V průmyslové výrobě a každodenním používání zařízení slouží šrouby jako spojovací prvky jádra, které jsou odpovědné za upevnění, připojení a nesení konstrukčních zatížení. Během dlouhodobé služby,šroubyjsou ovlivněny více faktory, jako jsou podmínky zatížení, pracovní prostředí, výrobní procesy a kvalita montáže, které mohou snadno vést k porušení lomu. To může dále způsobit odstavení zařízení, strukturální selhání a dokonce i vážné bezpečnostní nehody. Tento článek systematicky představuje běžné formy lomu, mechanismy tvorby, makroskopické lomové charakteristiky lomu z přetížení, vysoce rizikové polohy lomu a lomové stavy při různých podmínkách zatížení šroubů, poskytuje technickou podporu pro prevenci selhání šroubu, údržbu zařízení a optimalizaci procesu.

I. Běžné lomové formy šroubů

1. Zlomenina z přetížení

K lomu přetížením dochází, když okamžité zatížení působící na šroub překročí mezní pevnost materiálu v tahu, patřící k typickému statickému tvárnému nebo křehkému lomu. K tomuto typu zlomeniny dochází náhle bez zjevných známek před selháním. U tvárných materiálů má lomová plocha obecně tvar miskovitého kužele nebo 45° nakloněnou sekci s drsnými povrchy a významnou plastickou deformací. U vysokopevnostních křehkých svorníků je lomová plocha relativně plochá se zanedbatelnou plastickou deformací.

Příčiny zlomenin: Nerozumný konstrukční návrh vede k poddimenzovanému výběru šroubů a nedostatečné rezervě zatížení, což vede k dlouhodobému přetížení. Náhlé abnormální pracovní podmínky, jako je nárazové zatížení a přechodná přetížení během provozu zařízení, mohou také způsobit okamžité nadlimitní zatížení. Například spojovací šrouby jeřábových zvedacích mechanismů mohou utrpět zlomeninu při přetížení při zvedání nadměrných břemen.

2. Únavová zlomenina

Únavové lomy jsou nejčastější formou selhání šroubů. Při dlouhodobém cyklickém zatížení, jako je střídavý tah, tlak, ohyb a vibrace, vznikají mikroúnavové trhliny v oblastech koncentrace napětí. Trhliny se postupně se zatěžovacími cykly rozšiřují, neustále zmenšují efektivní nosnou plochu a nakonec vedou k náhlému lomu, i když pracovní zatížení nepřesahuje jmenovitou hodnotu. K únavovému lomu dochází bez zjevné plastické deformace. Povrch lomu je obecně hladký s typickými strukturami podobnými lasturkám nebo letokruhům.

Příčiny zlomenin: Dlouhodobý vratný pohyb a vysokofrekvenční vibrace zařízení vystavují šrouby periodickému střídavému namáhání. Například šrouby ojnice automobilových motorů snášejí cyklické tahové a kompresní zatížení od vysokofrekvenčního vratného pohybu pístů a ojnic, což vede k akumulovanému únavovému poškození a případnému únavovému lomu.

3. Korozní lom

Když šrouby pracují v korozivním prostředí, dochází na základním materiálu k chemické nebo elektrochemické korozi, která vytváří povrchové defekty, jako je rez a důlková koroze. Tyto vady snižují účinnou nosnou plochu a mechanickou pevnost šroubů, což vede k prasknutí při normálním pracovním zatížení. Na lomových plochách lze pozorovat korozní produkty, jako jsou vrstvy rzi a korozní důlky.

Příčiny zlomenin: Šrouby sloužící ve vlhkém, solném nebo acidobazickém korozivním prostředí jsou náchylné ke koroznímu selhání, jako jsou ocelové konstrukce v blízkosti moře a chemická průmyslová zařízení. Například spojovací šrouby na palubách lodí jsou neustále erodovány mořskou vodou a solnou mlhou, což má za následek degradaci materiálu a korozní lom.

4. Zlomenina způsobená korozí

Korozní lom pod napětím se týká křehkého lomu, ke kterému dochází při kombinovaném působení konstantního tahového napětí a specifických korozních médií. Trhlina roste v raném stadiu pomalu bez zjevných příznaků poruchy a jakmile trhlina dosáhne kritické velikosti, dojde k náhlému zlomu. Lomová plocha má dvojí charakteristiku porušení napětím a poškození korozí.

Příčiny zlomenin: Některé materiály šroubů mohou vytvářet a rozšiřovat korozní trhliny pod napětím při nízkém konstantním tahovém napětí ve specifických korozních prostředích. Typickým případem je korozní lom pod napětím šroubů z austenitické nerezové oceli v prostředí bohatém na chloridy.

5. Zlomenina vodíkové křehkosti

Během výroby nebo servisu pronikají atomy vodíku a hromadí se uvnitř materiálu šroubu a vytvářejí molekuly vodíku, které vytvářejí obrovský vnitřní tlak. To způsobuje praskání mřížky a šíření mikrotrhlin, což nakonec vede ke křehkému lomu. Vodíková křehkost je typické křehké porušení charakterizované plochými lomovými plochami a bez zjevné plastické deformace.

