logo-home-nova-1.webp

Rachaduras brancas nos rolamentos: consequência ou causa raiz de uma falha?

rachaduras-brancas-em-rolamentos-min

Uma característica de muitas falhas prematuras em rolamentos são as extensas redes de trincas com “aparência de corrosão branca”. Normalmente nos referimos a elas como rachaduras brancas nos rolamentos. Estas trincas normalmente se propagam para a superfície e causam a fragmentação da pista do rolamento.

Nos últimos anos, esse tema é amplamente discutido por engenheiros e profissionais que atuam para garantir a confiabilidade da vida útil dos rolamentos.

As rachaduras brancas nos rolamentos são consequência de alguma condição de trabalho ou causa raiz?

Você já se deparou com algum rolamento que tinha essa aparência de trincas na pista?

Pra você ela é causa raiz ou consequência? Deixe sua opinião nos comentários no final deste artigo.

O que se sabe sobre rachaduras brancas nos rolamentos?

Com base em vários exames de diferentes perspectivas observou-se que tais trincas normalmente se propagam para a superfície e causam fragmentação da pista.

Rede típica de trincas de ataque branco estendidas - rolamento autocompensador de rolos de grande porte.
Figura 1 – Rede típica de trincas de ataque branco estendidas – Rolamento autocompensador de rolos de grande porte.

Sobretudo em aplicações como caixas de engrenagens de turbinas eólicas, transmissões automotivas, alternadores e auxiliares periféricos, fábricas de papel e sistemas de propulsão marítima.

Alguns exemplos típicos de falha prematura de rolamentos de (a) máquinas de papel, (b) compressores, (c) estágios de baixa velocidade e (d) de alta velocidade de uma caixa de engrenagens de turbina eólica
Figura 2 – Alguns exemplos típicos de falha prematura de rolamentos de (a) máquinas de papel, (b) compressores, (c) estágios de baixa velocidade e (d) de alta velocidade de uma caixa de engrenagens de turbina eólica.]

As falhas prematuras dos rolamentos geralmente ocorrem em intervalos muito curtos. Mas a falha por fadiga do contato é uma ocorrência rara. No entanto, em que certas aplicações, há casos de falhas em 5 a 10% da vida nominal calculada.

O fato de as trincas brancas nos rolamentos serem abordadas de diferentes perspectivas nas últimas décadas, isso levou a uma maior compreensão de aspectos específicos do problema.

Porém, ainda há falta de consenso sobre sua causa raiz e os mecanismos de falha entre os principais atores no campo da análise de falhas de rolamentos devido à trinca.

Nos últimos anos, a SKF intensificou os estudos, investigações e pesquisas para esclarecer o surgimento de trincas brancas na pista do rolamento e sua relação com a fadiga acelerada (rolamento que solta lascas prematuramente).

Embora este tema ainda esteja em discussão na comunidade de engenharia de materiais, as descobertas da SKF apoiam fortemente que as rachaduras bancas nos rolamentos ocorrem no final da cadeia de falhas. Ou seja, são uma consequência natural de redes de trincas em rolamentos com falha prematura.

Então as trincas brancas nas pistas são consequência ou causa raiz?

A visão de consenso da maioria dos especialistas da SKF que analisam falhas prematuras e trincas brancas é que elas são um sintoma e não a causa raiz da falha por fadiga.

Assim outra definição de rachaduras brancas nos rolamentos também é proposta e suas causas são discutidas a seguir. Confira!

Rachaduras ou trincas brancas (WECs)

As rachaduras brancas são trincas na microestrutura do aço do rolamento. Eles são decorados por áreas de gravura branca (WEAs).

As áreas afetadas consistem em ferrita ultrafina, nanocristalina, sem carboneto ou ferrita com uma distribuição muito fina de partículas de carboneto.

As áreas brancas se formam por amorfização (deixar de possuir formas próprias) devido ao atrito nas faces da trinca durante a laminação.

