A análise de peças metálicas falhadas deve seguir a lógica de "macroscópico primeiro, depois microscópico; fenômeno primeiro, depois essência; qualitativo primeiro, depois quantitativo". Seu cerne reside em identificar o modo de falha (por exemplo, fratura, corrosão, desgaste, deformação) por meio de testes multidimensionais, em seguida, rastrear a causa raiz da falha (projeto, material, processo, ambiente de serviço, etc.) e, finalmente, fornecer uma base para soluções de melhoria. Abaixo está uma estrutura de análise sistemática que abrange 6 etapas principais:
O pré-requisito para a análise de falhas é compreender a "informação do ciclo de vida completo" da peça; caso contrário, é fácil desviar-se da direção correta. As informações-chave a serem coletadas incluem:
- Informações Básicas da Peça
- Nome da peça, aplicação (por exemplo, eixo, engrenagem, vaso de pressão), desenho de projeto estrutural (foco em áreas de concentração de tensão, como cantos e furos);
- Grau do material (por exemplo, aço 45, aço inoxidável 304, liga de titânio TC4) e parâmetros de desempenho originais (dureza, resistência à tração, resistência à corrosão, etc.).
- Processos de Fabricação e Processamento
- Processos de conformação (fundição, forjamento, soldagem, impressão 3D), processos de tratamento térmico (têmpera e revenido, envelhecimento por solução), tratamento de superfície (cromagem, cementação);
- Se houve defeitos durante o processamento (por exemplo, poros de soldagem, rachaduras de forjamento, deformação por tratamento térmico).
- Condições de Serviço e Operação
- Carga de trabalho (carga estática/dinâmica/impacto, magnitude e direção da carga);
- Parâmetros ambientais (temperatura: ambiente/alta/baixa temperatura; meio: ar, água, óleo, solução ácido-base, poeira; presença de vibração ou ciclos de fadiga);
- Estado operacional antes da falha (por exemplo, se ocorreu ruído anormal, vazamento ou degradação da precisão; se a falha foi súbita ou gradual).
- Registros Históricos de Manutenção
- Se a peça passou por reparo ou substituição; se falhas semelhantes ocorreram antes; se houve operação inadequada durante a manutenção (por exemplo, uso de sobrecarga, lubrificação insuficiente).
A análise macroscópica envolve a observação da aparência, fratura e características de deformação da peça falhada a olho nu ou com uma lupa de baixa ampliação (≤100x) para identificar inicialmente o tipo de falha e as áreas-chave. Serve como a "navegação" para a análise microscópica subsequente. Concentre-se nas seguintes dimensões:
- Localização do Local da Falha
- Se a falha ocorreu em uma "área sensível à tensão" (por exemplo, ressalto do eixo, chaveta, raiz da rosca), "área fraca do processo" (por exemplo, junta de solda, canal de fundição) ou "área de defeito do material" (por exemplo, inclusões, porosidade);
- Exemplo: Se um eixo fraturar no canto do ressalto do eixo, é provável que esteja relacionado à concentração de tensão; se um encanamento vazar na solda, a qualidade da soldagem deve ser priorizada para inspeção.
- Observação das Características da Aparência
- Falha por Fratura: Observe a cor da fratura (presença de cor de óxido para determinar se a fratura ocorreu em alta temperatura), planicidade (plana = fratura frágil, rugosa = fratura dúctil) e presença de linhas radiais (uma característica típica de fratura por fadiga, com o ponto de partida das linhas radiais sendo a fonte da rachadura);
- Falha por Corrosão: Identifique o tipo de corrosão (pitting: pequenos orifícios locais; corrosão uniforme: afinamento geral; corrosão intergranular: rachaduras ao longo dos limites dos grãos; corrosão sob tensão: acompanhada de rachaduras e vestígios de corrosão);
- Falha por Desgaste: Observe se a superfície desgastada tem arranhões abrasivos (desgaste abrasivo), marcas de adesão (desgaste adesivo, por exemplo, "apreensão" de superfícies metálicas) ou lascamento por fadiga (fadiga de contato, por exemplo, lascamento das superfícies dos dentes da engrenagem);
- Falha por Deformação: Meça as dimensões-chave da peça (por exemplo, diâmetro do eixo, planicidade da placa) para determinar se elas excedem as tolerâncias (por exemplo, "deformação térmica" em altas temperaturas, "deformação plástica" sob sobrecarga).
- Verificação das Propriedades Mecânicas Macroscópicas
- Amostre a "área não falhada" da peça falhada para testar a dureza, resistência à tração, limite de escoamento, etc., e compare com os requisitos de projeto para determinar se a falha foi causada por propriedades do material abaixo do padrão (por exemplo, dureza insuficiente após o tratamento térmico).
