A csavar betörésének számos oka lehetkötőelemek. Általánosságban elmondható, hogy a csavarok sérülését a feszültségi tényező, a fáradtság, a korrózió és a hidrogén ridegség okozza.
Csavartörés
1. Stressz faktor
A hagyományos feszültség túllépését (túlfeszültség) a nyírás, a feszítés, a hajlítás és az összenyomás bármelyike vagy kombinációja okozza.
A legtöbb tervező először a húzóterhelés, az előfeszítő erő és a további gyakorlati terhelés kombinációját veszi figyelembe. Az előfeszítő erő alapvetően belső és statikus, amely összenyomja a kötéselemeket. A gyakorlati terhelések a kötőelemekre kifejtett külső, jellemzően ciklikus (visszatérő) erők.
A húzó terhelés megpróbálja ellenállni a csuklóelemek kinyílásának. Amikor ezek a terhelések meghaladják a csavar folyáshatárát, a csavar rugalmas alakváltozásból képlékeny alakváltozásba változik, ami a csavar maradandó deformálódását eredményezi. Ezért a külső terhelés eltávolításával nem lehet visszaállítani eredeti állapotát. Hasonló okokból, ha a csavar külső terhelése meghaladja a végső szakítószilárdságát, a csavar eltörik.
A csavarok meghúzása előfeszítő erővel történő csavarással történik. A beszerelés során a túlzott nyomaték túlfeszítéshez vezet, és csökkenti a kötőelemek axiális szakítószilárdságát azáltal, hogy túlfeszültségnek teszi ki őket. Más szóval, a folyamatos csavarásnak kitett csavarok hozamértéke alacsonyabb a közvetlenül feszítésnek és feszítésnek kitett csavarokhoz képest. Ily módon a csavar megengedhet, mielőtt elérné a megfelelő szabvány minimális szakítószilárdságát. A nagy nyomaték növelheti a csavar előfeszítő erejét, és ennek megfelelően csökkentheti a kötés lazaságát. A reteszelőerő növelése érdekében az előfeszítő erőt általában egy felső határra állítják. Ily módon, hacsak nem kicsi a különbség a folyáshatár és a végső szakítószilárdság között, a csavarok általában nem engednek a csavarás miatt.
A nyíróterhelés függőleges erőt fejt ki a hossztengelyérecsavar. A nyírófeszültség egyszeres nyírófeszültségre és kettős nyírófeszültségre oszlik. Tapasztalati adatok szerint a végső egyszeri nyírófeszültség a végső húzófeszültség körülbelül 65%-a. Sok tervező előnyben részesíti a nyíróterheléseket, mert kihasználják a csavarok szakító- és nyírószilárdságát. Főleg tiplikként működnek, viszonylag egyszerű csatlakozásokat képezve a nyírásnak kitett kötőelemekhez. Hátránya, hogy a nyírócsatlakozások alkalmazási köre korlátozott, és nem gyakran használhatók, mivel több anyagot és helyet igényelnek. Tudjuk, hogy az anyagok összetétele és pontossága is meghatározó szerepet játszik. Azonban gyakran nem állnak rendelkezésre olyan anyagadatok, amelyek a húzófeszültséget nyíróterheléssé alakítják át.
A rögzítőelemek előfeszítő ereje befolyásolja a nyírócsatlakozások integritását. Minél kisebb az előfeszítő erő, annál könnyebben csúszik a fugaréteg a csavarral érintkezve. A nyírási teherbírást úgy számítjuk ki, hogy megszorozzuk a keresztirányú síkok számát (egy nyírási síkot egyszeres nyírásnak, két nyírási síkot kettős nyírásnak nevezünk), amelyek a menet nélküli csavarok keresztmetszete kell, hogy legyen. Nem javasoljuk a menetek nyírását, mivel a keresztmetszet megváltozásakor a kötőelemek nyírószilárdsága feszültségkoncentrációval leküzdhető. A kötőelemek nyírószilárdságának meghatározásakor egyes tervezők a húzófeszültségi területet használják, míg mások a kis átmérőjű szakaszokat részesítik előnyben. Ha a nyírócsatlakozásban lévő csavar a megadott értékre csavarodik (ahogyan a 2. ábrán látható), az érintkezőréteg illeszkedő felülete addig nem kezdhet el csúszni, amíg túllépi a külső súrlódási ellenállást. Az illeszkedő felületek közötti súrlódás növelése javíthatja a csatlakozás általános integritását. Néha az alkatrészek mérete és a tervezési követelmények miatt a használandó csavarok száma korlátozott lehet.
