Os parafusos são um fixador comumente usado. Se um parafuso quebrar ligeiramente, ele precisará ser desligado para manutenção. No entanto, se quebrar gravemente, pode causar danos às máquinas e até causar mortes humanas.
A mera substituição de um parafuso quebrado não elimina completamente o risco de nova quebra. Portanto, é fundamental analisar os fatores que contribuem para a quebra do parafuso e melhorá-los.
Do ponto de vista individual, os fatores que levam às fraturas dos parafusos podem variar amplamente. No entanto, ao examinar um grande número de amostras de fraturas de parafusos, algumas características comuns podem ser identificadas.
1. Características de fase e análise de correlação dos fatores que influenciam a fratura do parafuso
O ciclo de vida dos parafusos pode ser dividido em quatro etapas: projeto, fabricação, uso e manutenção, sendo a falha um resultado possível. As fissuras de interrupção são o tipo de falha mais prejudicial.
Para evitar a falha por fratura do parafuso, é essencial compreender o conjunto completo e o subconjunto de fatores que influenciam a fratura do parafuso em diferentes estágios do seu ciclo de vida.
A Tabela 1 e a Tabela 2 são obtidas após análise estatística dos fatores que influenciam a fratura de 227 parafusos.
Tabela 1 Análise estatística dos fatores que afetam a fratura em amostras de fratura de parafuso por estágios
| Total | 227 | |
| Quebra de fator de estágio único | Fabricação | 81 |
| Projeto | 34 | |
| Ciência dos Materiais | 14 | |
| Usar | 14 | |
| Combinação de fatores de dois estágios causa quebra | Design + Fabricação | 27 |
| Fabricação + Materiais | 17 | |
| Fabricação+uso | 14 | |
| Projetar + usar | 7 | |
| Design+Materiais | 1 | |
| Uso+Material | 1 | |
| Quebrado pela combinação de 3 estágios + fatores materiais | Design+Fabricação+Uso | 7 |
| Design+Material+Fabricação | 2 | |
| Material+Fabricação+Uso | 7 | |
| 3 etapas + materiais | 1 | |
Tabela 2 Análise de Correlação de Fratura de Parafuso com Três Estágios e Materiais em Amostras de Fratura de Parafuso
| Classificação de correlação | Proporção/% | ||
| Relacionado à fabricação | independente | 81 | |
| combinação | 75 | ||
| Total | 156 | 68,7 | |
| Relacionado ao design | independente | 34 | |
| combinação | 45 | ||
| Total | 79 | 34,8 | |
| Relacionado a materiais | independente | 14 | |
| combinação | 29 | ||
| metro | 43 | 18,9 | |
| Relacionado ao uso | independente | 14 | |
| combinação | 37 | ||
| Total | 51 | 22,5 | |
A fratura do parafuso pode ser causada por um único fator ou por uma combinação de múltiplos fatores.
A Tabela 2 mostra que 77,5% das amostras de fraturas de parafusos são causadas por fatores pré-uso, enquanto 68,7% das fraturas de parafusos estão relacionadas à fabricação.
2. Fatores e mecanismos que afetam a fratura em diferentes estágios da vida útil do parafuso
Existem vários fatores que podem afetar a vida útil dos parafusos, incluindo a sua suscetibilidade à fratura.
No entanto, devido a restrições de espaço, iremos apenas realizar uma análise preliminar dos mecanismos que têm uma elevada frequência de influência.
2.1 Fatores e mecanismos que afetam a fratura do parafuso na fase de projeto
De acordo com a Tabela 3, os principais fatores responsáveis pela fratura do parafuso durante a fase de projeto são a seleção inadequada do material, as forças externas que atuam nos parafusos, o projeto da estrutura do parafuso, o pequeno diâmetro e a diferença de temperatura causada pelo uso de diferentes materiais. Somente esses cinco fatores respondem por 85 instâncias, o que equivale a 82,5% do total de 103 instâncias observadas na fase de projeto.
2.1.1 Efeito da seleção inadequada de material na fratura do parafuso
A seleção dos materiais é um aspecto crucial do projeto do parafuso. A Tabela 4 demonstra os componentes impactados pela seleção inadequada de material em amostras de fratura de parafuso.
