Compreender a fratura do parafuso: Mecanismos e factores

Os parafusos são um elemento de fixação comummente utilizado. Se um parafuso se partir ligeiramente, é necessário encerrar a máquina para manutenção. No entanto, se se partir gravemente, pode causar danos na maquinaria e até mesmo provocar a morte de pessoas.

A mera substituição de um parafuso partido não elimina completamente o risco de voltar a partir. Por conseguinte, é essencial analisar os factores que contribuem para a quebra do parafuso e melhorá-los.

De uma perspetiva individual, os factores que conduzem a fracturas de parafusos podem variar muito. No entanto, ao examinar um grande número de amostras de fracturas de parafusos, podem ser identificadas algumas características comuns.

1. Características da fase e análise de correlação dos factores que influenciam a fratura dos parafusos

O ciclo de vida dos parafusos pode ser dividido em quatro fases: conceção, fabrico, utilização 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 dos parafusos, é essencial compreender o conjunto completo e o subconjunto de factores que influenciam a fratura dos parafusos em diferentes fases do seu ciclo de vida.

A Tabela 1 e a Tabela 2 são obtidas após a análise estatística dos factores que influenciam a fratura de 227 parafusos.

Tabela 1 Análise estatística dos factores que afectam a fratura em amostras de fratura de parafusos por fases

Tabela 2 Análise de correlação da fratura do parafuso com três fases e materiais em amostras de fratura do parafuso

A fratura do parafuso pode ser causada por um único fator ou por uma combinação de vários factores.

A Tabela 2 mostra que 77,5% das amostras de fracturas de parafusos são causadas por factores de pré-utilização, enquanto 68,7% das fracturas de parafusos estão relacionadas com o fabrico.

2. Factores e mecanismos que afectam a fratura em diferentes fases da vida dos parafusos

Existem inúmeros factores que podem afetar a vida útil dos parafusos, incluindo a sua suscetibilidade à fratura.

No entanto, devido a limitações de espaço, apenas faremos uma análise preliminar dos mecanismos que têm uma elevada frequência de influência.

2.1 Factores e mecanismos que afectam a fratura dos parafusos na fase de projeto

De acordo com a Tabela 3, os principais factores responsáveis pela fratura dos parafusos durante a fase de projeto são seleção de materiaisA força externa que actua sobre os parafusos, a conceção da estrutura do parafuso, o pequeno diâmetro e a diferença de temperatura causada pela utilização de materiais diferentes. Estes cinco factores, por si só, são responsáveis por 85 casos, o que equivale a 82,5% dos 103 casos totais observados na fase de conceção.

2.1.1 Efeito de um mau funcionamento seleção de materiais sobre a fratura dos parafusos

A seleção de materiais é um aspeto crucial do desenho dos parafusos. A Tabela 4 demonstra os componentes afetados pela seleção inadequada de materiais em amostras de fratura de parafusos.

A corrosão ambiental e por 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 factores que afectam a fratura dos parafusos na fase de projeto em amostras de fratura de parafusos

(1) Impacto do ambiente e da corrosão sob tensão na fratura dos parafusos

A corrosão sob tensão é um fenómeno de falha que ocorre nos materiais quando estes são sujeitos 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 da superfície do parafuso pode ficar 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 drasticamente, provocando uma maior corrosão da superfície danificada. Sob a influência da tensão de tração, surgem gradualmente fissuras na área danificada, que se expandem gradualmente até à falha do parafuso.

Para evitar a corrosão sob tensão, é importante escolher materiais com forte resistência à mesma. Por exemplo, em ambientes que contêm água a alta temperatura com sulfuretos, recomenda-se a utilização de aço inoxidável austenítico cromo-níquel com baixo teor de manganês.

Além disso, a conceção da estrutura dos parafusos deve ser optimizada para reduzir a concentração de tensões.

A melhoria do ambiente de corrosão também pode ajudar a prevenir a corrosão sob tensão. Isto pode ser feito através da adição de inibidores de corrosão ao meio de corrosão ou através da utilização de uma camada protetora metálica ou não metálica para isolar o meio corrosivo.

(2) A influência do parafuso deficiente desempenho dos materiais sobre a fratura dos parafusos.

