Анализ на често срещаните причини за счупване на крепежни болтове

Има различни причини за счупване на болтакрепежни елементи. Най-общо казано, повредата на болта се причинява от фактор на напрежение, умора, корозия и водородна крехкост.

Счупване на болта

1. Стрес фактор
Превишаването на конвенционалното напрежение (свръхнапрежение) се причинява от всяко едно или комбинация от срязване, опън, огъване и компресия.
Повечето дизайнери първо вземат предвид комбинацията от натоварване на опън, сила на предварително натоварване и допълнително практическо натоварване. Силата на предварително затягане е основно вътрешна и статична, която компресира компонентите на съединението. Практическите натоварвания са външни, обикновено циклични (възвратно-постъпателни) сили, приложени към крепежни елементи.
Натоварването на опън се опитва да устои на отварянето на компонентите на съединението. Когато тези натоварвания превишат границата на провлачване на болта, болтът се променя от еластична деформация към пластична деформация, което води до постоянна деформация на болта. Следователно, той не може да бъде възстановен до първоначалното си състояние, когато външното натоварване бъде премахнато. По подобни причини, ако външното натоварване върху болта надвиши неговата крайна якост на опън, болтът ще се счупи.
Затягането на болта се постига чрез усукване със сила на предварително натоварване. По време на монтажа прекомерният въртящ момент води до пренатягане и намалява аксиалната якост на опън на крепежните елементи, като ги подлага на свръхнапрежение. С други думи, болтовете, подложени на непрекъснато усукване, имат по-ниски стойности на провлачване в сравнение с болтовете, подложени директно на напрежение и опън. По този начин болтът може да се поддаде, преди да достигне минималната якост на опън на съответния стандарт. Големият въртящ момент може да увеличи силата на предварително затягане на болта и съответно да намали разхлабването на съединението. За да се увеличи силата на заключване, силата на предварително затягане обикновено се задава на горна граница. По този начин, освен ако разликата между границата на провлачване и крайната якост на опън не е малка, болтовете обикновено няма да се поддават поради усукване.
Натоварването на срязване прилага вертикална сила към надлъжната ос наболт. Напрежението на срязване се разделя на единично напрежение на срязване и двойно напрежение на срязване. От емпирични данни крайното единично напрежение на срязване е приблизително 65% от максималното напрежение на опън. Много дизайнери предпочитат натоварвания на срязване, защото използват якостта на опън и срязване на болтовете. Те действат главно като дюбели, образувайки относително прости връзки за крепежни елементи, подложени на срязване. Недостатъкът е, че срязващите връзки имат ограничен обхват на приложение и не могат да се използват често, тъй като изискват повече материали и пространство. Знаем, че съставът и точността на материалите също играят решаваща роля. Въпреки това, данните за материала, които преобразуват напрежението на опън в натоварване на срязване, често не са налични.
Силата на предварително затягане на крепежните елементи влияе върху целостта на срязващите връзки. Колкото по-ниска е силата на предварителното натоварване, толкова по-лесно е за плъзгането на свързващия слой при контакт с болта. Капацитетът на натоварване при срязване се изчислява чрез умножаване на броя на напречните равнини (една равнина на срязване се нарича единично срязване, а две равнини на срязване се наричат ​​двойно срязване), които трябва да бъдат напречните сечения на болтовете без резба. Ние не препоръчваме проектиране на срязване през нишки, тъй като якостта на срязване на крепежните елементи може да бъде преодоляна чрез концентрация на напрежение, когато напречното сечение се промени. При определяне на якостта на срязване на крепежните елементи някои дизайнери използват зоната на напрежение на опън, докато други предпочитат секции с малък диаметър. Ако болтът в срязващата връзка е усукан до определената стойност (както е показано на Фигура 2), свързващата повърхност на контактния слой не може да започне да се плъзга, докато не превиши съпротивлението на триене отвън. Увеличаването на триенето между свързващите се повърхности може да подобри цялостната цялост на връзката. Понякога, поради размера на частите и изискванията за дизайн, броят на болтовете, които трябва да се използват, може да бъде ограничен.

Фигура 2: Независимо дали свързващият компонент е единичен или двоен срез, режещата повърхност не трябва да преминава през резбовата част на крепежния елемент
В допълнение към натоварванията на опън и срязване, напрежението на огъване е друго натоварване, което изпитват болтовете, причинено от външни сили, които не са перпендикулярни на надлъжната ос на болта и са разположени върху опорните и свързващите повърхности. Като цяло, колкото по-проста е връзката на крепежния елемент, толкова по-голяма е нейната цялост и надеждност.
2. Умора
Понастоящем няма специфично законодателство, нареждащо на доставчиците да закупуват ключови компоненти, които отговарят на индустриалните стандарти в съответните разпоредби за промишлени крепежни елементи, особено без да се споменава основната причина за повреда на крепежни елементи - умора. Смята се, че щетите от умора представляват 85% от общия брой повреди на крепежни елементи.
Умората на болтовете е непрекъснатото действие на циклични натоварвания на опън, което води доболтовеподложени на относително малки сили на предварително натоварване и редуващи се работни натоварвания. При такива условия на двойно натоварване за дълго време, болтовете ще се повредят, когато тяхната номинална якост на опън е по-малка от. Животът на умора се определя от броя и амплитудата на циклите на напрежение при натоварване. Някои компресирани съединители, като преси, оборудване за щамповане и машини за формоване, също могат да получат счупване от умора. По време на работа се генерират множество съставни напрежения между мощността и предварителното натоварване. При повтарящи се движения на разтягане броят и амплитудата на промените в напрежението се влияят от степента на умора и увреждане.
Типичните промишлени крепежни елементи, като шестостенни винтове, постоянно се удължават и се връщат към първоначалната си форма в рамките на определен диапазон на еластичност. Ако бъдат подложени на напрежение над нормалното и извън еластичния диапазон, те ще претърпят постоянна деформация, докато в крайна сметка се счупят. Поведението на разширяване и връщане в разширено състояние се нарича цикъл. Винт с вътрешен шестоъгълник може да издържи приблизително 240-10 градуса цикли на ден (максимум), както е показано на фигура 3.