A corrosão ambiental e sob tensão, a resistência insuficiente ou excessiva do material e os processos de tratamento térmico inadequados foram a causa de 47 dos 58 incidentes, representando 81,0% dos casos.
Tabela 3 Classificação e frequência dos fatores que afetam a fratura do parafuso na fase de projeto em amostras de fratura do parafuso
| Itens afetados | 103 |
| Seleção inadequada de materiais | 42 |
| Influência externa: vibração e rigidez insuficiente dos conectores | 17 |
| Projeto de estrutura de parafuso | 14 |
| Diâmetro pequeno | 7 |
| Carga de diferença de temperatura causada por diferentes materiais | 5 |
| Número e disposição dos parafusos | |
| Anti-perda | 3 |
| Comprimento e método de conexão | 3 |
| Requisitos de design inadequados | 3 |
| outro | 5 |
(1) Impacto do meio ambiente e corrosão sob tensão na fratura do parafuso
A corrosão sob tensão é um fenômeno de falha que ocorre em materiais quando eles são submetidos a uma combinação de tensão estática (especialmente tensão de tração) e corrosão.
Quando um parafuso é exposto a tensões e a um ambiente corrosivo, a película de óxido superficial do parafuso pode ser danificada devido à corrosão. A superfície danificada torna-se o ânodo e a superfície não danificada torna-se o cátodo.
Como resultado, a densidade da corrente anódica aumenta dramaticamente, causando corrosão adicional da superfície danificada. Sob a influência da tensão de tração, fissuras aparecem gradativamente na área danificada, que se expandem gradativamente até a ruptura do parafuso.
Para evitar a corrosão sob tensão, é importante escolher materiais com forte resistência a ela. Por exemplo, em ambientes que contenham água em alta temperatura com sulfetos, recomenda-se a utilização de aço inoxidável austenítico cromo-níquel com baixo teor de manganês.
Além disso, o projeto da estrutura do parafuso deve ser otimizado para reduzir a concentração de tensões.
Melhorar o ambiente de corrosão também pode ajudar a prevenir a corrosão sob tensão. Isto pode ser feito adicionando inibidores de corrosão ao meio corrosivo ou usando uma camada protetora metálica ou não metálica para isolar o meio corrosivo.
(2) A influência do mau desempenho do material do parafuso na fratura do parafuso.
O desempenho do material abrange vários indicadores, e o mau desempenho ocorre quando o material do parafuso selecionado é incompatível com o ambiente de serviço. O uso de materiais além de sua capacidade de engenharia pode levar à fratura do parafuso.
Por exemplo, o parafuso de acoplamento de uma unidade de 200 MW fraturou devido ao uso original de aço 35 que não foi temperado nem revenido e tinha uma estrutura grosseira de widmanstatten ou faixas. Ao analisar o parafuso quebrado, concluiu-se que o aço 35 não era adequado para a fabricação do parafuso de acoplamento. Em vez disso, o aço 40CrNiMo foi usado para melhorar as propriedades mecânicas abrangentes do material do parafuso.
No entanto, é crucial garantir a correspondência entre a dureza dos parafusos e os materiais de acoplamento ao usar o aço 40CrNiMo. Ao examinar o parafuso quebrado, descobriu-se que o desgaste por atrito do parafuso com dureza de (260 ~ 280) HB causou danos ao orifício do parafuso. Portanto, o uso do aço 40CrNiMo para melhorar a dureza do parafuso e alcançar alta resistência à fadiga pode ter consequências adversas.
Consequentemente, é necessário realizar um teste abrangente de propriedades mecânicas para obter baixa sensibilidade ao entalhe, dureza correspondente e resistência à fadiga por flexão do parafuso antes de fazer a transição para seu uso.
(3) Impacto de resistência excessiva ou insuficiente na fratura do parafuso
É fácil entender que resistência insuficiente pode causar fraturas nos parafusos, mas é fácil ignorar a relação entre resistência excessiva e fratura nos parafusos.
Parafusos de alta resistência não apenas aumentam a sensibilidade às concentrações de tensão nos entalhes, mas também apresentam maior suscetibilidade à fragilização por hidrogênio.
