Análise das causas comuns de fratura do parafuso de fixação

Existem várias razões para a fratura do parafuso emfixadores. De modo geral, os danos aos parafusos são causados ​​por fator de tensão, fadiga, corrosão e fragilização por hidrogênio.

Fratura do parafuso

1. Fator de estresse
Exceder a tensão convencional (sobretensão) é causada por qualquer um ou uma combinação de cisalhamento, tensão, flexão e compressão.
A maioria dos projetistas considera primeiro a combinação de carga de tração, força de pré-carga e carga prática adicional. A força de pré-aperto é basicamente interna e estática, que comprime os componentes da junta. Cargas práticas são forças externas, normalmente cíclicas (alternativas) aplicadas aos fixadores.
A carga de tração tenta resistir à abertura dos componentes da junta. Quando essas cargas excedem o limite de escoamento do parafuso, o parafuso muda de deformação elástica para deformação plástica, resultando em deformação permanente do parafuso. Portanto, não pode ser restaurado ao seu estado original quando a carga externa é removida. Por razões semelhantes, se a carga externa no parafuso exceder a sua resistência à tração, o parafuso irá quebrar.
O aperto do parafuso é obtido girando com força de pré-carga. Durante a instalação, o torque excessivo leva ao aperto excessivo e reduz a resistência à tração axial dos fixadores, submetendo-os a esforços excessivos. Em outras palavras, parafusos submetidos à torção contínua apresentam valores de escoamento inferiores em comparação aos parafusos submetidos diretamente à tração e tração. Desta forma, o parafuso pode ceder antes de atingir a resistência à tração mínima da norma correspondente. Um grande torque pode aumentar a força de pré-aperto do parafuso e reduzir correspondentemente a folga da junta. Para aumentar a força de travamento, a força de pré-aperto é geralmente ajustada em um limite superior. Desta forma, a menos que a diferença entre a resistência ao escoamento e a resistência à tração final seja pequena, os parafusos geralmente não cederão devido à torção.
A carga de cisalhamento aplica uma força vertical ao eixo longitudinal doparafuso. A tensão de cisalhamento é dividida em tensão de cisalhamento simples e tensão de cisalhamento duplo. A partir de dados empíricos, a tensão de cisalhamento única última é de aproximadamente 65% da tensão de tração última. Muitos projetistas preferem cargas de cisalhamento porque utilizam a resistência à tração e ao cisalhamento dos parafusos. Eles atuam principalmente como cavilhas, formando conexões relativamente simples para fixadores sujeitos a cisalhamento. A desvantagem é que as ligações de cisalhamento têm uma gama limitada de aplicações e não podem ser utilizadas com frequência, pois requerem mais materiais e espaço. Sabemos que a composição e a precisão dos materiais também desempenham um papel decisivo. No entanto, os dados de materiais que convertem a tensão de tração em carga de cisalhamento geralmente não estão disponíveis.
A força de pré-aperto dos fixadores afeta a integridade das conexões de cisalhamento. Quanto menor a força de pré-carga, mais fácil será para a camada de junta deslizar quando em contato com o parafuso. A capacidade de carga de cisalhamento é calculada multiplicando o número de planos transversais (um plano de cisalhamento é chamado de cisalhamento simples e dois planos de cisalhamento são chamados de cisalhamento duplo), que devem ser as seções transversais dos parafusos não roscados. Não defendemos o projeto de cisalhamento através de roscas, pois a resistência ao cisalhamento dos fixadores pode ser superada pela concentração de tensão quando a seção transversal muda. Ao determinar a resistência ao cisalhamento dos fixadores, alguns projetistas usam a área de tensão de tração, enquanto outros preferem seções de pequeno diâmetro. Se o parafuso na conexão de cisalhamento for torcido até o valor especificado (conforme mostrado na Figura 2), a superfície de contato da camada de contato não poderá começar a deslizar até que exceda a resistência de atrito externa. Aumentar o atrito entre as superfícies correspondentes pode melhorar a integridade geral da conexão. Às vezes, devido ao tamanho das peças e aos requisitos de projeto, o número de parafusos que devem ser usados ​​pode ser limitado.

Figura 2: Independentemente de o componente de conexão ser de corte simples ou duplo, a superfície de corte não deve passar pela parte roscada do fixador
Além das cargas de tração e cisalhamento, a tensão de flexão é outra carga que os parafusos sofrem, causada por forças externas que não são perpendiculares ao eixo longitudinal do parafuso e estão localizadas nas superfícies de apoio e de contato. No geral, quanto mais simples for a conexão do fixador, maior será sua integridade e confiabilidade.
2. Fadiga
Atualmente não existe legislação específica que oriente os fornecedores a adquirirem componentes-chave que cumpram as normas industriais nos regulamentos relevantes para fixadores industriais, especialmente sem mencionar a principal causa de falha dos fixadores – a fadiga. Estima-se que os danos por fadiga sejam responsáveis ​​por 85% do número total de falhas de fixadores.
A fadiga em parafusos é a ação contínua de cargas de tração cíclicas, que resulta emparafusossendo submetido a forças de pré-carga relativamente pequenas e cargas de trabalho alternadas. Sob tais condições de carga dupla por um longo período, os parafusos falharão quando sua resistência à tração nominal for menor. A vida à fadiga é determinada pelo número e amplitude dos ciclos de tensão de carga. Alguns conectores comprimidos, como prensas, equipamentos de estampagem e máquinas de moldagem, também podem sofrer fratura por fadiga. Múltiplas tensões compostas são geradas entre a potência e a pré-carga durante a operação. Em movimentos repetidos de alongamento, o número e a amplitude das alterações de tensão são afetados pelo grau de fadiga e dano.
Os fixadores industriais típicos, como os parafusos sextavados, alongam-se constantemente e retornam à sua forma original dentro de uma certa faixa de elasticidade. Se submetidos a tensões além do normal e além da faixa elástica, eles sofrerão deformação permanente até que eventualmente se quebrem. O comportamento de estender e retornar a um estado estendido é chamado de ciclo. Um parafuso sextavado pode suportar aproximadamente 240-10 ciclos de graus por dia (máximo), conforme mostrado na Figura 3.

