Zmęczenie połączeń śrubowych

W połączeniach śrubowych występuje rodzaj pęknięcia zwany pękaniem zmęczeniowym. Pękanie zmęczeniowe występuje najczęściej w-długoterminowych, cyklicznych środowiskach wibracyjnych. Podobnie jak kruchość wodorowa, jej pękanie jest nagłe, ale oba są zasadniczo różne.-pęknięcie zmęczeniowe jest wynikiem skumulowanych uszkodzeń pod wpływem długotrwałych-cyklicznych obciążeń, podczas gdy kruchość wodorowa to kruche pękanie spowodowane przez atomy wodoru. Obecnie nie ma technologii pozwalającej z wyprzedzeniem przewidzieć dokładny moment, w którym śruba ulegnie pęknięciu zmęczeniowemu. Dlatego należy podjąć środki zapobiegawcze już na początkowych etapach, takich jak projektowanie, wybór materiałów i montaż.

Każda śruba ma swój okres użytkowania. Chociaż niektóre śruby można ponownie wykorzystać, nie można ich używać w nieskończoność. Kiedy śruba przez dłuższy czas znajduje się w warunkach eksploatacyjnych przekraczających obciążenie projektowe, prawdopodobieństwo pęknięcia zmęczeniowego znacznie wzrasta. Takie złamania powodują nie tylko poważne uszkodzenia sprzętu produkcyjnego, ale w poważnych przypadkach mogą również prowadzić do wypadków związanych z bezpieczeństwem.

Dlaczego więc śruby ulegają pękaniu zmęczeniowemu? Stosunkowo spójne rozumienie w branży jest następujące: pod wpływem cyklicznych obciążeń (takich jak wibracje i zmienne ciśnienie) naprężenia mają tendencję do akumulacji w obszarach koncentracji naprężeń śruby (np. dna gwintu i przejście pomiędzy łbem a trzpieniem). Jeśli pasujące komponenty mają odchylenia wymiarowe lubśruba zostanie zainstalowany z niewłaściwym napięciem wstępnym (zbyt ciasnym lub zbyt luźnym), lokalna nierównowaga naprężeń ulegnie dalszemu pogorszeniu. Kiedy skumulowane naprężenia przekraczają granicę zmęczenia materiału, a plastyczność materiału jest niewystarczająca, aby złagodzić te uszkodzenia, wewnątrz śruby będą stopniowo tworzyć się mikropęknięcia. Wraz ze wzrostem liczby cykli pęknięcia nadal się rozprzestrzeniają; kiedy osiągną punkt krytyczny, śruba nagle pęknie. To, co widzimy gołym okiem jako „nagłe pęknięcie”, jest w rzeczywistości wynikiem-długoterminowego gromadzenia się pęknięć i ich stopniowego rozprzestrzeniania się. Cały proces można podsumować w następujący sposób: cykliczne naprężenie działa na punkty koncentracji naprężeń śruby → stopniowo rozrywa osnowę śruby → tworzą się mikropęknięcia → pęknięcia rozprzestrzeniają się do punktu krytycznego → śruba nagle pęka.

Jest to jeden z powodów, dla których śruby przed użyciem muszą zostać poddane badaniu wytrzymałości na rozciąganie. Chociaż próba rozciągania trwa krótko, pozwala na wstępną ocenę podstawowych właściwości mechanicznych śruby poprzez obserwację miejsca pęknięcia (jeśli pęknięcie następuje w obszarach koncentracji naprężeń, takich jak nasady gwintu lub przejście łba-trzpienia, należy zachować czujność w przypadku ryzyka zmęczenia) i zarejestrować siłę pękającą. Jeżeli siła pękająca śrub w badaniu jest znacznie niższa od norm projektowych, nie zaleca się stosowania tej partii śrub.

Ponadto zmiany temperatury otoczenia również wpływają na trwałość zmęczeniową śrub. Jeśli śruba będzie używana w środowisku o zbyt wysokich lub niskich temperaturach lub częstych zmiennych wahaniach temperatury, przyspieszy to uszkodzenie zmęczeniowe materiału. W połączeniu z erozją śruby pod wpływem czynników korozyjnych znajdujących się w powietrzu (takich jak wilgoć i mgła solna), prawdopodobieństwo pęknięcia zmęczeniowego jeszcze bardziej wzrośnie.

Większość zagrożeń związanych z pękaniem jest związana z możliwością dostosowania materiału do warunków pracy. Możemy zmniejszyć prawdopodobieństwo pęknięcia zmęczeniowego poprzez optymalizację procesów produkcyjnych: jeśli warunki na to pozwalają, można dostosować kolejność obróbki śrub-najpierw półfabrykaty śrub poddaje się obróbce cieplnej (hartowanie i odpuszczanie), a następnie walcowaniu gwintów (w niektórych scenariuszach tradycyjnym procesem jest walcowanie gwintów, a następnie obróbka cieplna. Jednakże w przypadkuśruby o wysokiej-wytrzymałościobróbka cieplna przed walcowaniem gwintu może zmniejszyć dodatkową koncentrację naprężeń powstających podczas obróbki gwintu, poprawiając w ten sposób odporność zmęczeniową). Alternatywnie, śruby z pełnym gwintem można zastąpić śrubami z częściowym gwintem. W końcu gładka część trzpienia śruby nie ma struktury gwintu, co skutkuje bardziej równomiernym rozkładem naprężeń i znacznie lepszą wytrzymałością zmęczeniową niż część gwintowana.