Jornadas SAM - CONAMET - AAS 2001, Septiembre de 2001 773-778

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ANÁLISE DE FALHA EM VIRABREQUIM DE MOTOR V8

T. Rencka, R.A.Hoppeb, S.Pecantetb, S.Grizac e T.R.Strohaeckerd

aUFRGS, Graduando em Engenharia MetalúrgicabUFRGS, Mestrando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica edos Materiais (PPGEM)cUFRGS, Doutorando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgicae dos Materiais (PPGEM)dUFRGS, Professor do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica edos Materiais (PPGEM)

RESUMO

Este trabalho visa determinar as causas que levaram à ruptura um virabrequim de ummotor de combustão interna diesel V8. A falha ocorreu durante a operação do componente emveículo automotivo.

O trabalho seguiu a metodologia usual empregada em análise de falhas. Os ensaiosrealizados foram análises visuais, análise da morfologia da fratura através da microscopiaóptica e eletrônica de varredura, metalografia e de dureza.

Através da metodologia empregada foi estabelecido os fatores mais relevantes queprovocaram a ruptura do componente.

O virabrequim rompeu por fadiga ocasionada por esforços combinados de torção eflexão.

A fadiga iniciou em um ponto localizado no final do furo de balanceamento na palma(cambota). Foi verificado que o furo foi usinado com excessiva profundidade, atingido umaregião crítica do componente com altas tensões aplicadas.

A furação da palma (cambota) também ocasionou problemas pela queima devido aproblemas de processo, criando regiões com alterações microestruturais onde nucleou afadiga.

Palavras chavesVirabrequim, Motor, Furação, Fratura, Fadiga

INTRODUÇÃO

O virabrequim dos motores a combustão interna é o componente responsável porcaptar e posteriormente transmitir a energia produzida pelos cilindros (câmaras decombustão), poderia ser considerado como seu principal componente transformando omovimento de translação dos pistões em rotação. Os virabrequins são peças robustas,superdimensionadas, construídas de aço ou ferro fundido e mesmo assim ocorrem muitoscasos de falha nestes componentes.

Estes componentes devem possuir alta resistência a fadiga pois sofrem carregamentoscíclicos durante toda sua vida útil. Entretanto muitos são os fatores que podem alterar estapropriedade, introduzidos pelo processo de fabricação, montagem, manutenção, material,operação, etc. Muitas vezes, devido a grande rigidez do sistema, o motor continua em

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operação por algum tempo, de modo que a superfície da fratura sofra grande amassamentoprejudicando a observação dos mecanismos da fratura.

Neste trabalho será apresentada uma análise de falha, realizada pelo Laboratório deMetalurgia Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (LAMEF- UFRGS), de umaseção fraturada de um virabrequim de motor diesel V8, forjado em aço, visto na figura 2. Aamostra foi recebida já cortada e somente com a superfície de fratura localizada na palmaentre um munhão e um moente.

METODOLOGIA

A metodologia seguida para as análises de falha realizadas segue o proposto pelaliteratura(1)(2)(3)(4)(5). Neste relatório a metodologia aplicada consistiu em análise visual e emlupa, análise em microscópio eletrônico de varredura (MEV), ensaios de dureza e análisemetalográfica.

Figura 1 – Esquema mostrando a nomenclatura utilizada neste trabalho.

Figura 2 – Imagem mostrando a seção do virabrequim recebida para análise. Observa-se umfuro cujo final encontra-se na região intermediária entre o munhão e moente. A superfície defratura apresenta marcas de praia caracterizando ruptura por fadiga. Aumentos: 0,5 e 0,6x,respectivamente.

ANÁLISE VISUAL E EM LUPA DE BAIXO AUMENTO DA FRATURA

A análise visual da seção recebida indicou que a fratura ocorrera por fadiga,evidenciada pela presença de marcas de praia. A fratura nucleou ao final de um furo realizadono meio da palma, conforme a figura 3. O final deste furo coincidiu com a região

Munhões

MoentesCambotas

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intermediária entre o munhão e o moente sendo que o acabamento interno deste furoapresentava-se grosseiro, conforme a figura 4.

Posteriormente a fratura foi levada a lupa de baixo aumento para documentaçãofotográfica e análise detalhada. Após a documentação fotográfica foi retirada uma seção naregião de início da falha para possibilitar o manuseio e posicionamento na lupa e,posteriormente, análise no MEV.

Figura 3 – Imagens mostrando o ponto de início da falha localizado ao final de um furo napalma do componente. À direita observa-se com maior aumento o ponto de início em umadobra causada pela broca no momento da furação. Aumentos: 4 e 8x, respectivamente.

Figura 4 – Imagem mostrando a dobra (rebarba) localizada no ponto de início da falha. Podeser observada a presença de outras dobras e arranhões profundos criados no processo defuração. Aumento: 10x.