As fissuras induzidas por hidrogénio normalmente ocorrem quando o teor de hidrogénio no aço excede 5 partes por milhão (ppm). No entanto, com aço de alta resistência, os átomos de hidrogénio nas lacunas da rede concentrar-se-ão em locais de concentração de tensão gerados por entalhes através da difusão, mesmo quando o teor de hidrogénio no aço for inferior a 1 ppm.
Esses átomos de hidrogênio interagem com os deslocamentos, fazendo com que as linhas de deslocamento fiquem presas e incapazes de se mover livremente, tornando o corpo quebradiço.
2.1.2 Fatores externos afetam a fratura do parafuso
(1) Efeito da vibração na fratura do parafuso
A resposta à vibração do parafuso de conexão é influenciada principalmente por dois fatores: as características modais do parafuso de conexão e a excitação vibratória transmitida ao parafuso pela peça de conexão.
Após a quebra do parafuso de ligação entre uma transmissão e uma tomada de força, foi realizado um teste modal no parafuso longo. Os resultados mostraram que, na condição de torque de aperto de 45 N·m, a frequência natural do primeiro modo de flexão foi de 1155 Hz e a taxa de amortecimento modal foi de 0,67.
Durante o teste de resposta vibratória da tomada de força da transmissão sob condições de funcionamento do motor, observou-se que quando o sistema de transmissão estava em operação, o parafuso longo era excitado por vibração significativa com frequência de vibração principal de 1000 a 1500 Hz. A primeira frequência de flexão do parafuso longo estava dentro desta faixa de frequência e a taxa de amortecimento era muito baixa.
Isto causou um efeito de amplificação de ressonância, resultando em uma resposta de ressonância de flexão significativa do parafuso e uma alta tensão dinâmica de flexão na conexão roscada. Como resultado, o parafuso de ligação quebrou prematuramente.
(2) Impacto da rigidez insuficiente das peças conectadas
A rigidez insuficiente nas peças conectadas não só gera vibrações, mas também causa tensões desiguais nos parafusos.
Os parafusos de ancoragem de um motor marítimo a diesel quebravam com bastante frequência. Os resultados da análise revelaram que o motor principal apresentava grandes vibrações, principalmente vibrações verticais causadas pela fraca rigidez da base – porão.
Depois que o bloco de posicionamento da cunha do suporte de posicionamento do hospedeiro foi firmemente soldado, o chumbador não quebrou mais, pois sua rigidez foi reforçada.
Ambas as extremidades da placa de aço da carcaça do tambor de uma talha são conectadas à placa do flange com parafusos M22. No entanto, não há anel de suporte de reforço ou anel de revestimento circunferencial dentro do tambor, o que cria uma viga simplesmente apoiada ao longo do eixo.
Como resultado, a rigidez é fraca e, em condições de trabalho, o meio da carcaça do tambor sofre a maior deformação, colocando o parafuso de conexão M18 sob força máxima e causando sua quebra. Enquanto isso, os parafusos de conexão próximos à placa do flange em ambas as extremidades do tambor não quebraram.
2.1.3 Efeito da estrutura do furo do parafuso na fratura do parafuso
O principal fator que contribui para a fratura de parafusos em estruturas de parafusos e furos de parafusos é um pequeno filete de transição. Isso inclui o filete de transição na raiz da rosca, parafuso e cabeça do parafuso e rebaixo. Um pequeno filete de transição não só gera concentração de tensões, mas também leva à geração de grandes tensões internas durante o tratamento térmico, resultando no aparecimento de microfissuras ou tendências de trincas que reduzem a capacidade de carga do parafuso.
A combinação de cargas externas e tensões internas faz com que o parafuso suporte uma carga que excede seu limite, levando à quebra.
Por exemplo, o parafuso do rolamento principal de um motor diesel de locomotiva DF 7B foi quebrado devido a esse fenômeno.
Após a modificação, o furo do parafuso central foi eliminado, resultando num aumento de 45% na área de apoio da cabeça do parafuso do apoio principal e numa melhoria substancial na resistência da peça roscada.
Além disso, a eliminação do furo interno do parafuso eliminou a concentração de tensão causada pela estrutura da rosca do furo interno, resultando em um aumento na resistência à fadiga do parafuso.
