Decifrando o código de fratura de molas: Análise e resultados de testes

Descrição do histórico:

Recentemente, um grupo de molas de uma empresa quebrou durante o teste. O processo de fabricação das molas envolve tratamento térmico de resfriamento, esmerilhamento, formação de curvas, pré-shot peening, nitretação a gás, shot peening e ajuste a quente.

Foi realizada uma análise para determinar o motivo da rachadura da mola quebrada.

Método e equipamento de teste

Conteúdo do teste: análise de macro morfologia;

Equipamento de teste:

• Estereomicroscópio M250;
• Microscópio metalográfico DM6000;
• Microscópio eletrônico de varredura ZEISS EVO18;
• Espectrômetro de energia ZEISS EVO18.

Resultado do teste

Análise da morfologia macroscópica

Depois de realizar testes em três amostras marcadas após a primavera, elas foram identificadas como amostra nº 4, amostra nº 3 e amostra nº 3, conforme registrado. A Fig. 1 mostra que todas as três amostras sofreram fratura por fadiga.

Com base na planicidade da superfície de fratura e na área da zona de fratura instantânea, pode-se concluir que a amostra nº 4 sofreu a fratura inicial, seguida pela amostra nº 3 e, finalmente, pela amostra nº 3 novamente.

A cor amarela clara da mola é resultado de nitretação tratamento. O tratamento de nitretação é um processo químico de tratamento térmico que envolve permitir que os átomos de nitrogênio penetrem na camada superficial da peça de trabalho em um meio específico a uma temperatura específica. As peças que passam pelo tratamento de nitretação apresentam excelente resistência ao desgaste, resistência à fadiga, resistência à corrosão e resistência a altas temperaturas.

A fratura da mola está localizada na origem da fadiga e aparece em um branco brilhante. Devido ao desgaste da camada de nitreto, a superfície de resistência à fadiga é reduzido, levando a rachaduras por fadiga.

Fig. 1 Foto macro da fratura de uma mola quebrada

Análise da microestrutura metalográfica

Consulte a Fig. 2 para ver a micrografia metalográfica que exibe a seção transversal da mola quebrada.

Conforme ilustrado na Fig. 2, há uma fina camada nitretada branca na superfície da mola, que parece ser ondulada e de espessura irregular.

Fig. 2 Micrografia metalográfica da seção transversal da mola de fratura

Consulte a Fig. 3 para ver a micrografia metalográfica da seção longitudinal da mola quebrada.

Na Fig. 3, é possível observar que há uma camada nitretada branca na superfície da mola e uma estrutura de faixa evidente.

Fig. 3 Micrografia metalográfica da seção longitudinal da mola de fratura

Consulte a Fig. 4 para ver a micrografia metalográfica da seção transversal da mola durante o teste de fadiga.

Na Fig. 4, é possível observar que há estruturas semelhantes a pulsos brancos na superfície da mola durante o teste de fadiga.

Fig. 4 Micrografia metalográfica da seção transversal da mola durante o teste de fadiga

A estrutura de veios é um tipo de rede de nitreto que se forma por meio de altas temperaturas, potencial de nitrogênio ou tempo prolongado de nitretação.

Como a camada de nitretação nas peças da mola é extremamente fina, os efeitos adversos de um processo prolongado podem ser minimizados.

A causa provável de tais efeitos pode ser temperaturas de nitretação excessivamente altas ou potenciais de nitrogênio.

A presença de uma estrutura de veios pode diminuir a resistência à fadiga da camada de nitretação.

Teste de microdureza

Os resultados do teste de microdureza da superfície da mola mostram que a microdureza da superfície da mola é de aproximadamente 560hv e a microdureza do núcleo é de aproximadamente 510HV.

Análise SEM da superfície da fratura

A Figura 5 mostra a micrografia SEM da fratura da mola.

Com base na micrografia, é evidente que a fratura é resultado de fadiga e teve início na superfície externa da mola.

A zona de expansão da fadiga é relativamente pequena, constituindo apenas cerca de 20% da fratura.

Além da zona de expansão por fadiga, segue-se uma região de expansão rápida.

Essa área apresenta um padrão instável de espinha de peixe e faixas locais de fadiga de expansão rápida.

Marcas de arranhões e buracos são perceptíveis na origem da fratura da mola, indicando que são a principal causa da fratura.

Além disso, há partículas esféricas presentes na região de origem da fratura.

Fig. 5 Micrografia SEM da mola de fratura

Análise da composição química de partículas fractográficas por EDS

Para examinar a origem das partículas de fratura, realizamos uma análise da composição da microárea usando o espectro de energia EDS.

Os resultados da análise revelam que os principais elementos nas partículas são Mo e Cr, o que pode indicar a presença de lubrificantes no óleo lubrificante.

Tabela 1 Resultados da análise do espectro de energia EDS de material particulado (%)

Fig. 6 Resultados da análise do espectro de energia EDS de material particulado

Tabela 2 Resultados da análise do espectro de energia 2EDS de material particulado (%)

Fig. 7 Resultados da análise do espectro de energia 2EDS do material particulado

Conclusão

O modo de fratura da mola é fratura por fadiga.

A fonte de fadiga da mola quebrada parece ser o desgaste, conforme indicado pela aparência branca brilhante e pela camada de nitreto desgastada. Esse desgaste reduziu a resistência à fadiga da superfície, resultando em rachaduras por fadiga.

A presença de uma estrutura semelhante a um pulso na superfície também contribuirá para a redução da resistência à fadiga do material.