Există diverse motive pentru ruperea șurubuluielemente de fixare. În general, deteriorarea șuruburilor este cauzată de factorul de stres, oboseală, coroziune și fragilizarea hidrogenului.
Ruptura șurubului
1. Stress factor
Depășirea tensiunii convenționale (solicitarea excesivă) este cauzată de oricare sau o combinație de forfecare, tensiune, încovoiere și compresie.
Majoritatea proiectanților iau în considerare mai întâi combinația dintre sarcina de tracțiune, forța de preîncărcare și sarcina practică suplimentară. Forța de prestrângere este practic internă și statică, care comprimă componentele îmbinării. Sarcinile practice sunt forțe externe, de obicei ciclice (reciproce) aplicate elementelor de fixare.
Sarcina de tracțiune încearcă să reziste la deschiderea componentelor îmbinării. Când aceste sarcini depășesc limita de curgere a șurubului, șurubul se schimbă de la deformare elastică la deformare plastică, rezultând deformarea permanentă a șurubului. Prin urmare, nu poate fi restabilit la starea inițială atunci când sarcina externă este îndepărtată. Din motive similare, dacă sarcina exterioară asupra șurubului depășește rezistența sa maximă la tracțiune, șurubul se va rupe.
Strângerea șuruburilor se realizează prin răsucire cu forță de preîncărcare. În timpul instalării, cuplul excesiv duce la exagerare și reduce rezistența la tracțiune axială a elementelor de fixare, supunându -i suprasensiune. Cu alte cuvinte, șuruburile supuse la torsiune continuă au valori de curgere mai mici în comparație cu șuruburile supuse direct la tensiune și tensiune. În acest fel, șurubul poate ceda înainte de a atinge rezistența minimă la tracțiune a standardului corespunzător. Un cuplu mare poate crește forța de prestrângere a șurubului și, în mod corespunzător, poate reduce slăbirea îmbinării. Pentru a crește forța de blocare, forța de prestrângere este în general stabilită la o limită superioară. În acest fel, cu excepția cazului în care diferența dintre limita de curgere și rezistența finală la tracțiune este mică, șuruburile în general nu vor ceda din cauza torsii.
Sarcina de forfecare aplică o forță verticală pe axa longitudinală așurub. Tensiunea de forfecare este împărțită în efort de forfecare simplă și efort de forfecare dublă. Din datele empirice, efortul final de forfecare unică este de aproximativ 65% din efortul final de tracțiune. Mulți designeri preferă sarcinile de forfecare, deoarece folosesc rezistența la tracțiune și forfecare a șuruburilor. Acţionează în principal ca nişte dibluri, formând conexiuni relativ simple pentru elementele de fixare supuse la forfecare. Dezavantajul este că îmbinările de forfecare au o gamă limitată de aplicații și nu pot fi utilizate frecvent, deoarece necesită mai multe materiale și spațiu. Știm că compoziția și acuratețea materialelor joacă, de asemenea, un rol decisiv. Cu toate acestea, datele despre materiale care convertesc solicitarea de tracțiune în sarcină de forfecare sunt adesea indisponibile.
Forța de prestrângere a elementelor de fixare afectează integritatea conexiunilor de forfecare. Cu cât forța de preîncărcare este mai mică, cu atât stratul de îmbinare este mai ușor să alunece în contact cu șurubul. Capacitatea de forfecare este calculată prin înmulțirea numărului de planuri transversale (un plan de forfecare se numește forfecare simplă, iar două plane de forfecare sunt numite forfecare dublă), care ar trebui să fie secțiunile transversale ale șuruburilor nefiletate. Nu susținem proiectarea filetelor la forfecare, deoarece rezistența la forfecare a elementelor de fixare poate fi depășită prin concentrarea tensiunilor atunci când se modifică secțiunea transversală. Atunci când se determină rezistența la forfecare a elementelor de fixare, unii designeri folosesc zona de tensiune de tracțiune, în timp ce alții preferă secțiuni cu diametru mic. Dacă șurubul din conexiunea de forfecare este răsucit la valoarea specificată (așa cum se arată în Figura 2), suprafața de împerechere a stratului de contact nu poate începe să alunece până când nu depășește rezistența la frecare în exterior. Creșterea frecării între suprafețele de îmbinare poate îmbunătăți integritatea generală a conexiunii. Uneori, din cauza dimensiunii pieselor și a cerințelor de proiectare, numărul de șuruburi care trebuie utilizate poate fi limitat.
Figura 2: Indiferent dacă componenta de conectare este tăiată cu o singură tăiere sau dublă, suprafața de tăiere nu trebuie să treacă prin partea filetată a dispozitivului de fixare
Pe lângă sarcinile de tracțiune și forfecare, efortul de încovoiere este o altă sarcină pe care șuruburile o suferă, cauzată de forțele externe care nu sunt perpendiculare pe axa longitudinală a șurubului și sunt situate pe suprafețele de rezemare și de împerechere. În general, cu cât conexiunea elementului de fixare este mai simplă, cu atât este mai mare integritatea și fiabilitatea acesteia.
2. Oboseala
În prezent, nu există o legislație specifică care să direcționeze furnizorii să achiziționeze componente cheie care respectă standardele industriale din reglementările relevante pentru elementele de fixare industriale, mai ales fără a menționa cauza principală a defectării elementelor de fixare - oboseala. Se estimează că daunele cauzate de oboseală reprezintă 85% din numărul total de defecțiuni ale elementelor de fixare.
