Como podemos fazer com que os parafusos durem mais sob estresse? Este artigo explora métodos para aumentar a resistência à fadiga dos parafusos, essencial para evitar falhas em ambientes de alta tensão, como os motores. Saiba mais sobre a seleção de materiais, tratamentos térmicos e técnicas de projeto que podem aumentar significativamente a vida útil de seus parafusos. Continue lendo para descobrir as principais estratégias que garantem que seus fixadores permaneçam confiáveis mesmo sob as condições mais difíceis.
Nos equipamentos modernos, os parafusos geralmente operam sob cargas variáveis. Por exemplo, um tipo de parafuso do cabeçote do cilindro de um motor de combustão interna trabalha em um ambiente hostil sob tensão repetida.
A estrutura não permite um aumento no tamanho dos parafusos, o que exige um aprimoramento de sua força e resistência à fadiga por tração.
Em outras palavras, há maiores exigências para a vida útil de fadiga por tração desses parafusos.
Dada a diversidade de requisitos dos usuários e a variação dos ambientes operacionais dos fixadores, é essencial estabelecer e selecionar indicadores de expectativa de vida em ambientes padronizados, onde as condições de carga são o fator mais significativo.
As condições de carga mencionadas aqui são os valores de carga máxima e mínima aplicados ao parafuso durante o teste de fadiga.
Atualmente, tanto a ISO quanto nossas normas nacionais para parafusos com classificação σb≥1200MPa definem o valor máximo de carga como 46% da carga mínima de ruptura por tração do parafuso - o valor K (fator de carga).
As normas especificam valores padrão mínimos de carga de ruptura para parafusos de diferentes diâmetros.
Esses valores servem como base para a aceitação da resistência à tração estática e como base para a carga do teste de fadiga (carga máxima do teste de tração por fadiga = carga mínima de tração × fator de carga K).
Por exemplo, para parafusos de cabeça sextavada de aço-liga, o valor K é definido como 0,46.
A carga mínima no teste de tração por fadiga é determinada pela relação de carga R. R = carga mínima / carga máxima, R = 0,1.
Sob as estipulações de carga mencionadas acima, 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 fins de cálculo de média.
De acordo com os padrões relacionados na China (como GB/T 3098.1-2000), os requisitos de desempenho de fadiga são especificados apenas para parafusos com σb≥1200MPa.
O principal motivo para impor requisitos de desempenho de fadiga em aço de alta resistência é que, embora sua resistência seja maior, a reserva de plasticidade do material é nitidamente inferior à do aço de média e baixa resistência.
A comparação desse requisito com ligas à base de níquel e ligas de titânio, que têm maior resistência e 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 acima de 1600 MPa, ela demonstrará altos valores de vida útil durante os testes de fadiga sob condições de carga típicas. Tomemos o parafuso M6 como exemplo.
Se a carga de teste de fadiga especificada pela norma for de 11,01kN e a carga de falha de tração estática for de 23,93kN, a carga de falha de tração estática real da liga INCONEL 718 pode chegar a 35kN.
Se ainda usarmos 11,01kN como Pmax para o teste de fadiga, isso seria equivalente a apenas 31% da carga de falha de tração estática, naturalmente, seu valor de vida útil será maior.
No entanto, para materiais de alta resistência, como o 30CrMnSiNi, sua sensibilidade ao entalhe é extremamente alta, e os valores de vida durante os testes de fadiga por tração são muito baixos. Eles não são adequados para uso em componentes rosqueados que exigem resistência à fadiga por tração.
Embora alguns materiais possam corresponder à carga de ruptura por tração estática de aços-liga como 30CrMnSi, não atendem aos requisitos padrão em testes de vida de fadiga no mesmo nível de carga, como a liga de titânio Ti6Al4V.
Para alinhar seu valor de vida em fadiga com o 30CrMnSi e outras ligas de aço, o nível de carga deve ser reduzido para 40% (ou seja, considerando o valor de K em 40%) e, para outros tipos de ligas de titânio (como Ti21523), K deve ser reduzido para 36%.
No entanto, essa abordagem é problemática: normalmente, liga de titânio com resistência estática equivalente têm melhor desempenho em fadiga do que parafusos de aço semelhantes.
Esse é um entendimento básico das propriedades de diferentes materiais. Nesse caso, o valor K para parafusos de liga de titânio certamente pode ser maior que 0,46 e, definitivamente, não tão baixo quanto 0,36.
Portanto, para juntas aparafusadas que exigem alta resistência à tração estática e maior vida útil à fadiga por tração, o seleção de materiais deve receber a devida atenção.
