Na produção industrial e na aplicação diária de equipamentos, os parafusos servem como fixadores de conexão do núcleo responsáveis ​​pela fixação, conexão e suporte de cargas estruturais. Durante o serviço-de longo prazo,parafusossão afetados por múltiplos fatores, como condições de carga, ambiente de trabalho, processos de fabricação e qualidade de montagem, que podem facilmente levar à falha por fratura. Isso pode causar ainda o desligamento de equipamentos, falhas estruturais e até graves acidentes de segurança. Este artigo apresenta sistematicamente as formas comuns de fratura, mecanismos de formação, características macroscópicas de fratura por sobrecarga, posições de fratura de alto-risco e estados de fratura sob diferentes condições de carga de parafusos, fornecendo suporte técnico para prevenção de falhas de parafusos, manutenção de equipamentos e otimização de processos.

I. Formas comuns de fratura de parafusos

1. Fratura por sobrecarga

A fratura por sobrecarga ocorre quando a carga instantânea aplicada em um parafuso excede a resistência à tração máxima do material, pertencendo à típica fratura estática dúctil ou frágil. Esse tipo de fratura ocorre repentinamente, sem sinais óbvios de pré-falha. Para materiais dúcteis, a superfície de fratura geralmente apresenta formato de copo-cone ou seção inclinada de 45-graus com superfícies rugosas e deformação plástica significativa. Para parafusos frágeis de alta resistência, a superfície de fratura é relativamente plana com deformação plástica desprezível.

Causas de fratura: o projeto estrutural inadequado leva à seleção de parafusos subdimensionados e à margem de carga insuficiente, resultando em operação de sobrecarga-de longo prazo. Condições de trabalho anormais repentinas, como cargas de impacto e sobrecargas transitórias durante a operação do equipamento, também podem causar carregamento instantâneo acima do-limite. Por exemplo, os parafusos de conexão dos mecanismos de elevação do guindaste podem sofrer fratura por sobrecarga ao levantar cargas com excesso de peso.

2. Fratura por fadiga

A fratura por fadiga é a forma de falha mais comum em parafusos. Sob cargas cíclicas de longo-prazo, como tensão alternada, compressão, flexão e vibração, microfissuras por fadiga iniciam-se em áreas de concentração de tensão. As fissuras expandem-se gradualmente com os ciclos de carga, reduzindo continuamente a área de apoio efetiva e, eventualmente, levam à fratura súbita, mesmo que a carga de trabalho não exceda o valor nominal. A fratura por fadiga ocorre sem deformação plástica óbvia. A superfície da fratura é geralmente lisa, com texturas típicas de concha-ou de anel anual-.

Causas de fratura: O movimento alternativo-de longo prazo e a vibração-de alta frequência do equipamento sujeitam os parafusos a tensões alternadas periódicas. Por exemplo, os parafusos da biela dos motores de automóveis suportam tensões cíclicas e cargas de compressão provenientes do movimento alternativo de alta-frequência dos pistões e das bielas, resultando em danos por fadiga acumulada e eventual fratura por fadiga.

3. Fratura por corrosão

Quando os parafusos trabalham em ambientes corrosivos, ocorre corrosão química ou eletroquímica no material de base, formando defeitos superficiais como ferrugem e corrosão por pites. Esses defeitos reduzem a área efetiva de apoio e a resistência mecânica dos parafusos, levando à fratura sob cargas normais de trabalho. Produtos de corrosão, como camadas de ferrugem e poços de corrosão, podem ser observados nas superfícies de fratura.

Causas de fratura: Os parafusos que funcionam em ambientes úmidos,-de névoa salina ou corrosivos-de base ácida são propensos a falhas por corrosão, como instalações de aço estrutural próximas ao mar e equipamentos industriais químicos. Por exemplo, os parafusos de conexão nos conveses dos navios são continuamente corroídos pela água do mar e pela névoa salina, resultando na degradação do material e na fratura por corrosão.

4. Fratura por corrosão sob tensão

Fratura por corrosão sob tensão refere-se à fratura frágil que ocorre sob a ação combinada de tensão de tração constante e meios corrosivos específicos. A trinca cresce lentamente no estágio inicial, sem sintomas óbvios de falha, e a fratura repentina ocorre quando a trinca atinge o tamanho crítico. A superfície de fratura apresenta características duplas de falha por tensão e dano por corrosão.

Causas de fratura: Certos materiais de parafusos podem gerar e expandir fissuras por corrosão sob tensão sob baixa tensão de tração constante em ambientes corrosivos específicos. Um caso típico é a fratura por corrosão sob tensão de parafusos de aço inoxidável austenítico em ambientes-ricos em cloreto.

5. Fratura por Fragilização por Hidrogênio

Durante a fabricação ou serviço, os átomos de hidrogênio penetram e se acumulam dentro do material do parafuso, formando moléculas de hidrogênio que produzem uma enorme pressão interna. Isso causa rachaduras na rede e propagação de microfissuras, eventualmente levando à fratura frágil. A fragilização por hidrogênio é uma falha frágil típica caracterizada por superfícies de fratura planas e sem deformação plástica óbvia.

