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

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

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.

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.

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

5

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.

6

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).

7

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

8

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)

9

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.

10

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).

11

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.

12

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).

13

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

14

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)

15

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

16

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

18

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;

19

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

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

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

39

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

40

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

43

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.

7. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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47

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

48

continuao Matriz 4788 Matriz 4814

Tenso X

Tenso Y

Tenso Z

continua

49

continuao Matriz 5917

Tenso X

Tenso Y

Tenso Z