Análise de Falha de Fixadores: O Que Causa Fratura por Fadiga e Fragilização por Hidrogênio em Fixadores Automotivos Sob Cargas Dinâmicas?

Resposta Rápida:

Fixadores usados em automóveis podem ser suscetíveis a falhas devido a fadiga, cisalhamento, rachaduras relacionadas à corrosão ou afrouxamento causado por vibrações. A carga dinâmica torna esses problemas muito mais perigosos, pois a vibração do motor, o impacto das estradas, a frenagem e as vibrações do sistema de suspensão farão com que as forças em uma junta mudem continuamente.

A análise de falha de fixadores deve ser realizada considerando a fratura, a condição da junta, a carga do parafuso, a corrosão e o histórico de montagem. A posição onde a rachadura ou quebra ocorreu pode ajudar a determinar qual tipo de problema foi responsável pela falha. A CNRL produz vários tipos de fixadores automotivos, incluindo parafusos, prisioneiros, parafusos, porcas, entre outros, para motores, chassis, transmissões, freios e sistemas de segurança.

Por que a falha de fixadores pode se tornar dispendiosa em aplicações automotivas?

Um simples parafuso pode ter um grande impacto em um grande sistema de montagem de veículos. Se um fixador crucial perder sua capacidade de aperto ou quebrar, pode haver movimento de peças além de seus limites pretendidos.

As consequências incluiriam produção de ruído, vazamento, desalinhamento, danos a peças ou falha da funcionalidade da junta. Os sistemas de motor, suspensão, direção, transmissão e freios são particularmente vulneráveis, pois possuem fixadores sujeitos a cargas dinâmicas.

A carga dinâmica também significa que a falha pode se desenvolver gradualmente. Um parafuso pode suportar milhares de ciclos antes que uma pequena rachadura cresça o suficiente para causar uma fratura final. É por isso que a falha por fadiga de fixadores pode ocorrer mesmo quando a carga aplicada nunca parece grande o suficiente para quebrar o parafuso em um único evento.

Quais são os comuns automotivos modos de falha de parafusos?

Os principais modos de falha de parafusos não deixam todos as mesmas evidências. Entender como cada um se desenvolve ajuda os engenheiros a rastrear a causa em vez de simplesmente substituir a peça quebrada.

Falha por fadiga

A fadiga surge quando um fixador é exposto a variações repetitivas de tensão. Uma pequena rachadura pode começar a se desenvolver na raiz de uma rosca ou mesmo na superfície do fixador.

A cada ciclo de carga, a rachadura pode crescer até que o parafuso seja reduzido em tamanho a ponto de não conseguir mais suportar a carga, causando fratura súbita.

A condição será piorada por pré-carga inadequada, que resulta em separação ou deslizamento da junta, resultando em cargas cíclicas aumentadas no parafuso.

É, portanto, vital que a análise de falha de fixadores vá além de apenas examinar o parafuso falho.

Falha por cisalhamento

A falha por cisalhamento é o resultado de forças aplicadas transversalmente ao parafuso, em vez de axialmente. Este pode ser o caso quando há qualquer ação de deslizamento entre as duas peças de conexão.

As causas de cisalhamento de parafusos são sobrecarga da junta, uso de parafusos de tamanho, grau, projeto inadequados ou carga de aperto inadequada.

A carga de aperto é especialmente significativa em tais casos. Na maioria dos casos, o atrito entre as superfícies apertadas em uma junta serve para resistir ao movimento. No entanto, em um caso onde há uma redução na carga de aperto, os membros começarão a deslizar até que o eixo do parafuso sofra o estresse de cisalhamento.

Falha induzida por corrosão

A corrosão causa uma redução na área de seção transversal do fixador. Além disso, causa pitting, que leva a concentrações de tensão. Estes são particularmente importantes em locais com sal de estrada, umidade, calor e contato químico ao redor das áreas de veículos, como embaixo de veículos e escapamentos.

Outro problema que pode afetar alguns fixadores de aço de alta resistência é a fragilização por hidrogênio. O hidrogênio pode entrar em aço suscetível através de processos de fabricação e revestimento ou mesmo do ambiente.

Por sua vez, o fixador torna-se propenso a rachaduras retardadas quando sujeito a tensões de tração. Inicialmente, o parafuso parecerá bom, mas rachará após algum tempo.

