Dlaczego śruby o-wytrzymałości pękają?

Podświadomie myślimy, że im większa wytrzymałość śruby, tym mniejsze prawdopodobieństwo jej złamania. Tak jednak nie jest,-wręcz przeciwnie,śruby o-wytrzymałościpękają częściej niż zwykłe śruby, a za tym zjawiskiem kryje się podstawowa logika.

Najpierw musimy wyjaśnić kluczową zasadę: im wyższa wytrzymałość śruby, tym wyższa jej twardość (są one dodatnio skorelowane); natomiast im wyższa twardość, tym gorsza wytrzymałość (są one ujemnie skorelowane). Oznacza to, że śruby-o dużej wytrzymałości mają niskie wydłużenie. Jeśli naprężenie przekroczy dopuszczalny limit, ulegną bezpośrednio kruchemu pękaniu, zamiast najpierw znacznie się odkształcać jak zwykłe śruby, zanim ulegną uszkodzeniu. Co ważniejsze,-śruby o wysokiej wytrzymałości są z natury stosowane w scenariuszach-dużych obciążeń i są zaprojektowane tak, aby odpowiadały ich zakresowi właściwości mechanicznych. Jeśli rzeczywiste naprężenie przekroczy dopuszczalną wartość z powodu niewłaściwej obsługi lub nietypowych warunków pracy, istnieje duże prawdopodobieństwo wystąpienia pęknięcia. W środowiskach o niskim-obciążeniu można zastosować zwykłe śruby, aby kontrolować koszty, więc nie ma potrzeby stosowania-śrub o wysokiej wytrzymałości-, co jest głównym powodem częstszego-pękania śrub o wysokiej wytrzymałości.

Konkretne przyczyny-pęknięć śrub o wysokiej wytrzymałości obejmują głównie następujące kategorie:

1. Złamanie przeciążeniowe zespołu

Istotą mocowania-śrub o dużej wytrzymałości jest zapewnienie rozciągliwości śruby poprzez dokręcenie nakrętki w celu wytworzenia określonego napięcia wstępnego (siła blokująca), a nie „obracanie i dociskanie gwintu na końcu śruby”. Moment dokręcania ma jasne, standardowe parametry, zwykle kontrolowane na poziomie około 75% granicy plastyczności materiału śruby.-Ten moment dokręcania może spowodować, że śruba ulegnie lekkiemu odkształceniu sprężystemu, a odwrotne napięcie powstałe w wyniku odkształcenia będzie napięciem wstępnym. Jeśli moment dokręcania przekracza standardowy zakres, śruba wytrzyma nadmierne obciążenie rozciągające, co bezpośrednio spowoduje pęknięcie przeciążeniowe.

Kontrolowanie momentu dokręcania wymaga trzech warunków: rozsądnego-zaprojektowania procesu instalacji na miejscu, precyzyjnych narzędzi montażowych (takich jak klucze dynamometryczne, wzmacniacze momentu obrotowego) oraz operatorów, którzy przeszli formalne szkolenie przed rozpoczęciem pracy (muszą potrafić dokładnie odczytać i ustawić parametry narzędzia). Należy zauważyć, że klucze dynamometryczne o różnym stopniu dokładności mają różne tolerancje, zwykle ±4%10% (a nie 20%). Tylko wtedy, gdy warunki takie jak zasilanie i ciśnienie powietrza są stabilne, a narzędzie mieści się w okresie ważności kalibracji, tolerancja nie spowoduje ryzyka złamania; jeśli tolerancja przekracza zakres, prawdopodobne jest wystąpienie niewłaściwego momentu obrotowego.

2. Pęknięcie spowodowane wahaniami współczynnika tarcia

Kiedyśruba i nakrętkagwinty się zazębiają, współczynnik tarcia będzie miał wpływ na rzeczywiste napięcie wstępne-nawet jeśli ustawiony zostanie ten sam moment obrotowy, wahania współczynnika tarcia spowodują rozproszenie napięcia wstępnego. Jeśli współczynnik tarcia nie zostanie w pełni uwzględniony, a jedynie parametry momentu obrotowego, prawdopodobne jest wystąpienie niewystarczającego napięcia wstępnego lub przeciążenia: gdy współczynnik tarcia jest zbyt duży, napięcie wstępne jest za małe przy tym samym momencie obrotowym (co może prowadzić do poluzowania); gdy współczynnik tarcia jest zbyt mały, napięcie wstępne jest zbyt duże przy tym samym momencie obrotowym (co może spowodować pękanie).

