trabalho análise de falhas
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Trabalho Elementos de Máquinas - Análise de FalhasTRANSCRIPT
UNESP
Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá
Guaratinguetá
2015
BÁRBARA BENATTI
BÁRBARA REZENDE LEITE SILVA
CAUSAS FUNDAMENTAIS DAS FALHAS
Guaratinguetá
2015
RESUMO
Este trabalho aborda os tipos de falha e avalia as causas fundamentais das mesmas.
Serão apresentados exemplos reais e métodos para a contenção dessas causas que possam
minimizar seus impactos sobre o funcionamento do sistema.
PALAVRAS-CHAVE: Manutenção, falhas, causas.
ABSTRACT
This paper discusses the types of failure and evaluates the root causes. Real examples
will be presented and methods for containment of these causes that can minimize their impact
on the functioning of the system.
KEY – WORDS: failure, causes, maintenance.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Irmãos Wright................................................................................................................. 11
Figura 2 - Avião Wright Flyer após o acidente ............................................................................. 12
Figura 3 - Exemplo de distorção de uma haste de válvula sobrecarregada ................................. 15
Figura 4 - Exemplo de uma fratura frágil do aço estrutural A36, após sofrer fadiga inicialmente
por trincas (setas). ............................................................................................................................ 16
Figura 5 - Diagrama tensãoxdeformação ....................................................................................... 17
Figura 6 - Corrosão microbiológica de um sistema de tubulação de água de resfriamento. ...... 18
Figura 7 - Exemplo de uma falha de desgaste do virabrequim do motor à diesel. ...................... 19
Figura 8 - Material como recebido ................................................................................................. 23
Figura 9 - Detalhe de uma das lâminas .......................................................................................... 23
Figura 10 - Sequência de lâminas, região das fraturas com corrosão e contaminação. .............. 24
Figura 11 - Detalhe de uma das lâminas fraturadas ...................................................................... 24
Figura 12 - Região do orifício de fixação da arruela e parafuso. ................................................. 25
Figura 13 - Região com corrosão (orifício de fixação do parafuso). ........................................... 25
Figura 14 - Superfície de fratura.................................................... Erro! Indicador não definido.
Figura 15 - Superfície de fratura – detalhe da região de pré-trinca .............................................. 26
Figura 16 - Região analisada e gráfico do EDS resultante. .......................................................... 26
Figura 17 - Região analisada e gráfico do EDS resultante. .......................................................... 27
Figura 18 - Trinca iniciada em pite de corrosão. ........................................................................... 27
Figura 19 - Trincas e corrosão intergranular iniciadas em partículas aderidas à superfície. ...... 27
Figura 20 - Região analisada e gráfico do EDS resultante. .......................................................... 28
Figura 21 - Região analisada e gráfico do EDS resultante. .......................................................... 28
Figura 22 - Microestrutura da liga metálica. .................................................................................. 29
Figura 23 - Vista geral da trinca (setas) presente no segmento de trilho. .................................... 32
Figura 24 - Defeito presente na junta soldada pelo processo aluminotérmico. ........................... 33
Figura 25 - Trincas verticais. .......................................................................................................... 33
Figura 26 - Região da junta soldada mostrando o local provável do início da fratura (seta). .... 34
Figura 27 - Zona adjacente ao centro da solda com material com forma “agulha”. Aumento: 6X
.......................................................................................................................................................... 34
Figura 28 - Vista superior da região soldada no boleto................................................................. 35
Figura 29 - Perfil de dureza encontrado para o segmento de trilho analisado. ............................ 35
Figura 30 - (A) Microestrutura perlítica com ferrita pró-eutetóide no contorno de grão
einclusões não metálicas globulizadas; (B) Microestrutura perlítica com inclusões não
metálicas alongadas; (C) Microestrutura perlítica. Aumento: 100X. Ataque: Nital 2%. ........... 36
Figura 31 - Trincas secundárias encontradas no contorno de grão. Superfície de rolamento.
Aumento: 200X. Ataque: Nital 2%. ............................................................................................... 36
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
RCA Root Cause Analysis
SBFS Heliporto São Tomé
EDS Energia Dispersiva de Raio-X
MEV Microscópio Eletrônico de Varredura
CENIPA Centro de Investigações e Prevenção de Acidentes Aeronáuticos
EFC Estrada de Ferro Carajás
CVRD Companhia Vale do Rio Doce
RE Tipo de Perfil do Trilho
SKV Métodos de Soldagem
SMF Métodos de Soldagem
SOWOS Métodos de Soldagem
ZAC Zona Afetada pelo Calor
LISTA DE SÍMBOLOS
Fe Ferro
Cr Cromo
NI Níquel
C Carbono
O Oxigênio
Cl Cloro
Si Silício
Cd Cádmio
S Enxofre
Ba Bário
Kg/m Kilograma por metro
Al2O3 Alumina
HV Dureza
HB Dureza
C Celsius
A36 Aço ASTM-A36
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO À ORIGEM DAS FALHAS.……………….……………...………11
1.1 DIFERENTES NÍVEIS DE FALHAS............................................................................12
2 ANÁLISE DE CAUSAS FUNDAMENTAIS .............................................................13
2.1 ANÁLISE DA RAIZ DAS CAUSAS (RCA).................................................................13
2.1.1 ANÁLISE FÍSICA PRIMÁRIA DA RAIZ DAS CAUSAS..........................................13
3 CATEGORIAS DAS FALHAS…………………………………………………..…..14
3.1 CATEGORIAS DAS TENSÕES DOS MATERIAIS……………………………....…14
3.2 AS QUATRO CATEGORIAS DAS FALHAS E SUAS CAUSAS……………..…….14
3.2.1 DISTORÇÃO OU DEFORMAÇÃO INDESEJADA…………………………….……15
3.2.2 FRATURA......................................................................................................................15
3.2.3 CORROSÃO ..................................................................................................................17
3.2.4 DESGASTE ...................................................................................................................18
4 EXEMPLOS REAIS DE FALHAS ............................................................................22
4.1 FALHA POR CORROÃO E MANUTENÇÃO INCORRETA....................................22
4.2 ANÁLISE DE FALHA E CARACTERIZAÇÃO METALÚRGICA DE UM
SEGMENTO DE TRILHO SOLDADO POR ALUMINOTERMIA.........................................30
5 CONCLUSÕES.............................................................................................................38
REFERÊNCIAS............................................................................................................39
11
1 INTRODUÇÃO À ORIGEM DAS FALHAS
Analisar as falhas é um processo fundamental para determinar as causas fisicas do
problema, o processo é complexo e baseia-se em diferentes disciplinas. Um dos fatores
importantes para analisar corretamente a causas das falhas é manter a possibilidade de um
leque de possiveis fatores para promover uma perspectiva clara e imparcial de falhas. É
preciso também que outros especialistas de diferentes disciplinas colaborem em certas
circunstancias para se possa integralizar a análise das evidências quantitativa e também
forneçam informações básicas sobre o projeto, fabricação e histórico do produto.
