Ensaios usuais em fixadores

Fig. 1. Parafusos forjados (Cortesia da Instron®)

A confiabilidade e o desempenho de fixadores só podem ser garantidos por meio de ensaios/testes. Uma vez que o tratamento térmico pode ter uma profunda influência sobre as propriedades finais, é especialmente importante que os ensaios sejam realizados na matéria-prima, após o tratamento térmico e no produto acabado

A diversidade de tipos, tamanhos e aplicações dos fixadores apresenta um desafio aos ensaios, os quais requerem a escolha apropriada dos métodos a serem utilizados (Tabela 1), que vão desde simples verificações dimensionais até ensaios mecânicos com métodos rigorosos. Os tipos comuns de testes incluem: fadiga, resistência à tração, tração em cunha (10 graus), cisalhamento duplo, dureza, tensão de ruptura, durabilidade sob tensão, pull-out/push-out (puxar / empurrar), vibração, engatamento, desgaste, microestrutura, análise química e corrosão.

Métodos de Ensaios Mecânicos

Os fixadores são analisados por meio de ensaios mecânicos para determinar as suas propriedades mecânicas. As propriedades mecânicas são aquelas associadas ao comportamento elástico ou inelástico de um componente quando uma força é aplicada, envolvendo as relações entre tensão e deformação. O ensaio mecânico mostra se um material ou fixador é adequado para a aplicação esperada, por meio de aspectos de desempenho, como: elasticidade, resistência à tração, alongamento, dureza e limite de fadiga.

Tração

O ensaio de tração dos fixadores (Fig.2) ajuda a compreender a quantidade de força necessária para prender um fixador a um material de base. Ao mesmo tempo em que este é um teste simples, os diversos formatos e tamanhos dos fixadores podem complicá-lo. A alta demanda de produção necessita de um grande número de ensaios e as potenciais fraturas violentas tornam o ensaio ainda mais complicado. A maioria dos fabricantes não pode realizar ensaios apenas para determinar a resistência à tração, eles têm que garantir que nenhuma deformação permanente ocorreu quando a carga aplicada foi removida. Além disso, eles devem encontrar maneiras de testar a qualidade da rosca e a resistência da cabeça. Não é raro ver o equipamento de ensaio de tração no departamento de qualidade ou até mesmo no chão de fábrica de uma empresa de tratamento térmico de fixadores.

Torque e Torque-Tração

A aplicação dos fixadores normalmente ocorre com a aplicação de uma força de torção na cabeça ou na porca. Esta força (ou torque de assentamento) faz com que o fixador estique e efetivamente aplique uma pré-carga para assegurar um ajuste perfeito entre os componentes. Um dos objetivos do ensaio de torque-tração (Fig. 3) é determinar a força de aperto adequada. Este tipo de teste irá permitir que o fator de porca (também conhecido como coeficiente de torque ou fator k) seja determinado, bem como o coeficiente de atrito. Da mesma forma, com frequência é necessário determinar a força de torque na qual o elemento de fixação irá falhar. Ao se variar a relação torque-tensão, podem ser realizados vários testes semelhantes para aplicações determinadas. A variação é realizada com a variação do atrito.

Fadiga

Fadiga é uma medida da tensão que um material pode suportar repetidamente sem falha. A falha por fadiga é particularmente catastrófica porque ocorre sem aviso prévio.
Três elementos de base são necessários para provocar uma falha por fadiga: uma tensão de tração máxima com valor suficientemente alto; uma variação ou flutuação grande o suficiente na tensão aplicada; e um número suficientemente grande de ciclos da tensão aplicada. Os ensaios de vida em fadiga são realizados nos fixadores roscados alternando-se o carregamento e descarregamento da peça. A maioria dos ensaios é realizada em tensões superiores à da carga de serviço projetada, mas geralmente abaixo do limite de escoamento do material.
O equipamento para o ensaio de fadiga é geralmente concebido para induzir carregamentos e descarregamentos cíclicos em um pico de tensão conhecido e medir o número de tais ciclos para a falha do corpo de prova. As variantes do ensaio incluem tração, flexão e rotação. A tensão média na qual um aço pode suportar 10 milhões de ciclos sem falha é relatada como a sua resistência à fadiga (também chamada de limite de resistência à fadiga). Conforme a tensão aumenta, o número de ciclos até a falha diminui.

