Cazul 01 / Crăpare prin deformare la rece
Flansa bolțului s-a crăpat într-o rețea:
cauzele urmărite pornind de la microstructura stratificată și întărirea straturilor superficiale
O piesă de tip bolț, cu corpul aparent normal, prezintă însă fisuri fine la marginea flansei după procesul de deformare la rece. În astfel de situații, o simplă întrebare „este materialul prea tare?” deseori nu este suficientă.
Punctul central al acestei analize constă în faptul că, în apropierea suprafeței materialelor, s-au observat simultan anormalități structurale și o creștere a durității. Pornind de la aceste date, am concluzionat că microstructura stratificată și posibila carburarea superficială au afectat împreună capacitatea locală de deformare, favorizând apariția fisurilor în timpul procesului de deformare la rece al flansei.
Iată cum vom explica clar descoperirile obținute în urma testelor și această cale de eșec.
I. Contextul cazului: clientul a solicitat grupului Creation Group să analizeze crăparea produsă prin deformare la rece
O anumită companie din domeniul elementelor de fixare producea buloane folosind fir metalic furnizat de unul dintre partenerii săi actuali. În cursul operației de deformare la rece s-au observat fisuri reticulate la nivelul flansei, motiv pentru care clientul a solicitat asistența grupului Creation Group în vederea efectuării unei analize detaliate.
Clientul a indicat ca materialul să fie SCM435, iar diametrul firului metalic era de 13,15 mm. Materialul din acest caz nu a fost livrat de Creation Group; noi ne-am ocupat doar de analiza probelor trimise spre examinare, informațiile referitoare la client și furnizor fiind anonimizate.
Analiza s-a bazat pe aspectul exterior al probelor, pe imagini metalografice ale secțiunilor transversale și pe registrul durității Vickers la nivel microscopic. Nu au fost disponibile nici firul metalic provenit din aceeași serie, nici documentația completă privind tratamentele termice, precum și rezultatele cantitative privind concentrația de carbon.
Aspectul fisurilor la nivelul flansei
La nivelul flansei probelor supuse analizei se observă mai multe fisuri scurte, parțial interconectate între ele.
II. Descoperirea analizei: stratul superficial nu doar că are o microstructură diferită, ci și o duritate mai mare
Foto-grafiile metalografice arată că în zona apropiată suprafeței a secțiunii analizate există o zonă cu diferențe structurale evidente; cele două măsurători indicate au lățimi de 78,56 μm, respectiv 105,64 μm, adică aproximativ 0,08–0,11 mm.
La mărirea ridicată se observă o structură lamelară sau în benzi destul de pronunțată, diferită față de morfologia carburaților din interior.
Microstructura stratului superficial și măsurarea locală a lățimii
Cele două zone marcate ca fiind diferențiate structural au lățimi măsurate locale, care nu corespund direct adâncimii determinate a carburării.
Microstructura stratului superficial la mărire ridicată
În stratul superficial se observă clar caracteristici structurale lamelare și în benzi; mărirea inițială și scala sunt menținute.
Microstructura internă la mărire ridicată
Comparând cu Figura 3, se poate observa forma și distribuția carburaților; contrastul între luminozitate și întuneric nu înlocuiește direct testarea conținutului de carbon.
Duritatea microscopică oferă încă o dovadă. Conform ordinei punctelor de măsură „de la margine spre interior” notate în raportul de analiză:
Comparație Notă de analiză
Primul punct din stratul superficial 260,5 HV0.1
Următoarele două puncte 248,5 și 240,6 HV0.1
Valoarea medie pentru intervalul 0,5–1,4 mm aproximativ 232,4 HV0.1
Diferența dintre primul punct al stratului superficial și această medie în jur de 28,1 HV0.1
Diferențele structurale metalografice și creșterea durității se susțin reciproc: stratul superficial nu este doar „puțin mai întunecat în imagine”, ci prezintă o structură și un răspuns mecanic distincte față de interior.