Figura 3 Diagrama de Goodman aprimorado

A diagonal pontilhada indica o valor médio da carga alternada do parafuso com 90% de probabilidade para 10 milhões de ciclos. A linha diagonal real mostra que quando a força de pré-aperto do parafuso atinge 100 ksi, o desvio máximo entre a carga dinâmica e a tensão média é de 12 ksi.
Os fixadores acabarão por rachar devido a repetidos ciclos de tensão de pico a pico. A fratura geralmente ocorre no ponto mais vulnerável do fixador, que os engenheiros chamam de “área de máxima concentração de tensão”. Uma vez que as microfissuras ocorrem no ponto de concentração de tensão e continuam sujeitas a tensão, as fissuras se propagarão rapidamente, causando danos por fadiga ao fixador. As empresas que fabricam fixadores para uso industrial estão constantemente explorando novos processos de moldagem e projetando e desenvolvendo novos métodos de fabricação que possam superar as fraquezas fatais acima mencionadas.
Os locais mais comuns de falha por fadiga incluem a junta (ou seja, a primeira rosca carregada), filete de raiz, rosca e terminação da rosca. Devido à melhoria da resistência à fadiga através do desenvolvimento de melhores materiais e métodos de produção na indústria de transformação, as roscas tornaram-se o ponto mais fraco dos fixadores e atualmente a maior proporção de danos causados ​​na falha por fadiga.
A inter-relação entre as variáveis ​​de tensão no projeto e as características de desempenho dos fixadores torna a definição de padrões de resistência à fadiga uma tarefa difícil. Atualmente, é um processo complexo determinar o número de “ciclos até a fratura” e medir a resistência relativa de uma série de fixadores.
3. Corrosão
Outra razão para a fratura do parafuso é a corrosão. A corrosão tem muitas formas, incluindo corrosão comum, corrosão química, corrosão eletrolítica e corrosão sob tensão. A corrosão eletrolítica refere-se à exposição dos fixadores a diversos agentes úmidos, como água da chuva ou névoa ácida, que são eletrólitos que podem causar corrosão química dos fixadores; Em segundo lugar, devido aos diferentes materiais dos fixadores, os seus potenciais electrolíticos são diferentes, e a diferença de potencial pode facilmente gerar "microbaterias". Os projetistas devem escolher materiais com potenciais eletrolíticos semelhantes, tanto quanto possível, com base na compatibilidade dos metais, ao mesmo tempo que eliminam as condições de geração de eletrólitos para evitar rachaduras causadas pela corrosão eletrolítica.
A corrosão sob tensão é relativamente limitada. A corrosão sob tensão existe sob altas cargas de tração e afeta principalmente fixadores feitos de liga de aço de alta resistência. Fixadores feitos de liga de aço (especialmente aço com alta composição de liga) são propensos a rachar sob tensão. No início, geralmente se formam rachaduras e buracos na superfície e, em seguida, ocorre mais corrosão, o que promove a propagação de fissuras. A taxa de propagação da trinca é determinada pela tensão no parafuso e pela tenacidade à fratura do material. Quando o material restante funciona a ponto de não suportar a tensão aplicada, ocorre a fratura.
4. Fragilização por hidrogênio
Fixadores de aço de alta resistência (geralmente com dureza Rockwell C36 ou superior) são mais propensos à fragilização por hidrogênio. A fragilização por hidrogênio é a principal causa de fratura de fixadores. A fragilização por hidrogênio é um fenômeno no qual átomos de hidrogênio entram e se difundem por toda a matriz do material. Quando os átomos de hidrogênio entram na matriz do material, a matriz sofre distorção de rede, perturbando o estado de equilíbrio original e facilitando a quebra sob forças externas. Quando uma carga externa é aplicada aoparafuso,os átomos de hidrogênio migram para a zona de tensão altamente concentrada, causando tensão significativa entre as bordas dos limites do cristal, o que leva à fratura entre as partículas de cristal do fixador.
Quando os fixadores contêm hidrogênio crítico antes da instalação, eles normalmente quebram em 24 horas. Se o hidrogênio entrar no fixador, é impossível prever quando ele irá quebrar. Portanto, ao usar fixadores relevantes, os projetistas devem especificar a seleção de fornecedores com processos especializados e potencial mínimo de fragilização por hidrogênio.
5. Outros fatores
A fratura da conexão nem sempre está diretamente relacionada à fratura catastrófica do fixador. Muitos fatores relacionados aos fixadores, como perda de pré-carga ou fadiga das conexões dos fixadores, podem causar desgaste; O deslocamento central dos fixadores pode gerar ruídos e vazamentos durante o uso, exigindo manutenção não planejada para evitar quebras. Por exemplo, a vibração pode reduzir a resistência ao atrito das roscas e as conexões dos fixadores podem relaxar devido à aplicação de cargas de trabalho após a instalação. Esses fatores, juntamente com a fluência dos parafusos em alta temperatura, podem levar à perda da força de pré-carga. Às vezes, a fratura da conexão pode ser atribuída ao furo que passa por ela ser muito grande ou muito pequeno, à área de apoio ser muito pequena, ao material ser muito macio ou à carga ser muito alta. Qualquer uma dessas situações não causará fratura direta do parafuso, mas resultará em perda de integridade da conexão ou eventual fratura do parafuso.