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BOLETIM TÉCNICO METALTORK

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BOLETIM TÉCNICO METALTORK #2 FADIGA EM UNIÕES APARAFUSADAS METALTORK POR CTF - CENTRO TECNOLÓGICO DE FIXAÇÃO www.metaltork.com.br

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Sumário Objetivo....................................................................................... 3 Introdução................................................................................... 4 Entendendo os mecanismos de falha a fadiga no fixador roscado........................................................................................ 9 Fatores de influência na resistência à fadiga ............................. 14 Ensaios para determinação da resistência à fadiga .................... 16 Nomenclaturas ......................................................................... 24 Bibliografia .............................................................................. 26 www.metaltork.com.br 1

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BOLETIM TÉCNICO METALTORK #2 FADIGA EM UNIÕES APARAFUSADAS MATERIAL DE PROPRIEDADE DO CTF (CENTRO TECNOLÓGICO DE FIXAÇÃO), CEDIDO À METALTORK. www.metaltork.com.br 2

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1. OBJETIVO Entender e explanar o comportamento dos elementos roscados, parafusos e prisioneiros, diante de solicitações oriundas de cargas dinâmicas, os quais são submetidos durante o trabalho. Parafusos são elementos de máquinas que trabalham sob níveis elevados de tensões, juntando componentes críticos, que compõem o conjunto final em todos os segmentos da indústria, como infraestrutura civil, aeroespacial, geração de energia, automotiva e outros. Os modos de falha por fadiga são bastantes elevados, se comparados a outros modos de falha. O entendimento do mecanismo que afeta a durabilidade dos fixadores é matéria de alto interesse, tanto para questões de segurança do projeto, quanto para questões de custos envolvidos. www.metaltork.com.br 3

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2. INTRODUÇÃO Falhas por fadiga ocorrem com razoável frequência em uniões aparafusadas que trabalham sob elevadas cargas cíclicas. Isto ocorre mesmo diante de carregamentos muito inferiores a resistência do mesmo. A sequência de falha passa pela nucleação de uma trinca, pelo seu crescimento e propagação até a ruptura final, quase sempre por sobrecarga. A iniciação da trinca ocorre a partir do ponto de maior fator de entalhe, lembrando que o parafuso é uma barra entalhada, com os entalhes sendo representados pelos filetes da rosca. O maior fator de entalhe ocorre quase sempre no primeiro filete engajado (figura 2) na porca e dependendo do passo e do raio no fundo do filete o fator de concentração de tensões pode chegar a 10. Em roscas normalizadas de passo normal com raio no fundo do filete maior ou igual 0,105 ∗ , o concentrador de tensões nunca é menor que 4,5. www.metaltork.com.br 4

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Desta forma a capacidade de suportar tensões oriundas de cargas cíclicas geradas durante o trabalho é muito menor que a tensão nominal, quando comparada a cargas estáticas. Pesquisas de Schuetz, H, Wiegand, H. & Tolauch, G demonstram que a carga cíclica e a durabilidade de peças com corpo liso aumentam linearmente com a resistência do material, porém à medida que existe um entalhe e do fator de severidade a influência do aumento de resistência deixa de existir, fazendo com que os parafusos da classe 12.9 (1200 N/mm2) apresentem comportamento idêntico a classe 8.8 (800 N/mm2). A resistência à fadiga dos fixadores roscado é dependente de fatores, que além dos entalhes, há influência do tamanho (diâmetro), sendo o fator preponderante dessas influências relacionado à natureza da mecânica das tensões (geometria). O estudo do comportamento de uniões aparafusadas iniciou-se de forma sistemática nos anos 30, Wiegand, H. (1934) & Hempel, M. (1937) e muitos outros a partir desta www.metaltork.com.br 5

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época. Dezenas de papers foram publicados, porém a abrangência destes estudos importantes para se conhecer o mecanismo das falhas não foram suficientes no sentido de se determinar e estabelecer com clareza dados sobre a efetiva resistência a fadiga (endurance limit) dos fixadores roscados, válidos para roscas obtidas pelo processo de laminação, antes e após o tratamento térmico, em roscas máquina com ângulo de 60 graus, fabricados conforme normas ANSI e DIN. Essa “normalização” só ocorreu no fim da década de 70, quando a partir de trabalhos de Kloos, K.H. e W. Thomala, após diversos ensaios propuseram por uma equação empírica valores para resistência a fadiga ± σASG e σASV para parafusos com rosca rolada antes e após o tratamento térmico. A partir destes trabalhos, normalizações para ensaios de fadiga em parafusos e prisioneiros foram publicadas, como as normas ISO 3800:1993 e DIN 969:1997-12. Pela equação citada, considerando uma força de montagem entre 25% e 80% de FP0,2 do parafuso em teste, com probabilidade de sobrevivência de 50% do lote os valores mínimos de resistência serão: www.metaltork.com.br 6