Příčiny zlomenin: Atomy vodíku pronikají do ocelové matrice během galvanického pokovování, kyselého moření, fosfátování a dalších procesů povrchové úpravy bez adekvátní dehydrogenační úpravy.Vysokopevnostní ocelové šroubyjsou vysoce citlivé na vodíkovou křehkost. Nadměrná koncentrace vodíkových iontů v pokovovacím roztoku a nekvalifikované dehydrogenační procesy jsou hlavními příčinami vodíkového křehkého lomu.

6. Zlomenina způsobená výrobními vadami

Vnitřní a povrchové vady vzniklé při výrobě surovin a šroubů tvoří zdroje koncentrace napětí. Při zatížení se napětí v místech defektů prudce zvyšuje, což vyvolává iniciaci trhlin a rychlé šíření, které nakonec vede k lomu. Na lomové ploše lze zřetelně pozorovat původní znaky výrobní vady.

Příčiny zlomenin: Vady suroviny, jako jsou vměstky, pórovitost, smršťovací dutiny a segregace; nesprávná kontrola procesů kování, tepelného zpracování a soustružení způsobuje praskliny při kalení, praskliny při broušení, stopy po nástroji a škrábance.

II. Tři charakteristické zóny zlomení šroubu přetížením

1. Zóna vláken

Pozice: Nachází se ve středu lomové plochy, slouží jako iniciační zóna trhliny a počáteční zóna šíření.

Morfologické charakteristiky: Povrch je drsný a vláknitý s viditelnou plastickou deformací a mikrodutinovou agregací, což je typický znak tvárného lomu.

Formační mechanismus: V počáteční fázi lomu materiál šroubu podléhá plastické reologii pod tahem. Mikrodutiny generují, rostou, agregují a spojují se a vytvářejí morfologii vláknitého zlomu.

2. Vyzařovací zóna

Pozice: Nachází se mimo zónu vláken, což odpovídá fázi rychlého šíření trhlin.

Morfologické charakteristiky: Povrch lomu je relativně plochý s jasnými radiálními nebo rybími strukturami, které vybíhají ven ze středu.

Formační mechanismus: Když se počáteční trhlina rozšíří na kritickou velikost, vstoupí do fáze rychlého šíření. Silná koncentrace napětí na špičce trhliny způsobuje rychlé transgranulární nebo intergranulární trhání, které vytváří morfologii radiálního lomu.

3. Shear Lip Zone

Pozice: Distribuováno na nejvzdálenějším okraji lomové plochy, vytvořené v konečné fázi lomu.

Morfologické charakteristiky: Povrch je hladký a nakloněný s typickými rysy smykového skluzu, tvořící prstencový smykový okraj, což je konečná charakteristika tvárného lomu.

Formační mechanismus: V konečné fázi lomu zbytkový materiál klouže a trhá se podél maximální smykové roviny pod vysokým napětím, čímž dochází k plastické smykové deformaci a tvoří strukturu smykového břitu.

777

III. Běžné polohy zlomení šroubu přetížením

888

1. Zub prvního závitu poblíž dosedací plochy matice

Zatížení šroubových spojů se přenáší hlavně přes zuby zabírajících závitů. První zub závitu v blízkosti dosedací plochy matice nese největší zatížení a představuje největší koncentraci napětí. Je to nejnáchylnější poloha pro zlomeninu z přetížení při dlouhodobém provozu.

2. Kořen závitu na přechodu mezi hlavou šroubu a stopkou

Kořen závitu se vyznačuje náhlými geometrickými změnami a vysokým koeficientem koncentrace napětí. Při složitých stavech napětí se stává strukturálním slabým místem šroubů a je náchylný ke zlomení při přetížení a rázovém zatížení.

3. Přechodová zóna mezi hladkou stopkou a sekcí závitu

Náhlé změny velikosti a struktury průřezu na přechodu hladkého dříku a průřezu závitu způsobují zjevnou koncentraci napětí a nerovnoměrné rozložení napětí. Tato poloha snadno generuje iniciaci trhlin za podmínek přetížení a vede k porušení lomu.

IV. Stavy lomu šroubu při různých formách zatížení

1. Zlomenina při tahovém napětí

Lze pozorovat typický zlom miskovitého kužele a zřejmé celkové prodloužení a deformaci hrdla. U šroubů s vysokou houževnatostí při přetížení tahem tvoří koncový úsek lomu s osou šroubu úhel střihu přibližně 45 stupňů, což patří k typickému lomu z tvárného přetížení, který se většinou vyskytuje v poloze slabého kořene závitu.

999

2. Zlomení při rázovém napětí a ohybovém momentu

Na povrchu lomu lze pozorovat radiální textury a smykové okraje, zatímco smykové okraje jsou neúplné a nerovnoměrně rozmístěné bez plného prstencového tvaru. Lom má malou plastickou deformaci a zjevné křehké vlastnosti, způsobené především okamžitým rázovým a ohybovým zatížením.

101010

3. Lom při kombinovaném torzním a tahovém napětí

Při kombinovaném torzním a tahovém zatížení vykazuje lomová plocha zjevné vířivé torzní textury, stejně jako srpkovité nebo vějířovité morfologie. Zřetelná distorze a ofset lomu jsou tvořeny relativním prokluzem a trháním materiálů podél smykové roviny pod torzní smykovou silou.

111111