В промышленном производстве и повседневном использовании оборудования болты служат стержневыми соединительными элементами, отвечающими за фиксацию, соединение и восприятие нагрузок на конструкции. За время длительной службыболтына них влияют многочисленные факторы, такие как условия нагрузки, рабочая среда, производственные процессы и качество сборки, что может легко привести к разрушению. Это может в дальнейшем привести к остановке оборудования, разрушению конструкции и даже к серьезным авариям, связанным с безопасностью. В этой статье систематически представлены общие формы трещин, механизмы образования, макроскопические характеристики разрушения при перегрузке, положения трещин с высоким риском и состояния разрушения при различных условиях нагрузки болтов, а также предоставляется техническая поддержка для предотвращения выхода из строя болтов, технического обслуживания оборудования и оптимизации процессов.

I. Распространенные формы излома болтов

1. Перелом в результате перегрузки

Разрушение от перегрузки происходит, когда мгновенная нагрузка, приложенная к болту, превышает предел прочности материала на растяжение, что относится к типичному статическому пластическому или хрупкому разрушению. Этот тип перелома происходит внезапно, без явных предварительных признаков. Для пластичных материалов поверхность разрушения обычно имеет форму чашеобразного конуса или наклонного участка под углом 45 градусов с шероховатой поверхностью и значительной пластической деформацией. У высокопрочных хрупких болтов поверхность излома относительно плоская с незначительной пластической деформацией.

Причины перелома: Неразумное проектирование конструкции приводит к выбору болтов заниженного размера и недостаточному запасу по нагрузке, что приводит к длительной работе с перегрузками. Внезапные ненормальные условия работы, такие как ударные нагрузки и временные перегрузки во время работы оборудования, также могут вызвать мгновенную нагрузку, превышающую предельную. Например, соединительные болты подъемных механизмов крана могут сломаться при перегрузке при подъеме сверхтяжелых грузов.

2. Усталостное разрушение

Усталостный перелом является наиболее распространенной формой разрушения болтов. При длительных циклических нагрузках, таких как знакопеременное растяжение, сжатие, изгиб и вибрация, в местах концентрации напряжений возникают микроусталостные трещины. Трещины постепенно расширяются в зависимости от циклов нагрузки, постоянно уменьшая эффективную площадь опоры и в конечном итоге приводят к внезапному разрушению, даже если рабочая нагрузка не превышает номинальное значение. Усталостное разрушение происходит без явной пластической деформации. Поверхность излома обычно гладкая, с типичной раковидной или годовой кольцевой текстурой.

Причины перелома: Длительное возвратно-поступательное движение и высокочастотная вибрация оборудования подвергают болты периодическим переменным нагрузкам. Например, шатунные болты автомобильных двигателей выдерживают циклические нагрузки растяжения и сжатия в результате высокочастотного возвратно-поступательного движения поршней и шатунов, что приводит к накоплению усталостных повреждений и возможному усталостному разрушению.

3. Коррозионное разрушение

Когда болты работают в агрессивных средах, на основном материале возникает химическая или электрохимическая коррозия, образующая поверхностные дефекты, такие как ржавчина и точечная коррозия. Эти дефекты уменьшают эффективную площадь опоры и механическую прочность болтов, что приводит к разрушению при нормальных рабочих нагрузках. На поверхностях изломов можно наблюдать продукты коррозии, такие как слои ржавчины и язвы коррозии.

Причины перелома: Болты, работающие во влажных, солевых или кислотно-щелочных агрессивных средах, склонны к разрушению из-за коррозии, например, на объектах из металлоконструкций вблизи моря и в химическом промышленном оборудовании. Например, соединительные болты на палубах кораблей постоянно подвергаются эрозии под воздействием морской воды и соленых брызг, что приводит к деградации материала и коррозионному разрушению.

4. Коррозионное разрушение под напряжением

Коррозионное разрушение под напряжением относится к хрупкому разрушению, возникающему под совместным действием постоянного растягивающего напряжения и специфических агрессивных сред. На ранней стадии трещина растет медленно, без явных симптомов разрушения, и внезапное разрушение происходит, когда трещина достигает критического размера. Поверхность излома демонстрирует двойные характеристики: разрушение под напряжением и коррозионное повреждение.

Причины перелома: Определенные материалы болтов могут образовывать и расширять коррозионные трещины под напряжением при низком постоянном растягивающем напряжении в определенных агрессивных средах. Типичным случаем является коррозионное разрушение болтов из аустенитной нержавеющей стали в средах, богатых хлоридами.

5. Водородное охрупчивание.

Во время производства или обслуживания атомы водорода проникают и накапливаются внутри материала болта, образуя молекулы водорода, которые создают огромное внутреннее давление. Это вызывает растрескивание решетки и распространение микротрещин, что в конечном итоге приводит к хрупкому разрушению. Водородное охрупчивание — типичное хрупкое разрушение, характеризующееся плоскими поверхностями излома и отсутствием явной пластической деформации.