2. ábra: Függetlenül attól, hogy az összekötő alkatrész egyszeres vagy kettős vágott, a vágási felület nem haladhat át a rögzítő menetes részén
A húzó- és nyíróterhelések mellett a hajlítási igénybevétel egy másik terhelés, amelyet a csavarok érnek, és olyan külső erők okozzák, amelyek nem merőlegesek a csavar hossztengelyére, és a csapágy- és illeszkedési felületeken helyezkednek el. Összességében minél egyszerűbb a rögzítőelem csatlakozása, annál nagyobb az integritása és megbízhatósága.
2. Fáradtság
Jelenleg nincs olyan konkrét jogszabály, amely a beszállítókat arra utasítaná, hogy olyan kulcsfontosságú alkatrészeket vásároljanak, amelyek megfelelnek az ipari kötőelemekre vonatkozó előírásokban szereplő ipari szabványoknak, különösen anélkül, hogy megemlítenék a rögzítőelemek meghibásodásának fő okát - a fáradtságot. Becslések szerint a kifáradás okozta károk a rögzítőelemek meghibásodásának 85%-át teszik ki.
A csavarok kifáradása ciklikus húzóterhelések folyamatos hatása, aminek eredményekéntcsavarokviszonylag kis előfeszítő erőknek és váltakozó munkaterheléseknek van kitéve. Ilyen kettős terhelés mellett hosszú ideig a csavarok meghibásodnak, ha névleges szakítószilárdságuk kisebb, mint. A kifáradási élettartamot a terhelési feszültségciklusok száma és amplitúdója határozza meg. Egyes összenyomott csatlakozók, például prések, sajtolóberendezések és fröccsöntő gépek szintén kifáradási törést szenvedhetnek. Működés közben többszörös összetett feszültség keletkezik a teljesítmény és az előterhelés között. Ismételt nyújtó mozdulatoknál a feszültségváltozások számát és amplitúdóját befolyásolja a fáradtság és a károsodás mértéke.
A tipikus ipari rögzítőelemek, mint például a hatlapú csavarok, folyamatosan megnyúlnak, és bizonyos rugalmassági tartományon belül visszatérnek eredeti alakjukba. Ha a normál és a rugalmassági tartományon túli igénybevételnek vannak kitéve, maradandó deformáción mennek keresztül, amíg végül eltörnek. A kiterjesztett állapotba való visszatérés viselkedését ciklusnak nevezzük. Egy hatlapfejű csavarmenet körülbelül napi 240-10 fokos ciklust képes kibírni (maximum), amint az a 3. ábrán látható.
3. ábra Javított Goodman diagram
A pontozott átló a váltakozó csavarterhelés átlagos értékét jelzi 90%-os valószínűséggel 10 millió ciklusra. A tényleges átlós vonal azt mutatja, hogy amikor a csavar előfeszítő erő eléri a 100 ksi-t, a dinamikus terhelés és az átlagos feszültség közötti maximális eltérés 12 ksi.
A rögzítőelemek végül megrepednek a csúcstól csúcsig ismétlődő feszültségciklusok miatt. A törés általában a rögzítőelem legsérülékenyebb pontján következik be, amelyet a mérnökök a "maximális feszültségkoncentráció területeként" emlegetnek. Amint mikrorepedések keletkeznek a feszültségkoncentrációs ponton, és továbbra is feszültségnek vannak kitéve, a repedések gyorsan továbbterjednek, ami a rögzítőelem fáradásos károsodását okozza. Az ipari felhasználásra szánt kötőelemeket gyártó vállalkozások folyamatosan új formázási eljárásokat kutatnak, és olyan új gyártási módszereket terveznek és fejlesztenek ki, amelyek leküzdhetik a fent említett végzetes gyengeségeket.
A fáradásos meghibásodás leggyakoribb helyei a kötés (azaz az első betöltött menet), a gyökérfilé, a menet és a menetvégződés. A feldolgozóiparban a jobb anyagok és gyártási módszerek kifejlesztése révén a kifáradási szilárdság javulása miatt a menetek a kötőelemek leggyengébb pontjává váltak, és jelenleg a legnagyobb arányban okozzák a kifáradásos meghibásodást.
