Caso 01 / Trinca na conformação por estampagem a frio
A flange do parafuso rachou formando uma rede:
Investigando as causas a partir da microestrutura lamelar e da dureza superficial
Uma peça de parafuso apresentava a haste aparentemente normal, mas nas bordas da flange, após a estampagem a frio, surgiram trincas finas e densas. Diante desse cenário, perguntar apenas “a matéria-prima está muito dura?” muitas vezes não é suficiente.
O foco desta análise foi constatar que, próximo à superfície do material, ocorreram simultaneamente anomalias microestruturais e aumento da dureza. Com base nisso, propomos que a microestrutura lamelar e a possível enriquecimento superficial em carbono afetaram conjuntamente a capacidade local de deformação, favorecendo o surgimento de trincas durante o processo de estampagem a frio da flange.
A seguir, detalharemos os resultados das análises e essa trajetória de falha.
I. Contexto do caso: cliente encarrega a Creation Group a análise da trinca na estampagem a frio
Uma empresa fabricante de fixadores utilizava fio fornecido por seu atual fornecedor para produzir parafusos. Durante a etapa de estampagem a frio, foram observadas trincas em padrão aramado na região da flange, levando-a a solicitar apoio ao Grupo Creation Group para realizar a análise.
O cliente especificou o material como SCM435, com fio de diâmetro nominal φ13,15 mm. O material deste caso não foi fornecido pela Creation Group; a empresa limitou-se às análises das amostras enviadas para avaliação. As informações referentes ao cliente e ao fornecedor foram mantidas anônimas.
As evidências utilizadas nesta análise incluem a aparência visual das amostras, fotografias metalográficas da seção transversal e registros de dureza Vickers obtidos por microdureza. Não foram disponibilizados o fio original do mesmo lote, os registros completos do tratamento térmico nem resultados quantitativos relativos à concentração de carbono.
Aspecto das trincas na região da flange
Na flange da amostra enviada para análise, observam-se múltiplas trincas curtas, interligadas em alguns pontos.
II. Detecção: a camada próxima à superfície não apenas apresenta microestrutura diferente, como também maior dureza
Fotos metalográficas mostram que, na seção analisada, existe uma região de diferença microestrutural bem evidente próxima à superfície, com duas áreas marcadas cujas larguras medem 78,56 μm e 105,64 μm, respectivamente, o que equivale a cerca de 0,08–0,11 mm.
Em aumento elevado, observa-se que nessa região há uma estrutura lamelar e bainítica bastante pronunciada, distinta da morfologia dos carbretos internos.
Microestrutura da camada superficial e medições locais de largura
As larguras medidas nas duas áreas assinaladas como regiões de diferença microestrutural não correspondem diretamente à profundidade de carburização já determinada.
Microestrutura ampliada da camada superficial
Na camada superficial são visíveis características microestruturais lamelares e bainíticas bastante evidentes; o aumento original e a escala estão preservados.
Microestrutura interna ampliada
Comparando com a Figura 3, observe-se a forma e a distribuição dos carbretos; as diferenças de contraste entre claro e escuro não substituem diretamente a análise do teor de carbono.
A dureza microscópica fornece outra evidência. De acordo com a ordem dos pontos de medição registrada neste ensaio, “da borda para o interior”:
Itens comparativos Registro de ensaio
Primeiro ponto próximo à superfície 260,5 HV0.1
Dois pontos seguintes 248,5 e 240,6 HV0.1
Média no intervalo de 0,5–1,4 mm aproximadamente 232,4 HV0.1
Diferença entre o primeiro ponto próximo à superfície e a média acima mencionada cerca de 28,1 HV0.1
A diferença na microestrutura e o aumento da dureza reforçam-se mutuamente: a camada superficial não é simplesmente “apenas um pouco mais escura na foto”, mas apresenta uma microestrutura e uma resposta mecânica distintas das do interior.
Dados do ensaio
Dados brutos de 15 pontos de dureza micro-Vickers
Curva de dureza
Curva de dureza micro-Vickers
As condições de teste foram HV0.1, totalizando 15 pontos. Os dados e a curva juntos ilustram as variações de dureza entre os pontos de medição e devem ser interpretados em conjunto com a localização de cada ponto.
III. Primeira pista da causa: Por que surge a microestrutura lamelar?
O objetivo do revenimento esferoidizante não é apenas reduzir um valor de dureza, mas também obter uma morfologia e distribuição dos carbetos adequadas para as operações subsequentes de conformação a frio.
No caso da microestrutura lamelar observada nesta análise, consideramos principalmente duas possíveis vias de formação: ou a perlita original não foi suficientemente esferoidizada, ou houve reprecipitação de perlita durante o resfriamento após o aquecimento.
A principal explicação metalúrgica proposta aqui é que a combinação inadequada entre a temperatura de aquecimento, o tempo de permanência e o processo de resfriamento favoreceu a manutenção ou a regeneração da perlita lamelar.
Se o aquecimento ocorre na faixa de parcial austenitização, com temperaturas elevadas ou tempo de permanência inadequado nessa faixa, a solubilização dos carbetos se altera; posteriormente, um resfriamento desfavorável à formação de carbetos esferoidais pode levar à reprecipitação da microestrutura lamelar. O próprio processo de esferoidização envolve a dissolução dos carbetos durante o aquecimento e sua reprecipitação no resfriamento, não podendo ser avaliado apenas por um único parâmetro de tempo de permanência.
Portanto, não vale a máxima “quanto mais tempo de permanência, mais macio fica”, nem tampouco “realizar o esferoidizante garante necessariamente uma esferoidização completa”. A avaliação final depende da microestrutura.
IV. Segunda pista da causa: A atmosfera do forno agravou as anomalias superficiais?
A enriquecimento superficial em carbono constitui outra importante hipótese processual apresentada neste caso.