Essas áreas aparecem brancas sob um microscópio óptico, por conta da sua resposta de baixo ataque ao ácido. As áreas de ataque branco ao redor das rachaduras são 10 a 50% mais duras do que a microestrutura não afetada ao redor.

Formação de rachaduras brancas em rolamentos pequenos

Sabe-se que rolamentos pequenos, muito carregados e de longa duração podem passar por vários estágios de fadiga até a falha.

O primeiro estágio é o estágio de shake-down, que leva à deformação microplástica, encruamento e, eventualmente, acúmulo de tensão residual.

Nesse estágio, a superfície do rolamento também pode sofrer alguma deformação microplástica onde as asperezas são achatadas. Após o shake-down, a maior parte da vida útil do rolamento começa e se caracteriza por mudanças graduais na microestrutura. A distribuição do carboneto muda devido a esta deformação.

Além disso, a austenita retida pode decair e todas as mudanças na microestrutura acompanham um acúmulo de tensão residual.

Em um estado de avanço de fadiga de contato de rolamento, podemos encontrar regiões de gravação escura (DERs). Da mesma forma, a gravação branca, bandas de baixo ângulo (LABs) e bandas de alto ângulo (HABs) (figura 3 à esquerda).

Embora LABs e HABs também sejam decapagem branca, eles têm uma aparência diferente em comparação com formações de rachaduras brancas irregulares vistas em falhas iniciais de rolamentos.

Isso aponta para a conclusão de que a formação irregular das trincas brancas não faz parte da fadiga de contato de rolamento (RCF). No entanto, a microestrutura dessas áreas de ataque branco não é muito diferente na estrutura cristalina do que as áreas de ataque branco que se observa em falhas prematuras.

Formação de rachaduras brancas em rolamentos grandes

Para rolamentos de tamanho médio a grande, os efeitos acima não ocorrerão necessariamente da mesma maneira que em rolamentos pequenos e de carga pesada.

Como outros componentes mecânicos, esses rolamentos geralmente falham devido à quebra do elo mais fraco (por exemplo, desvios pré-existentes na estrutura do material, como inclusões e porosidades).

Conforme a ISO/TR 1281-2:2008, o limite de fadiga diminui com o tamanho do rolamento acima de um diâmetro de 100mm. Além disso, ao comparar os efeitos da pressão de contato em rolamentos menores versus maiores, o volume de tensão afetado aumenta nos rolamentos maiores, assim como as influências negativas dos elos fracos.

Um exemplo são as inclusões, parte natural de todos os aços para rolamentos. Um fator adicional que desempenha um papel é a própria pressão de contato. No exemplo da figura 4, onde as bandas de baixo e alto ângulo foram geradas, a pressão de contato é relativamente alta (> 3,2 GPa).

Em muitos rolamentos de tamanho médio a grande, as pressões de contato aplicadas estão bem abaixo de 3 GPa. Isso significa que a carga de fadiga está em outro regime, levando a menos danos globais e mais danos localizados ao redor de inclusões não metálicas.

Pós-investigações de rolamentos de tamanho médio a grande com falha prematura (seja de testes de vida altamente acelerados ou de testes de resistência padrão) confirmaram que a ocorrência das rachaduras brancas estendidas e irregulares é um subproduto natural em rolamentos desgastados por contato do rolamento (figura 3 à direita).

Esquerda: Regiões de gravação escura (DER), bandas de baixo ângulo (LAB) e alto ângulo (HAB) em rolamentos rígidos de esferas (linha vermelha: pista do rolamento); à direita: Ocorrência de trincas brancas em um grande teste de resistência de rolamento de rolos cônicos.
Figura 3 – Esquerda: Regiões de gravação escura (DER), bandas de baixo ângulo (LAB) e alto ângulo (HAB) em rolamentos rígidos de esferas (linha vermelha: pista do rolamento). À direita: ocorrência de trincas brancas em um grande teste de resistência de rolamento de rolos cônicos.