2.2 Fatores e mecanismos que afetam a fratura do parafuso na fase de fabricação
A qualidade do tratamento térmico, usinagem, tamanho do filete de transição de processamento, encaixe e montagem e o processo de formação do parafuso são os principais fatores que afetam o risco de fratura do parafuso durante a fase de fabricação.
Existem 141 fatores, representando 89,2% de 158. Ver Tabela 5 e Tabela 6.
Tabela 5 Classificação e Itens dos Fatores que Afetam a Fratura do Parafuso na Etapa de Fabricação
| Item | 158 |
| Qualidade do tratamento térmico | 71 |
| Qualidade de usinagem | 40 |
| O filé é muito pequeno | 11 |
| Qualidade de ajuste e montagem | 10 |
| Nenhum defeito integral no processo de forjamento ou conformação | 9 |
| Defeito na superfície radicular do dente do parafuso | 2 |
| Fratura de revestimento e corrosão | 1 |
| outro | 14 |
Tabela 6 Classificação e itens dos fatores que afetam a fratura do parafuso por tratamento térmico
| Item | 87 |
| Projeto de Processo de Tratamento Térmico e Qualidade de Processo | 33 |
| fragilização por hidrogênio | 14 |
| Descarbonetação e sobrequeima parcial | 11 |
| Displasia | 8 |
| Alta dureza e baixa plasticidade | 6 |
| Carburação superficial ou central | 5 |
| Qualidade de têmpera e inteligência de pré-tratamento | 5 |
| Tratamento térmico e corda de couro de fixação de conflito de material | 1 |
| outros | 4 |
2.2.1 Efeito do tratamento térmico na fratura do parafuso
Os principais fatores responsáveis pela fratura do parafuso são o projeto do processo de tratamento térmico e a qualidade do processo, fragilização por hidrogênio, descarbonetação, queima excessiva local, estrutura deficiente, alta dureza e baixa plasticidade. Esses fatores respondem coletivamente por 82,8% dos 87 casos estudados.
(1) Efeito do projeto do processo de tratamento térmico e da qualidade do processo na fratura do parafuso
Um exemplo é apresentado para demonstrar o impacto de processos inadequados de tratamento térmico na fratura do parafuso. Quando o aço 42CrMo temperado e revenido hipoeutetóide é utilizado como material do parafuso e o tamanho da seção é grande (por exemplo, ≥ 500 mm), atingir a taxa de rendimento de 0,9 com o tratamento tradicional de têmpera e revenido torna-se um desafio.
Para atingir a meta, é necessário reduzir a temperatura de revenido, ou seja, utilizar revenido em temperatura média ou revenido em temperatura mais baixa. No entanto, isso resultaria em diminuição da tenacidade, aumento da resistência e a estrutura metalográfica conteria defeitos (o segundo tipo de fragilidade por revenimento).
Os resultados dos testes de um lote de parafusos são os seguintes: alta resistência (σb>1200 MPa), alta dureza (HBS>400), e a estrutura metalográfica é troostita temperada, o que apoia totalmente esta observação.
Estudos realizados nacional e internacionalmente indicam que quanto maior a resistência do aço, mais sujeito ele fica a trincas. Portanto, se a tenacidade for insuficiente quando σb> 1200 MPa, a fratura frágil por baixa tensão pode ocorrer facilmente.
(2) Efeito da fragilização por hidrogênio na fratura do parafuso
Parafusos usados em ambientes corrosivos e que exigem alta resistência geralmente precisam de tratamento anticorrosivo.
No entanto, alguns processos anticorrosivos, como a cromagem, podem levar à fragilização por hidrogênio.
A pesquisa mostrou que quanto maior a resistência do material, mais sensível ele é à fragilização por hidrogênio e mais rapidamente as rachaduras crescerão.
Em microestruturas de aço, a suscetibilidade à fragilização por hidrogênio geralmente segue esta ordem de maior para menor: martensita, bainita superior, bainita inferior, sorbita, perlita e austenita. A alta resistência depende da estrutura metalográfica correspondente.
A fragilização por hidrogênio pode resultar de hidrogênio interno ou externo. O hidrogênio interno é gerado durante a fabricação, enquanto o hidrogênio externo penetra durante o uso.