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± = (180⁄ + 52) ⁄2 (. ) Pelos trabalhos apresentados, verificamos que a largura relativa no âmbito de transição (99 − 1)⁄50 e levando em conta o desvio padrão para ⁄50 , verificou- se que a dispersão é igual ou menor que 25%. Daí para 99% de possibilidade de sobrevivência do lote 99, a equação 1 modificou-se: ± = (180⁄ + 52) . 0,75 ⁄2 (. ) Estudos posteriores, levando em consideração algumas mudanças entre elas, área resistiva AS em lugar da área resistiva Ad3, torna-se: ± = (150⁄ + 45) . 0,85 ⁄2 (. ) Para parafusos com rosca rolada após o tratamento térmico, quando as tensões compressivas introduzidas não são eliminadas na continuação do processo há um incremento do endurance limit conforme abaixo: ± = (2 − ⁄0,2 í) . (. ) www.metaltork.com.br 7

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A resistência à fadiga independente da classe de resistência do parafuso, varia para menos à medida que o parafuso aumenta a dimensão (diâmetro), portanto, entre durabilidade e dimensão existe uma relação de forma hiperbólica. A partir de 40 mm a influência do diâmetro praticamente já não existe. Durante a aplicação do fixador roscado, tanto as forças de aperto exercido pelo parafuso, quanto às submetidas por ele, originadas das forças de trabalho, são carregamentos excêntricos, tendo em mente que as placas que compõem uma união aparafusada representam um sólido prismático sob flexão, devido às excentricidades, e durante o trabalho na interface entre as placas, em uma região sob influência do fixador a pressão de contato entre elas é sempre maior no lado da tensão de flexão. O resultado disto é que o fixador, durante o trabalho, estará submetido à carga cíclica oriunda de tensões axiais e de flexão conforme Boenicik, V. (1966); Weber, H. (1969); Agatonovic, P. (1973) & Kowalake, D. (1972), estanto, portanto, solicitado por uma tensão combinada (figura 1): www.metaltork.com.br 8

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± = [1 + (Φ1∗ − ) . . . ]..3 8.Ι̅ . Φ∗. (Eq. 5) 3. ENTENDENDO OS MECANISMOS DE FALHA A FADIGA NO FIXADOR ROSCADO Quando solicitados os parafusos, apresentam níveis de tensões localizadas ao longo do seu corpo sob carga. Tensões maiores e menores se apresentam em função dos www.metaltork.com.br 9

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fatores de entalhes (Zona 1 - figura 2). Em condições normais o primeiro filete útil da rosca no engajamento com a porca, o fator de entalhe é, mesmo para as melhores relações de passo e raio no fundo do filete de αK = 4,5 mínimo. Fig. 2. Detalhe das principais zonas de concentração de tensões www.metaltork.com.br 10

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Foto 1. Falha por fadiga na saída de rosca (Zona 2 – figura 2) Foto 2. Falha por fadiga na saída de rosca (Zona 2 – figura 2) por ausência de raio de transição no fundo do filete na saída da rosca www.metaltork.com.br 11

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Diante de uma força de montagem de 25% de FP0,2, em função do fator de entalhe αK de 4,5 as tensões no fundo do filete serão tão elevadas a ponto de, em uma fina camada da superfície, já se gerar deformações plásticas (figura 3). A resistência ao inicio da trinca, será a resistência do corpo liso dividido por αK. Em uma dependência das características do design do fixador roscado (natureza tecnológica) os parafusos podem falhar por fadiga em locais com αK inferior ao fator de entalhe (Zona 3) do local mais estressado, por exemplo, na região de transição do corpo com a cabeça (fotos 3 & 4), devido, por exemplo, uma severidade da deformação plástica para se obter a forma final da peça, a volume constate. Isto provoca no processo de conformação a frio do metal base (aço) um adensamento de fibramento muito elevado, fragilizando o material e reduzindo o endurance limit (foto 5). www.metaltork.com.br 12

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Foto 3. Falha por fadiga na região de transição do corpo com a cabeça (Zona 3 - figura 2) Foto 4. Falha por fadiga na região de transição do corpo com a cabeça www.metaltork.com.br 13

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Foto 5. Adensamento de fibramento muito elevado 4. FATORES DE INFLUÊNCIA NA RESISTÊNCIA À FADIGA 4.1 INFLUÊNCIA DOS ENTALHES, DIMENSÃO E RESISTÊNCIA. A resistência à fadiga dos parafusos depende fundamentalmente dos fatores de entalhe. Vasta bibliografia e experiências próprias demonstram que a qualidade do material (aço ligado x aço carbono), se é que existem, tem efeito marginal no endurance limit do elemento roscado beneficiado (tempera e revenimento). www.metaltork.com.br 14

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