Assim como Análise de Falhas é uma disciplina utilizada para identificar as causas
físicas das falhas, anásile da raiz das causas (RCA – Root Cause Analysis) possui técnicas que
são eficazes para explorar alguns dos outros contribuintes para falhas, tais como causas
humanas e latentes. A importancia e o valor da análise das falhas para a segurança,
confiabilidade, desempenho e econimia estão bem documentados, por exemplo a importância
da investigação das falhas é vividamente ilustrada nos eforços pioneiros do Irmãos Wright
(Wright Brothers – fig.1) em desenvolvimento do voo motorizado. Após o acidente ocorrido
com o Wright Flyer (fi. 2), Wilbur , um dos irmãos, enviou imediatamente o avião acidentado
para a França para pudesse conduzir uma investigação completa sobre a causa das falhas, isto
foi a decadas antes da disciplina ser formalmente introduzida e chamada de “Análise de
Falhas”.
Figura 1 Irmãos Wright.
12
Figura 2 Avião Wright Flyer após o acidente.
1.1 DIFERENTES NÍVEIS DE FALHAS
A falha pode ser definida em vários níveis diferentes. A forma mais simples de uma falha
é a de um sistema ou de um componente que opera, mas não executa a sua função. Isto é
considerado uma perda de função. Um motor a jato que funciona, mas pode apenas produzir
impulso parcial (insuficiente para permitir que uma aeronave descole) é um exemplo de uma
perda de função.
O próximo nível de falha envolve um sistema ou componente que desempenha a sua
função, mas não é confiável. Esta forma de falha o sistema ou componente sofreu uma perda
de vida útil. Por exemplo, uma corda de arame de um elevador perdeu a sua vida útil quando
se tem sustentado fraturas de fadiga em algum dos fios. Mesmo que o cabo de aço continua
funcionando, a presença de fraturas de fadiga nos fios resulta em uma condição insegura e,
portanto, é considerado uma falha.
No próximo nível de falha, um sistema ou componente é inoperável, ou seja, como uma
fratura do eixo da bomba que faz com que o rotor pare a apreensão, ou a perda da capacidade
de transporte de carga de um parafuso estrutural durante seu funcionamento devido a fratura.
2. ANÁLISE DE CAUSAS FUNDAMENTAIS
13
2.1 ANÁLISE DA RAIZ DAS CAUSAS (RCA)
Os três níveis de análise da raiz das causas são: raízes físicas, raízes humanas e raízes
latentes. Raízes Físicas é onde muitos análises de falha param. Estas raízes podem ser
originadas de uma investigação laboratorial ou de uma análise de engenharia e muitas vezes
são achados em nível de componente ou de materiais.
Raízes Humanas é quando envolvem fatores humanos que causam as falha, sendo um
exemplo de um erro humano do que diz respeito ao julgamento das falhas.
Raízes latentes podem nos levar às causas de erro humano e incluem raízes
organizacionais ou processual, bem como raízes ambientais ou outros que estão fora da esfera
do controle.
2.1.1 ANÁLISE FÍSICA PRIMÁRIA DA RAIZ DAS CAUSAS
A categorização das causas de falhas em equipamentos variam entre os praticantes que
analisam as falhas. O agrupamento de causas físicas em apenas algumas categorias
fundamentais é vantajoso e informativo, pois define qual o aspecto de um produto ou sistema
que exige estratégias de ação e prevenção corretivas. A análise sistemática de falhas de
equipamentos revela causas físicas que se enquadram em uma das quatro categorias
fundamentais:
Deficiências de projeto
Defeitos do material
Defeitos de instalação e de fabricação
Anomalias na vida útil
3. CATEGORIAS DAS FALHAS
14
Há muitas maneiras de categorizar as falhas e danos materiais em termos de formas,
mecanismos, ou causa. Nenhum sistema é necessariamente completo e consistente com a
infinidade de possibilidades. No entanto, as categorias podem ajudar a priorizar ou identificar
meios de investigação, desde que as categorias não limitam a investigação crítica.
