تجزیه و تحلیل علل شایع شکستگی پیچ بست

دلایل مختلفی برای شکستگی پیچ در آن وجود دارداتصال دهنده ها. به طور کلی، آسیب پیچ و مهره ناشی از عامل استرس، خستگی، خوردگی و شکنندگی هیدروژن است.

شکستگی پیچ

1. عامل استرس
تنش بیش از حد معمول (اضافه تنش) در اثر هر یک یا ترکیبی از برش، کشش، خمش و فشار ایجاد می شود.
اغلب طراحان ابتدا ترکیب بار کششی، نیروی پیش بار و بار عملی اضافی را در نظر می گیرند. نیروی پیش سفت شدن اساساً داخلی و ساکن است که اجزای مفصل را فشرده می کند. بارهای عملی نیروهای خارجی و معمولاً چرخه ای (مقابله) هستند که به بست ها اعمال می شود.
بار کششی تلاش می کند تا در برابر باز شدن اجزای اتصال مقاومت کند. هنگامی که این بارها از حد تسلیم پیچ تجاوز می کنند، پیچ از تغییر شکل الاستیک به تغییر شکل پلاستیکی تغییر شکل می دهد و در نتیجه تغییر شکل دائمی پیچ می شود. بنابراین، با حذف بار خارجی، نمی توان آن را به حالت اولیه خود بازگرداند. به دلایل مشابه، اگر بار خارجی روی پیچ از مقاومت کششی نهایی آن بیشتر شود، پیچ می شکند.
سفت شدن پیچ با چرخاندن با نیروی پیش بار به دست می آید. در حین نصب، گشتاور بیش از حد منجر به سفت شدن بیش از حد می شود و با قرار دادن آنها در معرض فشار بیش از حد، استحکام کششی محوری بست ها را کاهش می دهد. به عبارت دیگر، پیچ‌هایی که در معرض پیچش مداوم قرار می‌گیرند، در مقایسه با پیچ‌هایی که مستقیماً تحت کشش و کشش قرار دارند، دارای مقادیر تسلیم کمتری هستند. به این ترتیب، پیچ ممکن است قبل از رسیدن به حداقل مقاومت کششی استاندارد مربوطه تسلیم شود. یک گشتاور زیاد می تواند نیروی پیش سفت شدن پیچ را افزایش دهد و به همین ترتیب شل بودن اتصال را کاهش دهد. به منظور افزایش نیروی قفل، نیروی پیش سفت معمولاً در حد بالایی تنظیم می شود. به این ترتیب، مگر اینکه تفاوت بین استحکام تسلیم و استحکام کششی نهایی کم باشد، پیچ‌ها معمولاً به دلیل پیچش تسلیم نمی‌شوند.
بار برشی یک نیروی عمودی به محور طولی اعمال می کندپیچ و مهره. تنش برشی به تنش برشی تکی و تنش برشی مضاعف تقسیم می شود. از داده های تجربی، تنش برشی منفرد نهایی تقریباً 65 درصد تنش کششی نهایی است. بسیاری از طراحان بارهای برشی را ترجیح می دهند زیرا از مقاومت کششی و برشی پیچ ها استفاده می کنند. آنها عمدتاً مانند رولپلاک عمل می کنند و اتصالات نسبتاً ساده ای را برای اتصال دهنده هایی که در معرض برش قرار می گیرند تشکیل می دهند. نقطه ضعف این است که اتصالات برشی کاربرد محدودی دارند و نمی توان آنها را به طور مکرر استفاده کرد، زیرا به مواد و فضای بیشتری نیاز دارند. می دانیم که ترکیب و دقت مواد نیز نقش تعیین کننده ای دارد. با این حال، داده‌های موادی که تنش کششی را به بار برشی تبدیل می‌کنند، اغلب در دسترس نیستند.
نیروی پیش سفت شدن بست ها بر یکپارچگی اتصالات برشی تأثیر می گذارد. هرچه نیروی پیش بارگذاری کمتر باشد، لغزش لایه اتصال در هنگام تماس با پیچ آسان تر است. ظرفیت بار برشی با ضرب تعداد صفحات عرضی محاسبه می شود (یک صفحه برشی را تک برشی و دو صفحه برشی را برش مضاعف می گویند) که باید سطح مقطع پیچ های بدون رزوه باشد. ما از طراحی برش از طریق رزوه ها حمایت نمی کنیم، زیرا مقاومت برشی اتصال دهنده ها را می توان با تمرکز تنش در هنگام تغییر مقطع غلبه کرد. هنگام تعیین مقاومت برشی اتصال دهنده ها، برخی از طراحان از ناحیه تنش کششی استفاده می کنند، در حالی که برخی دیگر مقاطع با قطر کوچک را ترجیح می دهند. اگر پیچ در اتصال برشی به مقدار مشخص شده پیچ خورده باشد (همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است)، سطح جفت لایه تماس تا زمانی که از مقاومت اصطکاکی خارج فراتر نرود نمی تواند شروع به لغزش کند. افزایش اصطکاک بین سطوح جفت گیری می تواند یکپارچگی کلی اتصال را بهبود بخشد. گاهی اوقات، به دلیل اندازه قطعات و الزامات طراحی، ممکن است تعداد پیچ‌هایی که باید استفاده شوند محدود باشد.

