Aumentar a resistência à fadiga do parafuso: Reveladas as principais estratégias

Nos equipamentos modernos, os parafusos funcionam frequentemente sob cargas variáveis. Por exemplo, um tipo de parafuso da cabeça do cilindro de um motor de combustão interna trabalha num ambiente hostil sob tensão repetida.

A estrutura não permite um aumento do tamanho dos parafusos, o que exige um aumento da sua força e resistência à fadiga por tração.

Por outras palavras, existem requisitos mais elevados para a vida à fadiga por tração destes parafusos.

1. Normas de fadiga para parafusos roscados

Dada a diversidade de requisitos dos utilizadores e a variação dos ambientes de funcionamento dos elementos de fixação, é essencial estabelecer e selecionar indicadores de esperança de vida em ambientes normalizados, onde as condições de carga são o fator mais significativo.

1.1 Condições de carga

As condições de carga aqui referidas são os valores de carga máxima e mínima aplicados ao parafuso durante o ensaio de fadiga.

Atualmente, tanto a ISO como as nossas normas nacionais para parafusos com uma classificação σb≥1200MPa definem o valor da carga máxima como 46% da carga mínima de rutura por tração do parafuso - o valor K (fator de carga).

As normas especificam os valores padrão mínimos de carga de rutura para parafusos de diferentes diâmetros.

Estes valores servem de base para a aceitação da resistência à tração estática e de base para a carga do ensaio de fadiga (carga máxima do ensaio de fadiga à tração = carga mínima de tração × fator de carga K).

Por exemplo, para parafusos de cabeça sextavada de aço-liga, o valor K é fixado em 0,46.

A carga mínima no ensaio de tração por fadiga é determinada pelo rácio de carga R. R = carga mínima / carga máxima, R = 0,1.

1. 2 Índices de duração da vida

Sob as estipulações de carga acima mencionadas, há um índice de vida útil unificado. Ou seja, entre os espécimes de amostra prescritos, a contagem mínima de ciclos não é inferior a 4,5×10⁴.

Qualquer contagem superior a 13×10⁴ nos espécimes é considerado como 13×10⁴ para efeitos de cálculo da média.

2. Vida útil à fadiga por tração de parafusos roscados

2.1 Seleção dos materiais dos parafusos e tratamento térmico

De acordo com as normas relacionadas na China (como GB/T 3098.1-2000), os requisitos de desempenho à fadiga são especificados apenas para parafusos com σb≥1200MPa.

A principal razão para impor requisitos de desempenho em matéria de fadiga a aço de alta resistência é que, embora a sua resistência seja melhorada, a sua reserva de plasticidade material é nitidamente inferior à do aço de média e baixa resistência.

A comparação deste requisito com as ligas à base de níquel e as ligas de titânio, que têm uma maior resistência e uma boa reserva de plasticidade, é obviamente inadequada. Por exemplo, 40CrNiMo, 30CrMnSi, etc.

Se escolhermos uma liga de maior resistência material de aço como a liga americana INCONEL 718, que pode ter uma resistência superior a 1600MPa, demonstrará valores de vida elevados durante os ensaios de fadiga em condições de carga típicas. Tomemos como exemplo o parafuso M6.

Se a carga de teste de fadiga especificada pela norma é 11.01kN, e a carga de falha de tração estática é 23.93kN, enquanto a carga de falha de tração estática real da liga INCONEL 718 pode atingir até 35kN.

Se continuarmos a utilizar 11,01kN como Pmax para o ensaio de fadiga, seria apenas equivalente a 31% da carga de rotura por tração estática, naturalmente, o seu valor de vida será mais elevado.

No entanto, para materiais de elevada resistência como o 30CrMnSiNi, a sua sensibilidade ao entalhe é extremamente elevada e os valores de vida durante os ensaios de fadiga por tração são muito baixos. Não são adequados para utilização em componentes roscados que requerem resistência à fadiga por tração.

Embora alguns materiais possam corresponder à carga de rutura por tração estática de aços de liga como a liga 30CrMnSi, não cumprem os requisitos padrão nos ensaios de vida à fadiga ao mesmo nível de carga, como a liga de titânio Ti6Al4V.

Para alinhar o seu valor de vida à fadiga com o 30CrMnSi e outras ligas de aço, o nível de carga deve ser reduzido para 40% (ou seja, tomando o valor K em 40%) e para outros tipos de ligas de titânio (como Ti21523), K deve ser reduzido para 36%.

No entanto, esta abordagem é problemática: normalmente, liga de titânio com resistência estática equivalente têm melhor desempenho à fadiga do que parafusos de aço semelhantes.

Este é um conhecimento básico das propriedades dos diferentes materiais. Neste caso, o valor K para parafusos de liga de titânio pode certamente ser superior a 0,46, e definitivamente não tão baixo quanto 0,36.