Причины перелома: Атомы водорода проникают в стальную матрицу во время гальваники, кислотного травления, фосфатирования и других процессов обработки поверхности без адекватной обработки дегидрированием.Высокопрочные стальные болтыочень чувствительны к водородному охрупчиванию. Чрезмерная концентрация ионов водорода в гальваническом растворе и несанкционированные процессы дегидрирования являются основными причинами разрушения из-за водородного охрупчивания.

6. Излом, вызванный производственным дефектом.

Внутренние и поверхностные дефекты, возникающие в процессе производства сырья и изготовления болтов, являются источниками концентрации напряжений. Под нагрузкой напряжение резко возрастает в местах дефектов, вызывая зарождение и быстрое распространение трещин, что в конечном итоге приводит к разрушению. На поверхности излома четко видны признаки оригинального производственного дефекта.

Причины перелома: Дефекты сырья, такие как включения, пористость, усадочные полости и сегрегация; неправильный контроль процессов ковки, термообработки и токарной обработки приводит к появлению закалочных трещин, трещин при шлифовке, следов инструмента и царапин.

II. Три характерные зоны разрушения болта от перегрузки

1. Волоконно-оптическая зона

Позиция: Расположен в центре поверхности разрушения и служит зоной зарождения и начального распространения трещины.

Морфологические характеристики: Поверхность шероховатая и волокнистая с видимой пластической деформацией и скоплением микропор, что является типичной особенностью пластического разрушения.

Механизм формирования: На начальной стадии разрушения материал болта подвергается пластической реологии под действием растяжения. Микропоры генерируются, растут, агрегируются и соединяются, образуя морфологию фиброзного перелома.

2. Зона излучения

Позиция: Расположен за пределами зоны волокна, что соответствует стадии быстрого распространения трещины.

Морфологические характеристики: Поверхность излома относительно плоская, с четкой радиальной текстурой или текстурой «елочки», простирающейся наружу от центра.

Механизм формирования: Когда первоначальная трещина расширяется до критического размера, она вступает в стадию быстрого распространения. Сильная концентрация напряжений на вершине трещины вызывает быстрое транскристаллитное или межкристаллитное разрушение, формируя радиальную морфологию разрушения.

3. Зона сдвига кромки

Позиция: Распределяется на самом внешнем крае поверхности трещины, образуется на последней стадии разрушения.

Морфологические характеристики: Поверхность гладкая и наклонная, с типичными чертами сдвигового скольжения, образующими кольцевую кромку сдвига, которая является последней характеристикой пластичного разрушения.

Механизм формирования: На заключительной стадии разрушения остаточный материал скользит и рвется вдоль плоскости максимального сдвига под действием высокого напряжения, вызывая пластическую деформацию сдвига и образуя структуру кромки сдвига.

777

III. Распространенные положения перелома болта от перегрузки

888

1. Первый зуб резьбы возле опорной поверхности гайки.

Нагрузки в болтовых соединениях передаются преимущественно через зацепляющиеся зубья резьбы. Первый зуб резьбы вблизи опорной поверхности гайки испытывает наибольшую нагрузку и представляет собой самую сильную концентрацию напряжений. Это положение наиболее подвержено переломам из-за перегрузки во время длительной эксплуатации.

2. Корень резьбы на переходе между головкой болта и хвостовиком.

Корень резьбы отличается резкими геометрическими изменениями и высоким коэффициентом концентрации напряжений. При сложных напряженных состояниях он становится структурным слабым местом болтов и склонен к разрушению при перегрузке и ударных нагрузках.

3. Переходная зона между гладким хвостовиком и участком резьбы.

Резкие изменения размеров и структуры поперечного сечения на стыке гладкого хвостовика и участка резьбы вызывают очевидную концентрацию напряжений и неравномерное распределение напряжений. Такое положение легко приводит к возникновению трещин в условиях перегрузки и приводит к разрушению.

IV. Состояния разрушения болтов при различных формах нагружения

1. Разрушение под действием растягивающего напряжения.

Можно наблюдать типичный чашечково-конусный перелом и явное общее удлинение и деформацию шейки. Для высокопрочных болтов при растягивающей перегрузке окончательный участок разрушения образует угол сдвига примерно 45 градусов с осью болта, что соответствует типичному разрушению при пластической перегрузке, которое чаще всего происходит в слабом положении основания резьбы.

999

2. Разрушение под действием ударного напряжения и изгибающего момента.

На поверхности излома наблюдаются радиальные текстуры и губы сдвига, при этом губы сдвига неполные и неравномерно распределены, не имеют полной кольцевой формы. Излом представляет собой незначительную пластическую деформацию и очевидные хрупкие характеристики, вызванные, главным образом, мгновенными ударными и изгибающими нагрузками.

101010

3. Разрушение под действием комбинированного напряжения кручения и растяжения.

Под действием комбинированных скручивающих и растягивающих нагрузок поверхность излома демонстрирует явную закрученную текстуру кручения, а также серповидную или веерообразную морфологию. Отчетливая дисторсия и смещение излома образуются за счет относительного скольжения и разрыва материалов по плоскости сдвига под действием скручивающей силы сдвига.

111111