Аналіз поширених причин руйнування болтів кріплення

Існують різні причини руйнування болтакріплення. Взагалі кажучи, пошкодження болтів викликано фактором стресу, втомою, корозією та водневою крихкістю.

Перелом болта

1. Фактор стресу
Перевищення звичайного напруження (перенапруження) спричинене будь-яким зсувом, розтягом, згином і стисненням або їх комбінацією.
Більшість проектувальників спочатку розглядають комбінацію навантаження на розтяг, сили попереднього натягу та додаткового практичного навантаження. Сила попереднього затягування в основному є внутрішньою та статичною, яка стискає компоненти з’єднання. Практичні навантаження - це зовнішні, зазвичай циклічні (зворотно-поступальні) сили, що прикладаються до кріплень.
Розтягуюче навантаження намагається запобігти розкриттю компонентів з’єднання. Коли ці навантаження перевищують межу текучості болта, болт змінює пружну деформацію на пластичну, що призводить до остаточної деформації болта. Тому його неможливо відновити до початкового стану після зняття зовнішнього навантаження. З подібних причин, якщо зовнішнє навантаження на болт перевищує його граничну міцність на розтяг, болт зламається.
Затягування болтів досягається закручуванням із зусиллям попереднього натягу. Під час монтажу надмірний крутний момент призводить до надмірного затягування та знижує міцність кріпильних елементів на осьовий розрив, піддаючи їх надмірному навантаженню. Іншими словами, болти, що піддаються безперервному крученню, мають нижчі значення текучості порівняно з болтами, які безпосередньо піддаються натягу та натягу. Таким чином, болт може поступитися до досягнення мінімальної міцності на розтяг відповідного стандарту. Великий крутний момент може збільшити силу попереднього затягування болта і, відповідно, зменшити ослаблення з’єднання. Щоб збільшити силу блокування, сила попереднього затягування зазвичай встановлюється на верхній межі. Таким чином, якщо різниця між межею текучості та межею міцності на розрив невелика, болти зазвичай не прогинаються через кручення.
Зсувне навантаження прикладає вертикальну силу до поздовжньої осіболт. Напруга зсуву поділяється на одинарну напругу зсуву та подвійну напругу зсуву. Згідно з емпіричними даними, граничне одиничне напруження зсуву становить приблизно 65% від граничного напруження розтягування. Багато дизайнерів віддають перевагу зсувним навантаженням, оскільки вони використовують міцність болтів на розтягнення та зріз. Вони в основному діють як дюбелі, утворюючи відносно прості з’єднання для кріплень, що піддаються зсуву. Недоліком є ​​те, що зрізні з’єднання мають обмежений діапазон застосування і не можуть використовуватися часто, оскільки потребують більше матеріалів і місця. Ми знаємо, що склад і точність матеріалів також відіграють вирішальну роль. Однак дані про матеріал, які перетворюють напругу розтягу в навантаження на зсув, часто недоступні.
Сила попереднього затягування кріпильних елементів впливає на цілісність зрізних з’єднань. Чим менше сила попереднього натягу, тим легше шару з’єднання ковзати при контакті з болтом. Навантажувальна здатність на зріз розраховується множенням кількості поперечних площин (одна площина зрізу називається одинарним зсувом, а дві площини зрізу називаються подвійним зсувом), які мають бути поперечними перерізами болтів без різьби. Ми не виступаємо за проектування наскрізних різьб, оскільки міцність кріплень на зсув може бути подолана концентрацією напруги при зміні поперечного перерізу. При визначенні міцності кріпильних виробів на зсув одні конструктори використовують площу напружень розтягування, а інші віддають перевагу перетинам малого діаметра. Якщо болт у зрізному з’єднанні закручується до вказаної величини (як показано на малюнку 2), сполучна поверхня контактного шару не може почати ковзати, доки вона не перевищить зовнішній опір тертю. Збільшення тертя між сполученими поверхнями може покращити загальну цілісність з’єднання. Іноді через розмір деталей і вимоги до конструкції кількість болтів, які необхідно використовувати, може бути обмежена.

Малюнок 2: Незалежно від того, чи є з’єднувальний компонент одинарним або подвійним зрізом, ріжуча поверхня не повинна проходити через різьбову частину кріплення
На додаток до навантажень на розтяг і зсув, напруга вигину є іншим навантаженням, яке відчувають болти, викликане зовнішніми силами, які не є перпендикулярними до поздовжньої осі болта і розташовані на опорних і сполучених поверхнях. Загалом, чим простіше кріпильне з’єднання, тим більше його цілісність і надійність.
2. Втома
Наразі немає спеціального законодавства, яке б вказувало постачальникам купувати ключові компоненти, які відповідають промисловим стандартам у відповідних нормативних актах для промислових кріплень, особливо без згадки про основну причину несправності кріпильних виробів – втому. За оцінками, ушкодження від втоми становлять 85% від загальної кількості несправностей кріплень.
Втома болтів - це безперервна дія циклічних розтягуючих навантажень, що призводить доболтизазнаючи відносно невеликих сил попереднього натягу та змінних робочих навантажень. За таких умов подвійного навантаження протягом тривалого часу болти вийдуть з ладу, якщо їхня номінальна міцність на розрив буде менше ніж. Довговічність у втомі визначається кількістю та амплітудою циклів навантажень. Деякі стиснені з’єднувачі, такі як преси, обладнання для штампування та формування, також можуть мати втомний руйнування. Під час роботи між потужністю та попереднім натягом генеруються численні складні напруги. При повторних рухах розтягування кількість і амплітуда змін напруги залежать від ступеня втоми і пошкодження.
Типові промислові кріплення, такі як гвинти з шестигранною головкою, постійно подовжуються та повертаються до своєї початкової форми в певному діапазоні еластичності. Якщо піддаватися навантаженню, що перевищує норму та межі пружного діапазону, вони зазнають постійної деформації, поки врешті не зламаються. Поведінка розширення та повернення до розширеного стану називається циклом. Гвинт із внутрішнім шестигранником може витримувати приблизно 240-10 градусних циклів на день (максимум), як показано на малюнку 3.