Por conseguinte, para as juntas aparafusadas que requerem uma elevada resistência à tração estática e uma vida à fadiga por tração mais elevada, a seleção de materiais deve ser objeto da devida atenção.

Fratura por fadiga e a fratura retardada são duas razões principais para a falha de componentes mecânicos, o que é um conceito confuso. A fratura retardada em parafusos deve-se frequentemente a um comportamento de dano induzido por hidrogénio causado pelo revestimento da superfície, que não está basicamente relacionado com a fratura por fadiga.

De um modo geral, quando a resistência à tração do aço é de cerca de 1200MPa, tanto a resistência à fadiga como a resistência à fratura retardada aumentam com o aumento da resistência e dureza.

No entanto, quando a resistência à tração excede aproximadamente 1200MPa, o resistência à fadiga já não continua a aumentar, e a resistência à fratura retardada diminui acentuadamente.

A maior parte do aço utilizado na indústria mecânica é de qualidade média aço de liga de carbonoUtilizado no estado temperado, com uma resistência à tração maioritariamente entre 800 e 1000MPa.

Aumentar a sua resistência não é difícil, mas o maior desafio reside na resolução do problema da curta duração de vida após o aumento da resistência.

Falha por fadiga e os problemas de fratura retardada são os principais obstáculos à elevada resistência e à longa duração do aço utilizado no fabrico mecânico.

O tratamento térmico é um fator crítico, particularmente a têmpera durante o processo de arrefecimento de parafusos de alta resistência. Na zona de têmpera a alta temperatura, é provável que se formem impurezas como o enxofre e o fósforo.

Quando estas impurezas se acumulam nos limites do grão, podem levar à fratura frágil, especialmente quando a dureza excede os 35 HRC, a tendência para a fragilidade aumenta significativamente.

2.2 Técnicas para melhorar a vida à fadiga

Antes do reforço, a probabilidade de falha por fadiga por tração em fixadores roscados é a seguinte: 65% de falhas ocorrem no primeiro engate com a porca, 20% de falhas ocorrem na transição entre a rosca e a haste (embora esta afirmação seja globalmente exacta, deve notar-se que a causa fundamental da falha por fadiga nestes pontos ainda se deve à elevada concentração de tensões), que é no final das roscas, e 15% de falhas ocorrem no raio de transição entre a cabeça do parafuso e a haste, como se mostra na Figura 1.

É de salientar que estas estatísticas se baseiam na condição de as linhas de fluxo de metal de todo o fixador não estarem danificadas.

Para melhorar a vida à fadiga por tração, podem ser tomadas medidas tanto na forma como no processo do parafuso, sendo os métodos mais eficazes atualmente os seguintes

2.2.1 Utilização de roscas MJ (ou seja, roscas reforçadas)

A principal diferença entre as roscas MJ e as roscas normais reside no diâmetro menor (d1) e no raio (R) das roscas externas, como mostra a Figura 2.

A principal caraterística das roscas MJ é um diâmetro menor (d1) maior do que as roscas normais, com um raio de filete de raiz aumentado, reduzindo a concentração de tensão no parafuso.

São dados requisitos específicos para R (Rmax=0,18042P, Rmin=0,15011P, sendo P o passo), enquanto as roscas normais não têm tais requisitos e podem até ser rectas. Esta alteração significativa melhora consideravelmente o desempenho à fadiga por tração do diâmetro menor.

Atualmente, as roscas MJ são amplamente utilizadas em parafusos aeroespaciais.

2.2.2 Melhorar o desempenho à fadiga da rosca

Ao utilizar o processo de laminagem de roscas, devido aos efeitos do endurecimento por trabalho a frio, existe uma tensão de compressão residual na superfície, permitindo que o fluxo direcional das fibras metálicas internas do parafuso seja racional e ininterrupto.

Consequentemente, a resistência à fadiga pode ser 30% a 40% superior à das roscas maquinadas por torneamento.

Se a rosca for laminada após o tratamento térmico, reforça a superfície da peça e cria uma tensão residual que pode aumentar o limite de fadiga superficial do material de 70% a 100%.

Este processo também tem vantagens como a elevada utilização de material, a elevada taxa de produção e o baixo custo de fabrico. A Tabela 1 mostra os valores de vida à fadiga sob diferentes métodos de processamento.

O material do parafuso de teste é 30CrMnSiA, o padrão do parafuso é GJB 121.2.3 e 6×26 (ou seja, MJ6) é testado para fadiga por tração de acordo com o método de teste, com carga de fadiga de teste: Pmax=10,1kN, Pmin=1,01kN. Os resultados são apresentados no Quadro 1.