O desempenho do material engloba vários indicadores, e o mau desempenho ocorre quando o material selecionado para o parafuso 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 fracturou devido à utilização original de um aço 35 que não foi temperado nem revenido e que tinha uma espessura widmanstatten ou estrutura em banda. Após a análise do parafuso partido, concluiu-se que o aço 35 não era adequado para o fabrico do parafuso de acoplamento. Em vez disso, foi utilizado o aço 40CrNiMo para melhorar as propriedades mecânicas globais do material do parafuso.

No entanto, é crucial assegurar a correspondência entre a dureza dos parafusos e os materiais de acoplamento quando se utiliza o aço 40CrNiMo. Ao examinar o parafuso partido, descobriu-se que o desgaste por atrito do parafuso com dureza de (260~280) HB causou danos no orifício do parafuso. Por conseguinte, a utilização do aço 40CrNiMo para melhorar a dureza do parafuso e obter uma elevada resistência à fadiga poderá ter consequências negativas.

Consequentemente, é necessário efetuar um ensaio abrangente das propriedades mecânicas para obter a sensibilidade do entalhe baixo, a dureza correspondente e a resistência à fadiga por flexão do parafuso antes da transição para a sua utilização.

(3) Impacto da força excessiva ou insuficiente na fratura dos parafusos

É fácil compreender que a força insuficiente pode causar fracturas nos parafusos, mas é fácil ignorar a relação entre a força excessiva e a fratura dos parafusos.

Os parafusos de alta resistência não só aumentam a sensibilidade às concentrações de tensão nos entalhes, como também têm uma maior suscetibilidade a fragilização por hidrogénio.

As fissuras induzidas pelo hidrogénio ocorrem normalmente quando o teor de hidrogénio no aço é superior a 5 partes por milhão (ppm). No entanto, no aço de alta resistência, os átomos de hidrogénio nas lacunas da rede concentram-se nos locais de concentração de tensões gerados por entalhes através de difusão, mesmo quando o teor de hidrogénio no aço é inferior a 1 ppm.

Estes átomos de hidrogénio interagem com as deslocações, fazendo com que as linhas de deslocação fiquem presas e incapazes de se moverem livremente, o que acaba por tornar o corpo frágil.

2.1.2 Factores externos que afectam a fratura dos parafusos

(1) Efeito da vibração na fratura dos parafusos

A resposta vibratória do parafuso de ligação é influenciada principalmente por dois factores: as características modais do parafuso de ligação e a excitação vibratória transmitida ao parafuso pela peça de ligação.

Na sequência da rutura do parafuso de ligação entre uma transmissão e uma tomada de força, foi efectuado um ensaio modal no parafuso longo. Os resultados mostraram que, sob a condição de um binário de aperto de 45 N-m, o frequência natural do primeiro modo de flexão foi de 1155 Hz e o rácio de amortecimento modal foi de 0,67.

Durante o ensaio de resposta às vibrações da tomada de força da transmissão em condições de funcionamento do motor, observou-se que, quando o sistema de transmissão estava em funcionamento, o parafuso longo era excitado por uma vibração significativa com uma frequência de vibração principal de 1000 a 1500 Hz. A primeira frequência de flexão do parafuso longo situava-se dentro desta banda de frequência e a relação de amortecimento era muito baixa.

Isto causou um efeito de amplificação de ressonância, resultando numa resposta de ressonância de flexão significativa do parafuso e numa elevada tensão dinâmica de flexão na ligação roscada. Como resultado, o parafuso de ligação partiu-se prematuramente.

(2) Impacto da rigidez insuficiente das peças ligadas

A rigidez insuficiente das peças ligadas não só gera vibrações como também provoca tensões irregulares nos parafusos.

Os parafusos de ancoragem de um motor marítimo a gasóleo partiam com bastante frequência. Os resultados da análise revelaram que o motor principal apresentava grandes vibrações, particularmente vibrações verticais causadas pela fraca rigidez da base - porão.

Depois de o bloco de posicionamento em cunha do suporte de posicionamento do hospedeiro ter sido soldado com firmeza, o parafuso de ancoragem não partiu mais, pois a sua rigidez foi reforçada.

