Анализ распространенных причин перелома крепежного болта

Причины поломки болта разные.крепежные детали. Вообще говоря, повреждение болтов вызвано факторами напряжения, усталостью, коррозией и водородным охрупчиванием.

Перелом болта

1. Фактор стресса
Превышение обычного напряжения (чрезмерное напряжение) вызвано одним или комбинацией сдвига, растяжения, изгиба и сжатия.
Большинство проектировщиков сначала рассматривают сочетание растягивающей нагрузки, силы предварительного натяга и дополнительной практической нагрузки. Усилие предварительной затяжки в основном внутреннее и статическое, которое сжимает компоненты соединения. Практические нагрузки — это внешние, обычно циклические (возвратно-поступательные) силы, приложенные к крепежным деталям.
Растягивающая нагрузка пытается удержать компоненты соединения от раскрытия. Когда эти нагрузки превышают предел текучести болта, упругая деформация болта переходит в пластическую деформацию, что приводит к необратимой деформации болта. Поэтому его невозможно восстановить в исходное состояние при снятии внешней нагрузки. По тем же причинам, если внешняя нагрузка на болт превысит его предел прочности на растяжение, болт сломается.
Затяжка болтов достигается закручиванием с усилием предварительного натяга. Во время установки чрезмерный крутящий момент приводит к перетягиванию и снижает осевую прочность крепежных элементов на растяжение, подвергая их чрезмерному напряжению. Другими словами, болты, подвергающиеся непрерывному кручению, имеют более низкие значения текучести по сравнению с болтами, непосредственно подвергающимися растяжению и растяжению. Таким образом, болт может поддаться деформации до достижения минимального предела прочности на разрыв, указанного в соответствующем стандарте. Большой крутящий момент может увеличить усилие предварительной затяжки болта и, соответственно, уменьшить ослабление соединения. Чтобы увеличить усилие фиксации, усилие предварительной затяжки обычно устанавливается на верхнем пределе. Таким образом, если разница между пределом текучести и пределом прочности при растяжении невелика, болты, как правило, не поддаются деформации из-за кручения.
Сдвиговая нагрузка прикладывает вертикальную силу к продольной осиболт. Касательное напряжение делится на одинарное касательное напряжение и двойное касательное напряжение. По эмпирическим данным, предельное одиночное напряжение сдвига составляет примерно 65 % предельного напряжения растяжения. Многие проектировщики предпочитают сдвиговые нагрузки, поскольку они используют прочность болтов на растяжение и сдвиг. В основном они действуют как дюбели, образуя относительно простые соединения для крепежных изделий, подвергающихся сдвигу. Недостатком является то, что сдвиговые соединения имеют ограниченный спектр применения и не могут использоваться часто, так как требуют больше материалов и места. Мы знаем, что состав и точность материалов также играют решающую роль. Однако данные о материале, которые преобразуют растягивающее напряжение в сдвиговую нагрузку, часто недоступны.
Сила предварительной затяжки крепежных изделий влияет на целостность срезных соединений. Чем ниже сила предварительного натяга, тем легче скользящему слою при контакте с болтом. Допустимая срезающая нагрузка рассчитывается путем умножения количества поперечных плоскостей (одна плоскость сдвига называется одинарным сдвигом, а две плоскости сдвига называются двойным сдвигом), которые должны быть сечениями болтов без резьбы. Мы не поддерживаем расчет резьбы на сдвиг, поскольку прочность крепежа на сдвиг может быть преодолена концентрацией напряжений при изменении поперечного сечения. При определении прочности крепежа на сдвиг одни конструкторы используют площадь растягивающего напряжения, другие отдают предпочтение участкам малого диаметра. Если болт в срезном соединении закручен на заданную величину (как показано на рисунке 2), сопрягаемая поверхность контактного слоя не может начать скользить, пока не превысит сопротивление трения снаружи. Увеличение трения между сопрягаемыми поверхностями может улучшить общую целостность соединения. Иногда из-за размеров деталей и требований к конструкции количество используемых болтов может быть ограничено.

Рисунок 2. Независимо от того, является ли соединительный компонент одинарным или двойным, режущая поверхность не должна проходить через резьбовую часть крепежа.
Помимо растягивающих и сдвигающих нагрузок, еще одной нагрузкой, которую испытывают болты, является напряжение изгиба, вызванное внешними силами, не перпендикулярными продольной оси болта и расположенными на опорных и сопрягаемых поверхностях. В целом, чем проще соединение крепежа, тем выше его целостность и надежность.
2. Усталость
В настоящее время в соответствующих регламентах для промышленного крепежа нет специального законодательства, обязывающего поставщиков приобретать ключевые компоненты, соответствующие промышленным стандартам, особенно без упоминания основной причины выхода крепежа из строя - усталости. По оценкам, усталостные повреждения составляют 85% от общего числа отказов крепежных изделий.
Усталость болтов – это непрерывное действие циклических растягивающих нагрузок, в результате чегоболтыподвергаться относительно небольшим усилиям предварительной нагрузки и переменным рабочим нагрузкам. При таких условиях двойной нагрузки в течение длительного времени болты выйдут из строя, если их номинальная прочность на разрыв меньше . Усталостная долговечность определяется количеством и амплитудой циклов нагружения. Некоторые сжатые соединители, такие как прессы, штамповочное оборудование и формовочное оборудование, также могут подвергаться усталостному разрушению. Во время работы между мощностью и предварительной нагрузкой возникают множественные сложные напряжения. При повторяющихся растягивающих движениях на количество и амплитуду изменений напряжения влияет степень утомления и повреждений.
Типичные промышленные крепежные детали, такие как винты с шестигранной головкой, постоянно удлиняются и возвращаются к своей первоначальной форме в определенном диапазоне упругости. Если они подвергнуты напряжению, превышающему нормальное и выходящее за пределы диапазона упругости, они будут подвергаться постоянной деформации, пока в конечном итоге не сломаются. Поведение расширения и возврата в расширенное состояние называется циклом. Винт с шестигранной головкой выдерживает примерно 240-10 циклов градусов в день (максимум), как показано на рисунке 3.