Fratura por fadiga e a fratura retardada são dois motivos principais para a falha de componentes mecânicos, o que é um conceito confuso. A fratura retardada em parafusos geralmente se deve a um comportamento de dano induzido por hidrogênio causado pelo revestimento da superfície, que basicamente não está relacionado à fratura por fadiga.
De modo geral, quando a resistência à tração do aço é de cerca de 1.200 MPa, tanto a resistência à fadiga quanto 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 não continua a aumentar, e a resistência à fratura retardada cai drasticamente.
A maior parte do aço usado na fabricação mecânica é de qualidade média liga de aço carbonousado em um estado temperado, com uma resistência à tração principalmente entre 800 e 1000 MPa.
Aumentar sua resistência não é difícil, mas o maior desafio está em resolver o problema da vida útil curta após o aumento da resistência.
Falha por fadiga e problemas de fratura retardada são as principais barreiras para a alta resistência e a longa vida útil do aço usado na fabricação mecânica.
O tratamento térmico é um fator crítico, principalmente a têmpera durante o processo de processo de resfriamento de parafusos de alta resistência. Na zona de têmpera de alta temperatura, é provável que se formem impurezas como enxofre e fósforo.
Quando essas impurezas se acumulam nos limites dos grãos, elas podem levar à fratura frágil, especialmente quando a dureza excede 35 HRC, a tendência à fragilidade aumenta significativamente.
Antes do reforço, a probabilidade de falha por fadiga por tração em fixadores rosqueados 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 essa afirmação seja amplamente precisa, é preciso observar que a causa fundamental da falha por fadiga nesses pontos ainda se deve à alta concentração de tensão), que está na extremidade das roscas, e 15% de falhas ocorrem no raio de transição entre a cabeça do parafuso e a haste, conforme mostrado na Figura 1.
Deve-se enfatizar que essas estatísticas são baseadas na condição de que as linhas de fluxo de metal de todo o fixador não sejam danificadas.
Para melhorar a vida útil da fadiga por tração, podem ser tomadas medidas tanto no formato quanto no processo do parafuso, sendo que os métodos mais eficazes atualmente são os seguintes.
2.2.1 Uso de roscas MJ (ou seja, roscas reforçadas)
A principal diferença entre as roscas MJ e as roscas regulares está no diâmetro menor (d1) e no raio (R) das roscas externas, conforme mostrado na Figura 2.
A principal característica das roscas MJ é um diâmetro menor (d1) maior do que o das roscas regulares, com um raio de filete de raiz maior, reduzindo a concentração de tensão no parafuso.
São fornecidos requisitos específicos para R (Rmax=0,18042P, Rmin=0,15011P, sendo P o passo), enquanto as roscas regulares não têm esses requisitos e podem até ser retas. Essa mudança significativa melhora muito o desempenho de fadiga por tração do diâmetro menor.
Atualmente, as roscas MJ são amplamente utilizadas em parafusos aeroespaciais.
2.2.2 Melhoria do desempenho da fadiga da rosca
Ao usar o processo de laminação de roscas, devido aos efeitos do endurecimento por trabalho a frio, há uma tensão compressiva residual na superfície, permitindo que o fluxo direcional das fibras metálicas internas no parafuso seja racional e ininterrupto.
Consequentemente, a resistência à fadiga pode ser de 30% a 40% maior do que a das roscas usinadas por torneamento.
Se a rosca for laminada após o tratamento térmico, ela fortalecerá a superfície da peça e criará uma tensão residual que pode aumentar o limite de fadiga da superfície do material em 70% a 100%.
Esse processo também tem vantagens, como alta utilização de material, alta taxa de produção e baixo custo de fabricação. A Tabela 1 mostra os valores de vida à fadiga sob diferentes métodos de processo.
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 mostrados na Tabela 1.
Tabela 1: Vida útil à fadiga (número de ciclos) sob diferentes métodos de processo
| Número de teste | A | B | C | D |
| Antes do tratamento térmico, lamine a frio o parafuso rosqueado. | Antes do tratamento térmico, não lamine a frio o parafuso rosqueado. | Após o tratamento térmico, lamine a frio o parafuso rosqueado. | Após o tratamento térmico, não lamine a frio o parafuso rosqueado. | |
| 1 | 17800 | 13800 | 130000 | 130000 |
| 2 | 11900 | 11600 | 130000 | 93700 |
| 3 | 13400 | 17400 | 130000 | 70400 |
| 4 | 20100 | 8700 | 130000 | 103300 |
| 5 | 15500 | 18100 | 130000 | 98600 |
| 6 | 18000 | 15200 | 130000 | 51300 |
| 1 | 14100 | 11300 | 130000 | 95800 |
| 8 | 8400 | 12000 | 130000 | 88100 |
| 9 | 18200 | 17300 | 127600 |
A partir da Tabela 1, fica evidente que a resistência à fadiga por tração do filete r no ponto de giro do parafuso roscado laminado a frio, após o tratamento térmico, é ideal (consulte a Figura 1). Os requisitos para o valor de r na extrusão a frio não são rigorosos. As especificações técnicas estipulam apenas um limite superior para a deformação.