Ambas as extremidades do chapa de aço da carcaça do tambor de um guincho estão ligados à placa de flange com parafusos M22. No entanto, não existe qualquer anel de suporte de reforço ou anel de revestimento circunferencial no interior 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 do invólucro do tambor sofre a maior deformação, colocando o parafuso de ligação M18 sob a força máxima e causando a sua quebra. Entretanto, os parafusos de ligação perto da placa de flange em ambas as extremidades do tambor não se partiram.

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. Isto inclui o filete de transição na raiz da rosca, no parafuso e na cabeça do parafuso, e no rebaixo. Um pequeno filete de transição não só gera concentração de tensão, mas também leva à geração de grandes tensão interna durante o tratamento térmico, resultando no aparecimento de microfissuras ou tendências de fissuras que reduzem a capacidade de suporte do parafuso.

A combinação de cargas externas e tensões internas faz com que o parafuso suporte uma carga que excede o seu limite, levando à rutura.

Por exemplo, o parafuso da chumaceira principal de um motor diesel de uma locomotiva DF 7B partiu-se devido a este fenómeno.

Após a modificação, o orifício do parafuso central foi eliminado, resultando num aumento da área de suporte da cabeça do parafuso da chumaceira principal e numa melhoria substancial da resistência da parte roscada.

Além disso, a eliminação do orifício interno do parafuso eliminou a concentração de tensão causada pela estrutura da rosca do orifício interno, resultando num aumento da resistência à fadiga do parafuso.

2.2 Factores e mecanismos que afectam a fratura dos parafusos na fase de fabrico

A qualidade do tratamento térmico, a maquinagem, o tamanho do filete de transição do processamento, o encaixe e a montagem, e o processo de formação dos parafusos são os principais factores que afectam o risco de fratura dos parafusos durante a fase de fabrico.

Existem 141 factores, que representam 89,2% de 158. Ver Quadro 5 e Quadro 6.

Tabela 5 Classificação e itens dos factores que afectam a fratura dos parafusos na fase de fabrico

Tabela 6 Classificação e itens dos fatores que afetam a fratura de parafusos por tratamento térmico

2.2.1 Efeito do tratamento térmico na fratura dos parafusos

Os principais factores responsáveis pela fratura dos parafusos são a conceção e a qualidade do processo de tratamento térmico e a fragilização por hidrogénio, descarbonizaçãoA estrutura do material é deficiente, a dureza é elevada e a plasticidade é baixa. Estes factores são responsáveis, em conjunto, por 82,8% dos 87 casos estudados.

(1) Efeito da conceção do processo de tratamento térmico e da qualidade do processo na fratura dos parafusos

É apresentado um exemplo para demonstrar o impacto de processos de tratamento térmico inadequados na fratura dos parafusos. Quando o aço hipoeutectoide temperado e revenido o aço 42CrMo é utilizado como material do parafuso e o tamanho da secção 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 o objetivo, é necessário reduzir a temperatura de têmpera, ou seja, utilizar uma têmpera a média temperatura ou uma têmpera a baixa temperatura. No entanto, isto resultaria numa diminuição da tenacidade, num aumento da resistência e a estrutura metalográfica conteria defeitos (o segundo tipo de fragilidade da têmpera).

Os resultados dos ensaios de um lote de parafusos são os seguintes: elevada resistência (σb>1200 MPa), elevada dureza (HBS>400), e a estrutura metalográfica é troostite temperada, o que apoia plenamente esta observação.

Estudos efectuados a nível nacional e internacional indicam que quanto maior for a resistência do aço, maior é a sua propensão para a ocorrência de fissuras. Assim, se a tenacidade for insuficiente quando σb>1200 MPa, a fratura frágil por baixa tensão pode ocorrer facilmente.

(2) Efeito da fragilização por hidrogénio na fratura dos parafusos

Os parafusos utilizados em ambientes corrosivos e que exigem uma elevada resistência necessitam frequentemente de tratamento anticorrosão.

No entanto, alguns processos anti-corrosão, como cromagempode levar à fragilização por hidrogénio.

A investigação demonstrou que quanto maior for a resistência do material, mais sensível é à fragilização pelo hidrogénio e mais rapidamente as fissuras se desenvolverão.