Oboseala în șuruburi este acțiunea continuă a sarcinilor ciclice de tracțiune, care rezultă înșuruburi
Elementele de fixare industriale tipice, cum ar fi șuruburile hexagonale, se alungesc constant și revin la forma lor originală într-un anumit interval de elasticitate. Dacă sunt supuse unor tensiuni peste normal și dincolo de intervalul elastic, ele vor suferi o deformare permanentă până când se vor rupe. Comportamentul de extindere și revenire la o stare extinsă se numește ciclu. Un șurub cu mufa hexagonală poate rezista la aproximativ 240-10 cicluri de grade pe zi (maxim), așa cum se arată în Figura 3.
Figura 3 Diagrama Goodman îmbunătățită
Diagonala punctată indică valoarea medie a sarcinii alternante a șurubului cu o probabilitate de 90% pentru 10 milioane de cicluri. Linia diagonală reală arată că atunci când forța de prestrângere a șurubului atinge 100ksi, abaterea maximă dintre sarcina dinamică și solicitarea medie este de 12ksi.
The most common locations of fatigue failure include the joint (ie the first loaded thread), root fillet, thread, and thread termination. Datorită îmbunătățirii rezistenței la oboseală prin dezvoltarea unor materiale și metode de producție mai bune în industria prelucrătoare, firele au devenit cel mai slab punct al elementelor de fixare și, în prezent, cea mai mare proporție de daune cauzate de defecțiunea prin oboseală.
Interrelația dintre variabilele de stres în proiectare și caracteristicile de performanță ale elementelor de fixare face ca stabilirea standardelor de rezistență la oboseală să fie o sarcină dificilă. În prezent, este un proces complex de a determina numărul de „cicluri de rupere” și de a măsura rezistența relativă a unei serii de elemente de fixare.
3. Coroziune
Un alt motiv pentru ruperea șurubului este coroziunea. Coroziunea are mai multe forme, inclusiv coroziunea obișnuită, coroziunea chimică, coroziunea electrolitică și coroziunea la stres. Coroziunea electrolitică se referă la expunerea elementelor de fixare la diferiți agenți umezi, cum ar fi apa de ploaie sau ceața acidă, care sunt electroliți care pot provoca coroziunea chimică a elementelor de fixare; În al doilea rând, datorită diferitelor materiale ale elementelor de fixare, potențialele lor electrolitice sunt diferite, iar diferența de potențial poate genera cu ușurință „microbaterii”. Proiectanții ar trebui să aleagă materiale cu potențiale electrolitice similare pe cât posibil pe baza compatibilității metalelor, eliminând în același timp condițiile pentru generarea electroliților pentru a preveni fisurarea cauzată de coroziunea electrolitică.
Coroziunea sub tensiune este relativ limitată. Coroziunea la efort există sub sarcini mari de tracțiune și afectează în principal elementele de fixare din oțel aliat de înaltă rezistență. Elementele de fixare din oțel aliat (în special oțel cu compoziție înalt aliată) sunt predispuse la fisurare sub stres. La început, la suprafață se formează de obicei crăpături și gropi, iar apoi apare coroziune ulterioară, care favorizează propagarea fisurilor. Viteza de propagare a fisurii este determinată de solicitarea pe șurub și de rezistența la rupere a materialului. Atunci când materialul rămas funcționează până la punctul în care nu poate rezista la solicitarea aplicată, apare fractura.
4. Fragilarea prin hidrogen
Elementele de fixare din oțel de înaltă rezistență (în general, cu o duritate Rockwell de C36 sau mai mare) sunt mai predispuse la fragilizarea cu hidrogen. Fragilarea prin hidrogen este cauza principală a ruperii elementelor de fixare. Fragilarea hidrogenului este un fenomen în care atomii de hidrogen intră și difuzează în întreaga matrice a materialului. Atunci când atomii de hidrogen intră în matricea materialului, matricea suferă o distorsiune a rețelei, perturbând starea inițială de echilibru și făcându-l ușor de fisurat sub forțele externe. Când o sarcină externă este aplicată laşurub,atomii de hidrogen migrează către zona de stres foarte concentrată, provocând stres semnificativ între marginile limitelor cristalului, ceea ce duce la fracturarea particulelor de cristal ale elementului de fixare.
Când elementele de fixare conțin hidrogen critic înainte de instalare, acestea se rup de obicei în 24 de ore. Dacă hidrogenul intră în elementul de fixare, este imposibil de prezis când se va rupe. Prin urmare, atunci când folosesc elemente de fixare relevante, proiectanții ar trebui să specifice selecția furnizorilor cu procese specializate și fragilizare potențială minimă a hidrogenului.
5. Alți factori
Ruptura conexiunii nu este întotdeauna direct legată de fractura catastrofală a elementelor de fixare. Mulți factori legați de elementele de fixare, cum ar fi pierderea preîncărcării sau oboseala conexiunilor elementelor de fixare, pot cauza uzura; Decalajul central al elementelor de fixare poate genera zgomot și scurgeri în timpul utilizării, necesitând întreținere neplanificată pentru a preveni spargerea. De exemplu, vibrațiile pot reduce rezistența la frecare a filetelor, iar conexiunile de fixare se pot relaxa datorită aplicării sarcinilor de lucru după instalare. Acești factori, împreună cu fluajul la temperatură ridicată a șuruburilor, pot duce la pierderea forței de preîncărcare. Uneori, ruptura conexiunii poate fi atribuită faptului că orificiul care trece prin este prea mare sau prea mic, suprafața rulmentului fiind prea mică, materialul fiind prea moale sau sarcina prea mare. Oricare dintre aceste situații nu va cauza ruptura directă a șurubului, dar va duce la pierderea integrității conexiunii sau eventuala ruptură a șurubului.
