در تولیدات صنعتی و کاربردهای تجهیزات روزانه، پیچ و مهره ها به عنوان بست های اتصال دهنده هسته ای هستند که مسئول تثبیت، اتصال و تحمل بارهای ساختاری هستند. در طول خدمت طولانی مدت،پیچ و مهرهتحت تأثیر عوامل متعددی مانند شرایط بار، محیط کار، فرآیندهای تولید و کیفیت مونتاژ قرار می گیرند که ممکن است به راحتی منجر به شکستگی شود. این می تواند بیشتر باعث خاموش شدن تجهیزات، خرابی ساختاری و حتی حوادث ایمنی جدی شود. این مقاله به طور سیستماتیک اشکال شکستگی رایج، مکانیسم‌های تشکیل، ویژگی‌های شکست ماکروسکوپی شکستگی اضافه بار، موقعیت‌های شکستگی پرخطر و حالت‌های شکست را تحت شرایط مختلف بارگذاری پیچ‌ها معرفی می‌کند، و پشتیبانی فنی برای جلوگیری از شکست پیچ، نگهداری تجهیزات و بهینه‌سازی فرآیند ارائه می‌دهد.

I. اشکال رایج شکستگی پیچ ها

1. شکستگی اضافه بار

شکست اضافه بار زمانی اتفاق می‌افتد که بار لحظه‌ای اعمال شده بر روی پیچ از مقاومت کششی نهایی ماده که مربوط به شکستگی معمولی شکل‌پذیر یا شکننده استاتیک است، بیشتر شود. این نوع شکستگی به طور ناگهانی و بدون علائم آشکار پیش از شکست اتفاق می افتد. برای مواد انعطاف پذیر، سطح شکست عموماً یک شکل مخروطی فنجانی یا یک مقطع شیبدار 45 درجه با سطوح ناهموار و تغییر شکل پلاستیک قابل توجهی دارد. برای پیچ و مهره های شکننده با استحکام بالا، سطح شکستگی نسبتاً صاف با تغییر شکل پلاستیکی ناچیز است.

علل شکستگی: طراحی سازه ای نامعقول منجر به انتخاب پیچ و مهره کم اندازه و حاشیه بار ناکافی می شود و در نتیجه عملیات اضافه بار طولانی مدت انجام می شود. شرایط کاری غیرعادی ناگهانی مانند بارهای ضربه ای و اضافه بارهای گذرا در طول عملیات تجهیزات نیز می تواند باعث بارگذاری بیش از حد آنی شود. به عنوان مثال، پیچ های اتصال مکانیزم های بالابر جرثقیل ممکن است در هنگام بلند کردن بارهای اضافه وزن دچار شکستگی اضافه بار شوند.

2. شکستگی خستگی

شکستگی خستگی رایج ترین شکل شکست پیچ و مهره است. تحت بارهای چرخه ای طولانی مدت مانند تنش متناوب، تراکم، خمش و ارتعاش، ترک های میکرو خستگی در مناطق تمرکز تنش شروع می شوند. ترک ها به تدریج با چرخه بار گسترش می یابند و به طور مداوم سطح باربری موثر را کاهش می دهند و در نهایت منجر به شکستگی ناگهانی می شوند حتی اگر بار کاری از مقدار نامی تجاوز نکند. شکستگی خستگی بدون تغییر شکل پلاستیک آشکار رخ می دهد. سطح شکستگی معمولاً با بافت های معمولی پوسته مانند یا حلقه مانند یکساله صاف است.

علل شکستگی: حرکت رفت و برگشتی طولانی مدت و ارتعاش با فرکانس بالا تجهیزات پیچ ها را در معرض تنش متناوب دوره ای قرار می دهند. برای مثال، پیچ‌های شاتون موتورهای خودرو، تنش چرخه‌ای و بارهای فشاری ناشی از حرکت رفت و برگشتی با فرکانس بالا پیستون‌ها و میله‌های اتصال را تحمل می‌کنند که منجر به آسیب خستگی انباشته شده و در نهایت شکستگی ناشی از خستگی می‌شود.

3. شکستگی خوردگی

هنگامی که پیچ‌ها در محیط‌های خورنده کار می‌کنند، خوردگی شیمیایی یا الکتروشیمیایی روی مواد پایه رخ می‌دهد و عیوب سطحی مانند زنگ زدگی و خوردگی حفره‌ای را ایجاد می‌کند. این عیوب ناحیه باربری موثر و استحکام مکانیکی پیچ‌ها را کاهش می‌دهد و منجر به شکستگی در زیر بارهای کاری معمولی می‌شود. محصولات خوردگی مانند لایه های زنگ و گودال های خوردگی را می توان بر روی سطوح شکست مشاهده کرد.