3.1 CATEGORIAS DAS TENSÕES DOS MATERIAIS
Para determinar a causa da falha do material, deve-se considerar as tensões ativas. Uma
tensão é uma influência externa que pode ser uma causa direta ou indireta de falhas. A
compreensão dessas influências é importante para uma análise eficaz das falhas e para
determinar a causa raiz. Da mesma forma, o alívio dos fatores de tensão é muitas vezes a
solução mais lógica para reduzir a propensão de falhas. A influência de fatores de tensão é
fortemente dependente da suscetibilidade do componente, dos critérios de desempenho, da
magnitude da tensão e da exposição do material.
Os seis fatores de tensão são:
Mecânicos: Aplicações estáticas, dinâmicas ou cargas cíclicas, pressão, impacto,
tensões residuais de fabricação e tensões de montagem.
Química: exposição aguda ou crônica inadvertida a um ambiente químico agressivo e
problemas de compatibilidade de materiais
Eletroquímica: Um metal suscetível em um ambiente aquoso corrosivo
Térmica: a exposição a temperaturas elevadas, resultando na degradação de materiais
Radiação: iluminação ultravioleta, luz solar, radiação ionizante de usinas nucleares, e
assim por diante
Elétrico: Aplicação de tensão elétrica devido à presença de um campo elétrico
3.2 AS QUATRO CATEGORIAS DAS FALHAS E SUAS CAUSAS
A falha física do material pode ser colocada em uma de várias categorias, dependendo
do sistema de classificação. As quatro categorias seguintes são uma forma conveniente para
15
categorizar de forma descritiva e discutir as falhas, com o objetivo final de compreender as
causas e como realizar a prevenção das falhas.
3.2.1 DISTORÇÃO OU DEFORMAÇÃO INDESEJADA
Uma distorção ocorre quando as alterações geométricas impedem que um componente
funcione corretamente, como um rolamento de polímero inchado em uma bomba ou ligação
dobrada em uma transmissão. A modificação da geometria será geralmente sob a forma de
alterações de volume (por exemplo, o inchamento ou o encolhimento) ou mudança de formas
(por exemplo, deformação, flexão ou deformação). As causas mais comuns de falhas de
distorção de volume incluem mudanças induzidas pela temperatura de fase do material ou
expansão térmica em metais, absorção de fluidos não metálicos, e retração assim como pode
ocorrer em reajustes. As causas mais comuns de falha induzida por geometria incluem design
inadequado, rigidez à flexão sob a carga, falha induzida pelo material sobrecarregado (Fig. 3)
e aquecimento desigual durante o funcionamento.
Figura 3 - Exemplo de distorção de uma haste de válvula sobrecarregada
3.2.2 FRATURA
Uma fratura é geralmente definida como a separação do material. Existem muitas
causas e formas de fratura incluindo fratura frágil (Fig. 4), fratura dúctil, e muitos
mecanismos de fratura progressiva que podem levar a fratura final. Uma compreensão do
16
design de componentes, carga de trabalho, meio ambiente, bem como a aplicação de técnicas
laboratoriais de investigação de sons, como a interpretação das superfícies da fratura
(fractografia) são essenciais para uma análise de falhas eficaz no caso de fratura do
componente.
Figura 4 Exemplo de uma fratura frágil do aço estrutural A36, após sofrer fadiga inicialmente por trincas
(setas).
Entender o comportamento de materiais sob carga é importante para a compreensão
dos modos de fratura. O comportamento macroscópico de materiais sob carga é muitas vezes
caracterizada por meio de testes de tração. Costuma-se medir a carga e alongamento durante
estes testes para traçar os resultados sob a forma de um diagrama de tensão-deformação.
Diagramas de tensão-deformação podem variar amplamente entre materiais diferentes e são
grandemente influenciadas por parâmetros tais como a velocidade e a temperatura do ensaio.
A Figura 5 ilustra diagramas de tensão típicos. Uma curva é característica de aço mole e os
outros são características de outros tipos de materiais.
No entanto, de um modo geral, cada um dos materiais tem a sua própria curva.
Materiais dúcteis são aqueles que são capazes de resistir a tensões relativamente grandes antes
da fratura, em oposição a um material frágil. Contração transversal não uniforme e instável
designado por estrangulamento em materiais dúcteis indica uma sobrecarga grave. Ela reduz a
área eficaz e resulta em uma distinção entre a curva tensão-deformação verdadeira e a curva
de tensão-deformação de engenharia, que considera a seção transversal original para o cálculo
do stress. Um estudo realizado sobre a teoria da deslocação explica ainda o comportamento
plástico de metais além da faixa de tensão elástica.
17
Figura 5 Diagrama tensão x deformação.
3.2.3 CORROSÃO
A corrosão é a degradação dos materiais. Nos metais, o tipo mais comum é corrosão
electroquímica, um fenômeno que ocorre na superfície de ligas de metal ou de metais
sensíveis, quando expostos a um ambiente aquoso corrosivo. Outras formas de corrosão, que
não envolvem a ação electroquímica incluem fragilização do metal líquido, em sais fundidos a
corrosão, oxidação a alta temperatura, e assim por diante. O resultado do ataque corrosivo
pode tomar a forma física de perda da superfície, perda local, corrosão, rachaduras e
fragilização. A perda de material pode, eventualmente, levar a uma falha de sobrecarga ou
através da penetração da superfície. A formação da camada de óxido que tem um aumento
significativo de volume quando comparado com o metal não oxidado, pode também ser um
problema através da aplicação de carga na região onde há união de rachaduras. A atenuação
de ataque corrosivo envolve uma mudança de materiais, a tirada do material do ambiente
corrosivo, proporcionando uma proteção da superfície, tal como um revestimento, ou o
fornecimento de proteção catódica. Um exemplo do sistema de tubagem de corrosão devido
aos efeitos da atividade microbiológica é mostrado na figura 6.