شکل 2: صرف نظر از اینکه قطعه اتصال یک برش یا دو برش باشد، سطح برش نباید از قسمت رزوه دار بست عبور کند.
علاوه بر بارهای کششی و برشی، تنش خمشی یکی دیگر از بارهایی است که پیچ ها در اثر نیروهای خارجی که بر محور طولی پیچ عمود نیستند و بر روی سطوح یاتاقان و جفت قرار می گیرند، ایجاد می شود. به طور کلی، هرچه اتصال اتصال دهنده ساده تر باشد، یکپارچگی و قابلیت اطمینان آن بیشتر است.
2. خستگی
در حال حاضر هیچ قانون خاصی وجود ندارد که تامین کنندگان را به خرید قطعات کلیدی که مطابق با استانداردهای صنعتی در مقررات مربوطه برای اتصال دهنده های صنعتی است، هدایت کند، به ویژه بدون ذکر دلیل اصلی خرابی بست - خستگی. خسارات ناشی از خستگی حدود 85 درصد از کل خرابی های اتصال دهنده را تشکیل می دهد.
خستگی در پیچ و مهره ها عمل مداوم بارهای کششی چرخه ای است که منجر به آن می شودپیچ و مهرهتحت نیروهای نسبتاً کوچک پیش بارگذاری و بارهای کاری متناوب قرار می گیرند. در چنین شرایط بارگذاری دوگانه برای مدت طولانی، پیچ‌ها زمانی از کار می‌افتند که استحکام کششی نامی آنها کمتر از آن باشد. عمر خستگی با تعداد و دامنه چرخه های تنش بارگذاری تعیین می شود. برخی از اتصال دهنده های فشرده، مانند پرس ها، تجهیزات مهر زنی، و ماشین آلات قالب گیری نیز ممکن است دچار شکستگی ناشی از خستگی شوند. تنش های مرکب متعددی بین قدرت و پیش بارگیری در حین کار ایجاد می شود. در حرکات کششی مکرر، تعداد و دامنه تغییرات استرس تحت تأثیر میزان خستگی و آسیب قرار می گیرد.
اتصال دهنده های صنعتی معمولی، مانند پیچ ​​های شش گوش، به طور مداوم دراز می شوند و در محدوده خاصی از خاصیت ارتجاعی به شکل اولیه خود باز می گردند. اگر تحت فشار بیش از حد نرمال و فراتر از محدوده الاستیک قرار گیرند، تا زمانی که در نهایت بشکنند دچار تغییر شکل دائمی می شوند. رفتار گسترش و بازگشت به حالت توسعه یافته را یک چرخه می گویند. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، یک پیچ سوکت شش ضلعی می تواند تقریباً 240-10 درجه سیکل در روز (حداکثر) را تحمل کند.

