Analýza běžných příčin zlomení šroubu spojovacího prvku

Existují různé důvody pro zlomení šroubuspojovací materiál. Obecně řečeno, poškození šroubu je způsobeno stresovým faktorem, únavou, korozí a vodíkovou křehkostí.

Zlomení šroubu

1. Stresový faktor
Překročení konvenčního napětí (přepětí) je způsobeno kterýmkoli z nich nebo kombinací smyku, tahu, ohybu a tlaku.
Většina konstruktérů nejprve zvažuje kombinaci tahového zatížení, předpínací síly a dodatečného praktického zatížení. Předběžná utahovací síla je v podstatě vnitřní a statická, která stlačuje součásti spoje. Praktická zatížení jsou vnější, typicky cyklické (vratné) síly působící na spojovací prvky.
Tahové zatížení se pokouší zabránit otevření součástí spoje. Když tato zatížení překročí mez kluzu šroubu, šroub se změní z elastické deformace na plastickou deformaci, což má za následek trvalou deformaci šroubu. Po odstranění vnější zátěže jej tedy nelze vrátit do původního stavu. Z podobných důvodů, pokud vnější zatížení šroubu překročí jeho konečnou pevnost v tahu, šroub se zlomí.
Utažení šroubů je dosaženo kroucením silou předpětí. Během instalace vede nadměrný krouticí moment k nadměrnému utažení a snižuje axiální pevnost spojovacích prvků v tahu tím, že je vystavuje nadměrnému napětí. Jinými slovy, šrouby vystavené trvalému kroucení mají nižší hodnoty kluzu ve srovnání se šrouby přímo vystavenými tahu a tahu. Tímto způsobem se šroub může podvolit před dosažením minimální pevnosti v tahu odpovídající normy. Velký krouticí moment může zvýšit sílu před utažením šroubu a odpovídajícím způsobem snížit vůli spoje. Aby se zvýšila zajišťovací síla, je síla předběžného utažení obecně nastavena na horní hranici. Tímto způsobem, pokud není rozdíl mezi mezí kluzu a mezí pevnosti v tahu malý, šrouby obecně nepovolí v důsledku kroucení.
Smykové zatížení působí svislou silou na podélnou osušroub. Smykové napětí se dělí na jednoduché smykové napětí a dvojité smykové napětí. Z empirických údajů vyplývá, že konečné jednosmykové napětí je přibližně 65 % konečného napětí v tahu. Mnoho konstruktérů dává přednost smykovým zatížením, protože využívají pevnost v tahu a smyku šroubů. Působí hlavně jako hmoždinky, tvoří relativně jednoduché spoje pro spojovací prvky vystavené střihu. Nevýhodou je, že smykové spoje mají omezený rozsah použití a nelze je často používat, protože vyžadují více materiálů a prostoru. Víme, že rozhodující roli hraje také složení a přesnost materiálů. Materiálová data, která převádějí napětí v tahu na smykové zatížení, však často nejsou k dispozici.
Síla předběžného utažení spojovacích prvků ovlivňuje integritu smykových spojů. Čím nižší je síla předpětí, tím snáze vrstva spoje klouže při kontaktu se šroubem. Smyková únosnost se vypočítá vynásobením počtu příčných rovin (jedna smyková rovina se nazývá jednoduchý smyk a dvě smykové roviny se nazývají dvojitý smyk), což by měly být průřezy šroubů bez závitu. Nedoporučujeme navrhovat smykové závity, protože pevnost ve smyku spojovacích prvků lze překonat koncentrací napětí při změně průřezu. Při určování pevnosti ve smyku spojovacích prvků někteří konstruktéři používají oblast tahového napětí, zatímco jiní preferují průřezy malého průměru. Pokud je šroub ve smykovém spojení zkroucený na specifikovanou hodnotu (jak je znázorněno na obrázku 2), dosedací plocha kontaktní vrstvy nemůže začít klouzat, dokud nepřekročí vnější třecí odpor. Zvýšení tření mezi dosedacími plochami může zlepšit celkovou integritu spojení. Někdy může být kvůli velikosti dílů a konstrukčním požadavkům omezen počet šroubů, které je třeba použít.