Tabela 1: Vida à fadiga (número de ciclos) com diferentes métodos de processamento

A partir do Quadro 1, é evidente que a resistência à fadiga por tração do filete r no ponto de viragem do parafuso roscado laminado a frio, após o tratamento térmico, é óptima (ver Figura 1). Os requisitos para o valor de r na extrusão a frio não são rigorosos. As especificações técnicas apenas estipulam um limite superior para a deformação.

2.2.3 Controlo rigoroso das dimensões finais

Como demonstrado na Figura 1, a área de transição entre a rosca do parafuso e a haste lisa é uma das fontes significativas de fadiga. O controlo rigoroso das dimensões finais para moldar a área de transição é uma medida crucial para melhorar a vida à fadiga nesta região.

Por conseguinte, durante a conceção e o fabrico de rodas de laminagem de roscas, é imperativo retificar rigorosamente as extremidades de acordo com as normas e controlar rigorosamente a posição de laminagem das roscas durante o processo.

As medidas específicas podem incluir um filete de transição maior, como se mostra na Figura 3a, a criação de estruturas de descarga, como se mostra nas Figuras 3b e 3c, e o corte de uma ranhura de retirada da ferramenta na extremidade da rosca também pode reduzir a concentração de tensões (os diagramas esquemáticos das Figuras 3b e 3c podem induzir em erro. O aumento do filete na zona de transição ajuda, de facto, a aliviar a concentração local de tensões).

A extrusão a frio do filete r no ponto de viragem do parafuso, como mostrado na Figura 1, pode melhorar a vida à fadiga por tração neste ponto. Como mostra a Tabela 1, se apenas as medidas de reforço em 2.2.1, 2.2.2, e 2.2.3 forem tomadas, as fracturas por fadiga ocorrerão exclusivamente no ponto de viragem do parafuso.

Por conseguinte, o reforço por extrusão a frio do filete r é uma das medidas importantes para melhorar a vida global à fadiga por tração do parafuso.

2.3 Evitar a geração de tensões de flexão adicionais

Devido a uma má conceção, fabrico e montagem, podem ocorrer cargas excêntricas nos parafusos. As cargas excêntricas podem induzir tensões de flexão adicionais nos parafusos, reduzindo significativamente a sua resistência à fadiga. Por conseguinte, devem ser tomadas medidas estruturais e de processo adequadas para evitar a geração de binário adicional.

(1) O ângulo do escareador do parafuso deve ser exato, permitindo apenas um desvio positivo de 0° a 0,5°, não sendo permitido qualquer desvio negativo.

(2) A superfície de apoio do parafuso deve ser plana e perpendicular ao eixo do furo do parafuso.

(3) No caso de orifícios de montagem na peça de trabalho, como os das cabeças hexagonais, o chanfro do orifício deve estar em conformidade com as normas internacionais.

2.4 Montagem da pré-carga

A pré-carga é uma das questões mais críticas nas ligações roscadas. A teoria e a prática demonstraram que, com a rigidez do parafuso e das partes unidas mantida constante, o aumento adequado da pré-carga aumenta significativamente a resistência à fadiga por tração. É por isso que a tensão de pré-carga do parafuso pode atingir até 0,7 a 0,8 da tensão de cedência (σs).

Por conseguinte, é crucial controlar com precisão a pré-carga e manter o seu valor. A magnitude da pré-carga é controlada por uma chave dinamométrica predefinida ou por anilhas indicadoras de pré-carga.

A pré-carga necessária varia em diferentes condições e, normalmente, são utilizadas fórmulas empíricas baseadas na experiência anterior para estimar a pré-carga.

Para pré-carga mecânica geral: σ_p = (0,5 a 0,7)σ_spara ligações de alta resistência: σp = 0,75σs (este é o limite de elasticidade). Este método de exprimir a pré-carga contradiz a abordagem 46% acima referida.

Recentemente, um novo método de ligação por parafusos foi desenvolvido, o qual envolve a pré-carga do parafuso até ao ponto de cedência, permitindo que o parafuso trabalhe dentro da região plástica. Para mais pormenores, consultar o artigo "Plastic Screw Domain Connection" de Ichiro Maruyama, publicado em "Mechanical Research", Volume 40, N.º 12, 1988. Para ligações com pré-carga crítica contra a fadiga, devem ser realizados ensaios de vida à fadiga sob diferentes pré-cargas para determinar os valores de pré-carga correctos e utilizáveis.

3. Conclusão

Através de dados experimentais e da experiência prática, o documento propõe várias medidas específicas para melhorar a resistência à fadiga por tração dos parafusos, abordando aspectos da seleção de materiais, maquinagem e montagem.

Algumas destas medidas provaram a sua eficácia em aplicações práticas, enquanto certos dados empíricos e conclusões aguardam uma maior exploração e validação teórica.

Em resumo, devem ser adoptadas medidas abrangentes para melhorar a resistência à fadiga por tração dos parafusos; nenhuma medida isolada pode satisfazer a necessidade global de resistência à fadiga.