Após reduzir o escopo por meio da análise macroscópica, os métodos de teste microscópicos são usados para observar a microestrutura do material, detalhes da fratura e distribuição de elementos, revelando o "mecanismo microscópico" da falha (por exemplo, fratura frágil devido a grãos grosseiros, rachaduras devido à corrosão intergranular). Os métodos comuns e cenários de aplicação são os seguintes:
- Se o MEV observar um grande número de "covinhas" (características semelhantes a poços) na fratura, isso indica fratura dúctil, que pode ser causada por sobrecarga (carga excedendo o limite de escoamento do material);
- Se a fratura tiver "planos de clivagem" (pequenos planos de cristal planos) ou "fratura intergranular" (rachaduras propagando-se ao longo dos limites dos grãos), isso indica fratura frágil, que pode ser causada por baixa temperatura, inclusões de material ou corrosão intergranular;
- Se a fratura tiver "estrias de fadiga" (listras paralelas), isso indica fratura por fadiga, que pode ser causada por cargas alternadas repetidas (por exemplo, vibração rotacional de um eixo) ou fontes de rachaduras na superfície (por exemplo, arranhões de usinagem).
O mecanismo de falha refere-se ao "processo físico/químico que leva à falha da peça". É necessário combinar os resultados da análise macroscópica + microscópica para esclarecer a causa central da falha. Os mecanismos de falha comuns e os cenários correspondentes são os seguintes:
- Mecanismos de Falha Mecânica
- Fratura por sobrecarga: Carga excede a resistência última do material, com covinhas na fratura;
- Fratura por fadiga: Cargas alternadas repetidas, com estrias de fadiga + fontes de rachaduras na fratura;
- Deformação plástica: Carga excede o limite de escoamento do material, ou amolecimento do material em altas temperaturas;
- Desgaste: Perda de material devido ao atrito de contato da superfície (desgaste abrasivo, desgaste adesivo, desgaste por fadiga de contato).
- Mecanismos de Falha Química
- Corrosão: Reação química entre o metal e o meio ambiente (por exemplo, aço carbono enferrujando em ambientes úmidos, corrosão por pitting em aço inoxidável em ambientes com Cl⁻);
- Oxidação: Reação entre o metal e o oxigênio em altas temperaturas (por exemplo, aço formando escamas de óxido acima de 800℃, levando à redução da precisão dimensional).
- Mecanismos de Falha Térmica
- Amolecimento térmico: Altas temperaturas causam uma diminuição na resistência/dureza do material, levando à deformação ou fratura;
- Fadiga térmica: Ciclos repetidos de aquecimento-resfriamento causam ciclos de tensão térmica e formação de rachaduras (por exemplo, tubos de caldeira, blocos de motor).
Com base no mecanismo de falha, investigar ainda mais a causa raiz a partir de 5 links: "projeto, material, fabricação, uso, manutenção", evitando parar na "descrição do fenômeno":
- Link de Projeto
- Defeitos: Projeto de concentração de tensão (por exemplo, raio de canto excessivamente pequeno), fator de segurança insuficiente (erro de cálculo de carga), seleção inadequada do material (por exemplo, usar aço carbono comum em vez de aço inoxidável em ambientes corrosivos);
- Exemplo: Um encanamento químico usando aço Q235 (não resistente a ácidos) para transportar ácido clorídrico resultou em vazamento por corrosão, com a causa raiz sendo "seleção incorreta do material".
- Link de Material
- Defeitos: Composição do material abaixo do padrão (por exemplo, teor insuficiente de elementos de liga), inclusões internas (por exemplo, inclusões de sulfeto em aço), defeitos metalúrgicos (por exemplo, porosidade de fundição, rachaduras de forjamento);
- Exemplo: Uma engrenagem feita de aço 20CrMnTi fraturou na raiz do dente devido ao excesso de teor de enxofre durante a fusão, levando a inclusões.
- Link de Fabricação
- Defeitos: Processo de tratamento térmico incorreto (por exemplo, dureza insuficiente devido à baixa temperatura de têmpera), processo de soldagem inadequado (por exemplo, penetração incompleta, poros), defeitos de processamento de superfície (por exemplo, arranhões de torneamento levando a fontes de rachaduras por fadiga);
- Exemplo: Uma peça de eixo rachou sozinha durante o armazenamento devido ao excesso de tensão interna causada por não temperar a tempo após a têmpera.
- Link de Uso
- Defeitos: Operação de sobrecarga (por exemplo, sobrecarga do guindaste), operação além dos limites de temperatura/pressão (por exemplo, pressão da caldeira excedendo o valor de projeto), ambiente anormal (por exemplo, sem prevenção de ferrugem em ambientes úmidos);
- Exemplo: Um eixo do motor sofreu fratura por fadiga devido a cargas alternadas excessivas causadas por vibração excessiva do equipamento.
- Link de Manutenção
- Defeitos: Lubrificação insuficiente (acelerando o desgaste do rolamento), falha em limpar os meios corrosivos a tempo (por exemplo, incrustações não removidas nas paredes internas do encanamento, intensificando a corrosão), reparo inadequado (por exemplo, introduzindo novas rachaduras durante o reparo por soldagem).
O objetivo final da análise é resolver o problema. Medidas de melhoria direcionadas e implementáveis devem ser propostas com base na causa raiz, com as seguintes direções comuns:
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