Případová analýza typické únavové zlomeniny upevňovacích šroubů

Únavové selhání je jedním z nejčastějších způsobů selhání mechanických součástí. Statistické údaje ukazují, že 50 % až 80 % všech poruch mechanických částí je připisováno poškození únavou. Před únavovým lomem součásti obvykle nevykazují žádné zjevné známky plastické deformace nebo známky před porušením. K únavovému lomu však dochází náhle a destruktivně, což často vede k vážným poruchám zařízení a bezpečnostním nehodám. Únavové poškození se řídí specifickými zákony iniciace a šíření a nakonec se vyvine do úplného únavového lomu.

Definice únavy: Únavou kovů se rozumí trvalé zhoršování mechanických vlastností kovových materiálů při opakovaném cyklickém působení střídavého napětí nebo deformace.

Definice únavové zlomeniny: Pokud jsou kovové materiály vystaveny dlouhodobému cyklickému střídavému namáhání a deformaci, dochází k lokálním mikrostrukturálním změnám a neustálému šíření vnitřních defektů, což má za následek degradaci mechanických vlastností a eventuální úplné rozbití součástí. Tento proces porušení je definován jako únavový lom. Napětí, které vyvolává únavový lom, je obecně mnohem nižší, než je mez statické pevnosti materiálu. Únavová zlomenina se vyznačuje náhlým výskytem, ​​vysokou lokalizací a vysokou citlivostí k povrchovým a vnitřním defektům.

1. Makroskopická morfologická analýza povrchu lomu

Předmětem výzkumu tohoto případu je zlomený závrtný šroub používaný v zařízeních větrných turbín. Makroskopické morfologické charakteristiky povrchu lomu jsou analyzovány následovně:

1. Levá a pravá spodní strana lomové plochy vykazuje nepravidelné konkávní a konvexní morfologie. Levá strana ukazuje obloukovitý konvexní zářez, zatímco pravá strana je rozdělena s několika drobnými vroubkovanými zářezy. Spodní oblouk lomu tvoří ostrou řeznou hranu.

2. Velká centrální oblast lomu slouží jako oblast šíření trhliny, pokrytá výraznými plážovými značkami, které jsou typickými makroskopickými rysy únavového lomu.

3. Na lomové ploše zóny iniciace trhliny a zóny šíření plážové stopy jsou pozorovány stopy rzi způsobené dlouhodobým působením vnějšího prostředí.

4. Zóna okamžitého lomu představuje širokou a jemnou smykovou hranu s hladkým a jasným povrchem lomu bez rzi. To ukazuje, že ke konečnému lomu došlo rychle a patří k tvárnému okamžitému lomu.

5. Spodní dřík zlomeného čepu má hladký a světlý povrch se zřetelnými stopami tření, tvořící hladký obloukový povrch generovaný dlouhodobým opakovaným třením.

6. V poloze lomu není zjištěno žádné zjevné hrdlování nebo deformace, což vylučuje možnost lomu z přetížení.

2. Makroskopická analýza mechanismu selhání

1. Trhliny začínají na spodní stranězávrtný šroub. Hladká řezná hrana, zoubkované zářezy a obloukovité mezery na spodní stopce tvoří oblasti koncentrace napětí, které jsou původními zdroji iniciace trhlin.

2. Prvky plážové značky v zóně šíření trhliny jsou výrazné. V počáteční fázi šíření je rozestup plážových značek malý, což ukazuje na stabilní a pomalý růst trhliny při cyklickém tangenciálním namáhání. V pozdější fázi šíření se rozteč výrazně zvětšuje, což ukazuje zrychlené šíření trhlin a rostoucí riziko selhání.

3. Široká, jemná a jasná smyková hrana v zóně okamžitého lomu vykazuje typické charakteristiky tvárného lomu, což dokazuje, že čep má dobře přizpůsobenou pevnost a houževnatost s vynikajícími komplexními mechanickými vlastnostmi.

4. Hladký obloukový povrch na straně čepu je typickou třecí morfologií. Znamená to, že čep vydržel dlouhodobé boční střídavé namáhání, během provozu se nepřetržitě vratně pohyboval a vytvářel opakované tření a vytlačování se stěnou otvoru ozubeného kola, čímž nakonec vytvořil leštěný hladký povrch.

Makroskopický závěr: Lom čepu je typický únavový lom v ohybu. Zóna okamžitého lomu vykazuje příznivé charakteristiky tvárného lomu bez rysů křehkého lomu.

3. Mikroskopická morfologická analýza

Pro další objasnění mechanismu lomu byla na vzorku lomu provedena mikroskopická detekce rastrovacím elektronovým mikroskopem (SEM), aby byly pozorovány mikrostrukturní rysy různých oblastí lomu.