Рисунок 3 Покращена діаграма Гудмана

Пунктирною діагоналлю вказано середнє значення знакозмінного гвинтового навантаження з імовірністю 90% за 10 мільйонів циклів. Фактична діагональна лінія показує, що коли сила попереднього затягування гвинта досягає 100 psi, максимальне відхилення між динамічним навантаженням і середньою напругою становить 12 psi.
Кріпильні елементи згодом тріснуть через повторювані цикли напруги від піку до піку. Розрив зазвичай відбувається в найбільш вразливій точці кріплення, яку інженери називають «областю максимальної концентрації напруги». Як тільки мікротріщини виникають у точці концентрації напруги і продовжують піддаватися навантаженню, тріщини швидко поширюються, викликаючи втомне пошкодження кріплення. Підприємства, що виробляють кріплення для промислового використання, постійно досліджують нові процеси формування, проектують і розробляють нові методи виробництва, які можуть подолати вищезгадані фатальні недоліки.
Найпоширеніші місця втомного руйнування включають з'єднання (тобто першу навантажену різьбу), кореневу галтку, різьбу та закінчення різьби. Завдяки покращенню втомної міцності завдяки розробці кращих матеріалів і методів виробництва в обробній промисловості різьблення стали найслабшим місцем кріпильних виробів і в даний час є найбільшою часткою пошкоджень, що спричиняють втомну поломку.
Взаємозв'язок між змінними напруги в конструкції та експлуатаційними характеристиками кріплень робить встановлення стандартів міцності на втому складним завданням. В даний час це складний процес визначення кількості «циклів до руйнування» і вимірювання відносної міцності серії кріплень.
3. Корозія
Ще одна причина руйнування болта - корозія. Корозія має багато форм, включаючи звичайну корозію, хімічну корозію, електролітичну корозію та корозію під напругою. Електролітична корозія стосується впливу на кріпильні елементи різних вологих речовин, таких як дощова вода або кислотний туман, які є електролітами, які можуть спричинити хімічну корозію кріпильних елементів; По-друге, через різний матеріал кріпильних елементів їхні електролітичні потенціали різні, і різниця потенціалів може легко генерувати «мікробатарейки». Розробники повинні вибирати матеріали з однаковими електролітичними потенціалами, наскільки це можливо, на основі сумісності металів, одночасно усуваючи умови для утворення електроліту, щоб запобігти розтріскування, спричинене електролітичною корозією.
Стрес-корозія відносно обмежена. Стрес-корозія існує при високих навантаженнях на розтягування і вражає головним чином кріплення з високоміцної легованої сталі. Кріпильні вироби з легованої сталі (особливо сталі з високим складом сплаву) схильні до розтріскування під дією напруги. Спочатку на поверхні зазвичай утворюються тріщини і ямки, а потім відбувається подальша корозія, яка сприяє поширенню тріщин. Швидкість розповсюдження тріщини визначається напругою на болті та в’язкістю руйнування матеріалу. Коли залишився матеріал функціонує до точки, коли він не може протистояти прикладеній напрузі, відбувається руйнування.
4. Водневе окрихчення
Високоміцні сталеві кріплення (зазвичай з твердістю Роквелла C36 або вище) більш схильні до водневої крихкості. Воднева крихкість є основною причиною руйнування кріплення. Водневе окрихчення — це явище, при якому атоми водню входять і дифундують по всій матриці матеріалу. Коли атоми водню входять у матрицю матеріалу, матриця зазнає спотворення решітки, що порушує початковий рівноважний стан і полегшує її розтріскування під дією зовнішніх сил. При прикладенні зовнішнього навантаження догвинт,атоми водню мігрують в зону висококонцентрованих напруг, викликаючи значні напруги між краями кристалічних границь, що призводить до руйнування між кристалічними частинками кріплення.
Якщо кріпильні елементи перед установкою містять критичний водень, вони зазвичай ламаються протягом 24 годин. Якщо водень потрапить у кріплення, неможливо передбачити, коли воно зламається. Тому, використовуючи відповідні кріплення, розробники повинні визначити вибір постачальників зі спеціалізованими процесами та мінімальним потенціалом водневої крихкості.
5. Інші фактори
Розрив з'єднання не завжди безпосередньо пов'язаний з катастрофічним розривом кріплення. Багато факторів, пов’язаних із кріпильними деталями, наприклад втрата попереднього натягу або втома кріпильних з’єднань, можуть спричинити знос; Центральне зміщення кріплень може створювати шум і протікання під час використання, що вимагає позапланового обслуговування, щоб запобігти поломці. Наприклад, вібрація може зменшити опір тертя різьби, а кріпильні з’єднання можуть розслабитися через застосування робочих навантажень після встановлення. Ці фактори разом із високотемпературною повзучістю болтів можуть призвести до втрати сили попереднього натягу. Іноді руйнування з’єднання може бути пов’язано з тим, що отвір, що проходить через нього, є занадто великим або занадто малим, опорною площею є занадто малою, матеріалом є занадто м’яким або занадто високим навантаженням. Будь-яка з цих ситуацій не призведе до прямого розриву болта, але призведе до втрати цілісності з’єднання або можливого розриву болта.