Equipamentos mecânicos e estruturas de aço são montados a partir de vários componentes, a maioria dos quais conectados de forma fixa por fixadores roscados. A falha dos fixadores roscados leva diretamente ao mau funcionamento do equipamento. Em casos graves, pode causar desligamento de equipamentos, colapso estrutural e até acidentes com lesões pessoais.

Dada a alta frequência e os sérios riscos de falha dos fixadores, os técnicos precisam analisar sistematicamente os fatores indutores e formular medidas direcionadas de retificação e prevenção para eliminar fundamentalmente as falhas de fixação.

As falhas dos fixadores são divididas principalmente em duas categorias. A primeira categoria é a falha por fratura do parafuso, que causa a separação instantânea das estruturas conectadas e geralmente resulta em falhas graves nos equipamentos e acidentes de segurança. A segunda categoria inclui o afrouxamento do par de fios e o deslizamento da linhaparafusos ou porcas, o que produz um pequeno deslocamento relativo entre as peças conectadas e leva ao mau funcionamento parcial do equipamento e à redução da precisão da operação.

A falha do fixador é um processo progressivo. Pequenos afrouxamentos sem tratamento oportuno continuarão a deteriorar-se e eventualmente causarão a separação completa de parafusos e porcas, provocando graves acidentes de segurança. Em aplicações práticas, a maioria das pessoas entende mal que a fratura do parafuso é causada exclusivamente por defeitos de material e afrouxamento da porca devido à má qualidade da porca, ignorando problemas essenciais, como projeto estrutural irracional e processos de montagem-não padronizados. Este artigo analisa sistematicamente as causas de várias falhas por fratura de parafusos sob as perspectivas de projeto e montagem.

1 Fratura por Cisalhamento

A fratura por cisalhamento do parafuso ocorre principalmente em conexões roscadas sob pré-carga pura. A superfície de fratura por cisalhamento está localizada na interface conjunta de duas partes conectadas, apresentando uma pequena área de cisalhamento lisa e brilhante. As causas específicas da falha são resumidas a seguir.

1.1 Causas de Projeto

(1) Coeficiente de atrito insuficiente na interface da junta ou especificações de parafuso selecionadas incorretamente levam a uma pré-carga inadequada. Quando a força de atrito na superfície da junta é menor que a carga de trabalho transversal, expressa pela fórmula fF′＜F (onde f é o coeficiente de atrito da interface, F′ é a pré-carga do parafuso e F é a carga de trabalho transversal), ocorre deslizamento relativo entre os componentes conectados. A haste do parafuso está sujeita à extrusão e à força de cisalhamento da parede do furo. Quando a tensão de cisalhamento excede a resistência ao cisalhamento do material do parafuso, ocorre a fratura por cisalhamento. Componentes móveis sob cargas de impacto são mais suscetíveis a tais falhas. No projeto estrutural, peças-de redução de carga e ombros de posicionamento podem ser adotados para suportar cargas transversais, de modo que os parafusos apenas realizem conexão de tração sem suportar força de cisalhamento.

(2) Fixadores sem estruturas anti{1}}afrouxamento são aplicados em condições de trabalho vibratórias. A vibração-do equipamento a longo prazo afrouxa o par de roscas e atenua a pré-carga do parafuso, resultando em atrito insuficiente da interface e em maior deslizamento do componente e fratura por cisalhamento do parafuso. Para estruturas que trabalham em ambientes vibratórios, fixadores especiais anti{5}}afrouxamento, como porcas Spiralock e contraporcas de torque predominante, devem ser adotados para evitar falhas por afrouxamento.

1.2 Causas de montagem

Torque de aperto de montagem insuficiente leva a pré-carga do parafuso abaixo do padrão e atrito de interface inadequado. Cargas externas causam deslizamento relativo dos componentes e eventualmente resultam em fratura por cisalhamento do parafuso. O torque de aperto dos parafusos é um indicador de processo crítico na engenharia de estruturas de aço e montagem de motores e requer controle rigoroso. No entanto, é frequentemente negligenciado em outras indústrias devido à falta de gerenciamento de torque padronizado. Em casos práticos de falha, a maioria dos afrouxamentos de rosca e falhas de fratura são causados ​​por torque de montagem inadequado.