W scenariuszach przemysłowych częstą przyczyną obniżonego współczynnika tarcia jest niedozwolone smarowanie: niektóre fabryki nakładają talk, zwykły olej smarujący itp. na gwinty śrub w celu wygodnego montażu. Chociaż może to zmniejszyć tarcie i ułatwić wkręcanie, znacznie zmniejszy współczynnik tarcia, powodując napięcie wstępne znacznie przekraczające normę przy tym samym momencie obrotowym, co ostatecznie prowadzi do pęknięcia. Prawidłowym podejściem jest użycie specjalistycznych-środków zapobiegających zatarciu (które muszą być dopasowane do materiału śruby) zamiast przypadkowych środków smarnych.

3. Złamanie zmęczeniowe

Pęknięcie zmęczeniowe jest najbardziej ukrytą przyczyną awarii-śrub o dużej wytrzymałości-przed pęknięciem nie ma żadnych wyraźnych oznak i może wystąpić nagle w warunkach statycznych lub roboczych. Ponadto lokalizacja pęknięć koncentruje się głównie w obszarach koncentracji naprężeń, takich jak zaokrąglenie przejściowe pomiędzy łbem a trzonem oraz nasada gwintu.

Główną przyczyną tego typu pęknięć jest „użytkowanie przekraczające granicę zmęczenia”: chociaż śruby o wysokiej-wytrzymałości mają dużą wartość dodaną, niektóre przedsiębiorstwa będą je ponownie wykorzystywać w nieskończoność, aby zaoszczędzić koszty. Kiedy liczba zastosowań lub przenoszone obciążenie zmienne przekracza limit zmęczenia, wewnątrz śruby stopniowo tworzą się mikropęknięcia, co ostatecznie prowadzi do pęknięcia zmęczeniowego. Dlatego bardzo konieczne jest przeprowadzanie kompleksowych, regularnych kontroli śrub-o wysokiej wytrzymałości (takich jak kontrola magnetyczno-proszkowa, badania ultradźwiękowe), a nie „rzadko konieczne”.

4. Pęknięcie spowodowane niedostatecznym dokręceniem

Wydaje się, że śruby „niedokręcone” nie będą wytrzymywać naprężeń, ale w rzeczywistości pęknięcia mogą być spowodowane luzem powstałym w wyniku poluzowania. Na przykład: gdy dwie rury wiertnicze są połączone-śrubami o dużej wytrzymałości w celu wiercenia w dół w ziemi, jeśli śruby nie zostaną całkowicie dokręcone, powstanie duży luz. Kiedy wysoki moment obrotowy powstający podczas wiercenia jest przenoszony przez rury wiertnicze, luz spowoduje, że śruby będą przenosić dodatkową siłę ścinającą i zmienną siłę uderzenia-siły te znacznie przekraczają zaprojektowany zakres łożysk śrubyostatecznie prowadząc do złamania. Zasadniczo niedostatecznie dokręcona śruba zmieni się z „elementu rozciąganego” w „element ścinany i udarowy”, co spowoduje uszkodzenie, ponieważ przekracza swój typ-nośności.

5. Złamanie spowodowane problemami z jakością

Materiały niespełniające norm lub procesy obróbki cieplnej są nabytymi problemami jakościowymi i bezpośrednimi przyczynami pękania:

Materiały niespełniające norm: stosowanie gatunków stali, które nie spełniają wymagań (takich jak zastąpienie stopowej stali konstrukcyjnej zwykłą stalą węglową) lub materiały mają nieodłączne wady, takie jak zanieczyszczenia i pęknięcia;

Niskostandardowe procesy obróbki cieplnej: Odchylenia parametrów, takich jak temperatura hartowania i czas odpuszczania, spowodują nieodpowiednie właściwości mechaniczne śrub (takie jak wysoka twardość, ale wyjątkowo słaba wytrzymałość).

Takie problemy można całkowicie rozwiązać poprzez ścisłą kontrolę zakupów materiałów (weryfikacja certyfikatów materiałowych), procesów produkcyjnych (monitorowanie procesów obróbki cieplnej) i inspekcji fabryk (badanie właściwości mechanicznych).