1. SEM pozorování odhaluje zřetelné a pravidelné únavové rýhy v zóně šíření trhliny, které jsou základními mikroskopickými rysy únavového lomu kovu a dobře korespondují s makroskopickými plážovými značkami, což potvrzuje únavové selhání.

2. Na snímcích SEM je pozorováno velké množství rovnoměrně rozmístěných důlků, což jsou typické mikroskopické projevy vynikající houževnatosti materiálu. To odpovídá širokému smykovému břitu v zóně makroskopického zlomu a ověřuje přiměřenou koordinaci pevnosti a plasticity čepu.

3. Na celé ploše lomu není zjištěna žádná velkoplošná morfologie štěpného lomu. V místních oblastech se objevuje pouze malé množství kvazi-štěpných prvků, které se střídají s důlky. To znamená, že materiál má nízkou křehkost a optimální shodu pevnosti a houževnatosti.

Mikroskopický závěr: Původní povrchstudzachovává stopy soustružnického nástroje s vysokou drsností povrchu a vytváří oblasti se slabou koncentrací napětí. Během provozu zařízení čep snáší nepřetržité střídavé tangenciální namáhání v ohybu a povrchové značky nástrojů jsou leštěny do hladkého obloukového povrchu opakovaným třením. Při dlouhodobém vysokofrekvenčním vratném ohýbání, kolizi a tření se mikrotrhliny přednostně iniciují na defektech hrubého povrchu a vytvářejí zdroje únavy. Při nepřetržitém působení střídavého zatížení se trhliny šíří postupně a nakonec vedou k vysokocyklovému ohybovému únavovému lomu. Makroskopické a mikroskopické morfologické znaky jsou vysoce konzistentní, což dokazuje, že náhlý zlom je způsoben akumulovaným poškozením ohybovou únavou.

4. Vyšetřování na místě a analýza pracovních podmínek

Pro obnovení skutečného provozního stavu poruchy byly provedeny dva průzkumy na místě v místě větrné turbíny. Pro objasnění poruchových stavů byly ověřeny příslušné informace včetně doby provozu zařízení, procesu montáže, montážní polohy, morfologie lomu a záznamů o údržbě.

Více než třicet větrných turbín o výkonu 1,5 MW je v provozu déle než tři roky a praskl pouze jeden svorník, což je individuální případ selhání. Kontrola na místě ukazuje, že zlomený čep byl instalován s polohovou odchylkou. Jedna strana stopky těsně lícovala s čelní plochou otvoru ozubeného kola bez jakékoli mezery, zatímco druhá strana měla velkou montážní vůli. Instalační odchylka způsobila, že se čep neustále ohýbal a vratně pohyboval při provozu turbíny, což generovalo dlouhodobá střídající se boční zatížení a vyvolalo potenciální riziko únavového selhání.

Těsně přiléhající strana čepu byla bez mezer a nepřístupná nástrojům, což dokazuje, že tato poloha snášela extrémně vysoké cyklické tangenciální namáhání a způsobovala velké potíže při pozdější demontáži. Při nepřetržitém axiálním vertikálním střídavém namáhání došlo na straně čepu lícující ke stěně otvoru k opakovanému ohýbání, nárazu a tření s otvorem ozubeného kola. Původní značky otáčení byly zcela opotřebovány a vytvořily zrcadlově hladký obloukový povrch se zřejmými třecími charakteristikami.

Větrná turbína pracuje při rychlosti otáčení 17 ot./min. po dobu 15 hodin denně a generuje přibližně 15 300 cyklů denně. Celkové provozní cykly dosahují 2,8×10⁶ během půl roku a 2,0×10⁷ během tří a půl roku. Čep se houpe v rámci malé amplitudy asi 4 mm s nízkou amplitudou napětí a nízkou úrovní celkového napětí, což patří k typickým pracovním podmínkám vysokocyklové únavy s nízkým napětím. Lom je vyvolán dlouhodobou akumulovanou ohybovou únavou při střídavých bočních zatíženích, což je typický případ únavového lomu šroubu ohybem.

5. Komplexní shrnutí

1. Způsob porušení čepu je potvrzen jako únavový lom v ohybu, spíše než lom z přetížení, křehký lom nebo lom způsobený vadami materiálu.

2. Základní příčinou selhání je nesprávný proces montáže. Polohová odchylka vede k jednostrannému těsnému lícování čepu s otvorem ozubeného kola, což má za následek trvalé střídavé tangenciální ohybové napětí. Únavové poškození se nepřetržitě hromadí během vysokocyklového provozu zařízení a nakonec způsobuje únavový lom v ohybu.