2.2.3 Controle rigoroso das dimensões finais
Conforme demonstrado na Figura 1, a área de transição entre a rosca do parafuso e a haste lisa é uma das principais fontes de fadiga. O controle rigoroso das dimensões finais para moldar a área de transição é uma medida crucial para aumentar a vida útil da fadiga nessa região.
Portanto, durante o projeto e a fabricação de rodas laminadoras de rosca, é imperativo retificar rigorosamente as extremidades de acordo com os padrões e controlar rigorosamente a posição de laminação da rosca durante o processo.
As medidas específicas podem incluir um filete de transição maior, conforme mostrado na Figura 3a, a criação de estruturas de descarga, conforme mostrado 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 tensão (os diagramas esquemáticos nas Figuras 3b e 3c podem ser enganosos. Aumentar o filete na área de transição de fato ajuda a aliviar a concentração de tensão local).
A extrusão a frio do filete r no ponto de giro do parafuso, conforme mostrado na Figura 1, pode aumentar a vida útil da fadiga por tração nesse ponto. Como mostra a Tabela 1, se apenas as medidas de reforço em 2.2.1, 2.2.2 e 2.2.3 forem adotadas, as fraturas por fadiga ocorrerão exclusivamente no ponto de giro do parafuso.
Portanto, o reforço por extrusão a frio do filete r é uma das medidas importantes para melhorar a vida útil geral à fadiga por tração do parafuso.
Devido à má concepção, fabricação e montagem, pode ocorrer uma carga excêntrica nos parafusos. As cargas excêntricas podem induzir tensão de flexão adicional nos parafusos, reduzindo significativamente sua resistência à fadiga. Portanto, medidas estruturais e de processo adequadas devem ser tomadas para evitar a geração de torque adicional.
(1) O ângulo do escareador do parafuso deve ser preciso, permitindo apenas um desvio positivo de 0° a 0,5°, sem nenhum desvio negativo.
(2) A superfície de apoio do parafuso deve ser plana e perpendicular ao eixo do furo do parafuso.
(3) Para furos de montagem na peça de trabalho, como os de cabeças hexagonais, o chanfro do furo deve estar de acordo com os padrões internacionais.
A pré-carga é um dos problemas mais críticos em conexões rosqueadas. A teoria e a prática demonstraram que, com a rigidez do parafuso e das peças 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 chegar a 0,7 a 0,8 da tensão de escoamento (σs).
Portanto, o controle preciso da pré-carga e a manutenção de seu valor são fundamentais. A magnitude da pré-carga é controlada por uma chave de torque predefinida ou por arruelas indicadoras de pré-carga.
A pré-carga necessária varia em diferentes condições e, geralmente, fórmulas empíricas baseadas em experiências anteriores são usadas para estimar a pré-carga.
Para pré-carga mecânica geral: σp = (0,5 a 0,7)σspara conexões de alta resistência: σp = 0,75σs (esse é o limite de escoamento). Esse método de expressar a pré-carga contradiz a abordagem 46% mencionada anteriormente.
Recentemente, um novo método de conexão de parafuso foi desenvolvido, o que envolve a pré-carga do parafuso até o ponto de escoamento, permitindo que o parafuso trabalhe dentro da região plástica. Para obter mais detalhes, consulte o artigo "Plastic Screw Domain Connection", de Ichiro Maruyama, publicado na "Mechanical Research", Volume 40, Nº 12, 1988. Para conexões com pré-carga crítica contra fadiga, devem ser realizados testes de vida de fadiga sob diferentes pré-cargas para determinar os valores corretos e utilizáveis de pré-carga.
Por meio de dados experimentais e experiência prática, o documento propõe várias medidas específicas para aumentar a resistência à fadiga por tração dos parafusos, abordando aspectos de seleção de materiais, usinagem e montagem.
Algumas dessas medidas comprovaram sua eficácia em aplicações práticas, enquanto alguns dados empíricos e conclusões aguardam maior exploração e validação teórica.
Em resumo, medidas abrangentes devem ser adotadas para melhorar a resistência à fadiga por tração dos parafusos; nenhuma medida isolada pode atender à necessidade geral de resistência à fadiga.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
PT_BR 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
RU 
KO