علل شکستگیپیچ و مهره‌هایی که در محیط‌های مرطوب، اسپری نمک یا محیط‌های خورنده اسیدی کار می‌کنند، مستعد شکست خوردگی هستند، مانند تأسیسات فولادی سازه‌ای در نزدیکی دریا و تجهیزات صنعتی شیمیایی. به عنوان مثال، پیچ‌های اتصال روی عرشه کشتی‌ها به‌طور مداوم توسط آب دریا و اسپری نمک فرسایش می‌یابند که منجر به تخریب مواد و شکستگی ناشی از خوردگی می‌شود.

4. شکستگی ناشی از خوردگی استرس

شکست خوردگی تنشی به شکستگی شکننده ای اطلاق می شود که تحت اثر ترکیبی تنش کششی ثابت و محیط های خورنده خاص رخ می دهد. ترک به آرامی در مراحل اولیه بدون علائم شکست آشکار رشد می کند و هنگامی که ترک به اندازه بحرانی می رسد شکستگی ناگهانی رخ می دهد. سطح شکست ویژگی های دوگانه شکست تنش و آسیب خوردگی را نشان می دهد.

علل شکستگی: برخی از مواد پیچ ​​ممکن است ترک های خوردگی تنشی را تحت تنش کششی ثابت کم در محیط های خورنده خاص ایجاد و گسترش دهند. یک مورد معمولی شکست خوردگی تنشی پیچ‌های فولادی زنگ نزن آستنیتی در محیط‌های غنی از کلرید است.

5. شکستگی تردی هیدروژنی

در طول ساخت یا سرویس، اتم‌های هیدروژن در داخل مواد پیچ ​​نفوذ کرده و تجمع می‌کنند و مولکول‌های هیدروژن را تشکیل می‌دهند که فشار داخلی عظیمی تولید می‌کنند. این باعث ترک خوردگی شبکه و انتشار میکروترک می شود که در نهایت منجر به شکستگی شکننده می شود. تردی هیدروژنی یک شکست شکننده معمولی است که با سطوح شکستگی صاف و بدون تغییر شکل پلاستیک آشکار مشخص می شود.

علل شکستگی: اتم های هیدروژن در طی فرآیندهای آبکاری الکتریکی، اسیدکاری، فسفاته کردن و سایر فرآیندهای تصفیه سطحی بدون عملیات هیدروژناسیون کافی به درون ماتریس فولاد نفوذ می کنند.پیچ و مهره های فولادی با استحکام بالابه تردی هیدروژنی بسیار حساس هستند. غلظت بیش از حد یون هیدروژن در محلول آبکاری و فرآیندهای هیدروژن زدایی غیرمجاز، محرک اصلی شکستگی تردی هیدروژن هستند.

6. شکستگی ناشی از عیوب ساخت

عیوب داخلی و سطحی که در طول تولید مواد خام و تولید پیچ ​​و مهره ایجاد می شوند، منابع تمرکز تنش را تشکیل می دهند. تحت بار، تنش به شدت در موقعیت های عیب افزایش می یابد و باعث شروع ترک و انتشار سریع می شود که در نهایت منجر به شکستگی می شود. ویژگی های اصلی نقص ساخت را می توان به وضوح بر روی سطح شکست مشاهده کرد.

علل شکستگی: عیوب مواد اولیه مانند آخال، تخلخل، حفره های انقباض و جداسازی. کنترل نامناسب فرآیندهای آهنگری، عملیات حرارتی و تراشکاری باعث از بین رفتن ترک ها، ترک های سنگ زنی، آثار ابزار و خراش می شود.

II. سه ناحیه مشخصه شکستگی پیچ اضافه بار

1. منطقه فیبر

موقعیت: در مرکز سطح شکستگی قرار دارد و به عنوان منطقه شروع ترک و انتشار اولیه عمل می کند.

خصوصیات مورفولوژیکی: سطح ناصاف و فیبری با تغییر شکل پلاستیکی قابل مشاهده و تجمع میکروویید است که از ویژگی های معمول شکستگی شکل پذیر است.

مکانیسم تشکیل: در مرحله شکست اولیه، مواد پیچ ​​و مهره تحت کشش، رئولوژی پلاستیک می شوند. Microvoid ها تولید، رشد می کنند، جمع می شوند و به هم متصل می شوند تا مورفولوژی شکستگی فیبری را تشکیل دهند.

