В промышленном производстве и повседневном использовании оборудования болты служат стержневыми соединительными элементами, отвечающими за фиксацию, соединение и восприятие нагрузок конструкции. Во время длительного-обслуживанияболтына них влияют многочисленные факторы, такие как условия нагрузки, рабочая среда, производственные процессы и качество сборки, которые могут легко привести к разрушению. Это может в дальнейшем привести к остановке оборудования, разрушению конструкции и даже к серьезным авариям, связанным с безопасностью. В этой статье систематически представлены общие формы переломов, механизмы образования, макроскопические характеристики разрушения при перегрузке, положения переломов с высоким-риском и состояния переломов при различных условиях нагрузки болтов, а также предоставляется техническая поддержка для предотвращения выхода из строя болтов, технического обслуживания оборудования и оптимизации процессов.
I. Распространенные формы излома болтов
1. Перелом от перегрузки
Разрушение от перегрузки происходит, когда мгновенная нагрузка, приложенная к болту, превышает предел прочности материала на растяжение, что относится к типичному статическому пластическому или хрупкому разрушению. Этот тип разрушения возникает внезапно, без явных пред-предварительных признаков. Для пластичных материалов поверхность излома обычно имеет форму чашки-конуса или наклонного участка под углом 45- градусов с шероховатыми поверхностями и значительной пластической деформацией. У высокопрочных хрупких болтов поверхность излома относительно плоская с незначительной пластической деформацией.
Причины перелома: Неразумное проектирование конструкции приводит к выбору болтов заниженного размера и недостаточному запасу нагрузки, что приводит к длительной-работе с перегрузками. Внезапные ненормальные условия работы, такие как ударные нагрузки и временные перегрузки во время работы оборудования, также могут привести к мгновенному превышению-предельной нагрузки. Например, соединительные болты подъемных механизмов крана могут сломаться при перегрузке при подъеме сверхтяжелых грузов.
2. Усталостное разрушение
Усталостный перелом является наиболее распространенной формой разрушения болтов. При длительных-циклических нагрузках, таких как переменное растяжение, сжатие, изгиб и вибрация, в зонах концентрации напряжений возникают микроусталостные трещины. Трещины постепенно расширяются в зависимости от циклов нагрузки, постоянно уменьшая эффективную площадь опоры и в конечном итоге приводят к внезапному разрушению, даже если рабочая нагрузка не превышает номинальное значение. Усталостное разрушение происходит без явной пластической деформации. Поверхность излома обычно гладкая, с типичной текстурой, напоминающей ракушку-или годичные кольца-.
Причины перелома: Длительное-возвратно-поступательное движение и высокочастотная-вибрация оборудования подвергают болты периодическим переменным нагрузкам. Например, шатунные болты автомобильных двигателей выдерживают циклические нагрузки растяжения и сжатия от высокочастотного возвратно-поступательного движения поршней и шатунов, что приводит к накоплению усталостных повреждений и возможному усталостному разрушению.
3. Коррозионное разрушение
Когда болты работают в агрессивных средах, на основном материале возникает химическая или электрохимическая коррозия, образующая поверхностные дефекты, такие как ржавчина и точечная коррозия. Эти дефекты уменьшают эффективную площадь опоры и механическую прочность болтов, что приводит к разрушению при нормальных рабочих нагрузках. На поверхностях изломов можно наблюдать продукты коррозии, такие как слои ржавчины и язвы коррозии.
Причины перелома: Болты, работающие во влажных, солевых-распылениях или кислотных-коррозионных средах, склонны к разрушению из-за коррозии, например, на объектах из металлоконструкций вблизи моря и в химическом промышленном оборудовании. Например, соединительные болты на палубах кораблей постоянно подвергаются эрозии под действием морской воды и соленых брызг, что приводит к деградации материала и коррозионному разрушению.
4. Коррозионное разрушение под напряжением
Коррозионное разрушение под напряжением относится к хрупкому разрушению, возникающему под совместным действием постоянного растягивающего напряжения и специфической коррозионной среды. На ранней стадии трещина растет медленно, без явных симптомов разрушения, и внезапное разрушение происходит, когда трещина достигает критического размера. Поверхность излома демонстрирует двойные характеристики: разрушение под напряжением и коррозионное повреждение.
Причины перелома: Определенные материалы болтов могут образовывать и расширять коррозионные трещины под напряжением при низком постоянном растягивающем напряжении в определенных агрессивных средах. Типичным случаем является коррозионное разрушение болтов из аустенитной нержавеющей стали в среде с высоким содержанием хлоридов.
5. Водородное охрупчивание.
Во время производства или обслуживания атомы водорода проникают и накапливаются внутри материала болта, образуя молекулы водорода, которые создают огромное внутреннее давление. Это вызывает растрескивание решетки и распространение микротрещин, что в конечном итоге приводит к хрупкому разрушению. Водородное охрупчивание — типичное хрупкое разрушение, характеризующееся плоскими поверхностями излома и отсутствием явной пластической деформации.