18
Figura 6 Corrosão microbiológica de um sistema de tubulação de água de resfriamento.
3.2.4 DESGASTE
Desgastes resultam da remoção ou deslocamento do material da superfície de contato
e do movimento relativo com sólido, líquido ou gás. Há uma influência significativa do atrito
e lubrificação sobre a taxa e severidade dos danos do desgaste. Geralmente resulta em perda
de material, capacidade de transporte de carga, a adesão, aumento da fricção e produção de
imperfeições. Desgastes geram a falha de um componente depende dos critérios de
desempenho do mesmo, tal como um rolamento principal do motor diesel que falhou devido
ao desgaste excessivo e uma consequente perda do controlo do movimento do virabrequim
radial (Fig. 7). Desgaste leve em válvulas de metal pode provocar um vazamento inaceitável,
enquanto desgaste grave em uma aplicação menos crítica pode ser antecipado e sem
consequência e, assim, ser perfeitamente aceitável. Desgaste controlado, como é o caso com
pastilhas de freios para automóveis pode ser parte dos critérios de consumo de um
componente. A produção de imperfeições também pode ser uma consideração importante se,
por exemplo, a contaminação de um sistema de água limpa está em risco.
19
Figura 7 Exemplo de uma falha de desgaste do virabrequim do motor à diesel.
Estas quatro categorias representam as formas gerais de incapacidade. Cada forma de
falha pode ter uma variedade de diferentes mecanismos subjacentes (por exemplo, a
propagação de trincas por fadiga no caso de fratura ou efeitos galvânicos em corrosão do
metal). É importante assinalar que dois ou mais mecanismos podem ocorrer simultaneamente
em algumas falhas. Estas categorias de falha podem integrar-se com as quatro causas
fundamentais das falhas discutidos na seção 2.1.1 "Análise Física Primária da Raiz das
Causas " neste trabalho. Como apresentado na Tabela 1, cada categoria observada de falha
pode ser associada com qualquer um dos quatro principais causas.
20
Tipos de Falhas Deficiência de Projeto Defeitos do Material Defeitos de Fabricação Anomalias na Vida Útil
Distorção
Espessura de corte
insuficiente de uma
seção resulta em
deformação sob carga
normal.
Encolhimento da
cavidade em uma
área com alta tensão
de um item
estrutural complexo
usado em um motor
de turbina a gás
resulta em
deformações
permanentes em
serviço e
conseqüente perda
de folgas entre o
rotor e o estator
alojados pelo
vazamento.
Rolamento de fio
abusivo provoca
deslizamento pesado
na bandagem no fecho
de titânio, resultando
na tensão localizada de
alongamento do
fixador sobre torque
conforme exigido, e
uma incapacidade
associada para prender
adequadamente a
junta.
A exposição de uma
estrutura de aeronaves
de alumínio em
temperaturas
excessivamente altas
resulta em
deformações
permanentes pela
fluência e flambagem
subseqüente.
Fratura
Chapa de aço carbono
laminado a frio e
galvanizados sustenta
fraturas frágeis sob
cargas normais de
serviço, devido à
fragilização eforço-
vida.
Dobra no
forjamento, com
carregamento cíclico,
cresce uma trinca de
fadiga e,
posteriormente,
falha
catastroficamente.
Soldagem de ligas de
aço contaminada por
umidade resulta em
fios de metal
fragilizados por
hidrogênio e
consequente haverá
trincas.
A furação inadequado
do componente
estrutural de alumínio
faz com que fissuras de
fadiga se iniciam e se
propagam, o que
resulta em fracasso
final do componente.
Corrosão
Ferro fundido de
tubulações
subterrâneas usado
para transportar
materiais perigosos
sustenta rupturas
devido a
"grafitização".
Impurezas de ferro
forjado na suspensão
de liga de alumínio
de carros criam
suscetibilidade,
resultando em perda
de integridade
estrutural.
Tratamento de alivio
de tensão a 650 ° C de
um aço inoxidável 304L
para processamento de
polpa sustenta
corrosão intergranular,
rachaduras e falhas.
Aumento do uso de sal
na estrada no inverno
dos Estados Unidos
resulta em problemas
nos veículos elétricos
causando corrosão nos
contatos elétricos.
Desgaste
O uso de pares de
peças incompatíveis
resultam em
escoriações e
desgastes.
Os processos de
fusão e trabalhos à
quente impróprios
levam a uma má
distribuição de
carbonetos primários
em aços de
ferramenta,
resultando em um
rápido desgaste.
Superfície mal usinada
de um elemento de
máquina de
deslizamento leva a
um desgaste acelerado
e posteriormente uma
avaria mecânica.
Lubrificação
insuficiente durante a
manutenção resulta
em desgaste
prematuro no
rolamento do eixo da
bomba.
Tabela 1 - Exemplos de causas que resultam em 4 tipos de falhas
Para qualquer um destes tipos de falha, o desempenho dos materiais tem um papel
crítico. Assim como o desempenho de um componente ou sistema é dependente do
comportamento dos materiais de construção de acordo com as condições de serviço, o modo
em que um componente ou sistema sustenta uma falha física é fortemente afetado pelo
21
desempenho dos materiais. Por exemplo, falhas de corrosão de metais diferentes. Em contacto
físico em um ambiente agressivo estão associados com as diferenças no comportamento
electroquímico como resultado das composições químicas dos dois metais. Isso mostra que
um dos princípios mais básicos na ciência dos materiais e da engenharia se aplica a falhas: a
interação da composição, processamento, estrutura e propriedades define desempenho de
materiais, seja satisfatório ou insatisfatório.