Фигура 3 Подобрена диаграма на Гудман

Пунктираният диагонал показва средната стойност на променливото натоварване на винта с 90% вероятност за 10 милиона цикъла. Действителната диагонална линия показва, че когато силата на предварително затягане на винта достигне 100ksi, максималното отклонение между динамичното натоварване и средното напрежение е 12ksi.
Скрепителните елементи в крайна сметка ще се напукат поради повтарящи се цикли на напрежение от пик до пик. Счупването обикновено се случва в най-уязвимата точка на закопчалката, която инженерите наричат ​​"зона на максимална концентрация на напрежение". След като се появят микропукнатини в точката на концентрация на напрежението и продължат да бъдат подложени на напрежение, пукнатините ще се разпространят бързо, причинявайки повреда от умора на крепежния елемент. Предприятията, произвеждащи крепежни елементи за промишлена употреба, непрекъснато изследват нови процеси на формоване и проектират и разработват нови производствени методи, които могат да преодолеят гореспоменатите фатални слабости.
Най-честите места на разрушаване поради умора включват съединението (т.е. първата натоварена резба), кореновото филе, резбата и края на резбата. Благодарение на подобряването на якостта на умора чрез разработването на по-добри материали и производствени методи в производствената промишленост, резбите са се превърнали в най-слабото място на крепежните елементи и понастоящем най-високият дял от щетите, причинени от повреда от умора.
Взаимовръзката между променливите на напрежението в дизайна и експлоатационните характеристики на крепежните елементи прави определянето на стандарти за якост на умора трудна задача. Понастоящем това е сложен процес за определяне на броя на "циклите до счупване" и измерване на относителната якост на серия от крепежни елементи.
3. Корозия
Друга причина за счупване на болта е корозията. Корозията има много форми, включително обикновена корозия, химическа корозия, електролитна корозия и корозия под напрежение. Електролитната корозия се отнася до излагането на крепежни елементи на различни влажни агенти като дъждовна вода или киселинна мъгла, които са електролити, които могат да причинят химическа корозия на крепежните елементи; Второ, поради различните материали на крепежните елементи, техните електролитни потенциали са различни и потенциалната разлика може лесно да генерира "микробатерии". Дизайнерите трябва да избират материали с подобни електролитни потенциали, доколкото е възможно въз основа на съвместимостта на металите, като същевременно елиминират условията за генериране на електролит, за да се предотврати напукване, причинено от електролитна корозия.
Стрес корозията е относително ограничена. Стрес корозията съществува при високи натоварвания на опън и засяга главно крепежни елементи, изработени от високоякостна легирана стомана. Скрепителните елементи, изработени от легирана стомана (особено стомана с висок състав на сплавта), са склонни към напукване при напрежение. В началото на повърхността обикновено се образуват пукнатини и ями, а след това настъпва по-нататъшна корозия, която насърчава разпространението на пукнатини. Скоростта на разпространение на пукнатината се определя от напрежението върху болта и якостта на счупване на материала. Когато останалият материал функционира до степен, в която не може да издържи на приложеното напрежение, настъпва счупване.
4. Водородна крехкост
Крепежните елементи от стомана с висока якост (обикновено с твърдост по Рокуел C36 или по-висока) са по-податливи на водородна трошливост. Водородната крехкост е основната причина за счупване на крепежни елементи. Водородната крехкост е явление, при което водородните атоми навлизат и дифундират в цялата матрица на материала. Когато водородните атоми навлязат в матрицата на материала, матрицата претърпява изкривяване на решетката, нарушавайки първоначалното равновесно състояние и улеснявайки напукването под въздействието на външни сили. Когато се прилага външно натоварване върхувинт,водородните атоми мигрират към силно концентрираната зона на напрежение, причинявайки значително напрежение между ръбовете на кристалните граници, което води до счупване между кристалните частици на крепежния елемент.
Когато крепежните елементи съдържат критичен водород преди монтажа, те обикновено се счупват в рамките на 24 часа. Ако водородът навлезе в закопчалката, не може да се предвиди кога ще се счупи. Следователно, когато използват подходящи крепежни елементи, дизайнерите трябва да уточнят избора на доставчици със специализирани процеси и минимален потенциал за водородна крехкост.
5. Други фактори
Счупването на връзката не винаги е пряко свързано с катастрофалното счупване на крепежния елемент. Много фактори, свързани със скрепителните елементи, като загуба на предварително натоварване или умора на връзките на скрепителните елементи, могат да причинят износване и разкъсване; Централното изместване на крепежните елементи може да генерира шум и изтичане по време на употреба, което изисква непланирана поддръжка, за да се предотврати счупване. Например, вибрациите могат да намалят съпротивлението на триене на резбите, а връзките на крепежните елементи могат да се отпуснат поради прилагането на работни натоварвания след монтажа. Тези фактори, заедно с високотемпературното пълзене на болтовете, могат да доведат до загуба на силата на предварително натоварване. Понякога счупването на връзката може да се дължи на това, че дупката, минаваща през нея, е твърде голяма или твърде малка, носещата площ е твърде малка, материалът е твърде мек или натоварването е твърде голямо. Никоя от тези ситуации няма да причини директно счупване на болта, но ще доведе до загуба на целостта на връзката или евентуално счупване на болта.