Rachaduras ou trincas brancas em fadiga acelerada (fragmentação prematura)

A diferença entre fragmentação prematura (muitas vezes interpretada na indústria como rachaduras ou trincas brancas) e fadiga normal de contato de rolamento, pode se encontrar no tempo que leva para que os diferentes eventos ocorram antes do início da fragmentação.

Além disso, em comparação com testes de resistência ou fadiga normal de contato de rolamento, falhas prematuras são frequentemente associadas a iniciações de trincas em vários locais/áreas, conforme mostra a análise de falhas de rolamentos.

As razões para o início de trincas em aços para rolamentos pode diferir, e as trincas podem acelerar em casos de maiores tensões ou redução de resistência devido a efeitos ambientais.

As tensões que afetam os rolamentos podem ser maiores que se espera. Exemplos de tais situações:

  • Cargas breves e pesadas podem ser causadas por dinâmicas inesperadas ou efeitos de temperatura, produzindo pré-cargas pesadas de deformações estruturais, carregamento de borda, etc.
  • A tensão estrutural no material a granel do rolamento (por exemplo, causada por desvios de forma, desalinhamento ou outros fatores) aumentará a tensão no material.
  • O aumento do estresse nas pistas também pode ter a causa nas condições de contato tribológicas severas (por exemplo, espessuras do filme muito baixas e/ou condições de deslizamento) em combinação com certos lubrificantes.

A resistência do material de um rolamento pode ter influência negativa por fatores ambientais que são suspeitos de gerar hidrogênio. Estes podem incluir:

Nesses casos, condições de carga moderadas podem levar a uma falha prematura.

Os fatores para fadiga acelerada, relativos tanto a tensões mais altas quanto a menor resistência do material, foram verificados por testes em rolamentos SKF.

Exemplos de geração de trincas brancas devido a tensões mais altas.

As figuras 5, 6 e 7 mostram dois exemplos de iniciação rachaduras brancas relacionadas ao estresse. Os resultados se referem a um equipamento de teste de rolamento. Ele foi projetado para introduzir artificialmente tensões estruturais ou deformações estruturais no assento do rolamento por meio de ondulação.

Isso resulta em tensões de tração locais no anel interno do rolamento. O teste envolve um rolamento de rolos cilíndricos com seu anel interno (diâmetro do furo de 220 mm) montado com um ajuste normal em uma luva de cinco lóbulos que é fixada a um eixo com interferência.

Essa luva ondulada, produzida por torneamento rígido, induzirá cinco zonas de tensão de tração de cerca de 205 MPa perto da superfície da pista do anel interno.

O rolamento de teste é um rolamento de rolos cilíndricos de duas carreiras modificado. Tem uma carreira de oito rolos, em vez de duas carreiras de 24 rolos, na parte central do anel interno, a fim de ajustar a capacidade de o equipamento de teste para atingir a tensão de contato necessária (figura 5).

O material do rolamento é de aço SAE 52100 (100Cr6). A microestrutura dos mancais é martensita temperada com austenita retida até 7% (volume) e dureza de 62 HRC.

Rolamento com trinca axial na pista do anel interno
Figura 5: Rolamento com trinca axial na pista do anel interno.

Os rolamentos foram testados a uma pressão de contato hertziana máxima de 1,8 GPa e um valor kappa de cerca de 2. Os rolamentos foram testados até a falha.

Resultados dos testes

Um rolamento falhou com uma rachadura axial visível na pista após 1.150 horas (correspondente a 6,35×10 8 ciclos de tensão) na luva de cinco lóbulos. O segundo rolamento falhou com duas rachaduras axiais visíveis após 1.570 horas (correspondente a 8,67×10 8 ciclos de tensão).

A posição das fissuras axiais coincide circunferencialmente com um dos picos de ondulação, onde está presente uma zona de tensão de tração.