22
4. EXEMPLOS REAIS DE FALHAS
4.1 FALHA EM UM CONJUNTO DE LÂMINAS DE UM ACOPLAMENTO FLEXÍVEL
DE UM HELICÓPTERO DE USO CIVIL
A análise de falha abaixo aplica-se a um conjunto de lâminas de um acoplamento
flexível (“flexible coupling”) de um helicóptero de uso civil. A partir desta analise foi
possível identificar outras aeronaves com o mesmo tipo de problema e assim, a missão final
da análise de falha, de contribuir de forma ativa na proteção de voo foi cumprida.
O caso estudado é um exemplo típico de análise de falha ocorrido no caso da
investigação de um conjunto de lâminas de um acoplamento flexível (“flexible coupling”) de
um helicóptero (BRASIL, 2009a; BRASIL, 2008) O helicóptero decolou às 10h 10min da
Bacia de Campos, com destino ao heliponto de São Tomé (SBFS). Ao iniciar o voo de
cruzeiro, a tripulação percebeu uma vibração e um barulho anormal na aeronave. Os
parâmetros de desempenho da aeronave foram verificados e considerados normais. Contudo, a
tripulação decidiu, por medida de precaução, pousar na plataforma mais próxima e realizar
uma melhor avaliação das condições da aeronave. Por volta de 10h 13min, o helicóptero
realizou com sucesso o pouso na plataforma localizada no través da rota. Após o pouso, a
tripulação abriu a carenagem de acesso "Main Gear Box" e verificou que o componente
"Flexible Coupling", localizado entre o "engine 1 drive shaft" e o "Main Gear Box Input
Flange", estava danificado. Na sequência uma equipe de manutenção foi deslocada para o
local com o objetivo de disponibilizar a aeronave para que a mesma retornasse voando à base
principal. Porém, após a desmontagem do componente "Flexible Coupling", verificou-se que
todas as lâminas do mesmo estavam completamente danificadas e fraturadas. Sendo assim, a
empresa decidiu que a aeronave não retornaria voando e seria transportada via marítima. O
componente "Flexible Coupling" foi então enviado para análise.
O componente, constituído por 15 lâminas metálicas (na forma de anéis), é
apresentado como recebido na Figura 8.
23
Figura 8 Material como recebido.
Nos exames visuais e com auxílio do microscópio estereoscópio constatou-se que
todas as quinze (15) lâminas, apresentaram fraturas próximas às arruelas e parafusos de
fixação, como mostrado na Figura 9.
Figura 9 Detalhe de uma das lâminas.
24
Pode-se observar também a presença de corrosão associada a produtos agregados à
superfície de todas as lâminas examinadas como visto na Figura 10 e em maior detalhe na
Figura 11.
Figura 10 Sequência de lâminas, região das fraturas com corrosão e contaminação.
Figura 11 Detalhe de uma das lâminas fraturadas
Entre uma das arruelas e a lâmina, foi observado um produto agregado de cor verde e
aspecto característico de tinta, apresentado na Figura 12.
25
Figura 12 Região do orifício de fixação da arruela e parafuso.
Todas as lâminas apresentaram áreas com corrosão dos tipos generalizada e/ou por
pites nas regiões próximas às arruelas, como apresentado na Figura 13.
_
Figura 13 Região com corrosão (orifício de fixação do parafuso).
Nos exames por microscopia eletrônica de varredura, realizados na superfície de
fratura de uma lamina selecionada durante o exame por estereoscopia, observa-se uma pré-
trinca (Fig. 14). A pré-trinca iniciou-se em um pite de corrosão e propagou-se por quase toda
a espessura da lâmina.
_
26
Devido aos amassamentos e corrosão observados, não foi possível determinar o
mecanismo de falha na região da pré-trinca, apresentada em maior destaque na Figura 15.
Figura 14 Superfície de fratura – detalhe da região de pré-trinca
Foi realizada uma análise por energia dispersiva de raios-X (EDS) na superfície de
uma das lâminas que estavam recobertas por produtos agregados (Fig. 12). Neste exame
foram detectados os elementos: Ferro (Fe); Cromo (Cr); Níquel (Ni); Carbono (C); Oxigênio
(O); Cloro (Cl); Silício (Si); Cádmio (Cd); Enxofre(S). Os elementos Fe, Cr e Ni são
componentes de um aço inoxidável, que é o material base das lâminas. Os outros elementos
são componentes do produto agregado à superfície da lâmina.
Figura 15 Região analisada e gráfico do EDS resultante.
Na análise por EDS (Fig. 15) realizada na superfície da lâmina, que apresentou
segregação de um produto com aspecto visual semelhante à tinta (Fig. 12), foram detectados
os seguintes elementos: Carbono (C); Oxigênio (O); Silício (Si); Cádmio (Cd); Bário (Ba).
27
Figura 16 Região analisada e gráfico do EDS resultante.
Nos exames metalográficos realizados na seção transversal das lâminas examinadas no
microscópio eletrônico de varredura (MEV), observaram-se trincas a partir de pites de
corrosão (Fig. 16). Foram observadas também trincas e corrosão intergranular a partir de
partículas aderidas à superfície (Fig. 18).
_
Figura 17 Trinca iniciada em pite de corrosão.
Figura 18 Trincas e corrosão intergranular iniciadas em partículas aderidas à superfície.