A força de fixação de um par de roscas é gerada pela rotação de porcas ou parafusos e está positivamente correlacionada com o torque de montagem. Para garantir que a pré-carga atenda aos requisitos do projeto, o torque de montagem deve ser claramente especificado nos documentos do processo e rigorosamente implementado durante a operação. A fórmula de cálculo do torque de montagem é a seguinte:

M=KPD

Onde: M - Torque de montagem (Nm); K - Coeficiente de torque; P - Pré-carga projetada (kN); D - Diâmetro nominal do parafuso (mm).

No projeto convencional, a pré-carga do parafuso é definida entre 60% e 80% da resistência ao escoamento do material com um fator de segurança acima de 1,2. A carga de escoamento de parafusos com diferentes especificações e graus de resistência pode ser consultada em GB/T 3098.1.

O coeficiente de torque é determinado pelo coeficiente de atrito dos pares de roscas e pela superfície de contato entrefixadorese peças conectadas. É afetado pelo tratamento de superfície, precisão de resistência, tolerância geométrica, precisão de rosca, rugosidade da superfície de suporte e rigidez estrutural. O tratamento de superfície serve como fator dominante. Diferentes tratamentos de superfície levam a grandes diferenças no coeficiente de torque, até quase o dobro. Para pares de fios com a mesma especificação e resistência, o coeficiente de torque do tratamento de fosfatação é de cerca de 0,13 a 0,15, enquanto o do tratamento de escurecimento varia de 0,26 a 0,30.

Portanto, fixadores com tratamentos de fosfatação e escurecimento produzem quase o dobro da diferença de pré-carga sob o mesmo torque de montagem. O coeficiente de torque deve ser calibrado através de experimentos. Os fabricantes de fixadores devem controlar rigorosamente os processos de tratamento de superfície para garantir coeficientes de torque consistentes de cada lote. Os usuários não devem alterar arbitrariamente os requisitos de tratamento de superfície, de modo a evitar pré-carga insuficiente, estiramento do parafuso ou fratura causada pela flutuação do coeficiente de torque.

2 Fratura por Fadiga

A fratura por fadiga é um dos modos de falha mais comuns dos parafusos. A maioria das falhas por fadiga origina-se de defeitos de fabricação, incluindo filetes de transição irregulares sob as cabeças dos parafusos, raio de filete de raiz de rosca insuficiente, arranhões superficiais e inclusões de material. Enquanto isso, a montagem não-padrão também é um indutor importante para fraturas por fadiga e possíveis acidentes de segurança.

Tomando como exemplo os parafusos das rodas dos automóveis, o projeto estrutural permite que os parafusos das rodas suportem apenas a pré-carga axial sem carga radial direta. Torque de montagem insuficiente leva a pré-carga inadequada e atrito insuficiente entre o cubo da roda e o semieixo, causando deslizamento relativo durante a operação do veículo.

Durante a rotação da roda em alta-velocidade, o parafuso gira periodicamente com o cubo. A haste do parafuso é submetida a forças de extrusão alternadas de ambos os lados da parede do furo, resultando em cargas radiais cíclicas de alta-frequência. A ação de carga cíclica de longo prazo inicia e expande trincas por fadiga, eventualmente levando à fratura por fadiga do parafuso.

Quando a fratura do parafuso da roda ocorre após a operação do veículo, os inspetores devem primeiro observar a morfologia da fratura para avaliar preliminarmente a falha por fadiga antes de conduzir-análises mais aprofundadas.

3 Fratura por sobrecarga

Fratura por sobrecarga refere-se à fratura por tração quando a carga axial total excede o limite permitido do material do parafuso. Como a área efetiva de suporte da seção roscada é menor que a da haste lisa com concentração de tensão mais severa, a fratura por sobrecarga ocorre principalmente na seção roscada, que pode ser identificada preliminarmente pela morfologia da fratura.