A tervezési feszültségváltozók és a kötőelemek teljesítményjellemzői közötti összefüggések nehéz feladatot jelentenek a kifáradási szilárdsági szabványok meghatározásában. Jelenleg összetett folyamat a "törésig tartó ciklusok" számának meghatározása és a rögzítőelemek sorozatának relatív szilárdságának mérése.
3. Korrózió
A csavartörés másik oka a korrózió. A korróziónak számos formája van, beleértve a közönséges korróziót, a kémiai korróziót, az elektrolitikus korróziót és a feszültségkorróziót. Az elektrolitikus korrózió a kötőelemek különféle nedves anyagoknak, például esővíznek vagy savas ködnek való kitettségére utal, amelyek olyan elektrolitok, amelyek a kötőelemek kémiai korrózióját okozhatják; Másodszor, a kötőelemek eltérő anyaga miatt eltérő az elektrolitikus potenciáljuk, és a potenciálkülönbség könnyen "mikroakkumulátorokat" generálhat. A tervezőknek a fémek kompatibilitása alapján kell a lehető legnagyobb mértékben hasonló elektrolitikus potenciállal rendelkező anyagokat választaniuk, miközben az elektrolitképződéshez szükséges feltételeket meg kell szüntetni az elektrolitikus korrózió okozta repedések elkerülése érdekében.
A feszültségkorrózió viszonylag korlátozott. A feszültségkorrózió nagy szakító terhelések mellett fordul elő, és főként a nagy szilárdságú ötvözött acélból készült kötőelemeket érinti. Az ötvözött acélból (különösen a magas ötvözettartalmú acélból) készült kötőelemek feszültség hatására hajlamosak a repedésre. Kezdetben általában repedések, gödrök keletkeznek a felületen, majd további korrózió lép fel, ami elősegíti a repedés terjedését. A repedés terjedésének sebességét a csavarra ható feszültség és az anyag törési szívóssága határozza meg. Amikor a megmaradt anyag olyan mértékben működik, hogy nem tudja ellenállni az alkalmazott igénybevételnek, törés következik be.
4. Hidrogén ridegség
A nagy szilárdságú acél kötőelemek (általában C36 vagy magasabb Rockwell keménységűek) hajlamosabbak a hidrogén ridegségre. A hidrogén ridegség a fő oka a rögzítőelem törésének. A hidrogénridegedés olyan jelenség, amelyben a hidrogénatomok belépnek és szétszóródnak a teljes anyagmátrixban. Amikor a hidrogénatomok belépnek az anyagmátrixba, a mátrix rácstorzuláson megy keresztül, ami felborítja az eredeti egyensúlyi állapotot, és külső erők hatására könnyen megreped. Amikor külső terhelés éri acsavar,A hidrogénatomok az erősen koncentrált feszültségzónába vándorolnak, jelentős feszültséget okozva a kristályhatárok szélei között, ami a kötőelem kristályszemcséi közötti töréshez vezet.
Ha a rögzítőelemek beszerelés előtt kritikus hidrogént tartalmaznak, általában 24 órán belül eltörnek. Ha hidrogén kerül a rögzítőelembe, lehetetlen megjósolni, hogy mikor fog eltörni. Ezért a megfelelő kötőelemek használatakor a tervezőknek meg kell határozniuk a beszállítók kiválasztását speciális eljárásokkal és minimális hidrogénridegséggel.
5. Egyéb tényezők
A csatlakozási törés nem mindig kapcsolódik közvetlenül a rögzítőelem katasztrofális töréséhez. A kötőelemekkel kapcsolatos számos tényező, mint például az előfeszítés elvesztése vagy a kötőelemek csatlakozásainak kifáradása, kopást és elhasználódást okozhat; A rögzítőelemek középponti eltolása zajt és szivárgást okozhat használat közben, ami nem tervezett karbantartást igényel a törés elkerülése érdekében. Például a vibráció csökkentheti a menetek súrlódási ellenállását, és a rögzítőelemek csatlakozásai ellazulhatnak a beépítés utáni munkaterhelés miatt. Ezek a tényezők, valamint a csavarok magas hőmérsékletű kúszása az előfeszítő erő elvesztéséhez vezethetnek. Előfordulhat, hogy a csatlakozás törése annak tudható be, hogy az átmenő furat túl nagy vagy túl kicsi, a csapágyfelület túl kicsi, az anyag túl puha, vagy túl nagy a terhelés. Ezen helyzetek egyike sem okoz közvetlen csavartörést, de a csatlakozás integritásának elvesztését vagy esetleges csavartörést eredményez.