Amostras preparadas metalograficamente foram analisadas por MEV, utilizando-se
EDS para a determinação da composição química das partículas associadas às trincas e
28
corrosão (Fig. 20). Nessas partículas foram detectados os elementos Carbono (C) e Silício
(Si), componentes do carbeto de silício. O carbeto de silício é utilizado como elemento
abrasivo de lixas.
Figura 19 Região analisada e gráfico do EDS resultante.
Outra região que apresentou uma mistura de elementos agregados à superfície (Fig.
21) foi analisada por EDS. Os elementos detectados estão apresentados na Figura 21.
Observa-se que existe uma mistura de vários elementos, inclusive fragmentos da liga da
própria lâmina, que provavelmente foram arrancados devido à ação abrasiva das partículas de
carbeto de silício durante a operação da aeronave.
_
Figura 20 Região analisada e gráfico do EDS resultante.
A microestrutura da lâmina é constituída de grãos austeníticos, característica de aço
inoxidável austenítico (Fig. 22).
29
Figura 21 Microestrutura da liga metálica.
De acordo com os resultados obtidos pode-se dizer que algumas lâminas falharam pela
formação de uma pré-trinca, iniciada em regiões que sofreram corrosão por pite e/ou
intergranular devido ao acumulo de produtos contaminantes nas suas superfícies. A falha
dessas lâminas levou a uma redução da resistência do conjunto e à consequente falha da peça
por sobrecarga das lâminas remanescentes.
A presença de agentes abrasivos na superfície das lâminas, como grãos de carbeto de
silício, provavelmente provenientes de algum material abrasivo que ficou depositado na
superfície das lâminas, bem como a presença de recobrimentos por material similar a resina
polimérica, depositados na superfície das lâminas, indicam que houve uma contaminação do
componente que facilitou a ocorrência de processos de corrosão. Esses processos de corrosão,
principalmente a formação pites e a corrosão intergranular, agem como concentradores de
tensão que favorecem a propagação de pré-trincas, que ao alcançarem um tamanho crítico
levam à falha da lâmina. Esse processo é particularmente crítico nas regiões próximas às
arruelas e parafusos de fixação.
Assim, conforme os aspectos observados durante a análise de falha sobre o fator
material fica clara a possibilidade de a falha ter ocorrido devido a más práticas de
manutenção. O pouco cuidado no manuseio e nas operações realizadas no conjunto flexível,
bem como as práticas de limpeza e mesmo operações realizadas no compartimento onde se
encontra o conjunto devem ter sido os principais fatores causadores da falha.
Após a emissão do relatório técnico ao órgão investigador do caso, este repassou a
orientação aos operadores e outros envolvidos na segurança de voo de aeronaves que utilizam
o mesmo conjunto flexível. Segundo o retorno deste órgão ao grupo de análise de falhas, ao
menos seis aeronaves apresentaram o mesmo tipo de problema. Porém, nestes casos, a falha
30
foi descoberta antes da ocorrência de algum acidente ou incidente, assim riscos de vida foram
evitados, bem como possíveis gastos com danos materiais que poderiam ter vindo a ocorrer
com essas aeronaves. Embora muitos casos tenham sido evitados com a divulgação do
relatório CENIPA (BRASIL, 2009a) baseado nas conclusões da análise de falha
(BRASIL2008), nem todos os operadores e oficinas tomaram ciência ou levaram a cabo as
sugestões. Isto ocasionou a ocorrência de outro caso de falha similar, investigado e
esclarecido no relatório técnico de análise de falhas nº 29-AMR-E/2009 (BRASIL, 2009b).
4.2 ANÁLISE DE FALHA E CARACTERIZAÇÃO METALÚRGICA DE UM
SEGMENTO DE TRILHO SOLDADO POR ALUMINOTERMIA
Neste trabalho é realizada a análise de falha e caracterização metalúrgica de um
segmento de trilho, proveniente da Estrada de Ferro Carajás (EFC) com aproximadamente
1500 milímetros de comprimento contendo uma junta soldada por aluminotermia na qual foi
detectada a existência de trincas verticais no boleto. O processo de soldagem aluminotérmico,
apesar de sua facilidade de execução exige um rígido controle dos parâmetros envolvidos,
entre eles, pré-aquecimento, temperatura de vazamento e pós-aquecimento. Qualquer desvio
nestes pode acarretar defeitos, tais como, crescimento de grão, baixa dureza no metal de
solda, vazios, entre outros, que, aliados as condições severas de carregamento mecânico
impostos ao trilho, devido a passagem da composição, ocasionam o surgimento de pequenas
trincas comprometendo estruturalmente o segmento de trilho. A análise de falha e a
caracterização metalúrgica foram realizadas utilizando-se lupa metalográfica, microscópio
ótico e eletrônico de varredura. A falha foi ocasionada por um superaquecimento ocasionando
a fragilização do material provocando o seu esboroamento, propiciando a nucleação de
pequenas trincas longitudinais e verticais, a partir do metal de adição, que propagaram para
ambos os lados da junta soldada.
