În producția industrială și în aplicațiile zilnice ale echipamentelor, șuruburile servesc ca elemente de fixare a miezului de conectare responsabile pentru fixarea, conectarea și suportarea sarcinilor structurale. În timpul serviciului pe termen lung,șuruburisunt afectate de mai mulți factori, cum ar fi condițiile de încărcare, mediul de lucru, procesele de fabricație și calitatea ansamblului, care pot duce cu ușurință la ruptura. Acest lucru poate cauza în continuare oprirea echipamentului, defecțiuni structurale și chiar accidente grave de siguranță. Această lucrare introduce în mod sistematic formele comune de fractură, mecanismele de formare, caracteristicile macroscopice de fractură ale fracturii de suprasarcină, pozițiile de fractură cu risc ridicat și stările de fractură în diferite condiții de încărcare a șuruburilor, oferind suport tehnic pentru prevenirea defecțiunilor șuruburilor, întreținerea echipamentelor și optimizarea procesului.

I. Forme comune de fractură ale șuruburilor

1. Fractură de suprasarcină

Ruptura de suprasarcină apare atunci când sarcina instantanee aplicată pe un șurub depășește rezistența finală la tracțiune a materialului, aparținând ruperii tipice ductile sau casante. Acest tip de fractură apare brusc, fără semne evidente pre-eșec. Pentru materialele ductile, suprafața de rupere prezintă, în general, o formă de cupă-con sau o secțiune înclinată la 45 de grade cu suprafețe rugoase și deformare plastică semnificativă. Pentru șuruburile fragile de înaltă rezistență, suprafața de fractură este relativ plană, cu deformare plastică neglijabilă.

Cauzele fracturilor: Designul structural nerezonabil duce la selecția șuruburilor subdimensionate și la o marjă de încărcare insuficientă, ceea ce duce la o funcționare de suprasarcină pe termen lung. Condițiile de lucru anormale bruște, cum ar fi încărcările de impact și supraîncărcările tranzitorii în timpul funcționării echipamentului, pot provoca, de asemenea, încărcare instantanee depășită de limită. De exemplu, șuruburile de legătură ale mecanismelor de ridicare a macaralei pot suferi fracturi la suprasarcină la ridicarea sarcinilor supraponderale.

2. Fractură de oboseală

Ruptura de oboseală este cea mai comună formă de defecțiune a șuruburilor. Sub sarcini ciclice pe termen lung, cum ar fi tensiune alternativă, compresie, încovoiere și vibrații, microfisurile de oboseală inițiază în zonele de concentrare a tensiunilor. Fisurile se extind treptat odată cu ciclurile de încărcare, reducând continuu suprafața efectivă a rulmentului și în cele din urmă conduc la o rupere bruscă chiar dacă sarcina de lucru nu depășește valoarea nominală. Ruptura de oboseală are loc fără deformare plastică evidentă. Suprafața de fractură este în general netedă, cu texturi tipice asemănătoare cochiliei sau anuale în formă de inel.

Cauzele fracturilor: Mișcarea alternativă de lungă durată și vibrațiile de înaltă frecvență ale echipamentelor supune șuruburilor la solicitări alternante periodice. De exemplu, șuruburile bielei ale motoarelor de automobile suportă sarcini ciclice de tensiune și compresie din mișcarea alternativă de înaltă frecvență a pistoanelor și bielelor, ducând la deteriorarea acumulată prin oboseală și eventuala fractură prin oboseală.

3. Fractură de coroziune

Când șuruburile funcționează în medii corozive, pe materialul de bază are loc coroziune chimică sau electrochimică, formând defecte de suprafață, cum ar fi rugina și coroziunea cu sâmburi. Aceste defecte reduc suprafața efectivă de rulment și rezistența mecanică a șuruburilor, ducând la rupere sub sarcini normale de lucru. Produsele de coroziune, cum ar fi straturile de rugină și gropile de coroziune pot fi observate pe suprafețele de fractură.

Cauzele fracturilor: Șuruburile care servesc în medii corozive umede, cu pulverizare de sare sau pe bază de acid sunt predispuse la defecțiuni la coroziune, cum ar fi instalațiile de oțel structural în apropierea mării și echipamentele industriale chimice. De exemplu, șuruburile de conectare de pe punțile navelor sunt erodate în mod continuu de apa de mare și pulverizarea sălină, ceea ce duce la degradarea materialului și la fracturarea coroziunii.

4. Fractură de coroziune la efort

Fractura de coroziune la efort se referă la fractura fragilă care apare sub acțiunea combinată a tensiunii constante de întindere și a unor medii corozive specifice. Fisura crește lent în stadiul incipient, fără simptome evidente de eșec, iar fractura bruscă are loc odată ce fisura atinge dimensiunea critică. Suprafața de fractură prezintă caracteristici duble de eșec la efort și deteriorare prin coroziune.

Cauzele fracturilor: Anumite materiale pentru șuruburi pot genera și extinde fisuri de coroziune sub tensiune în condiții de tracțiune constantă scăzută în medii corozive specifice. Un caz tipic este ruptura prin coroziune sub tensiune a șuruburilor din oțel inoxidabil austenitic în medii bogate în cloruri.

5. Fractură de fragilizare cu hidrogen

În timpul producției sau al service-ului, atomii de hidrogen pătrund și se acumulează în interiorul materialului bolțului, formând molecule de hidrogen care produc o presiune internă uriașă. Acest lucru cauzează crăparea rețelei și propagarea microfisurilor, ducând în cele din urmă la o fractură fragilă. Fragilarea prin hidrogen este o defecțiune tipică fragilă, caracterizată prin suprafețe plate de fractură și fără deformare plastică evidentă.