Resistência ao Cisalhamento

A resistência ao cisalhamento é definida como a máxima carga que pode ser suportada antes da fratura quando a carga é aplicada em um ângulo reto em relação ao eixo do fixador. De forma simplificada, é a força necessária para puxar o material de base em uma direção e o material superior em outra direção até a falha.
Os modos de falha incluem a deformação do material de base (isto é, o fixador se separa do material de base) e a fratura do fixador. Normalmente, estão sujeitos a esforços de cisalhamento os fixadores aparafusados ou rebitados.
Diferentemente dos ensaios de tração, determinar a carga de cisalhamento e detectar a falha do corpo de prova pode ser difícil. O sistema de teste deve ser suficientemente flexível para definir critérios diferentes de fim de teste para cada estilo de fixador. A maioria, se não todos, dos ensaios de cisalhamento é feita sobre a parte não roscada do fixador.
No ensaio de cisalhamento simples a carga é aplicada em plano e resulta no fixador sendo cortado em duas partes, enquanto no cisalhamento duplo (Fig. 4) produz três peças. Os valores do cisalhamento simples para fixadores são geralmente calculados com base no diâmetro nominal do corpo de prova ou na área cisalhada. Há uma relação entre a resistência à tração de um material e a sua resistência ao cisalhamento. Por exemplo, em ligas de aço a resistência ao cisalhamento é de aproximadamente 60% da sua resistência à tração. Em aços resistentes à corrosão (por exemplo, os aços inoxidáveis da série 300) esta relação é geralmente de 50 a 55%.

Fluência e Tensão de Ruptura

Fluência é a deformação do material em função do tempo sob uma carga aplicada (abaixo do limite de escoamento). Tensão de ruptura é a falha completa e repentina de um material mantido sob uma carga constante por um dado período de tempo e em uma temperatura específica. Estes ensaios são utilizados por fabricantes de fixadores para determinar qual será o desempenho dos seus produtos quando submetidos a cargas constantes, tanto em temperaturas elevadas quanto ambiente.

Durabilidade sob Tensão

A durabilidade sob tensão é utilizada para testar peças que serão submetidas a qualquer operação de processamento (por exemplo, galvanoplastia) que possa ter um efeito fragilizador. A peça é submetida a uma determinada carga, acima da carga de serviço, e mantida por um tempo específico, a carga é removida e o fixador examinado para verificar se há a presença de trincas.
Ensaio de Dureza
O ensaio de microdureza (Fig. 5) é realizado para medir a dureza no centro do fixador ou para medir a profundidade de camada endurecida. Este tipo de ensaio de dureza ajuda a caracterizar a durabilidade ou o desgaste do fixador. Por exemplo, baixa dureza no centro do fixador pode indicar um escoamento prematuro e levar a uma fratura dúctil. Por outro lado, alta dureza no centro pode indicar a inabilidade de um escoamento adequado e causar uma fratura frágil. Em ambos os casos, a integridade do fixador pode ser prejudicada.

Ensaio de Vibração

Os ensaios de vibração podem ser utilizados para determinar a vida do fixador e se ele perde as características de autodesprendimento sob condições de vibração. A máquina de teste de vibração transversal (comumente chamada de máquina Junker) é utilizada para produzir um gráfico de pré-carga/decaimento, uma indicação da resistência a autodesprendimento.

Análise Metalúrgica (Estrutura)

Os ensaios metalúrgicos podem ser realizados para avaliar a microestrutura do fixador. Eles permitem obter informações inestimáveis sobre o tamanho de grão, as condições superficiais (por exemplo, carbonetação ou descarbonetação) e resposta ao tratamento térmico. Tanto a microestrutura quanto o tamanho de grão são fortemente influenciados pelo tratamento térmico.

Composição Química

A composição química de um aço é determinada na siderúrgica e reportada em um certificado. É altamente desejável conhecer não somente os principais elementos, mas também os elementos residuais presentes antes do tratamento térmico. Também são comumente reportados o tamanho de grão, processamento anterior (por exemplo, recozimento na usina) e temperabilidade.

Fragilidade ao Hidrogênio

Os fixadores de aço podem ser expostos a fontes de hidrogênio (por exemplo, em operações de galvanoplastia) e falharem prematuramente sob níveis de tensão bem abaixo do limite de escoamento do material. Este efeito, geralmente, é atrasado, significando que a falha ocorrerá em serviço. Aços com resistência mais elevada são mais suscetíveis à fragilidade por hidrogênio que os aços com menor resistência. Como regra, os aços com dureza inferior a 30 HRC são considerados menos suscetíveis. O problema pode ser controlado por uma seleção cuidadosa da formulação do revestimento, um procedimento de revestimento adequado e uma secagem suficiente após o revestimento para não haver nenhum hidrogênio residual.

Corrosão

A falha de um fixador devido à corrosão pode ser relativamente lenta ou surpreendentemente rápida. Ela, geralmente, é definida como a quantidade de tempo antes de aparecer uma ferrugem branca ou vermelha na superfície do fixador e é medida em termos de horas de resistência sob aspersão (neblina) salina.