Na atual conjuntura o transporte ferroviário é considerado um meio econômico e
eficaz, alcançando destaque no transporte de cargas de alto fluxo de produção como as de
minério de ferro. A Estrada de Ferro Carajás (EFC) pertencente à Companhia Vale do Rio
Doce (CVRD) destaca-se no Brasil e no mundo por sua extensão (900 quilômetros) e
tonelagem bruta trafegada (176.000 toneladas por dia). A montagem da EFC é realizada com
segmentos de trilho (8 a 24 metros de comprimento) de perfil tipo 136 RE (68 Kg/m) que são
soldados via centelhamento elétrico até perfazerem barras com 240 a 396 metros de extensão
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formando uma via contínua. As mesmas são então posicionadas na via e unidas através de
soldagem aluminotérmica ou junção mecânica por tala. A soldagem aluminotérmica de trilhos
ferroviários possui a característica de ser simples e confiável, além do aspecto econômico,
tendo-se elevado rendimento, simplicidade de execução, reduzido número de equipamentos e
independência de fonte de energia externa. Oda Silva, Limberger e Reguly 800 processo está
constantemente em evolução, de modo a corresponder às múltiplas demandas impostas por
trilhos de alta resistência ao desgaste, velocidades e cargas axiais sempre crescentes e
intervalos de trens cada vez mais reduzidos. Os trilhos ferroviários são os componentes
férreos mais suscetíveis à falhas devido as altas pressões de contato das rodas em regime de
carregamento cíclico. Aliado a isso, existem tensões residuais, causadas pela deformação
plástica superficial e pelo processo de soldagem, mais a tensão causada pela variação térmica
na linha e ainda a tensão de projeto, que é a necessária para manter os trilhos alinhados,
contribuindo para a elevação da amplitude de carregamento para o regime de tensões trativas
no interior do boleto. As falhas catastróficas em trilhos podem trazer como conseqüência,
desde grandes perdas econômicas e graves prejuízos ambientais até perdas humanas. Por isso
a importância da determinação da causa da falha dos trilhos para poder-se interagir na
produção de um material de melhor qualidade, mas, principalmente atacar o problema através
de inspeções periódicas, providenciando a sua recuperação mediante reparo ou substituição
por um trilho novo.
A aluminotermia é um processo na qual uma mistura adequadamente preparada, de
alumínio e um óxido metálico, após uma ignição inicial, reage exotermicamente. Devido a
esta liberação de calor, a reação propaga-se por si e em curto espaço de tempo, tomando conta
de toda a mistura. Como resultado desta transformação obtém-se um metal limpo e liquefeito,
e escória rica em Al2O3. Este processo foi introduzido primeiramente à comunidade científica
em 1898 pelo Prof. Hans Goldschimidt em um congresso da Sociedade Eletroquímica Alemã
e parte do princípio da grande afinidade do alumínio pelo oxigênio para reduzir óxidos
metálicos, especialmente o óxido de ferro. A equação (1) que descreve esta reação é a
seguinte:
Fe2O3 + 2 Al ® 2 Fe + Al2O3 + 849 kJ (temperatura ~ 24500C) (1)
Três são os métodos mais usados para a soldagem por aluminotermia: SKV, SMF e
SOWOS, sendo diferenciados pelo tempo de preaquecimento e forma de vazamento. A
principal função do preaquecimento é eliminar a umidade das formas, da ponta do trilho e da
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areia de vedação. No método SKV é realizado um preaquecimento curto, aproximadamente
um minuto, alcançando-se uma temperatura de 6000 C. A quantidade de mistura neste
processo é cerca de 50% maior que nos outros processos a fim de compensar o
preaquecimento menor. Já os dois outros processos (SMF e SOWOS) o preaquecimento é de
4 a 8 minutos, (dependendo do tipo de perfil de trilho a ser soldado) alcançando uma
temperatura de 10000C. A dureza do metal de adição alcançada com estes processos varia de
450 a 550 HV. Estes valores altos são justificados pela falta de um pós aquecimento realizado
após o processo de soldagem, que além de diminuir o valor da dureza alivia as tensões
residuais provenientes da soldagem. Segundo a Thermit, o valor de dureza no metal de adição
não deve exceder 20HB do valor de dureza do metal base.
O segmento de trilho fraturado continha aproximadamente 2 metros de comprimento e
apresentava uma solda aluminotérmica. Através de uma análise visual pôde-se constatar que a
trinca apresentava 1200 mm de comprimento, sendo 300 mm a partir da junta soldada para
um lado (direito, na figura 23) e 900 mm para o outro lado (esquerdo, na figura 23) e a junta
aluminotérmica apresentava um defeito grosseiro. A figura 23 apresenta uma vista geral do
segmento de trilho e a figura 24 apresenta o defeito encontrado.
Figura 22 Vista geral da trinca (setas) presente no segmento de trilho.
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Figura 23 Defeito presente na junta soldada pelo processo aluminotérmico.
A partir da figura 24 observa-se que o defeito mostrado encontra-se na superfície de
rolamento e origem da trinca está a 40 mm em direção à superfície oposta e à 15 mm abaixo
da superfície de rolamento. Após o seccionamento foi possível constatar a existência de duas
trincas verticais paralelas no boleto como mostra a figura 25. Na fissura de menor tamanho
não foi possível constatar nenhuma evidência, visto o amassamento da superfície. Toda a
análise foi então efetuada na trinca de maior tamanho.
Figura 24 Trincas verticais.
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Com o auxílio de uma lupa metalográfica pôde-se analisar as superfícies de fratura dos
trilhos e da zona soldada e constatar que o provável ponto de início da fratura localiza-se na
parte central da junta soldada em uma zona subsuperficial à superfície de rolamento,
conforme mostra a figura 5. Observa-se ainda duas zonas, afastadas aproximadamente 35 mm
do centro da solda, em que o material encontra-se sob aspecto grosseiro, com uma forma
“agulhada”, junto a superfície entrando para o interior do boleto como pode ser visto na
figuras 6x.
Figura 25 Região da junta soldada mostrando o local provável do início da fratura (seta).