Causas de fratura: Os átomos de hidrogênio penetram na matriz do aço durante galvanoplastia, decapagem ácida, fosfatação e outros processos de tratamento de superfície sem tratamento de desidrogenação adequado.Parafusos de aço-de alta resistênciasão altamente sensíveis à fragilização por hidrogênio. A concentração excessiva de íons hidrogênio na solução de galvanização e processos de desidrogenação não qualificados são os principais indutores da fratura por fragilização por hidrogênio.

6. Fratura Causada por Defeito de Fabricação

Defeitos internos e superficiais gerados durante a produção de matéria-prima e fabricação de parafusos formam fontes de concentração de tensão. Sob carga, a tensão aumenta acentuadamente nas posições dos defeitos, induzindo o início da trinca e a rápida propagação, o que eventualmente leva à fratura. As características originais do defeito de fabricação podem ser claramente observadas na superfície da fratura.

Causas de fratura: Defeitos da matéria-prima como inclusões, porosidade, cavidades de retração e segregação; o controle inadequado dos processos de forjamento, tratamento térmico e torneamento causa trincas de têmpera, trincas de retificação, marcas de ferramentas e arranhões.

II. Três zonas características de fratura por sobrecarga de parafuso

1. Zona de Fibra

Posição: Localizado no centro da superfície de fratura, servindo como zona de iniciação e propagação da trinca.

Características Morfológicas: A superfície é áspera e fibrosa com deformação plástica visível e agregação de microvazios, que é uma característica típica da fratura dúctil.

Mecanismo de Formação: No estágio inicial de fratura, o material do parafuso sofre reologia plástica sob tensão. Microvazios geram, crescem, agregam e se conectam para formar a morfologia da fratura fibrosa.

2. Zona de radiação

Posição: Localizado fora da zona da fibra, correspondente ao estágio de rápida propagação da trinca.

Características Morfológicas: A superfície da fratura é relativamente plana com texturas radiais ou em espinha que se estendem para fora do centro.

Mecanismo de Formação: Quando a fissura inicial se expande até o tamanho crítico, ela entra no estágio de propagação rápida. A concentração severa de tensão na ponta da trinca causa rápida ruptura transgranular ou intergranular, formando a morfologia da fratura radial.

3. Zona labial de cisalhamento

Posição: Distribuído na borda externa da superfície de fratura, formada no estágio final de fratura.

Características Morfológicas: A superfície é lisa e inclinada com características típicas de deslizamento de cisalhamento, formando um lábio de cisalhamento anular, que é a característica final da fratura dúctil.

Mecanismo de Formação: No estágio final de fratura, o material residual desliza e rasga ao longo do plano de cisalhamento máximo sob alta tensão, produzindo deformação plástica por cisalhamento e formando a estrutura do lábio de cisalhamento.

III. Posições comuns de fratura por sobrecarga de parafuso

1. Primeiro dente de rosca próximo à superfície do rolamento da porca

As cargas das conexões aparafusadas são transmitidas principalmente através dos dentes da rosca engrenados. O primeiro dente da rosca próximo à superfície de apoio da porca suporta a maior carga e apresenta a concentração de tensão mais severa. É a posição mais suscetível a fraturas por sobrecarga durante serviço-de longo prazo.

2. Raiz da rosca na transição entre a cabeça do parafuso e a haste

A raiz da rosca apresenta mudanças geométricas abruptas e um alto coeficiente de concentração de tensões. Com estados de tensão complexos, torna-se o ponto estrutural fraco dos parafusos e está sujeito a fraturar sob sobrecarga e cargas de impacto.

3. Zona de transição entre haste lisa e seção de rosca

Mudanças abruptas no tamanho-transversal e na estrutura na junção da haste lisa e da seção da rosca causam óbvia concentração de tensão e distribuição desigual de tensão. Esta posição gera facilmente o início de fissuras sob condições de sobrecarga e leva à falha por fratura.

4. Estados de fratura de parafusos sob diferentes formas de carregamento

1. Fratura sob Tensão de Tração

Podem ser observadas fraturas típicas de cone-copo e alongamento geral óbvio e deformação de estricção. Para parafusos de alta tenacidade sob sobrecarga de tração, a seção de fratura final forma um ângulo de cisalhamento de aproximadamente 45 graus com o eixo do parafuso, pertencente à típica fratura por sobrecarga dúctil, que ocorre principalmente na posição fraca da raiz da rosca.

2. Fratura sob tensão de impacto e momento fletor

Texturas radiais e lábios de cisalhamento podem ser observados na superfície da fratura, enquanto os lábios de cisalhamento são incompletos e distribuídos de forma desigual, sem um formato anular completo. A fratura apresenta pequena deformação plástica e evidentes características de fragilidade, causadas principalmente por impacto instantâneo e cargas de flexão.

3. Fratura sob Tensão Combinada de Torção e Tensão

Sob cargas combinadas de torção e tração, a superfície de fratura apresenta texturas de torção em espiral óbvias, bem como morfologias em formato de crescente ou-leque. A distorção distinta e o deslocamento da fratura são formados pelo deslizamento relativo e rasgamento dos materiais ao longo do plano de cisalhamento sob força de cisalhamento torcional.