Obrázek 2: Bez ohledu na to, zda je spojovací prvek jednoduchý nebo dvojitý, řezná plocha by neměla procházet závitovou částí spojovacího prvku
Kromě tahového a smykového zatížení je další zatížení, kterému šrouby čelí, namáhání v ohybu, způsobené vnějšími silami, které nejsou kolmé k podélné ose šroubu a nacházejí se na dosedacích a protilehlých plochách. Celkově platí, že čím jednodušší je spojení spojovacího prvku, tím větší je jeho integrita a spolehlivost.
2. Únava
V současné době neexistuje žádná specifická legislativa, která by nařizovala dodavatelům nakupovat klíčové komponenty, které splňují průmyslové normy v příslušných předpisech pro průmyslové spojovací prvky, zejména bez zmínky o hlavní příčině selhání spojovacího materiálu – únavě. Odhaduje se, že poškození způsobené únavou tvoří 85 % z celkového počtu selhání spojovacích prvků.
Únava ve šroubech je nepřetržité působení cyklického tahového zatížení, které má za následekšroubyjsou vystaveny relativně malým silám předpětí a střídavým pracovním zatížením. Za takových podmínek dvojího zatížení po dlouhou dobu šrouby selžou, když je jejich jmenovitá pevnost v tahu menší než. Únavová životnost je určena počtem a amplitudou zatěžovacích napěťových cyklů. U některých lisovaných konektorů, jako jsou lisy, lisovací zařízení a lisovací stroje, může dojít také k únavovému lomu. Během provozu vzniká mezi výkonem a předpětím vícenásobná kompozitní napětí. Při opakovaných protahovacích pohybech je počet a amplituda změn stresu ovlivněna stupněm únavy a poškození.
Typické průmyslové spojovací prvky, jako jsou šestihranné šrouby, se neustále prodlužují a vracejí se do svého původního tvaru v určitém rozsahu elasticity. Jsou-li vystaveny namáhání přesahujícímu normál a elastický rozsah, podstoupí trvalou deformaci, dokud se nakonec nezlomí. Chování při roztažení a návratu do rozšířeného stavu se nazývá cyklus. Šroub s vnitřním šestihranem vydrží cykly přibližně 240-10 stupňů za den (maximálně), jak je znázorněno na obrázku 3.