Причины перелома: Атомы водорода проникают в стальную матрицу во время гальваники, кислотного травления, фосфатирования и других процессов обработки поверхности без адекватной обработки дегидрированием.Высокопрочные-болты из сталиочень чувствительны к водородному охрупчиванию. Чрезмерная концентрация ионов водорода в гальваническом растворе и несанкционированные процессы дегидрирования являются основными причинами разрушения из-за водородного охрупчивания.
6. Излом, вызванный производственным дефектом.
Внутренние и поверхностные дефекты, возникающие в процессе производства сырья и изготовления болтов, являются источниками концентрации напряжений. Под нагрузкой напряжение резко возрастает в местах дефектов, вызывая зарождение и быстрое распространение трещин, что в конечном итоге приводит к разрушению. На поверхности излома отчетливо видны признаки оригинального производственного дефекта.
Причины перелома: Дефекты сырья, такие как включения, пористость, усадочные полости и сегрегация; неправильный контроль процессов ковки, термообработки и токарной обработки приводит к появлению закалочных трещин, трещин при шлифовке, следов инструмента и царапин.
II. Три характерные зоны разрушения болта от перегрузки
1. Волоконно-оптическая зона
Позиция: Расположен в центре поверхности разрушения и служит зоной зарождения и начального распространения трещины.
Морфологические характеристики: Поверхность шероховатая и волокнистая с видимой пластической деформацией и скоплением микропор, что является типичной особенностью пластического разрушения.
Механизм формирования: На начальной стадии разрушения материал болта подвергается пластической реологии под действием растяжения. Микропоры генерируются, растут, агрегируются и соединяются, образуя морфологию фиброзного перелома.
2. Зона излучения
Позиция: Расположен за пределами зоны волокна, что соответствует стадии быстрого распространения трещины.
Морфологические характеристики: Поверхность излома относительно плоская, с четкой радиальной текстурой или текстурой «елочки», простирающейся наружу от центра.
Механизм формирования: Когда первоначальная трещина расширяется до критического размера, она вступает в стадию быстрого распространения. Сильная концентрация напряжений на вершине трещины вызывает быстрое транскристаллитное или межкристаллитное разрушение, формируя радиальную морфологию разрушения.
3. Зона сдвига кромки
Позиция: Распределяется на самом внешнем крае поверхности излома, образуется на последней стадии разрушения.
Морфологические характеристики: Поверхность гладкая и наклонная, с типичными чертами сдвигового скольжения, образующими кольцевую кромку сдвига, которая является последней характеристикой пластичного разрушения.
Механизм формирования: На заключительной стадии разрушения остаточный материал скользит и рвется вдоль плоскости максимального сдвига под высоким напряжением, вызывая пластическую деформацию сдвига и образуя структуру кромки сдвига.
III. Распространенные положения перелома болта от перегрузки
1. Первый зуб резьбы возле опорной поверхности гайки.
Нагрузки в болтовых соединениях передаются преимущественно через зацепляющиеся зубья резьбы. Первый зуб резьбы вблизи опорной поверхности гайки испытывает наибольшую нагрузку и представляет собой самую сильную концентрацию напряжений. Это положение наиболее подвержено переломам из-за перегрузки при длительной-службе.
2. Корень резьбы на переходе между головкой болта и хвостовиком.
Корень резьбы отличается резкими геометрическими изменениями и высоким коэффициентом концентрации напряжений. При сложных напряженных состояниях он становится структурным слабым местом болтов и склонен к разрушению при перегрузке и ударных нагрузках.
3. Переходная зона между гладким хвостовиком и участком резьбы.
Резкие изменения-размера и структуры поперечного сечения на стыке гладкого хвостовика и сечения резьбы вызывают очевидную концентрацию напряжений и неравномерное распределение напряжений. Такое положение легко приводит к зарождению трещин в условиях перегрузки и приводит к разрушению.
IV. Состояния разрушения болтов при различных формах нагружения
1. Разрушение под действием растягивающего напряжения.
Можно наблюдать типичный перелом конуса чашки-, а также явное общее удлинение и деформацию шейки. Для болтов высокой-прочности при растягивающей перегрузке окончательный участок разрушения образует угол сдвига примерно 45 градусов с осью болта, что соответствует типичному разрушению при пластической перегрузке, которое чаще всего происходит в слабом положении основания резьбы.
2. Разрушение под действием ударного напряжения и изгибающего момента.
На поверхности излома наблюдаются радиальные текстуры и губы сдвига, при этом губы сдвига неполные и неравномерно распределены, не имеют полной кольцевой формы. Излом представляет собой незначительную пластическую деформацию и очевидные хрупкие характеристики, вызванные, главным образом, мгновенными ударными и изгибающими нагрузками.
3. Разрушение под действием комбинированного напряжения кручения и растяжения.
Под действием комбинированных скручивающих и растягивающих нагрузок поверхность излома демонстрирует явную закрученную текстуру кручения, а также серповидную или веерообразную-морфологию. Отчетливая дисторсия и смещение излома образуются за счет относительного скольжения и разрыва материалов по плоскости сдвига под действием скручивающей силы сдвига.
