Análise de caso de fratura típica por fadiga por flexão de parafusos prisioneiros de fixação

A falha por fadiga é um dos modos de falha mais comuns de componentes mecânicos. Dados estatísticos mostram que 50% a 80% de todas as falhas de peças mecânicas são atribuídas a danos por fadiga. Antes da fratura por fadiga, os componentes geralmente não apresentam deformação plástica óbvia ou sinais de pré-falha. No entanto, a fratura por fadiga ocorre de forma abrupta e destrutiva, muitas vezes levando a graves falhas no equipamento e acidentes de segurança. O dano por fadiga segue leis específicas de iniciação e propagação e eventualmente evolui para fratura completa por fadiga.

Definição de fadiga: A fadiga do metal refere-se à deterioração contínua das propriedades mecânicas dos materiais metálicos sob ação cíclica repetida de tensão ou deformação alternada.

Definição de fratura por fadiga: Quando os materiais metálicos são submetidos a tensões e deformações alternadas cíclicas de longo prazo, ocorrem alterações microestruturais locais e propagação contínua de defeitos internos, resultando na degradação das propriedades mecânicas e eventual fratura completa dos componentes. Este processo de falha é definido como fratura por fadiga. A tensão que induz a fratura por fadiga é geralmente muito inferior ao limite de resistência estática do material. A fratura por fadiga é caracterizada por ocorrência súbita, alta localização e alta sensibilidade a defeitos superficiais e internos.

1. Análise Morfológica Macroscópica da Superfície de Fratura

O objeto de pesquisa deste caso é um parafuso prisioneiro fraturado utilizado em equipamentos de turbinas eólicas. As características morfológicas macroscópicas da superfície de fratura são analisadas a seguir:

1. Os lados inferiores esquerdo e direito da superfície de fratura apresentam morfologias irregulares côncavas e convexas. O lado esquerdo mostra um entalhe convexo em forma de arco, enquanto o lado direito é distribuído com vários pequenos entalhes serrilhados. O arco inferior da fratura forma uma aresta de corte afiada.

2. Uma grande área central da fratura serve como região de propagação da trinca, coberta por marcas de praia distintas, que são características macroscópicas típicas da fratura por fadiga.

3. Traços de ferrugem são observados na superfície de fratura da zona de início da trinca e na zona de propagação da marca da praia, causados ​​pela exposição prolongada ao ambiente externo.

4. A zona de fratura instantânea apresenta um lábio de cisalhamento largo e fino com uma superfície de fratura lisa e brilhante, livre de ferrugem. Isto indica que a fratura final ocorreu rapidamente e pertence à fratura dúctil instantânea.

5. A haste inferior do pino fraturado apresenta uma superfície lisa e brilhante com traços de fricção óbvios, formando uma superfície de arco suave gerada por fricção repetida de longo prazo.

6. Nenhuma estricção ou deformação óbvia é encontrada na posição da fratura, o que exclui a possibilidade de fratura por tração por sobrecarga.

2. Análise do mecanismo de falha macroscópica

1. As rachaduras começam na parte inferior doparafuso prisioneiro. A aresta de corte lisa, os entalhes serrilhados e as lacunas em forma de arco na haste inferior formam regiões de concentração de tensão, que são as fontes originais de iniciação de trincas.

2. As características das marcas de praia na zona de propagação de fissuras são proeminentes. No estágio inicial de propagação, o espaçamento das marcas de praia é pequeno, indicando crescimento estável e lento de trincas sob tensão tangencial cíclica. No estágio posterior de propagação, o espaçamento aumenta significativamente, demonstrando propagação acelerada de fissuras e aumento do risco de falha.

3. O lábio de cisalhamento largo, fino e brilhante na zona de fratura instantânea apresenta características típicas de fratura dúctil, provando que o pino possui resistência e tenacidade combinadas com excelentes propriedades mecânicas abrangentes.

4. A superfície lisa do arco no lado do pino é uma morfologia de fricção típica. Isso indica que o pino suportou tensões alternadas laterais de longo prazo, alternou continuamente durante a operação e gerou fricção e extrusão repetidas com a parede do orifício da engrenagem, formando finalmente uma superfície lisa polida.

Conclusão Macroscópica: A fratura do pino é uma fratura típica por fadiga por flexão. A zona de fratura instantânea apresenta características favoráveis ​​de fratura dúctil sem características de fratura frágil.