Datele analizei
Data brută a celor 15 puncte de măsură ale durității micro-Vickers
Curba durității
Curba durității micro-Vickers
Condițiile testului sunt HV0.1, total 15 puncte. Datele și curba ilustrează împreună variațiile de duritate între punctele de măsură și trebuie interpretate în contextul poziției fiecărui punct.
III. Prima pistă a cauzei: De ce apare structura stratificată?
Scopul reculii sferoidizante nu este doar reducerea unui anumit indice de duritate, ci obținerea unei morfologii și distribuții a carburaților adecvate pentru formarea la rece ulterioară.
În cazul structurii stratificate observate în acest caz, luăm în considerare în mod special două mecanisme de formare: perlita inițială nu a fost suficient sferoidizată sau perlita s-a format din nou în timpul răcirii după încălzire.
Explicația principală privind tratamentul termic propusă în acest caz este că temperatura de încălzire, ținuta la temperatură și procesul de răcire nu au fost coordonate corespunzător, ceea ce a favorizat menținerea sau regenerarea perlitei stratificate.
Dacă încălzirea se face în zona de parțială austenitizare, iar temperatura este prea ridicată sau dacă ținuta la această temperatură este inadecvată, starea de dizolvare a carburaților se modifică; apoi, dacă răcirea nu favorizează formarea carburaților sferici, poate reapărea structura stratificată. Procesul de sferoidizare implică atât dizolvarea carburaților la încălzire, cât și reprecipitarea lor la răcire, astfel că nu putem lua în considerare doar un singur parametru al ținutei la temperatură.
Prin urmare, nu este adevărat că „cu cât se ține mai mult la temperatură, cu atât materialul devine mai moale”, nici că „o dată efectuată sferoidizarea, aceasta este neapărat realizată corect”. În final, totul depinde de microstructură.
IV. A doua pistă a cauzei: Atmosfera din cuptor agravasează anomalii ale straturilor superficiale?
Carburarea stratului superficial reprezintă o altă pistă majoră privind cauza tehnologică propusă în acest caz.
Dacă atmosfera din cuptor prezintă tendința de a carburiza oțelul, suprafața materialului ar putea suferi o concentrare locală crescută de carbon, modificând cantitatea de carburații, comportamentul lor de dizolvare și transformare în zona respectivă, ceea ce duce la diferențierea structurii între stratul superficial și interior.
Acest fenomen ar putea interacționa cu anomaliile din procesul de sferoidizare: pe de o parte, structura stratificată nu este eliminată complet sau se reformează, iar pe de altă parte, supracarburarea stratului superficial influențează și mai mult microstructura locală și duritatea.
Trebuie, totuși, să subliniem o diferență importantă: rezultatele metalografice și de duritate actuale susțin această explicație, dar nu demonstrează în mod independent că nivelul de carbon a crescut. Chiar la același conținut de carbon, variațiile morfologiei structurii, dimensiunii granulelor și distribuției carburaților pot afecta proprietățile materialelor.
Astfel, „carburarea datorată atmosferei” constituie, în acest caz, o ipoteză majoră privind cauza tehnologică, și nu un fapt demonstrat prin teste cantitative deja finalizate.
V. De ce se manifestă în final printr-o fisurare reticulară a flanșei?
Când se formează flansa, materialul se extinde spre exterior, suprafața sa crește, iar stratul apropiat de suprafață trebuie să se deformeze simultan cu interiorul.
Structura stratificată și trecuta duritate locală sugerează că răspunsul la deformare al acestei zone diferă de cel al adâncimilor interne. Sub acțiunea tensiunilor locale de întindere și forfecare, dacă capacitatea de deformare a zonei este insuficientă, apar ușor primele fisuri.
Odată cu continuarea formării, fisurile se declanșează succesiv în mai multe puncte slabe; crăpăturile se extind în diverse direcții și se conectează local, formând în cele din urmă un model reticular.
În termeni simpli: partea interioară continuă să se extindă, în timp ce stratul superficial nu mai ţine pasul, fiind rupt în mai multe locuri succesiv.
