Por que os parafusos falham devido à fadiga?

Você pode perguntar: como um parafuso de metal pode sofrer fadiga? Na verdade, depois que o aço carbono é processado em parafusos, o carregamento cíclico de longo-prazo pode criar concentrações de tensão em áreas locais se os parâmetros técnicos e as propriedades mecânicas iniciais não atenderem aos requisitos. Quando tal tensão atinge um nível crítico, pequenas rachaduras se formarão no parafuso - este é apenas o primeiro estágio da fadiga. À medida que o número de ciclos de carregamento aumenta até um certo nível, as fissuras se propagam e eventualmente levam à fratura repentina. Este é o mecanismo e o resultado da falha por fadiga do parafuso.

Por que a fadiga ocorre emparafusos de aço carbono? Os parafusos-de maior resistência têm maior probabilidade de fadigar? Primeiro, a fadiga não está diretamente relacionada com o nível de resistência do parafuso. Os parafusos comuns têm requisitos de resistência mais baixos e são usados ​​em condições amenas onde os efeitos de fadiga são limitados. Parafusos de alta-resistência, no entanto, são aplicados em ambientes com demandas rígidas de tração, o que aumenta naturalmente o risco de fadiga. Por esta razão, a maioria das falhas por fadiga que encontramos na prática ocorre em parafusos de alta-resistência, embora isso não signifique que os parafusos comuns nunca se cansem - eles estão simplesmente sujeitos a requisitos de serviço mais baixos.

A causa fundamental da fadiga do parafuso é a mudança repetida da tensão local durante o carregamento cíclico, que causa danos cumulativos aos pontos fracos e eventualmente forma fissuras. O processo é o seguinte: a tensão primeiro corrói as áreas vulneráveis ​​do parafuso, as microfissuras aparecem gradualmente, as fissuras crescem com o tempo e, quando atingem um comprimento crítico, o parafuso quebra repentinamente. A análise-de longo prazo mostra que o estresse que causa fadiga não precisa ser grande; pode até ser muito inferior ao limite de escoamento do parafuso. Portanto, após a fratura por fadiga, a superfície da fratura geralmente não apresenta deformação ou flexão óbvia causada por força externa.

Com base na análise acima, podemos melhorar o processo de fabricação para aumentar a resistência à fadiga dos parafusos. Dê uma olhada no diagrama a seguir:

Rosca ReforçadaO diagrama acima mostra um perfil de rosca otimizado com uma raiz arredondada (raio R-). As rachaduras por fadiga geralmente ocorrem nas raízes da rosca e sob a cabeça do parafuso, portanto, a modificação do processo básico de fabricação da rosca pode prevenir eficazmente a fadiga. Vamos compará-lo com threads comuns:

Linha comumA linha acima é uma linha padrão com cantos vivos na raiz. Essas estruturas em ângulo-reto são altamente sensíveis a mudanças de tensão e propensas a fraturas por fadiga. Conforme mencionado anteriormente, a área sob a cabeça do parafuso é outro local crítico para falha por fadiga, conforme mostrado no diagrama:

Processo de fadiga do parafusoUsando o mesmo princípio do raio da raiz da rosca, podemos adicionar um raio de filete de tamanho adequado na junção entre a cabeça do parafuso e a haste dentro da faixa de projeto permitida.