Os parafusos de grau 8.8 apresentam estrangulamento óbvio após fratura por sobrecarga; Os parafusos grau 10.9 apresentam leve estrangulamento; Os parafusos de alta-resistência grau 12.9 basicamente não apresentam características de estrangulamento sob condições normais de sobrecarga.

Estreitamento óbvio também pode aparecer em parafusos de grau 8,8 a 12,9 com materiais não qualificados, tratamento térmico inadequado, têmpera incompleta ou dureza do núcleo insuficiente. Portanto, os critérios de julgamento para fratura por sobrecarga são especificados da seguinte forma:

(1) Para fraturas com estricção, o teste de amostra deve ser realizado de acordo com GB/T 3098.1. A fratura por sobrecarga pode ser confirmada se a dureza do núcleo for qualificada.

(2) A análise metalográfica é necessária paraParafusos de alta resistência-grau 12,9para determinar a fratura por sobrecarga, porque defeitos na superfície da rosca e defeitos no material também podem causar fratura na seção roscada e não podem ser avaliados apenas pela aparência.

A fratura por sobrecarga ocorre principalmente em conexões parafusadas sob cargas axiais, com três causas principais:

um. Um torque de montagem excessivamente alto faz com que a pré-carga exceda a resistência ao escoamento do material do parafuso, resultando em estiramento ou fratura do parafuso durante a montagem.

b. Pré-carga de montagem excessiva próxima ao limite de escoamento do parafuso. Durante a operação do equipamento, o parafuso suporta tanto a pré-carga residual quanto a carga de trabalho. A superposição das duas cargas excedendo o limite de resistência do material causa fratura por sobrecarga. Sob carga de trabalho constante, uma pré-carga de montagem mais alta leva a uma pré-carga residual mais alta e a um maior risco de sobrecarga.

c. Seleção inadequada de parafusos com diâmetro nominal de rosca insuficiente, não atendendo aos requisitos de rolamento no projeto estrutural.

Fratura de 4 parafusos causada por carga excêntrica de montagem

A fratura do parafuso devido à carga excêntrica é uma falha típica do processo de montagem. Marcas de desgaste óbvias-em forma de crescente podem ser observadas na superfície de suporte do parafuso, com a área de rolamento real representando apenas 1/4 a 1/3 da área total de suporte e distribuição de tensão severamente desigual. A haste do parafuso perto da fratura dobra oposta à direção da tensão, mostrando características típicas de flexão excêntrica e fratura.

A falha de carga excêntrica dos parafusos é causada principalmente por dois fatores:

Primeiro, a superfície de apoio de contato das peças conectadas é inclinada ou irregular, resultando em tensão local nocabeça do parafusoe formação de carga excêntrica, que é a principal causa deste caso de falha.

Em segundo lugar, o erro excessivo de retilineidade ou a deformação por flexão da haste do parafuso causam carga excêntrica inerente durante a montagem.

Os dois tipos de cargas excêntricas diferem significativamente na posição de tensão e na direção de flexão da haste, que podem ser distinguidas através dos traços de tensão da superfície de suporte e da direção de deformação do parafuso.

5 Conclusão

Falhas nos fixadores, como fratura, deslizamento e afrouxamento da rosca, nem sempre são causadas por defeitos inerentes à qualidade do produto. Procedimentos padronizados de solução de problemas devem ser seguidos quando ocorrer falha de fixação:

Primeiro, preserve completamente as amostras com falha e proteja as superfícies de fratura contra ferrugem, colisão e danos secundários para garantir uma análise de falha precisa.

Em segundo lugar, determine preliminarmente o tipo de falha e a indução com base na morfologia da fratura, aparência da amostra, traços de tensão superficial e condições reais de trabalho.

Terceiro, realize testes físicos e químicos profissionais, incluindo análise metalográfica e detecção de dureza. Se os indicadores de material e tratamento térmico atenderem aos padrões nacionais, a falha terá origem no projeto estrutural ou no processo de montagem; caso contrário, será confirmado como defeito de qualidade do fixador.

Quarto, formular medidas direcionadas de retificação e prevenção de acordo com as causas de falha confirmadas, padronizar as especificações de projeto e otimizar os processos de montagem para evitar a recorrência de falhas semelhantes.