شکل 3 نمودار گودمن بهبود یافته

قطر نقطه چین مقدار متوسط ​​بار متناوب پیچ را با احتمال 90 درصد برای 10 میلیون سیکل نشان می دهد. خط مورب واقعی نشان می دهد که وقتی نیروی پیش سفت شدن پیچ به 100ksi می رسد، حداکثر انحراف بین بار دینامیکی و تنش متوسط ​​12ksi است.
بست ها در نهایت به دلیل چرخه های تنش مکرر از اوج به اوج شکسته می شوند. شکستگی معمولاً در آسیب پذیرترین نقطه بست رخ می دهد که مهندسان از آن به عنوان "منطقه حداکثر غلظت تنش" یاد می کنند. هنگامی که ریزترک‌ها در نقطه تمرکز تنش ایجاد می‌شوند و همچنان تحت تنش قرار می‌گیرند، ترک‌ها به سرعت منتشر می‌شوند و باعث آسیب خستگی به بست می‌شوند. شرکت‌های سازنده اتصال دهنده‌ها برای مصارف صنعتی به طور مداوم در حال بررسی فرآیندهای قالب‌گیری جدید و طراحی و توسعه روش‌های ساخت جدید هستند که می‌تواند بر ضعف‌های کشنده فوق‌الذکر غلبه کند.
شایع ترین مکان های شکست خستگی شامل اتصال (یعنی اولین نخ بارگذاری شده)، فیله ریشه، نخ و پایان نخ می باشد. با توجه به بهبود استحکام خستگی از طریق توسعه مواد و روش‌های تولید بهتر در صنعت تولید، رزوه‌ها به ضعیف‌ترین نقطه اتصال دهنده‌ها تبدیل شده‌اند و در حال حاضر بیشترین نسبت آسیب‌های ناشی از شکست خستگی را به خود اختصاص داده‌اند.
ارتباط بین متغیرهای استرس در طراحی و ویژگی های عملکرد اتصال دهنده ها باعث می شود تنظیم استانداردهای قدرت خستگی به یک کار دشوار تبدیل شود. در حال حاضر، تعیین تعداد چرخه‌های شکستگی و اندازه‌گیری استحکام نسبی یک سری از بست‌ها، فرآیندی پیچیده است.
3. خوردگی
دلیل دیگر شکستگی پیچ خوردگی است. خوردگی اشکال مختلفی دارد، از جمله خوردگی معمولی، خوردگی شیمیایی، خوردگی الکترولیتی و خوردگی تنشی. خوردگی الکترولیتی به قرار گرفتن در معرض اتصال دهنده ها به مواد مرطوب مختلف مانند آب باران یا غبار اسید اشاره دارد که الکترولیت هایی هستند که می توانند باعث خوردگی شیمیایی اتصال دهنده ها شوند. ثانیا ، با توجه به مواد مختلف اتصال دهنده ها ، پتانسیل های الکترولیتی آنها متفاوت است و تفاوت پتانسیل به راحتی می تواند "میکروبراتی" ایجاد کند. طراحان باید بر اساس سازگاری فلزات ، مواد با پتانسیل های الکترولیتی مشابه را تا حد امکان انتخاب کنند ، در حالی که شرایط تولید الکترولیت را برای جلوگیری از ترک خوردگی ناشی از خوردگی الکترولیتی از بین می برند.
Stress corrosion is relatively limited. Stress corrosion exists under high tensile loads and mainly affects fasteners made of high-strength alloy steel. Fasteners made of alloy steel (especially steel with high alloy composition) are prone to cracking under stress. At the beginning, cracks and pits are usually formed on the surface, and then further corrosion occurs, which promotes crack propagation. The rate of crack propagation is determined by the stress on the bolt and the fracture toughness of the material. When the remaining material functions to the point where it cannot withstand the applied stress, fracture occurs.
4. تردی هیدروژنی
اتصال دهنده های فولادی با استحکام بالا (معمولاً با سختی راکول C36 یا بالاتر) بیشتر در معرض تردی هیدروژنی هستند. شکنندگی هیدروژن عامل اصلی شکستگی بست است. شکنندگی هیدروژن پدیده ای است که در آن اتم های هیدروژن وارد و در سراسر ماتریس مواد منتشر می شوند. هنگامی که اتم های هیدروژن وارد ماتریس مواد می شوند، ماتریس دچار اعوجاج شبکه ای می شود که حالت تعادل اولیه را مختل می کند و شکستن آن را تحت نیروهای خارجی آسان می کند. هنگامی که یک بار خارجی بهپیچ،اتم های هیدروژن به ناحیه تنش بسیار متمرکز مهاجرت می کنند و باعث ایجاد تنش قابل توجهی بین لبه های مرزهای کریستال می شوند که منجر به شکستگی بین ذرات کریستالی بست می شود.
وقتی بست ها قبل از نصب حاوی هیدروژن حیاتی باشند، معمولاً در عرض 24 ساعت می شکنند. اگر هیدروژن وارد بست شود، نمی توان پیش بینی کرد که چه زمانی می شکند. بنابراین، هنگام استفاده از اتصال دهنده های مربوطه، طراحان باید انتخاب تامین کنندگان با فرآیندهای تخصصی و حداقل تردی هیدروژنی بالقوه را مشخص کنند.
5. عوامل دیگر
شکستگی اتصال همیشه ارتباط مستقیمی با شکستگی فاجعه بار بست ندارد. بسیاری از عوامل مرتبط با اتصال دهنده ها، مانند از دست دادن بار پیش بار یا خستگی اتصالات بست، می توانند باعث سایش و پارگی شوند. افست مرکزی اتصال دهنده ها می تواند در حین استفاده صدا و نشتی ایجاد کند و برای جلوگیری از شکستگی نیاز به تعمیر و نگهداری برنامه ریزی نشده دارد. به عنوان مثال، لرزش می تواند مقاومت اصطکاکی رزوه ها را کاهش دهد و اتصالات بست می تواند به دلیل اعمال بارهای کاری پس از نصب شل شود. این عوامل، همراه با خزش پیچ و مهره ها در دمای بالا، می تواند منجر به از بین رفتن نیروی پیش بار شود. گاهی اوقات شکستگی اتصال را می توان به دلیل بزرگ یا خیلی کوچک بودن سوراخ عبوری، کوچک بودن ناحیه یاتاقان، نرمی بیش از حد مواد و یا زیاد بودن بار نسبت داد. هر یک از این شرایط باعث شکستگی مستقیم پیچ نمی شود، اما منجر به از بین رفتن یکپارچگی اتصال یا در نهایت شکستگی پیچ می شود.