Se a atmosfera do forno apresenta tendência ao enriquecimento em carbono em relação ao aço, a camada superficial do material pode sofrer concentração de carbono, alterando assim a quantidade de carbetos presentes nessa região, bem como seu comportamento de dissolução e transformação, resultando em diferenças microestruturais entre a superfície e o interior do material.
Esse fenômeno pode sobrepor-se às anormalidades no processo de esferoidização: por um lado, a microestrutura lamelar não é completamente eliminada ou mesmo se regenera; por outro, o enriquecimento superficial em carbono intensifica ainda mais as diferenças locais de microestrutura e dureza.
Contudo, cabe salientar uma diferença importante: os resultados metalográficos e de dureza disponíveis corroboram essa interpretação, mas não constituem evidência conclusiva de aumento efetivo do teor de carbono. Mesmo com o mesmo teor de carbono, variações na morfologia da microestrutura, no tamanho dos grãos e na distribuição dos carbetos podem influenciar as propriedades mecânicas do material.
Assim, a hipótese de “enriquecimento atmosférico” neste caso configura-se como uma inferência processual plausível, e não como um dado experimental quantitativo já validado.
V. Por que o resultado final é uma rede de trincas na flange?
Durante a conformação da flange, o material se expande lateralmente, aumentando sua área superficial; a camada próxima à superfície deve deformar-se acompanhando o interior.
A microestrutura lamelar e o estado localmente endurecido indicam que a resposta à deformação nessa região difere daquela do núcleo. Sob a ação de tensões locais de tração e cisalhamento, quando a capacidade de deformação se mostra insuficiente, facilmente surgem fissuras iniciais.
Com a continuação da conformação, diferentes pontos vulneráveis fraturam-se sucessivamente; as trincas se propagam em direções distintas e conectam-se localmente, assumindo eventualmente um padrão reticulado.
Em termos mais simples: enquanto o interior continua a se mover para fora, a camada superficial não consegue acompanhar, sendo rasgada em múltiplos locais sucessivamente.
A trajetória de falha proposta aqui é a seguinte: tratamento térmico de esferoidização mal conduzido, resultando em microestrutura lamelar residual ou regenerada; possível enriquecimento atmosférico em carbono acentuando as diferenças microestruturais e de dureza na camada próxima à superfície; descoordenação local da deformação durante o estampagem a frio da flange, favorecendo a nucleação de múltiplas trincas.
Esta é a principal interpretação mecanística formulada com base nas informações disponíveis. As amostras coletadas foram retiradas da haste; portanto, as observações realizadas nesse corte transversal não podem ser diretamente associadas à afirmação de que “já se constatou que as trincas na flange iniciaram-se na camada anômala”.
6. Foco do tratamento: verificar simultaneamente o processo de tratamento térmico e o controle da atmosfera
Já que foram identificados fatores duplos, o tratamento subsequente não pode se limitar a um único valor de dureza.
Primeiro, verificar o processo real de tratamento térmico. Comparando as temperaturas de aquecimento efetivamente aplicadas ao material, os tempos de permanência e as curvas de resfriamento, deve-se determinar se a microestrutura lamelar permaneceu insuficientemente esferoidizada ou se foi recriada durante o resfriamento.
Segundo, verificar a atmosfera e a distribuição do carbono na camada superficial. Compare-se os registros do controle da atmosfera e realize-se, sobre o mesmo lote de arame bruto, uma análise da correspondência entre o teor de carbono, a microestrutura e a dureza desde a superfície até o interior, validando assim a avaliação de enriquecimento superficial em carbono.
Terceiro, validar os efeitos dos ajustes com base na microestrutura e nos resultados de conformação. Não basta observar apenas se a dureza global diminuiu após os ajustes; é necessário também verificar se a microestrutura lamelar próxima à superfície reduziu, se o estado interno e externo tornou-se mais homogêneo e analisar os resultados dos ensaios de cravação a frio realizados com produtos similares.
Como os dados disponíveis não incluem os resultados das reinspeções pós-correção nem os registros da produção em série, não se apresentam as direções de tratamento acima como medidas já comprovadamente bem-sucedidas.
7. Conclusão do caso
A principal causa de falha identificada neste caso é que a microestrutura lamelar próxima à superfície, associada a uma endurecimento localizado, reduziu a capacidade de coordenação das deformações, favorecendo o surgimento de trincas em rede durante o processo de expansão da flange por cravação a frio.
Quanto às origens dessa anomalia, destaca-se a atuação conjunta de um tratamento térmico de esferoidização inadequado e de um suposto enriquecimento em carbono provocado pela atmosfera interna do forno. Quanto aos mecanismos específicos de formação da perlita regenerada e do enriquecimento em carbono, ainda são necessários registros complementares referentes ao arame bruto, ao tratamento térmico e à atmosfera para uma verificação mais precisa e detalhada.
Este caso demonstra que, ao avaliar materiais destinados à cravação a frio, não basta perguntar “qual é a dureza média”; é preciso também prestar atenção à questão: qual é a microestrutura na camada superficial, quais são as diferenças em relação ao interior e se essa estrutura consegue, em conjunto com o núcleo, cumprir as deformações exigidas pelo produto?
O Grupo Creation Group auxilia seus clientes na análise de falhas, relacionando a aparência das trincas, os dados microestruturais e as propriedades mecânicas, propondo explicações fundamentadas e passíveis de verificação, de modo a garantir que as melhorias subsequentes tenham objetivos claros.
Ver a trinca é apenas o ponto de partida; explicar por que ela ocorreu é o verdadeiro valor da análise de falhas.
Grupo Creation Group · Aula de Engenharia de Cravação a Frio
Esclarecendo os problemas dos materiais