2. Radiate Zone

موقعیت: در خارج از ناحیه فیبر، مربوط به مرحله انتشار سریع ترک قرار دارد.

خصوصیات مورفولوژیکی: سطح شکستگی نسبتاً مسطح است و بافت های شعاعی یا شاه ماهی شفافی از مرکز به سمت بیرون امتداد می یابد.

مکانیسم تشکیل: هنگامی که ترک اولیه به اندازه بحرانی گسترش می یابد، وارد مرحله انتشار سریع می شود. تمرکز تنش شدید در نوک ترک باعث پارگی سریع ترانس دانه ای یا بین دانه ای می شود و مورفولوژی شکست شعاعی را تشکیل می دهد.

3. ناحیه لب برشی

موقعیت: در بیرونی ترین لبه سطح شکستگی که در مرحله شکستگی نهایی ایجاد می شود، پخش می شود.

خصوصیات مورفولوژیکی: سطح صاف و مایل با ویژگی های لغزش برشی معمولی است که یک لبه برشی حلقوی را تشکیل می دهد که مشخصه نهایی شکست شکل پذیر است.

مکانیسم تشکیل: در مرحله شکست نهایی، مواد باقیمانده در امتداد صفحه برشی ماکزیمم تحت تنش بالا می لغزد و پاره می شود و تغییر شکل برشی پلاستیکی ایجاد می کند و ساختار لبه برشی را تشکیل می دهد.

777

III. موقعیت های رایج شکستگی پیچ اضافه بار

888

1. اولین دندانه نخ نزدیک سطح یاتاقان مهره

بارهای اتصالات پیچ و مهره عمدتاً از طریق دندانه های رزوه مشبک منتقل می شود. اولین دندانه رزوه ای نزدیک سطح یاتاقان مهره بیشترین بار را تحمل می کند و شدیدترین غلظت تنش را نشان می دهد. این مستعدترین موقعیت برای شکستگی اضافه بار در طول سرویس طولانی مدت است.

2. ریشه نخ در انتقال بین سر پیچ و ساقه

ریشه نخ دارای تغییرات هندسی ناگهانی و ضریب تمرکز تنش بالا است. با حالت‌های تنش پیچیده، به نقطه ضعف ساختاری پیچ‌ها تبدیل می‌شود و در اثر بارهای اضافه و ضربه مستعد شکستگی است.

3. منطقه انتقال بین ساقه صاف و بخش نخ

تغییرات ناگهانی در اندازه و ساختار مقطع در محل اتصال ساقه صاف و مقطع رزوه باعث تمرکز آشکار تنش و توزیع ناهموار تنش می شود. این موقعیت به راحتی باعث ایجاد ترک در شرایط اضافه بار می شود و منجر به شکست شکستگی می شود.

IV. وضعیت های شکست پیچ تحت اشکال مختلف بارگذاری

1. شکستگی تحت تنش کششی

شکستگی معمولی فنجان مخروطی و کشیدگی کلی آشکار و تغییر شکل گردن را می توان مشاهده کرد. برای پیچ‌های با چقرمگی بالا تحت اضافه بار کششی، بخش شکست نهایی یک زاویه برشی تقریباً 45 درجه با محور پیچ تشکیل می‌دهد که متعلق به شکست اضافه بار انعطاف‌پذیر معمولی است که بیشتر در موقعیت ریشه رزوه ضعیف رخ می‌دهد.

999

2. شکست تحت تنش ضربه و ممان خمشی

بافت های شعاعی و لب های برشی را می توان روی سطح شکست مشاهده کرد، در حالی که لب های برشی ناقص و بدون یک شکل کامل حلقوی توزیع شده اند. شکستگی تغییر شکل پلاستیک جزئی و ویژگی‌های شکننده آشکار را نشان می‌دهد که عمدتاً ناشی از ضربه‌های آنی و بارهای خمشی است.

101010

3. شکستگی تحت تنش پیچشی و کششی ترکیبی

تحت بارهای ترکیبی پیچشی و کششی، سطح شکستگی بافت‌های پیچشی چرخشی آشکار، و همچنین مورفولوژی‌های هلالی یا فن‌شکل را نشان می‌دهد. اعوجاج متمایز و جبران شکستگی با لغزش نسبی و پارگی مواد در امتداد صفحه برشی تحت نیروی برشی پیچشی ایجاد می‌شود.

111111