Cauzele fracturilor: Atomii de hidrogen pătrund în matricea de oțel în timpul galvanizării, decaparii cu acid, fosfatării și altor procese de tratare a suprafeței fără un tratament adecvat de dehidrogenare.Șuruburi din oțel de înaltă rezistențăsunt foarte sensibili la fragilizarea hidrogenului. Concentrația excesivă de ioni de hidrogen în soluția de placare și procesele de dehidrogenare necalificate sunt principalele stimulente ale fracturii de fragilizare a hidrogenului.

6. Fractură cauzată de defecte de fabricație

Defectele interioare și de suprafață generate în timpul producției de materie primă și fabricarea șuruburilor formează surse de concentrare a tensiunilor. Sub sarcină, stresul crește brusc la pozițiile defectelor, inducând inițierea fisurilor și propagarea rapidă, ceea ce duce în cele din urmă la rupere. Caracteristicile originale ale defectelor de fabricație pot fi observate clar pe suprafața fracturii.

Cauzele fracturilor: defecte de materie primă, cum ar fi incluziuni, porozitate, cavități de contracție și segregare; Controlul necorespunzător al proceselor de forjare, tratare termică și strunjire cauzează crăpături, fisuri de șlefuire, urme de scule și zgârieturi.

II. Trei zone caracteristice ale fracturii de suprasarcină a șuruburilor

1. Zona de fibre

Poziţie: Situat în centrul suprafeței de fractură, servind drept zonă de inițiere a fisurii și zonă de propagare inițială.

Caracteristici morfologice: Suprafața este rugoasă și fibroasă, cu deformare plastică vizibilă și agregare cu microgoluri, care este o caracteristică tipică a fracturii ductile.

Mecanismul de formare: În stadiul inițial de rupere, materialul șurubului suferă reologie plastică sub tensiune. Microvidele generează, cresc, se agregează și se conectează pentru a forma morfologia fracturii fibroase.

2. Zona de radiație

Poziţie: Situat în afara zonei de fibre, corespunzătoare etapei de propagare rapidă a fisurilor.

Caracteristici morfologice: Suprafața fracturii este relativ plată, cu texturi radiale clare sau în schelet care se extind spre exterior dinspre centru.

Mecanismul de formare: Când fisura inițială se extinde la dimensiunea critică, intră în stadiul de propagare rapidă. Concentrarea severă a tensiunilor la vârful fisurii determină ruperea rapidă transgranulară sau intergranulară, formând morfologia fracturii radiale.

3. Zona buzelor de forfecare

Poziţie: Distribuit la marginea cea mai exterioară a suprafeței de fractură, formată în stadiul final de fractură.

Caracteristici morfologice: Suprafața este netedă și înclinată cu caracteristici tipice de alunecare prin forfecare, formând o buză de forfecare inelară, care este caracteristica finală a fracturii ductile.

Mecanismul de formare: În stadiul final al ruperii, materialul rezidual alunecă și se rupe de-a lungul planului maxim de forfecare sub presiune mare, producând deformare plastică prin forfecare și formând structura buzei de forfecare.

777

III. Poziții comune ale fracturii de suprasarcină a șuruburilor

888

1. Primul dinte filet lângă suprafața de rulment al piuliței

Încărcările de conexiuni cu șuruburi sunt transmise în principal prin dinții filetului de plasă. Primul dinte filet de lângă suprafața de sprijin a piuliței suportă cea mai mare sarcină și prezintă cea mai severă concentrație de solicitare. Este cea mai susceptibilă poziție pentru fractura de suprasarcină în timpul serviciului pe termen lung.

2. Rădăcina filetului la tranziția dintre capul șurubului și tijă

Rădăcina firului prezintă modificări geometrice abrupte și un coeficient ridicat de concentrare a tensiunii. Cu stări complexe de solicitare, acesta devine punctul slab structural al șuruburilor și este predispus la rupere la suprasarcină și la sarcini de impact.

3. Zona de tranziție între tija netedă și secțiunea filetului

Modificările bruște ale dimensiunii și structurii secțiunii transversale la joncțiunea tijei netede și a secțiunii filetului provoacă o concentrare evidentă a tensiunilor și o distribuție neuniformă a tensiunii. Această poziție generează cu ușurință inițierea fisurii în condiții de suprasarcină și duce la cedarea fracturii.

IV. Stări de fractură a șuruburilor sub diferite forme de încărcare

1. Fractură sub efort de tracțiune

Pot fi observate fracturi tipice cu cupa-con și alungirea generală evidentă și deformarea gâtului. Pentru șuruburile de înaltă tenacitate sub suprasarcină la tracțiune, secțiunea finală de rupere formează un unghi de forfecare de aproximativ 45 de grade cu axa șurubului, aparținând unei fracturi tipice de suprasarcină ductilă, care are loc mai ales la poziția slabă a rădăcinii filetului.

999

2. Fractură sub efort de impact și moment de încovoiere

Texturile radiale și buzele de forfecare pot fi observate pe suprafața fracturii, în timp ce buzele de forfecare sunt incomplete și distribuite neuniform fără o formă inelară plină. Ruptura prezintă deformații plastice minore și caracteristici evidente de fragilitate, cauzate în principal de impactul instantaneu și sarcinile de încovoiere.

101010

3. Fractură sub tensiune combinată de torsiune și tensiune

Sub sarcini combinate de torsiune și tracțiune, suprafața de fractură prezintă texturi evidente de torsiune învolburată, precum și morfologii în formă de semilună sau evantai. Distorsiunea și decalajul distincte ale fracturii sunt formate de alunecarea relativă și ruperea materialelor de-a lungul planului de forfecare sub forța de forfecare de torsiune.

111111