Рис. 3. Улучшенная диаграмма Гудмана.

Пунктирная диагональ указывает среднее значение знакопеременной винтовой нагрузки с вероятностью 90% за 10 миллионов циклов. Фактическая диагональная линия показывает, что когда усилие предварительной затяжки винта достигает 100 фунтов на квадратный дюйм, максимальное отклонение между динамической нагрузкой и средним напряжением составляет 12 фунтов на квадратный дюйм.
Крепежи со временем трескаются из-за повторяющихся циклов напряжения от пика до пика. Перелом обычно происходит в наиболее уязвимом месте крепежа, которое инженеры называют «областью максимальной концентрации напряжений». Как только микротрещины возникают в точке концентрации напряжения и продолжают подвергаться напряжению, трещины будут быстро распространяться, вызывая усталостное повреждение крепежа. Предприятия, производящие крепеж для промышленного использования, постоянно изучают новые процессы формования, а также проектируют и разрабатывают новые методы производства, которые могут преодолеть вышеупомянутые фатальные недостатки.
Наиболее распространенными местами усталостного разрушения являются соединение (т. е. первая нагруженная резьба), корневое скругление, резьба и окончание резьбы. Благодаря повышению усталостной прочности за счет разработки более совершенных материалов и методов производства в обрабатывающей промышленности, резьба стала самым слабым местом крепежных изделий и в настоящее время является причиной самой высокой доли повреждений при усталостном разрушении.
Взаимосвязь между переменными напряжения при проектировании и эксплуатационными характеристиками крепежных изделий делает установление стандартов усталостной прочности сложной задачей. В настоящее время определение количества «циклов до разрушения» и измерение относительной прочности ряда крепежных изделий представляет собой сложный процесс.
3. Коррозия
Еще одна причина поломки болта – коррозия. Коррозия имеет множество форм, включая обычную коррозию, химическую коррозию, электролитическую коррозию и коррозию под напряжением. Электролитическая коррозия означает воздействие на крепежные детали различных влажных агентов, таких как дождевая вода или кислотный туман, которые являются электролитами и могут вызвать химическую коррозию крепежных деталей; Во-вторых, из-за разных материалов крепежных изделий их электролитические потенциалы различны, и разность потенциалов может легко генерировать «микробатарейки». Конструкторам следует выбирать материалы с близкими электролитическими потенциалами, насколько это возможно, исходя из совместимости металлов, при этом исключая условия образования электролита для предотвращения растрескивания, вызванного электролитической коррозией.
Коррозия под напряжением относительно ограничена. Коррозия под напряжением существует при высоких растягивающих нагрузках и поражает преимущественно крепежные детали из высокопрочных легированных сталей. Крепежные изделия из легированной стали (особенно стали с высоким легированным составом) склонны к растрескиванию под напряжением. Вначале на поверхности обычно образуются трещины и ямки, а затем происходит дальнейшая коррозия, способствующая распространению трещин. Скорость распространения трещины определяется напряжением на болте и вязкостью разрушения материала. Когда оставшийся материал функционирует до такой степени, что не может выдержать приложенное напряжение, происходит разрушение.
4. Водородное охрупчивание.
Крепежи из высокопрочной стали (обычно с твердостью по Роквеллу C36 или выше) более склонны к водородному охрупчиванию. Водородное охрупчивание является основной причиной разрушения крепежных изделий. Водородное охрупчивание — это явление, при котором атомы водорода проникают и диффундируют по всей матрице материала. Когда атомы водорода попадают в матрицу материала, матрица подвергается искажению решетки, нарушая исходное состояние равновесия и делая ее легко растрескивающейся под действием внешних сил. При приложении внешней нагрузки квинт,Атомы водорода мигрируют в зону высококонцентрированных напряжений, вызывая значительные напряжения между краями границ кристаллов, что приводит к разрушению кристаллических частиц крепежной детали.
Если перед установкой крепежные детали содержат критический водород, они обычно ломаются в течение 24 часов. Если водород попадет в крепеж, невозможно предсказать, когда он сломается. Поэтому при использовании соответствующих крепежных изделий проектировщикам следует выбирать поставщиков со специализированными процессами и минимальным возможным водородным охрупчиванием.
5. Другие факторы
Перелом соединения не всегда напрямую связан с катастрофическим переломом крепежа. Многие факторы, связанные с крепежными деталями, такие как потеря предварительного натяга или усталость крепежных соединений, могут вызвать износ; Смещение центра крепежа может вызвать шум и утечку во время использования, что требует внепланового обслуживания для предотвращения поломки. Например, вибрация может снизить сопротивление трения резьбы, а крепежные соединения могут ослабнуть из-за приложения рабочих нагрузок после установки. Эти факторы, наряду с высокотемпературной ползучестью болтов, могут привести к потере силы предварительного натяга. Иногда причиной разрушения соединения может быть слишком большое или слишком маленькое сквозное отверстие, слишком маленькая опорная поверхность, слишком мягкий материал или слишком высокая нагрузка. Любая из этих ситуаций не приведет к прямому разрушению болта, но приведет к потере целостности соединения или возможному разрушению болта.