Geralmente, o hidrogênio interno fará com que o parafuso rache ou quebre antes ou depois do uso, enquanto o hidrogênio externo requer um processo de acumulação para atingir o nível de dano que causará a fratura do parafuso.
Portanto, leva tempo para o parafuso quebrar.
Para evitar fraturas por fragilização por hidrogênio causadas por galvanoplastia, recomenda-se o uso de revestimentos livres de fragilização por hidrogênio, como revestimentos de zinco-cromo comumente usados em indústrias como automotiva e aeroespacial.
2.2.2 Efeito da qualidade da usinagem na fratura do parafuso
Durante o processo de fabricação do parafuso, defeitos como rugas, dobras e microfissuras podem se formar devido ao processamento inadequado. Esses defeitos geralmente levam a mais rachaduras ou expansão das roscas dos parafusos durante a laminação, conformação ou tratamento térmico. Em particular, tais defeitos tendem a concentrar-se na raiz das roscas dos parafusos.
Sob tensão ou carga cíclica, as microfissuras na raiz das roscas dos parafusos são suscetíveis à concentração de tensão, o que pode desencadear fontes de fadiga e causar fraturas por fadiga de múltiplas fontes.
Em uma unidade de turbina a gás de 350 MW, foi observada uma faixa de usinagem na superfície de fratura do parafuso do aquecedor. Essa faixa estava localizada na junção do parafuso e da cabeça do parafuso. Além disso, um grande poço de corrosão foi encontrado na faixa, indicando corrosão óbvia na fenda antes do parafuso quebrar.
Outras inspeções de aparência revelaram que a superfície da haste polida do parafuso era áspera. Isto não só se tornou a fonte de concentração de tensão, mas também forneceu condições para corrosão em frestas e corrosão sob tensão.
2.3 Análise de fatores materiais e frequência que afetam a fratura do parafuso
A Tabela 7 exibe os fatores que influenciam e os itens relacionados ao material que contribuem para a fratura do parafuso na amostra de parafusos quebrados. Inclui 39 itens relacionados a inclusões, qualidade do material, defeitos metalúrgicos e conteúdo excessivo de elementos químicos, que respondem por 86,7% do total de 45 itens.
Tabela 7 Fatores e Itens que Afetam a Fratura do Parafuso por Materiais
| Item | 45 |
| Inclusão | 16 |
| Qualidade dos materiais | 10 |
| Defeito metalúrgico | 7 |
| Elementos químicos de materiais | 6 |
| Segregação | 4 |
| Microfissura | 2 |
(1) Influência das inclusões na fratura do parafuso
Quando o magnésio e o cálcio das inclusões estranhas, bem como o enxofre, o manganês, o cromo e outros elementos do material, segregam em direção ao limite do grão, isso pode causar fragilização do limite do grão. Essa fragilização pode ocorrer em áreas locais, levando a possíveis rachaduras.
Além disso, se o tamanho das inclusões nos parafusos for excessivamente grande, especialmente próximo à camada superficial, pode acelerar o início e a propagação de trincas por fadiga nos parafusos.
A distribuição em faixas de inclusões de MnS no aço também pode aumentar sua suscetibilidade à fissuração induzida pelo hidrogênio.
(2) Efeito das propriedades do material fornecido na fratura do parafuso
Em certos ambientes de serviço, não é suficiente focar apenas na resistência e na dureza dos materiais dos parafusos. Consideração abrangente deve ser dada a fatores como plasticidade, resistência ao impacto, resistência à corrosão, sensibilidade ao entalhe e a diferença de desempenho entre a temperatura ambiente e a temperatura de trabalho.
A não conformidade no desempenho do material refere-se a uma situação em que o material fornecido não atende aos requisitos do projeto.
Depois que os parafusos do aquecedor a gás de uma unidade de turbina a gás quebraram, foi descoberto através da composição química e análise metalográfica que os parafusos quebrados não eram feitos de aço inoxidável tipo 304 especificado no projeto. Em vez disso, eles foram fundidos depois que vários materiais diferentes de aço inoxidável foram fundidos novamente, e sua resistência à corrosão era inadequada, levando à corrosão galvânica entre os parafusos e a placa cega devido aos diferentes potenciais do eletrodo no início.