Deve-se notar que quatro dos mesmos rolamentos foram testados anteriormente nas mesmas condições usando um ajuste de eixo padrão (sem ondulação artificial). Nenhum falhou até a suspensão em torno de > 2.200 horas (correspondendo a 1,21 × 10 9 ciclos de estresse). Também não se detectaram rachaduras superficiais, nem rachaduras de ataque branco subsuperficiais durante a pós-análise.

A pós-análise envolve testes não destrutivos (NDT) por teste ultrassônico (UST) e penetrante de corante, medição da circularidade do anel, análise fractográfica e exame metalográfico sob o microscópio.

Rachaduras brancas em rolamentos reveladas ao microscopio optico min
Figura 6: Rachaduras brancas reveladas ao microscópio óptico em uma seção paralela da fenda axial e imagens ampliadas de três regiões indicadas. Parte da fissura principal e fissuras ramificadas acompanhadas de áreas de ataque branco. As imagens em (b) (c) e (d) são regiões ampliadas indicadas pelos números 1–3, respectivamente, em (a).

Análise da amostra

Um corte paralelo foi feito na amostra com uma fenda aberta conforme indicado na figura 6. Pode-se observar que após o ataque, parte da trinca principal aparece branca sob microscopia óptica. A trinca se ramificou a uma profundidade de cerca de 500 µm abaixo da superfície.

As fissuras ramificadas também são rachaduras brancas que se propagaram em uma direção paralela à pista a cerca de 400 µm da fissura principal. A ampliação das fissuras ramificadas (figura 6(b), (c) e (d)) sustenta a tese de que as fissuras se conectam, formando rachaduras em rede na subsuperfície.

Também foram feitos cortes paralelos em duas outras posições circunferenciais que correspondem aos picos do eixo da luva ondulada. Embora nenhuma rachadura superficial foi vista na superfície, várias trincas brancas apareceram na subsuperfície dessas regiões. Sobretudo, onde as tensões de tração induzidas pela ondulação estiveram presentes durante o ensaio.

Os resultados na figura 7 mostram um teste com rolamentos autocompensadores de rolos 23024 que foram expostos a cargas de curto prazo.

Rede WEC de subsuperfície estendida em um anel externo de rolamento 23024, causada por cargas pesadas de curto prazo
Figura 7: Rachadura branca de subsuperfície estendida em um anel externo de rolamento 23024, causada por cargas pesadas de curto prazo.

Durante a carga pesada de curto prazo, o rolamento é exposto a uma pressão de contato acima de 3 GPa por cerca de 15 minutos em boas condições de lubrificação (kappa em torno de 3,5).

O rolamento que foi previamente exposto a uma carga de curto prazo é montado posteriormente em um equipamento de teste radial. Aqui, aplicou-se uma pressão de contato moderada de cerca de 1,7 GPa e um kappa de cerca de 2.

Sob essas condições, os rolamentos são suspensos após cerca de 3,3 × 10 7 ciclos ou falharam antes. A Figura 7 mostra um corte circunferencial e gravação nital de um anel externo. O rolamento relacionado falhou após 1,9×10 7 ciclos devido a uma fragmentação na zona carregada do anel externo.

Exemplos de geração de rachaduras brancas sob influência mista de atrito e lubrificante.

Rachaduras brancas foram encontradas em rolamentos axiais de rolos cilíndricos 81212 com falha ao realizar testes de avaliação de óleo. Até o momento, as condições de teste, uma combinação de atrito misto e alto deslizamento cinemático (não representativo para rolamentos radiais de rolos), indicam resultados inconclusivos.

Ou seja, até agora, nenhuma conclusão pode ser dada nos testes se as rachaduras brancas são mais uma consequência da fadiga inicial na superfície (onde um lubrificante também desempenha um papel importante), ou o resultado da entrada de hidrogênio ou uma combinação de ambos.

Testes de rolamentos com rolamentos axiais de rolos cilíndricos 81212, aço sobre aço, também ocorreram.

O material do mancal é aço SAE 52100, endurecido martensítico, com teor de austenita retida <3% e dureza em torno de 60 HRC.