Métodos Estatísticos

Há ao menos três razões pelas quais o conhecimento do trabalho estatístico é necessário nos ensaios mecânicos:
• As propriedades mecânicas são sensíveis à microestrutura, assim, com frequência apresentam uma considerável variação ou espalhamento. Isso faz com que as técnicas estatísticas sejam úteis e necessárias para determinar a precisão das medições e permitem que conclusões válidas sejam tiradas dos resultados dos ensaios;
• Os métodos estatísticos podem ajudar no planejamento dos experimentos para conseguir o máximo de informações a um custo mínimo;
• Os métodos estatísticos (os quais são baseados na teoria da probabilidade) podem ser utilizados para ajudar a explicar certos problemas ou fenômenos, como o efeito do tamanho de grão na fratura frágil e fadiga.

Especificações para os Ensaios de Fixadores

Algumas das especificações/normas mais comuns para os ensaios de fixadores são:
1. NASM 1312-5 (substitui a MIL-STD-1312-5): Norma do ensaio para determinar a fragilização por hidrogênio (durabilidade sob tensão) de elementos de fixação com roscas internas;
2.   NASM 1312-7: Norma para o ensaio de vibração acelerada de fixadores;
3. NASM 1312-8 (substitui a MIL-STD-1312-8): Norma do método de ensaio para determinar a resistência à tração de fixadores com roscas externas e internas;
4. NASM 1312-10 (substitui a MIL-STD-1312-10): Norma do método de ensaio para a tensão de ruptura;
5. NASM 1312-11 (substitui a MIL-STD-1312-11): Norma do método de ensaio para determinar a tensão de fadiga de parafusos e porcas de parafusos a temperatura ambiente;
6. NASM 1312-12 (substitui a MIL-STD-1312-12): Norma do método de ensaio para determinar a espessura de recobrimentos metálicos;
7.   NASM 1312-13 (substitui a MIL-STD-1312-3A): Método de ensaio para ensaios de cisalhamento duplo em fixadores;
8. NASM 1312-15 (substitui a MIL-STD-1312-15): Norma do método de ensaio para determinar em temperatura ambiente a relação torque-tração para fixadores com roscas;
9. NASM 1312-20 (substitui a MIL-STD-1312-20): Norma do método de ensaio para definir os procedimentos e dispositivos para o ensaio de cisalhamento simples em fixadores;
10. NASM 1312-28 (substitui a MIL-STD-1312-28): Norma do método de ensaio para resistência ao cisalhamento duplo, em temperaturas elevadas, para todos os tipos de fixadores estruturais;
11. NASM1312-31 (substitui a MIL-STD-1312-31): Norma do método de ensaio para o ensaio de torque de fixadores com rosca;
12.  Ensaio de tração per ASTM A574;
13. Ensaio de fadiga per: NASM8831 Rev.3; MIL-S-5000 REV. E; NASM14181; e NASM85604;
14.  ASTM F606: Norma do método de ensaio para determinar as propriedades mecânicas de anilhas e rebites com roscas internas e externas;
15. ASTM F606M: Norma do método de ensaio para determinar as propriedades mecânicas de anilhas e rebites com roscas internas e externas – sistema métrico.

Resumindo

São partes importantes de um bom sistema de controle de qualidade para fixadores a determinação do ensaio/teste adequado para cada aplicação particular e a sua execução de forma a assegurar que não estejam sendo introduzidas variabilidades aos resultados. Os ensaios práticos realizados no fabricante produzem resultados altamente válidos para os sistemas de fixação e não devem ser desconsiderados, desde que haja dados históricos e de campo adequados para apoiar a validade dos ensaios. IH

Para mais informações, contate: Daniel H. Herring, e-mail: dherring@heat-treat-doctor.com. Richard D. Sisson Jr. é o “Professor George F. Fuller”, diretor de Manufatura e Engenharia de Manufatura, Departamento de Engenharia Mecânica, Worcester Polytechnic Institute, Worcester, Mass., EUA.

Revisão de tradução gentilmente realizada por Instron Brasil, (11) 4689-5950, www.instron.com.br.

Referências


[1] Herring, D. H., and Richard D. Sisson, Jr., “Testing of Heat Treated Fasteners,” Fastener Technology International, February 2010.
[2] Herring, D. H., “Basics of Mechanical Testing,” Heat Treating Progress, March/April 2005.
[3] Instron (www.instron.com).
[4] NIST (ts.nist.gov).
[5] Collaborative Testing Services, Inc. (www.collaborativetesting.com).
[6] Bolt Science (www.boltscience.com).
[7] Westmoreland Mechanical Testing & Research, Inc. (www.wmtr.com).
[8] Test Application Handbook Relating to Mechanical Fasteners, Division VI Aerospace Fasteners, 1995.
[9] Stork Materials Technology (www.storksmt.com).

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