Embora os parafusos quebrados no flange da válvula reguladora de pressão intermediária de um gerador de turbina a vapor tenham passado nas verificações pontuais de resistência mecânica e resistência ao impacto em temperatura ambiente, ambos não conseguiram se qualificar no teste na temperatura operacional de 540 ℃.
(3) Influência dos defeitos metalúrgicos dos materiais na fratura do parafuso
A presença de folgas, bolhas, inclusões de escória e rachaduras internas nos materiais dos parafusos diminui significativamente a tensão real admissível dos materiais.
A análise macro e micro da superfície de fratura de parafusos de alta resistência mostra que após o início da fratura na origem da trinca, o processo se expande rápida e instável até quebrar. Isto ocorre porque o material contém numerosos microdefeitos, como microfissuras e microporos, que reduzem a tensão real admissível e também são um pré-requisito para o crescimento rápido e instável de fissuras.
A formação dessas microfissuras está relacionada à desgaseificação e escória incompletas durante a fundição, bem como à eliminação incompleta durante o forjamento subsequente.
2.4 Análise dos fatores de serviço e frequência que afetam a fratura do parafuso
Os principais fatores que contribuem para a fratura do parafuso durante o uso incluem força de pré-aperto, força de aperto irregular, métodos de aperto inadequados, problemas de instalação e outros problemas relacionados.
Das 92 ocorrências registradas, esses três problemas foram responsáveis por 69 ocorrências, correspondendo a 75,0% dos casos, conforme mostra a Tabela 8.
(1) Efeito da força de pré-aperto na fratura do parafuso
A estrutura de vedação de uma conexão de braçadeira é inacessível devido às condições de alta temperatura e alta pressão.
Para apertar o parafuso de fixação, o operador utiliza uma chave especial com aproximadamente 1 metro de comprimento até que não possa mais ser apertado. No entanto, isto faz com que a pré-carga do parafuso exceda a tensão admissível do parafuso.
Quando a pressão da tubulação aumenta, a tensão do parafuso aumenta ainda mais, resultando na quebra do parafuso em um curto espaço de tempo.
No caso de um grupo de parafusos de biela, se um parafuso não tiver pré-carga suficiente, uma grande folga se formará entre o munhão da biela e a bucha do rolamento.
Sob operação do virabrequim em alta velocidade, o parafuso suportará grandes cargas de impacto e momentos de flexão alternados, levando à fadiga e fraturas. A carga deve então ser transferida para outro parafuso, que também ficará sobrecarregado e fraturará.
(2) Força de fixação irregular e método de fixação inadequado
Durante a manutenção do compressor, o pessoal de manutenção não utilizou uma chave dinamométrica para aplicar a força de pré-aperto projetada aos parafusos. Em vez disso, eles usaram uma chave inglesa sólida e uma marreta para aplicar força, contando apenas com sua experiência para estimar a quantidade correta de pressão.
Como resultado, a força de pré-aperto aplicada aos parafusos era inconsistente. Os parafusos localizados em áreas convenientes para martelar receberam maior força de pré-aperto, enquanto aqueles em áreas menos acessíveis receberam menos força.
Depois de analisar a distribuição da fratura dos parafusos do cabeçote do compressor, descobriu-se que a maioria dos parafusos localizados no local conveniente para martelar havia quebrado, o que é consistente com os resultados analíticos.
3. Conclusão
(1) Os objetivos de qualidade para o ciclo de vida dos produtos mecânicos baseiam-se na obtenção da qualidade do ciclo de vida de todas as suas peças, incluindo os parafusos. Uma abordagem inovadora é estabelecer o conceito de qualidade do ciclo de vida em nível de peça e identificar os fatores que influenciam a fratura do parafuso.
(2) A qualidade do ciclo de vida dos parafusos é influenciada por vários estágios e fatores. O estabelecimento de um conjunto de fatores que afetam a fratura dos parafusos pode auxiliar no planejamento geral e na seleção desses fatores, atingindo assim os objetivos de qualidade do ciclo de vida dos parafusos.
(3) Há necessidade de aprimorar continuamente o conjunto de fatores que influenciam a fratura dos parafusos, bem como complementar e revisar os materiais didáticos e documentos relevantes para apoiar a prática do conceito de qualidade do ciclo de vida para parafusos e produtos mecânicos.