Figura 26 Zona adjacente ao centro da solda com material com forma “agulha”. Aumento: 6X
Com a análise mais criteriosa da superfície de rolamento foi possível verificar que o
defeito superficial observado na figura 24 ocorreu devido a solicitação mecânica imposta ao
trilho pela passagem da composição. As condições severas do carregamento promovem a
extração do material pois nesta região há uma incidência de pequenas trincas longitudinais e
também de zonas onde o material dos trilhos encontra-se todo esboroado. A figura 28 mostra
a superfície de rolamento na parte central do boleto, entre as duas trincas verticais principais,
onde se observa a extração de material, a região esboroada e as pequenas trincas verticais
secundárias.
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Figura 27 Vista superior da região soldada no boleto.
Com o objetivo de identificar os motivos da ocorrência dos defeitos no material dos
trilhos e solda foi realizada a caracterização metalúrgica do segmento de trilho analisado,
onde foi efetuada a determinação da composição química, ensaios de dureza e análise
metalográfica. A determinação da composição química foi realizada tanto no metal de adição
como nos segmentos de trilho 1 e 2. O método utilizado foi o de Espectrometria de Emissão
Ótica.
Foi levantado o perfil de dureza na escala Rockwell C do segmento de trilho em uma
região 20 mm abaixo da superfície de rolamento. A figura 29 apresenta o perfil de dureza
encontrado na região de solda aluminotérmica, sendo possível determinar a localização
aproximada da região do metal de adição, da zona afetada pelo calor (ZAC) e da região com
material base dos trilhos.
Figura 28 Perfil de dureza encontrado para o segmento de trilho analisado.
A figura 30 apresenta a análise microestrutural realizada no material revelando para o
metal de adição, uma estrutura perlítica com ferrita pró-eutetóide no contorno de grão e
inclusões não metálicas globulizadas (figura 30A). Na ZAC a estrutura é perlítica com
inclusões não metálicas alongadas (figura 30B) o detalhe da figura comprova a sua estrutura
perlítica com grande aumento. Para o metal base foi observada uma estrutura perlítica (figura
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30C) e o detalhe da figura comprova a sua estrutura perlítica com grande aumento.
Figura 29 (A) Microestrutura perlítica com ferrita pró-eutetóide no contorno de grão einclusões não
metálicas globulizadas; (B) Microestrutura perlítica com inclusões não metálicas alongadas; (C)
Microestrutura perlítica. Aumento: 100X. Ataque: Nital 2%.
A fim de determinar o motivo pelo qual o material dos trilhos encontra-se sob forma
“agulhada”, provocando assim o seu esboroamento, foi realizada uma análise metalográfica
nesta região, nos sentidos longitudinal, transversal e na superfície de rolamento. Em todas as
zonas analisadas o material encontra-se com um tamanho de grão grosseiro mesmo tratando-
se de uma ZAC de junta soldada, podendo isto ser explicado por um provável preaquecimento
do local quando da realização da soldagem aluminotérmica. As trincas secundárias
encontradas propagam-se tanto no sentido longitudinal como transversal, em regiões próximas
à zona de transição metal base/ZAC, seguindo o contorno de grão, como pode ser visto na
figura 31.
Figura 30 Trincas secundárias encontradas no contorno de grão. Superfície de rolamento. Aumento:
200X. Ataque: Nital 2%.
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A partir dos resultados obtidos na análise do material e da superfície de fratura pode-
se concluir que o carregamento severo imposto ao trilho devido a passagem da composição
ocasionou a nucleação de pequenas trincas longitudinais e verticais, a partir do metal de
adição da solda, onde ocorreu o superaquecimento, que propagaram para ambos os lados do
segmento de trilho comprometendo-o estruturalmente. A falha foi ocasionada por problemas
nos parâmetros de soldagem, especificamente superaquecimento que ocasionou o
aparecimento de uma estrutura “agulhada”, fragilizando o material, principalmente nos
contornos de grão, provocando o esboroamento do material dos trilhos analisados.
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5. CONCLUSÕES
A análise de falhas cumpre assim seu papel de investigar as falhas, não só
esclarecendo como ocorreram e desencadearam os fatos que resultaram nos acidentes e/ou
incidentes, mas também servindo como alerta para todos os setores envolvidos na segurança,
prevenindo e evitando novas ocorrências de falhas já esclarecidas. Novamente, o lema inicial
dos que pesquisam e dedicam sua vida a ciência e tecnologia é posto em destaque, baseado
em formação técnica de qualidade e em pessoas dispostas a dar seu melhor pelos outros.
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REFERÊNCIAS
PASCOLI, ADRIANA S. - Análise de falha de eixo ferroviário de aço SAE 1050 forjado a
quente. Dissertação – FEAU Faculdade de Engenharias, Arquitetura e Urbanismo.
WRIGHT BROTHERS AEROPLANE COMPANY – Acessado através de:
http://www.wrightbrothers.org/Information_Desk/Help_with_Homework/Wright_Photos/Wri
ght_Photos.htm em Janeiro de 2015=> Acesso em: 20 jan. 2015.
ASM INTERNATIONAL – Failure Analysis and Prevention – ASM HANDBOOK. v. 11,
p. 2909
FRANCO, LEANDRO A. L.. GRAÇA, MÁRIO L. A.. SILVA, OLIVÉRIO M.M..
LOURENÇO, NICÉLIO J. (08/07/2010). Análise de falhas: salvando vidas em silencio.
Sipaer, v. 1, n. 3, jul. 2010
A.A.M. DA SILVA, I.F. LIMBERGUER e A. REGULY. Análise de falha e caracterização
metalúrgica de m segmento de trilho soldado por aluminotermia. Jornadas SAM 2000 -
IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga, 799-806, agosto de 2000.