Assim, a escolha da proteção contra corrosão precisa corresponder ao tipo de material, classe de resistência, procedimento de revestimento e ambiente de serviço. Apenas obter um parafuso melhor não é a resposta para todos os problemas.

Afrouxamento por vibração

A vibração nem sempre quebra um parafuso diretamente. Em vez disso, o movimento transversal repetido pode reduzir gradualmente a força de aperto.

Uma vez que a pré-carga cai, as superfícies da junta podem começar a deslizar. O parafuso pode então experimentar tensões cíclicas e movimento maiores do que o pretendido.

A prevenção eficaz do afrouxamento de fixadores começa com a obtenção da pré-carga especificada. A condição da rosca, o método de aperto, o acabamento da superfície, a rigidez da junta e o método de travamento também podem influenciar a resistência ao afrouxamento. Isso é importante em juntas de suspensão, motor, chassi e trem de força onde a vibração continua durante a operação do veículo.

Como cada tipo de falha de fixador pode ser evitado?

A prevenção começa com a correspondência do fixador e do projeto da junta à carga real. Substituir um parafuso falho por uma classe de resistência mais alta sem identificar a causa pode simplesmente mover o problema para outro lugar.

Controle de fadiga e cisalhamento

O controle de fadiga depende de manter a tensão cíclica do parafuso dentro da faixa pretendida. A pré-carga correta ajuda as peças apertadas a permanecerem em contato e reduz o movimento na junta.

Para problemas relacionados a cisalhamento, a junta também deve ter força de aperto suficiente e dimensões de fixador adequadas para a carga transversal esperada. Entender as causas reais de cisalhamento de parafusos ajuda a determinar se o problema vem da carga, movimento da junta, tamanho ou seleção de material.

Gerenciamento de risco de corrosão e hidrogênio

A seleção de material e revestimento deve refletir a exposição à água, sal de estrada, produtos químicos e temperatura. Para aço de alta resistência suscetível, os controles de fabricação também são importantes, pois o hidrogênio introduzido durante o processamento pode contribuir para rachaduras retardadas. Os processos de revestimento e o tratamento pós-tratamento necessário devem, portanto, corresponder à especificação do fixador.

Impedindo que a vibração reduza a pré-carga

O aperto adequado continua sendo fundamental para a prevenção do afrouxamento dos fixadores. Pré-carga insuficiente permite movimento, enquanto o aperto excessivo pode esticar ou danificar o fixador.

Recursos de travamento também podem ser usados onde a junta os requer. Estes podem incluir porcas de torque prevalecente ou outros projetos de travamento mecânico. O método escolhido deve suportar a junta em vez de compensar um fixador ou especificação de aperto incorretos.

Como a CNRL testa fixadores antes do uso automotivo?

O teste fornece uma maneira de encontrar problemas dimensionais, mecânicos, de superfície e de material antes que os fixadores entrem em uma montagem automotiva.

CNRL lista tração máquinas de ensaio, durômetros, equipamentos de spray de sal, ferramentas de espessura de revestimento, equipamentos de inspeção dimensional e sistemas de medição 3D entre seus recursos de teste. A empresa também usa inspeção por partículas magnéticas e correntes parasitas para detecção de defeitos em processos de produção aplicáveis.

Verificações mecânicas e dimensionais

Tração e teste de dureza ajudam a confirmar se propriedades mecânicas atendem aos requisitos especificados. A inspeção dimensional verifica recursos como diâmetro, geometria da rosca e outros requisitos do desenho.

Essas verificações são importantes porque dimensões ou propriedades mecânicas incorretas podem contribuir para vários modos de falha de parafusos.

Inspeção de superfície e defeitos

Testes de spray de sal e espessura de revestimento podem avaliar tratamentos de superfície especificados. A inspeção por partículas magnéticas ou correntes parasitas também pode ajudar a detectar certos defeitos que podem não ser óbvios apenas pela inspeção visual.

Juntos, esses controles suportam uma abordagem mais completa de análise de falhas de fixadores. A prevenção de falhas começa antes da instalação, verificando se o fixador corresponde aos seus requisitos de desenho, material, mecânicos e de superfície.

Saiba mais sobre as capacidades do centro de testes da CNRLe discuta os requisitos de inspeção para projetos de fixadores automotivos.