Pista de eșec propusă în acest caz este următoarea: tratamentul termic de sferoidizare a fost executat necorespunzător, rezultând o structură stratificată reziduală sau regenerată; se presupune că carburarea atmosferică a accentuat diferențele de structură și duritate între stratul superficial și interior; în timpul bulonării reci a flanșei, deformațiile locale au fost incoordonate, favorizând apariția fisurilor multiple.
Aceasta este principala interpretare a mecanismului propusă pe baza datelor disponibile. Sărimea actuală este indicată pe corpul barei, însă observațiile efectuate asupra acestei secțiuni nu pot fi considerate direct echivalente cu afirmația că „fisurile flanșei au început chiar din stratul anormal”.
VI. Lucrări cheie: verificarea simultană a procesului de călire și a controlului atmosferei
Dată fiind existența unor factori dubli, măsurile ulterioare nu pot se concentra doar pe un singur indicator al durității.
În primul rând, trebuie verificat procesul real de călire. Comparând temperatura de încălzire, timpul de ținere la temperatură și curba de răcire cu cele experimentate de material, se va stabili dacă structura lamelară este insuficient sferoidizată sau s-a reformat în cursul răcirii.
În al doilea rând, se verifică atmosfera și distribuția carbonului în stratul superficial. Se compară înregistrările controlului atmosferei cu analizele efectuate asupra aceluiași lot de tijă brută, urmărind variațiile conținutului de carbon, structurii și durității de la suprafață spre interior, pentru a confirma ipoteza creșterii cantității de carbon la nivelul stratului exterior.
În al treilea rând, se validează eficiența ajustărilor prin analiza microstructurii și a rezultatelor de formare. Nu este suficient să constatăm doar o scădere generală a durității după ajustări; trebuie, de asemenea, să evaluăm dacă structura lamelară din zona apropiată de suprafață s-a redus, dacă starea internă și externă este mai uniformă și să verificăm rezultatele testelor de bulonare rece ale produselor similare.
Informațiile disponibile nu includ date despre retestele efectuate după corectarea problemelor și nici rapoarte privind producția în masă; de aceea, direcțiile de remediere enumerate mai sus nu sunt prezentate ca măsuri deja validate cu succes.
VII. Concluzii ale cazului
Principala cauză a eșecului identificată în acest caz este următoarea: structura lamelară situată în apropierea suprafeței, asociată cu unele zone localizate de întărire, a redus capacitatea de coordonare a deformării, favorizând apariția fisurilor în rețea în timpul expansiunii la bulonarea rece a flanselor.
În ceea ce privește cauzele anormalei situații, atenția se îndreaptă către interacțiunea dintre un proces inadecvat de sferoidizare prin călire și o posibilă creștere a conținutului de carbon datorată atmosferei din cuptor. În acest context, mecanismele specifice de formare a perlitei regenerate și a supracarbonizării necesită o verificare suplimentară, bazată pe datele originale ale tijelor brute, ale procesului de călire și ale înregistrărilor referitoare la atmosferă.
Acest caz demonstrează că, pentru a evalua un material destinat bulonării reci, nu este suficient să ne limităm la întrebarea „care este duritatea medie”; trebuie, de asemenea, să ne interesăm de următoarele aspecte: ce structură prezintă stratul superficial, cum diferă față de interior și dacă poate participa împreună cu restul materialului la realizarea deformării cerute de produs.
Grupul Creation Group ajută clienții să realizeze analiza de eșec punând în legătură aspectul fisurilor, informațiile privind microstructura și proprietățile materialelor, oferind astfel explicații temeinice și verificabile, care permit stabilirea obiectivelor clare pentru îmbunătățirile viitoare.
Vederea fisurilor reprezintă doar punctul de plecare; adevărata valoare a analizei de eșec constă în explicarea motivelor apariției lor.
Grupul Creation Group · Clasa de ingineri pentru bulonarea rece
Să facem problemele materialelor ușor de înțeles