Det finns olika orsaker till att bulten går sönderfästelement. Generellt sett orsakas bultskador av stressfaktor, utmattning, korrosion och väteförsprödning.
Bultbrott
1. Stressfaktor
Överskridande av konventionell spänning (överspänning) orsakas av någon eller en kombination av skjuvning, spänning, böjning och kompression.
De flesta designers överväger först kombinationen av dragbelastning, förspänningskraft och ytterligare praktisk belastning. Föråtdragningskraften är i princip intern och statisk, vilket komprimerar fogkomponenterna. Praktiska belastningar är yttre, typiskt cykliska (fram- och återgående) krafter som appliceras på fästelement.
Dragbelastningen försöker motstå fogkomponenterna från att öppnas. När dessa belastningar överskrider bultens sträckgräns övergår bulten från elastisk deformation till plastisk deformation, vilket resulterar i permanent deformation av bulten. Därför kan den inte återställas till sitt ursprungliga tillstånd när den externa belastningen tas bort. Av liknande skäl, om den yttre belastningen på bulten överstiger dess slutliga draghållfasthet, kommer bulten att gå sönder.
Bultåtdragning uppnås genom vridning med förspänningskraft. Under installationen leder överdrivet vridmoment till överdragning och minskar fästelementens axiella draghållfasthet genom att utsätta dem för överbelastning. Med andra ord har bultar som utsätts för kontinuerlig vridning lägre flytvärden jämfört med bultar som är direkt utsatta för drag och drag. På detta sätt kan bulten ge efter innan den når den minsta draghållfastheten för motsvarande standard. Ett stort vridmoment kan öka bultens föråtdragningskraft och på motsvarande sätt minska kopplingens löshet. För att öka låskraften är föråtdragningskraften i allmänhet inställd på en övre gräns. På detta sätt, såvida inte skillnaden mellan sträckgräns och slutlig draghållfasthet är liten, kommer bultar i allmänhet inte att ge efter på grund av vridning.
Skjuvlast applicerar en vertikal kraft på den längsgående axelnbult. Skjuvspänning är uppdelad i enkel skjuvspänning och dubbel skjuvspänning. Från empiriska data är den slutliga skjuvspänningen ungefär 65 % av den slutliga dragspänningen. Många designers föredrar skjuvbelastningar eftersom de utnyttjar drag- och skjuvhållfastheten hos bultar. De fungerar huvudsakligen som pluggar och bildar relativt enkla anslutningar för fästelement som utsätts för skjuvning. Nackdelen är att skjuvkopplingar har ett begränsat användningsområde och inte kan användas ofta, eftersom de kräver mer material och utrymme. Vi vet att materialsammansättningen och noggrannheten också spelar en avgörande roll. Materialdata som omvandlar dragspänning till skjuvlast är dock ofta otillgängliga.
Fästelementens föråtdragande kraft påverkar integriteten hos skjuvanslutningar. Ju lägre förspänningskraften är, desto lättare är det för foglagret att glida vid kontakt med bulten. Skjuvlastkapaciteten beräknas genom att multiplicera antalet tvärplan (ett skjuvplan kallas enkelskjuvning och två skjuvplan kallas dubbelskjuvning), vilket bör vara tvärsnittet av ogängade bultar. Vi förespråkar inte att utforma skjuvning genom gängor, eftersom fästelementens skjuvhållfasthet kan övervinnas genom spänningskoncentration när tvärsnittet ändras. När man bestämmer fästelementens skjuvhållfasthet använder vissa designers dragspänningsområdet, medan andra föredrar sektioner med liten diameter. Om bulten i skjuvkopplingen vrids till det angivna värdet (som visas i figur 2) kan kontaktskiktets passande yta inte börja glida förrän den överskrider friktionsmotståndet utanför. Ökning av friktionen mellan motverkande ytor kan förbättra anslutningens övergripande integritet. Ibland, på grund av delarnas storlek och designkrav, kan antalet bultar som måste användas begränsas.
Figur 2: Oavsett om anslutningskomponenten är enkelskuren eller dubbelskuren, ska skärytan inte passera genom den gängade delen av fästelementet
Förutom drag- och skjuvbelastningar är böjspänning en annan belastning som bultar utsätts för, orsakade av yttre krafter som inte är vinkelräta mot bultens längdaxel och som är placerade på lager- och passytor. Sammantaget, ju enklare fästdonsanslutningen är, desto större är dess integritet och tillförlitlighet.
2. Trötthet
Det finns för närvarande ingen specifik lagstiftning som uppmanar leverantörer att köpa nyckelkomponenter som överensstämmer med industristandarder i relevanta bestämmelser för industriella fästelement, särskilt utan att nämna huvudorsaken till att fästelementen misslyckas - trötthet. Utmattningsskador beräknas stå för 85 % av det totala antalet fel på fästelementen.
Utmattningen i bultar är den kontinuerliga verkan av cykliska dragbelastningar, vilket resulterar ibultarutsätts för relativt små förspänningskrafter och alternerande arbetsbelastningar. Under sådana förhållanden med dubbel belastning under lång tid kommer bultar att gå sönder när deras nominella draghållfasthet är mindre än. Utmattningslivslängden bestäms av antalet och amplituden av belastningsbelastningscykler. Vissa komprimerade kopplingar, såsom pressar, stämplingsutrustning och gjutmaskiner, kan också drabbas av utmattningsbrott. Flera kompositspänningar genereras mellan kraften och förspänningen under drift. Vid upprepade sträckningsrörelser påverkas antalet och amplituden av stressförändringar av graden av trötthet och skada.