Obrázek 3 Vylepšený Goodmanův diagram

Tečkovaná úhlopříčka udává průměrnou hodnotu střídavého zatížení šroubu s 90% pravděpodobností pro 10 milionů cyklů. Skutečná diagonální čára ukazuje, že když síla před utažením šroubu dosáhne 100 kSI, maximální odchylka mezi dynamickým zatížením a průměrným napětím je 12 ksi.
Spojovací prvky nakonec prasknou v důsledku opakovaných napěťových cyklů od špičky k špičce. K lomu obvykle dochází v nejzranitelnějším místě spojovacího prvku, který inženýři označují jako „oblast maximální koncentrace napětí“. Jakmile se mikrotrhliny objeví v bodě koncentrace napětí a budou nadále vystaveny namáhání, budou se trhliny rychle šířit a způsobovat únavové poškození spojovacího prvku. Podniky vyrábějící spojovací materiál pro průmyslové použití neustále zkoumají nové lisovací procesy a navrhují a vyvíjejí nové výrobní metody, které mohou překonat výše uvedené fatální nedostatky.
Mezi nejčastější místa únavového porušení patří spoj (tj. první zatížený závit), zaoblení kořene, závit a zakončení závitu. Díky zlepšení únavové pevnosti vývojem lepších materiálů a výrobních metod ve zpracovatelském průmyslu se závity staly nejslabším místem spojovacích prostředků a v současnosti nejvyšším podílem poškození při únavovém porušení.
Vzájemný vztah mezi proměnnými napětí v konstrukci a výkonnostními charakteristikami spojovacích prvků činí stanovení norem únavové pevnosti obtížným úkolem. V současné době je to složitý proces k určení počtu "cyklů k prasknutí" a měření relativní pevnosti řady spojovacích prvků.
3. Koroze
Dalším důvodem lomu šroubu je koroze. Koroze má mnoho forem, včetně běžné koroze, chemické koroze, elektrolytické koroze a koroze pod napětím. Elektrolytická koroze se týká vystavení spojovacích prvků různým vlhkým činidlům, jako je dešťová voda nebo kyselá mlha, což jsou elektrolyty, které mohou způsobit chemickou korozi spojovacích prvků; Za druhé, v důsledku různých materiálů spojovacích prvků jsou jejich elektrolytické potenciály různé a rozdíl potenciálů může snadno vytvářet "mikrobaterie". Návrháři by měli volit materiály s podobnými elektrolytickými potenciály co nejvíce na základě kompatibility kovů a zároveň eliminovat podmínky pro tvorbu elektrolytu, aby se zabránilo praskání způsobenému elektrolytickou korozí.
Napěťová koroze je relativně omezená. Napěťová koroze existuje při vysokém tahovém zatížení a postihuje hlavně spojovací prvky vyrobené z vysoce pevné legované oceli. Spojovací prvky vyrobené z legované oceli (zejména oceli s vysoce legovaným složením) jsou náchylné k praskání při namáhání. Zpočátku se na povrchu obvykle tvoří trhliny a důlky a poté dochází k další korozi, která podporuje šíření trhliny. Rychlost šíření trhliny je dána napětím na šroubu a lomovou houževnatostí materiálu. Když zbývající materiál funguje do bodu, kdy nemůže odolat aplikovanému namáhání, dojde k lomu.
4. Vodíková křehkost
Vysokopevnostní ocelové spojovací prvky (obecně s Rockwellovou tvrdostí C36 nebo vyšší) jsou náchylnější k vodíkové křehkosti. Vodíková křehkost je hlavní příčinou zlomení spojovacího prvku. Vodíková křehkost je jev, při kterém atomy vodíku vstupují a difundují skrz celou matrici materiálu. Když atomy vodíku vstoupí do matrice materiálu, matrice podstoupí deformaci mřížky, čímž se naruší původní rovnovážný stav a díky vnějším silám snadno praskne. Při působení vnějšího zatížení našroub,atomy vodíku migrují do vysoce koncentrované napěťové zóny, což způsobuje značné napětí mezi okraji krystalických hranic, což vede k prasknutí mezi krystalovými částicemi spojovacího prvku.
Pokud spojovací prvky před instalací obsahují kritický vodík, obvykle se rozbijí do 24 hodin. Pokud se vodík dostane do spojovacího prvku, není možné předvídat, kdy se zlomí. Proto by při použití příslušných spojovacích prvků měli konstruktéři specifikovat výběr dodavatelů se specializovanými procesy a minimálním potenciálním vodíkovým křehnutím.
5. Další faktory
Zlomení spojení není vždy přímo spojeno s katastrofickým zlomem spojovacího prvku. Mnoho faktorů souvisejících s upevňovacími prvky, jako je ztráta předpětí nebo únava spojů upevňovacích prvků, může způsobit opotřebení; Středový posun spojovacích prvků může během používání vytvářet hluk a netěsnosti, což vyžaduje neplánovanou údržbu, aby se zabránilo zlomení. Vibrace mohou například snížit třecí odpor závitů a spojovací prvky se mohou uvolnit v důsledku působení pracovního zatížení po instalaci. Tyto faktory spolu s vysokoteplotním tečením šroubů mohou vést ke ztrátě síly předpětí. Někdy může být prasknutí spoje připsáno příliš velkému nebo příliš malému otvoru procházejícímu otvoru, příliš malé dosedací ploše, příliš měkkému materiálu nebo příliš vysokému zatížení. Žádná z těchto situací nezpůsobí přímé zlomení šroubu, ale bude mít za následek ztrátu integrity spojení nebo případné zlomení šroubu.