., “ Mechanical EngineeringDesign “, USA, 1989.

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