Typiska industriella fästelement, såsom sexkantsskruvar, förlängs hela tiden och återgår till sin ursprungliga form inom ett visst elasticitetsområde. Om de utsätts för påfrestningar utöver det normala och utanför det elastiska området kommer de att genomgå permanent deformation tills de slutligen går sönder. Beteendet att förlänga och återgå till ett förlängt tillstånd kallas en cykel. En sexkantig insexskruv klarar ungefär 240-10 graders cykler per dag (maximalt) som visas i figur 3.
Figur 3 Förbättrat Goodman-diagram
Den prickade diagonalen indikerar medelvärdet för alternerande skruvbelastning med 90 % sannolikhet för 10 miljoner cykler. Den faktiska diagonallinjen visar att när skruvens föråtdragningskraft når 100 ksi är den maximala avvikelsen mellan den dynamiska belastningen och medelspänningen 12 ksi.
Fästelement kommer så småningom att spricka på grund av upprepade spänningscykler från topp till topp. Brott uppstår vanligtvis vid den mest sårbara punkten av fästelementet, vilket ingenjörer kallar "området med maximal spänningskoncentration". När mikrosprickor väl uppstår vid spänningskoncentrationspunkten och fortsätter att utsättas för spänningar, kommer sprickorna att fortplanta sig och orsaka utmattningsskador på fästelementet. Företag som tillverkar fästelement för industriellt bruk undersöker ständigt nya formningsprocesser och designar och utvecklar nya tillverkningsmetoder som kan övervinna de tidigare nämnda fatala svagheterna.
De vanligaste platserna för utmattningsbrott inkluderar fogen (dvs. den första laddade gängan), rotfilé, gänga och gängavslutning. På grund av förbättringen av utmattningshållfastheten genom utveckling av bättre material och produktionsmetoder inom tillverkningsindustrin har gängor blivit den svagaste punkten av fästelement och för närvarande den högsta andelen skador orsakade av utmattningsbrott.
Det inbördes förhållandet mellan spänningsvariablerna i konstruktionen och fästelementens prestandaegenskaper gör att sätta utmattningshållfasthetsstandarder till en svår uppgift. För närvarande är det en komplex process att bestämma antalet "cykler till brott" och mäta den relativa styrkan hos en serie fästelement.
3. Korrosion
En annan orsak till bultbrott är korrosion. Korrosion har många former, inklusive vanlig korrosion, kemisk korrosion, elektrolytisk korrosion och spänningskorrosion. Elektrolytisk korrosion hänvisar till exponering av fästelement för olika fuktiga ämnen såsom regnvatten eller sur dimma, som är elektrolyter som kan orsaka kemisk korrosion av fästelementen; För det andra, på grund av de olika materialen i fästelement, är deras elektrolytiska potentialer olika, och potentialskillnaden kan lätt generera "mikrobatterier". Designers bör välja material med liknande elektrolytiska potentialer så mycket som möjligt baserat på metallers kompatibilitet, samtidigt som villkoren för elektrolytgenerering elimineras för att förhindra sprickbildning orsakad av elektrolytisk korrosion.
Spänningskorrosion är relativt begränsad. Spänningskorrosion förekommer under höga dragbelastningar och påverkar främst fästelement av höghållfast legerat stål. Fästelement av legerat stål (särskilt stål med hög legeringssammansättning) är benägna att spricka under påkänning. I början bildas vanligtvis sprickor och gropar på ytan, och sedan uppstår ytterligare korrosion, vilket främjar sprickutbredning. Sprickutbredningshastigheten bestäms av spänningen på bulten och materialets brottseghet. När det återstående materialet fungerar till en punkt där det inte kan motstå den applicerade påfrestningen uppstår brott.
4. Väteförsprödning
Höghållfasta stålfästen (vanligtvis med en Rockwell-hårdhet på C36 eller högre) är mer benägna att väteförsprödas. Väteförsprödning är den främsta orsaken till sprickor i fästelement. Väteförsprödning är ett fenomen där väteatomer kommer in i och diffunderar genom hela materialmatrisen. När väteatomer kommer in i materialmatrisen, genomgår matrisen gitterdistorsion, vilket stör det ursprungliga jämviktstillståndet och gör det lätt att spricka under yttre krafter. När en extern belastning appliceras påskruva,väteatomer migrerar till den högkoncentrerade spänningszonen, vilket orsakar betydande spänningar mellan kanterna på kristallgränserna, vilket leder till brott mellan fästelementets kristallpartiklar.
När fästelement innehåller kritiskt väte före installation går de vanligtvis sönder inom 24 timmar. Om väte kommer in i fästelementet är det omöjligt att förutsäga när det kommer att gå sönder. Därför, när de använder relevanta fästelement, bör designers specificera valet av leverantörer med specialiserade processer och minimal potentiell väteförsprödning.
5. Andra faktorer
Anslutningsbrott är inte alltid direkt relaterat till katastrofala fästelementsbrott. Många faktorer relaterade till fästelement, såsom förlust av förspänning eller utmattning av fästelementsanslutningar, kan orsaka slitage; Mittförskjutningen av fästelement kan generera buller och läckage under användning, vilket kräver oplanerat underhåll för att förhindra brott. Till exempel kan vibrationer minska gängornas friktionsmotstånd, och fästelementsanslutningar kan slappna av på grund av applicering av arbetsbelastningar efter installationen. Dessa faktorer, tillsammans med bultars krypning vid hög temperatur, kan leda till förlust av förspänningskraft. Ibland kan brottet i anslutningen tillskrivas att hålet som passerar är för stort eller för litet, att lagerytan är för liten, att materialet är för mjukt eller att belastningen är för hög. Någon av dessa situationer kommer inte att orsaka direkt bultbrott, men kommer att resultera i förlust av anslutningsintegritet eller eventuell bultbrott.