Nas microestruturas do aço, a suscetibilidade à fragilização por hidrogénio segue geralmente esta ordem, de alta para baixa: martensite, bainite superior, bainite inferior, sorbite, perlite e austenite. A elevada resistência depende da estrutura metalográfica correspondente.

A fragilização por hidrogénio pode resultar quer de hidrogénio interno quer de hidrogénio externo. O hidrogénio interno é gerado durante o fabrico, enquanto o hidrogénio externo penetra durante a utilização.

Geralmente, o hidrogénio interno provoca a fissuração ou fratura do parafuso antes ou depois da utilização, enquanto o hidrogénio externo requer um processo de acumulação para atingir o nível de danos que provocará a fratura do parafuso.

Por conseguinte, o parafuso demora algum tempo a fraturar.

Para evitar fracturas por fragilização por hidrogénio causadas pela galvanoplastia, recomenda-se a utilização de revestimentos sem fragilização por hidrogénio, tais como os revestimentos de zinco-crómio habitualmente utilizados em indústrias como a automóvel e a aeroespacial.

2.2.2 Efeito da qualidade da maquinagem na fratura dos parafusos

Durante o processo de fabrico dos parafusos, podem formar-se defeitos como rugas, dobras e microfissuras devido a um processamento incorreto. Estes defeitos conduzem frequentemente a novas fissuras ou à expansão das roscas dos parafusos durante a laminagem, a conformação ou o tratamento térmico. Em particular, esses 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 susceptíveis de concentração de tensões, o que pode desencadear fontes de fadiga e causar fracturas por fadiga de várias fontes.

Numa unidade de turbina a gás de 350 MW, foi observada uma linha de maquinagem na superfície de fratura do parafuso do aquecedor. Esta linha estava localizada na junção do parafuso com a cabeça do parafuso. Adicionalmente, foi encontrado um grande poço de corrosão na linha, indicando uma corrosão óbvia em fendas antes da fratura do parafuso.

Outras inspecções de aparência revelaram que a superfície da haste polida do parafuso era áspera. Isto não só se tornou a fonte de concentração de tensões, como também proporcionou condições para a corrosão em fendas e a corrosão sob tensão.

2.3 Análise dos factores materiais e da frequência que afectam a fratura dos parafusos

A Tabela 7 mostra os factores de influência e os itens relacionados com o material que contribuem para a fratura do parafuso na amostra de parafusos partidos. Ela inclui 39 itens relacionados a inclusões, qualidade do material, defeitos metalúrgicos e conteúdo excessivo de elementos químicos, que representam 86,7% do total de 45 itens.

Tabela 7 Factores e itens que afectam a fratura dos parafusos por materiais

(1) Influência das inclusões na fratura dos parafusos

Quando o magnésio e o cálcio de inclusões estranhas, bem como o enxofre, o manganês, o crómio e outros elementos do material, segregam em direção ao limite do grão, podem causar fragilização do limite do grão. Esta fragilização pode ocorrer em áreas locais, conduzindo a potenciais fissuras.

Além disso, se o tamanho das inclusões nos parafusos for excessivamente grande, especialmente perto da camada superficial, pode acelerar o início e a propagação de fissuras de fadiga nos parafusos.

A distribuição em faixas de MnS inclusões no aço pode também aumentar a sua suscetibilidade à fissuração induzida pelo hidrogénio.

(2) Efeito do fornecimento propriedades dos materiais sobre a fratura dos parafusos

Em certos ambientes de serviço, não é suficiente concentrar-se apenas na resistência e dureza dos materiais dos parafusos. Deve ser dada uma consideração abrangente a factores como a plasticidade, a resistência ao impacto, a resistência à corrosão, a 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 cumpre os requisitos de conceção.

Depois de os parafusos do aquecedor de gás de uma unidade de turbina a gás se terem partido, descobriu-se, através da composição química e da análise metalográfica, que os parafusos partidos não eram feitos de aço inoxidável do tipo 304 especificado no projeto. Em vez disso, foram fundidos após várias materiais em aço inoxidável foram refundidos e a sua resistência à corrosão era inadequada, levando à corrosão galvânica entre os parafusos e a placa cega devido a potenciais de eléctrodos diferentes no início.