ANÁLISE DA FRATURA NO MEV

A fratura foi levada ao microscópio eletrônico de varredura (MEV) com o objetivo deverificar os micromecanismos de fratura e o exato ponto de início da falha. Pôde serobservado que a fratura iniciou exatamente numa dobra (rebarba) oriunda do processo defuração, evidenciado pelas linhas radiais divergindo deste ponto, conforme as figuras 5 e 6.Não foi possível identificar os micromecanismos de fratura devido ao grande amassamento dasuperfície fadigada.

Marca de praia

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Figura 5 – Micrografia eacabamento na superfície i

Figura 6 – Micrografia mlinhas radiais divergindo d

ANÁLISE DA MICROE

Após identificaçãorealização de uma análismicroestrutural.

A microestrutura dmaior parte do componenapresentou-se martensíticada falha (final do furo), umelevado no processo de fur

Foram realizados temperada e, especificamensaios resultaram em umna região de início d famartensítica.

Dobra

Superfíciede fratura

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m MEV mostrando a região de início da falha. Observa-se maunterna do furo, além da dobra no ponto de origem.

ostrando o ponto de início da falha, evidenciadoo ponto inicial.

STRUTURA E ENSAIO DE DUREZA

do ponto inicial da falha foi retirada uma seçãe metalográfica com o objetivo de identificar

o componente apresentou-se bainítica e martente. Na pista de contato dos munhões e moente revenida, como visto na figura 7. Foi observado,a região com a presença de martensita, oriunda dação, vistos nas figuras 8 e 9.ensaios de microdureza Vickers nas regiões doente, na região de martensita localizada no ina média de 220 HV0,5 no núcleo, 507 HV0,5 na calha (queima), 451 HV0,1, comprovando a pres

Furo

.

Dobra

Ponto inicialda falha

pela presença das

o transversal para alguma alteração

sítica revenida nas a microestrutura no ponto de inícioe um aquecimento

núcleo e camadaício da falha. Osmada temperada e,ença de formação

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Figura 7 – Micrografia mostrando a microestrutura do material de base, à esquerda, formadapor martensita revenida e bainita. À direita, a microestrutura da camda temperada por induçãoformada por martensita não revenida. Aumento: 240x. Ataque: Nital 3%.

Figura 8 – Micrografia mostrandofratura e a região do furo. À direitrincas e em detalhe a região escurespectivamente.

Figura 9 – Micrografia mostranObserva-se a presença de um sulNital 3%. Aumento: 96x.

Furo

a

Superfíciede fratura.

Martensitanão revenid

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a região de início da falha onde se observa a superfície deta, com maior aumento, observa-se a presença de pequenasra com martensita. Ataque: Nital 3%. Aumentos: 48 e 96x,

do em detalhe a região circundada da imagem anterior.co coincidindo com a camada onde houve queima. Ataque:

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DISCUSSÃO DE RESULTADOS

A fratura foi por fadiga e iniciou em um único ponto onde ocorreu aquecimentoexcessivo no processo de furação, transformando a microestrutura desta região em martensita.Esta microestrutura é caracterizada por ter alta dureza (veja que a dureza é similar àquela dacamada temperada) e baixa tenacidade.

Estes dois fatores propiciaram a nucleação do processo de fadiga que depois propagoupor uma grande seção resistente (cerca de 80%) até que ocorresse a ruptura final.

Um único ponto de nucleação associado a uma extensa região de propagação indicamque a fadiga foi sob baixa tensão, ou seja, neste plano de fratura a tensão em serviço é baixa,não sendo sequer a região prevista para a falha de tal componente. Com efeito, ela só ocorredevido a presença de dois fatores de concentração de tensões ditos anteriormente. Os doisfatores estão associados à usinagem profunda do furo, pois isto determina maior flexão(vibração) da ponta da broca e menor acesso do líquido de refrigeração. Sendo assim, além depiorar o acabamento, é possível ocorrer super aquecimento localizado que elevam atemperatura com subseqüente resfriamento rápido, transformando localmente a microestruturade uma condição estável para outra mais tensionada (martensita) onde as trincas e a nucleaçãode fadiga são eminentes.

CONCLUSÃO

A falha ocorreu por fadiga devido ao grosseiro acabamento e à queima localizadaprovocados no processo de furação.

REFERÊNCIAS

1. Cassou, C. A., "Metodologia de Análise de Falha", Dissertação de Mestrado, PPGEM,UFRGS, 1999.2. Metals Handbook, "Fadigue Analysis and Prevention", 9 th edition, ASM 1986.3. NISHIDA, S., "Failure Analysis in Engineering Aplications", Butterworth-Heinemann,great Britain, 1992.4. BROOKS, C. R., “Metallurgical Failure Analysis”, Volume 7, Mcgraw-Hill, New York,1993.5. HERTZBERG, R. W., “Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials”,3rd edition, John Wiley & Sons, New York, 1989.6. Society for Experimental Mechanical, Handbook of Measurement of Residual Stresses,Lilburn: The Fairmont Press, Inc., USA, 1996.