3. Análise Morfológica Microscópica

Para esclarecer ainda mais o mecanismo de fratura, a detecção microscópica por microscópio eletrônico de varredura (MEV) foi realizada na amostra de fratura para observar as características microestruturais de diferentes regiões de fratura.

1. A observação SEM revela estrias de fadiga distintas e regulares na zona de propagação de fissuras, que são as principais características microscópicas da fratura por fadiga do metal e correspondem bem às marcas macroscópicas da praia, confirmando a falha por fadiga.

2. Um grande número de covinhas distribuídas uniformemente é observado em imagens SEM, que são manifestações microscópicas típicas de excelente tenacidade do material. Isto corresponde ao amplo lábio de cisalhamento na zona de fratura macroscópica e verifica a coordenação razoável de resistência e plasticidade do pino.

3. Nenhuma morfologia de fratura por clivagem de grande área é encontrada em toda a superfície da fratura. Apenas uma pequena quantidade de características de quase clivagem aparece em áreas locais, alternando com covinhas. Isso indica que o material tem baixa fragilidade e uma combinação ideal de resistência e tenacidade.

Conclusão microscópica: A superfície original dogaranhãoretém marcas de ferramentas de torneamento com alta rugosidade superficial, formando áreas de fraca concentração de tensões. Durante a operação do equipamento, o pino suporta tensão de flexão tangencial alternada contínua e as marcas da ferramenta na superfície são polidas em uma superfície de arco lisa por fricção repetida. Sob flexão recíproca de alta frequência, colisão e fricção de longo prazo, as microfissuras iniciam preferencialmente em defeitos de superfície áspera e formam fontes de fadiga. Com a ação contínua de cargas alternadas, as trincas se propagam gradativamente e finalmente levam à fratura por fadiga por flexão de alto ciclo. As características morfológicas macroscópicas e microscópicas são altamente consistentes, provando que a fratura súbita é causada por danos acumulados por fadiga por flexão.

4. Investigação no local e análise das condições de trabalho

Para restaurar a condição real de funcionamento da falha, foram realizadas duas investigações no local da turbina eólica. Informações relevantes, incluindo duração da operação do equipamento, processo de montagem, posição de instalação, morfologia da fratura e registros de manutenção, foram verificadas para esclarecer as condições de falha.

Mais de trinta turbinas eólicas de 1,5 MW estão em operação há mais de três anos e apenas um parafuso prisioneiro fraturou, o que é um caso de falha individual. A inspeção no local mostra que o pino fraturado foi instalado com desvio de posição. Um lado da haste se ajustava perfeitamente à face final do furo da engrenagem sem qualquer folga, enquanto o outro lado tinha uma grande folga de montagem. O desvio de instalação fez com que o pino dobrasse e alternasse continuamente com a operação da turbina, gerando cargas laterais alternadas de longo prazo e induzindo riscos potenciais de falha por fadiga.

O lado bem ajustado do pino não tinha folgas e era inacessível às ferramentas, provando que esta posição suportava tensões tangenciais cíclicas extremamente altas e causava grande dificuldade na desmontagem posterior. Sob tensão alternada vertical axial contínua, o lado do pino que se ajustava à parede do furo sofreu flexão, impacto e atrito repetidos com o furo da engrenagem. As marcas de giro originais foram completamente desgastadas, formando uma superfície de arco suave semelhante a um espelho com características de fricção óbvias.

A turbina eólica opera a uma velocidade de rotação de 17 rpm durante 15 horas por dia, gerando aproximadamente 15.300 ciclos diários. Os ciclos operacionais totais atingem 2,8×10⁶ em meio ano e 2,0×10⁷ em três anos e meio. O pino oscila dentro de uma pequena amplitude de cerca de 4 mm com baixa amplitude de tensão e baixo nível de tensão geral, pertencente a condições típicas de trabalho com fadiga de alto ciclo e baixa tensão. A fratura é induzida por fadiga por flexão acumulada de longo prazo sob cargas laterais alternadas, o que é um caso típico de fratura por fadiga por flexão de parafuso.

5. Resumo abrangente

1. O modo de falha do pino é confirmado como fratura por fadiga por flexão, em vez de fratura por sobrecarga, fratura frágil ou fratura causada por defeitos de material.

2. A causa raiz da falha é o processo de montagem inadequado. O desvio de posição leva ao encaixe unilateral do pino com o furo da engrenagem, resultando em tensão de flexão tangencial alternada sustentada. Os danos por fadiga acumulam-se continuamente durante a operação do equipamento de alto ciclo e eventualmente causam fratura por fadiga por flexão.