Esses rolamentos são testados com cargas moderadas (pressão máxima de contato em torno de 1,9 GPa) e condições de lubrificação inadequadas (kappa em torno de 0,3).

Diferentes óleos e misturas de óleos foram testados. Uma aparência típica de falha está na figura 8.

Aparencia tipica de falha do rolamento axiais de rolos 81212
Figura 8: Aparência típica de falha do rolamento 81212 de um rolo (esquerda) e ocorrência de trincas brancas (seção lateral 84 µm abaixo da pista) dentro de uma arruela (direita).

Embora não mostrado em detalhes aqui, em todos os testes realizados, principalmente os rolos falharam. Já as arruelas, raramente. Os testes ocorreram até a falha (spalling) ou suspensos.

Para rolamentos que falharam por fragmentação com rachaduras brancas, supõe-se que trincas subsuperficiais decoradas com ataque branco se desenvolveram antes de qualquer fragmentação.

Isso ocorre porque, às vezes, rachaduras subsuperficiais também estão em componentes não lascados.

Considerações sobre rachaduras ou trincas brancas nos rolamentos

As descobertas acima explicam por que as rachaduras ou trincas brancas podem estar em todos os tipos de aplicação na indústria e todos os tipos de rolamentos (para tipos de tratamento térmico endurecido e cementado).

Isso porque as trincas brancas ocorrem no final do cadeia de falhas e são uma consequência natural de redes de trincas em rolamentos com falha prematura.

A chave para identificar as causas-raiz da falha prematura do rolamento não é apenas estudar as rachaduras brancas. Também descobrir os efeitos de enfraquecimento relevantes (relacionados a tensões mais altas ou menor resistência do material) que levam à fadiga acelerada.

De modo geral, a falha de qualquer componente mecânico ocorre pela quebra do elo mais fraco. Ou seja, quando a tensão local excede a força local.

Princípio do elo mais fraco

A confiabilidade dos rolamentos em uso em diversas aplicações obedece ao princípio do elo mais fraco. Pontos fracos sempre existem dentro do material ou na superfície de contato de trabalho. Um rolamento falha se o elo mais fraco quebrar.

Quando a condição de lubrificação é ruim ou a superfície é áspera (por exemplo, após entalhes de partículas), o elo mais fraco pode estar na superfície. Assim, o rolamento falha devido a danos nela, como desgaste ou desgaste da superfície.

Sob boas condições de lubrificação, o elo mais fraco pode estar na subsuperfície, devido à presença de defeitos do material, como inclusões e alta tensão de cisalhamento resultante do contato hertziano. Neste caso, a falha do rolamento resulta da iniciação e propagação de trincas dos defeitos do material pré-existentes.

Para rolamentos, a resistência do elo mais fraco pode ter relação no limite de carga ou tensão (limite de fadiga). Um rolamento falha se exceder este limite. A falha prematura do rolamento ocorre quando reduz o limite de fadiga, ou em outras palavras, quando a resistência do elo mais fraco se reduz significativamente.

É o enfraquecimento, devido a tensões mais altas ou devido à resistência reduzida do material, que causa o início precoce de trincas e a propagação acelerada de trincas que leva à falha prematura do rolamento, mas não às rachaduras brancas.

Portanto, quando não há enfraquecimento, um rolamento pode falhar como resultado da fadiga normal do contato por um único fragmento, mostrando pouca ou nenhuma ocorrência de rede de rachaduras, porque as trincas se propagam rapidamente quando o material atinge o fim de sua vida útil.

Texto traduzido de https://www.skf.com/group/products/rolling-bearings/bearing-failure-and-how-to-prevent-it/white-etching-cracks-a-result-of-bearing-failures.

Deixe um comentário

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *

Esse site utiliza o Akismet para reduzir spam. Aprenda como seus dados de comentários são processados.

Deixe um comentário

Generic selectors
Exact matches only
Search in title
Search in content
Post Type Selectors

Artigos mais lidos

Últimas Notícias

Categorias

Tags