Embora os parafusos partidos na flange da válvula reguladora de pressão intermédia de um gerador de turbina a vapor tenham passado nas verificações pontuais de resistência mecânica e de resistência ao impacto à temperatura ambiente, ambos não se qualificaram no ensaio à temperatura de funcionamento de 540 ℃.

(3) Influência dos defeitos metalúrgicos dos materiais na fratura dos parafusos

A presença de folga, bolhas, inclusões de escória e fissuras internas em materiais para parafusos diminui significativamente a tensão efectiva 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 fenda, o processo expande-se rapidamente e de forma instável até à rutura. Isto ocorre porque o material contém numerosos micro defeitos, tais como microfissuras e microporos, que reduzem a tensão real permitida e são também um pré-requisito para o crescimento rápido e instável da fenda.

A formação destas microfissuras está relacionada com a desgaseificação e escória incompletas durante a fundição, bem como com a eliminação incompleta durante o forjamento subsequente.

2.4 Análise dos factores de serviço e da frequência que afectam a fratura dos parafusos

Os principais factores que contribuem para a fratura dos parafusos durante a utilização incluem força de pré-aperto, força de aperto desigual, métodos de aperto inadequados, problemas de instalação e outros problemas relacionados.

Das 92 ocorrências registadas, estas três questões foram responsáveis por 69 incidentes, representando 75,0% dos casos, como se pode ver na Tabela 8.

(1) Efeito da força de pré-aperto na fratura dos parafusos

A estrutura de vedação de uma ligação por abraçadeira é inacessível devido a condições de alta temperatura e alta pressão.

Para apertar o parafuso do grampo, o operador utiliza uma chave especial com cerca de 1 metro de comprimento até que não possa ser mais apertado. No entanto, isto faz com que a pré-carga do parafuso exceda a tensão permitida do parafuso.

Uma vez que a pressão da tubagem aumenta, a tensão do parafuso aumenta ainda mais, resultando finalmente na rutura do parafuso num curto espaço de tempo.

No caso de um grupo de parafusos da biela, se um parafuso não tiver pré-carga suficiente, forma-se uma grande folga entre o moente da biela e o casquilho da chumaceira.

Durante o funcionamento da cambota a alta velocidade, o parafuso suporta grandes cargas de impacto alternadas e momentos de flexão, levando à fadiga e a fracturas. A carga deve então ser transferida para outro parafuso, que também ficará sobrecarregado e, por sua vez, fracturará.

(2) Força de fixação irregular e método de fixação incorreto

Durante a manutenção do compressor, o pessoal de manutenção não utilizou uma chave dinamométrica para aplicar a força de pré-aperto projectada nos parafusos. Em vez disso, utilizaram uma chave de cabeça sólida e uma marreta para aplicar a força, confiando apenas na sua experiência para estimar a quantidade correcta de pressão.

Como resultado, a força de pré-aperto aplicada aos parafusos foi inconsistente. Os parafusos localizados em áreas que eram convenientes para martelar receberam maior força de pré-aperto, enquanto aqueles em áreas menos acessíveis receberam menos força.

Depois de analisar a distribuição das fracturas dos parafusos da cabeça do cilindro do compressor, verificou-se que a maioria dos parafusos localizados no local de martelamento conveniente tinha partido, o que é consistente com os resultados analíticos.

3. Conclusão

(1) Os objectivos 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 consiste em estabelecer o conceito de qualidade do ciclo de vida ao nível das peças e identificar os factores que influenciam a fratura dos parafusos.

(2) A qualidade do ciclo de vida dos parafusos é influenciada por múltiplas fases e factores. O estabelecimento de um conjunto de factores que afectam a fratura dos parafusos pode ajudar no planeamento geral e na seleção desses factores, atingindo assim os objectivos de qualidade do ciclo de vida dos parafusos.

(3) É necessário melhorar continuamente o conjunto de factores que influenciam a fratura dos parafusos, bem como complementar e rever os materiais didácticos e os documentos relevantes para apoiar a prática do conceito de qualidade do ciclo de vida dos parafusos e dos produtos mecânicos.