Analisi delle cause più comuni di frattura dei bulloni di fissaggio
Sep 12, 2024
Ci sono vari motivi per la rottura del bulloneelementi di fissaggio. In generale, il danno ai bulloni è causato da fattori di stress, fatica, corrosione e infragilimento da idrogeno.
Frattura del bullone
1. Fattore di stress
Il superamento dello stress convenzionale (sovraccarico) è causato da uno qualsiasi o da una combinazione di taglio, tensione, flessione e compressione.
La maggior parte dei progettisti considera innanzitutto la combinazione di carico di trazione, forza di precarico e carico pratico aggiuntivo. La forza di pre-serraggio è fondamentalmente interna e statica e comprime i componenti del giunto. I carichi pratici sono forze esterne, tipicamente cicliche (alternative) applicate agli elementi di fissaggio.
Il carico di trazione tenta di resistere all'apertura dei componenti del giunto. Quando questi carichi superano il limite di snervamento del bullone, il bullone cambia da deformazione elastica a deformazione plastica, con conseguente deformazione permanente del bullone. Pertanto, non può essere ripristinato al suo stato originale quando il carico esterno viene rimosso. Per ragioni simili, se il carico esterno sul bullone supera la sua resistenza alla trazione finale, il bullone si romperà.
Il serraggio dei bulloni si ottiene ruotando con forza di precarico. Durante l'installazione, una coppia eccessiva porta a un serraggio eccessivo e riduce la resistenza alla trazione assiale degli elementi di fissaggio sottoponendoli a sollecitazioni eccessive. In altre parole, i bulloni sottoposti a torsione continua hanno valori di snervamento inferiori rispetto ai bulloni sottoposti direttamente a trazione e tensionamento. In questo modo il bullone può cedere prima di raggiungere il carico di rottura minimo previsto dalla norma corrispondente. Una coppia elevata può aumentare la forza di pre-serraggio del bullone e ridurre di conseguenza l'allentamento del giunto. Per aumentare la forza di bloccaggio, la forza di pre-serraggio è generalmente fissata ad un limite superiore. In questo modo, a meno che la differenza tra carico di snervamento e carico di rottura a trazione non sia piccola, i bulloni generalmente non cedono a causa della torsione.
Il carico di taglio applica una forza verticale all'asse longitudinale delbullone. Lo sforzo di taglio si divide in sforzo di taglio singolo e sforzo di taglio doppio. Dai dati empirici, la singola sollecitazione di taglio ultima è circa il 65% della sollecitazione ultima di trazione. Molti progettisti preferiscono i carichi di taglio perché sfruttano la resistenza alla trazione e al taglio dei bulloni. Agiscono principalmente come tasselli, formando connessioni relativamente semplici per elementi di fissaggio soggetti a taglio. Lo svantaggio è che le connessioni a taglio hanno una gamma limitata di applicazioni e non possono essere utilizzate frequentemente, poiché richiedono più materiali e spazio. Sappiamo che anche la composizione e l'accuratezza dei materiali giocano un ruolo decisivo. Tuttavia, i dati sui materiali che convertono lo stress da trazione in carico di taglio spesso non sono disponibili.
La forza di pre-serraggio degli elementi di fissaggio influisce sull'integrità delle connessioni a taglio. Minore è la forza di precarico, più facile sarà lo scorrimento dello strato di giunzione a contatto con il bullone. La capacità di carico a taglio viene calcolata moltiplicando il numero di piani trasversali (un piano di taglio è chiamato taglio singolo e due piani di taglio sono chiamati taglio doppio), che dovrebbero essere le sezioni trasversali dei bulloni non filettati. Non sosteniamo la progettazione del taglio attraverso le filettature, poiché la resistenza al taglio degli elementi di fissaggio può essere superata dalla concentrazione delle sollecitazioni quando la sezione trasversale cambia. Nel determinare la resistenza al taglio degli elementi di fissaggio, alcuni progettisti utilizzano l'area di sollecitazione a trazione, mentre altri preferiscono sezioni di piccolo diametro. Se il bullone nella connessione a taglio viene ruotato al valore specificato (come mostrato nella Figura 2), la superficie di accoppiamento dello strato di contatto non può iniziare a scorrere finché non supera la resistenza di attrito esterna. L'aumento dell'attrito tra le superfici di accoppiamento può migliorare l'integrità complessiva della connessione. A volte, a causa delle dimensioni delle parti e dei requisiti di progettazione, il numero di bulloni da utilizzare può essere limitato.
Figura 2: Indipendentemente dal fatto che il componente di collegamento sia a taglio singolo o doppio, la superficie di taglio non deve passare attraverso la parte filettata dell'elemento di fissaggio
Oltre ai carichi di trazione e taglio, la sollecitazione di flessione è un altro carico subito dai bulloni, causato da forze esterne che non sono perpendicolari all'asse longitudinale del bullone e si trovano sulle superfici di appoggio e di accoppiamento. Nel complesso, quanto più semplice è la connessione del dispositivo di fissaggio, tanto maggiore è la sua integrità e affidabilità.
2. Fatica
Attualmente non esiste una legislazione specifica che imponga ai fornitori di acquistare componenti chiave conformi agli standard industriali previsti dalle normative pertinenti per gli elementi di fissaggio industriali, soprattutto senza menzionare la causa principale dei guasti degli elementi di fissaggio: la fatica. Si stima che i danni da fatica rappresentino l’85% del numero totale di guasti agli elementi di fissaggio.
La fatica nei bulloni è l'azione continua dei carichi di trazione ciclici, che si traduce inbulloniessere soggetti a forze di precarico relativamente piccole e a carichi di lavoro alternati. In tali condizioni di doppio carico per un lungo periodo, i bulloni cederanno quando la loro resistenza alla trazione nominale è inferiore a. La vita a fatica è determinata dal numero e dall'ampiezza dei cicli di sollecitazione di carico. Anche alcuni connettori compressi, come presse, apparecchiature di stampaggio e macchinari per lo stampaggio, potrebbero subire fratture per fatica. Durante il funzionamento vengono generate molteplici sollecitazioni composite tra la potenza e il precarico. Nei movimenti di allungamento ripetuti, il numero e l'ampiezza dei cambiamenti di stress sono influenzati dal grado di fatica e di danno.
I tipici elementi di fissaggio industriali, come le viti esagonali, si allungano costantemente e ritornano alla loro forma originale entro un certo intervallo di elasticità. Se sottoposti a sollecitazioni oltre la norma e oltre il campo elastico, subiranno una deformazione permanente fino alla rottura. Il comportamento di estensione e ritorno ad uno stato esteso è chiamato ciclo. Una vite a esagono incassato può resistere a circa 240-10 cicli di gradi al giorno (massimo) come mostrato nella Figura 3.
Figura 3 Diagramma di Goodman migliorato
La diagonale tratteggiata indica il valore medio del carico alternato della vite con una probabilità del 90% per 10 milioni di cicli. La linea diagonale effettiva mostra che quando la forza di pre-serraggio della vite raggiunge 100ksi, la deviazione massima tra il carico dinamico e la sollecitazione media è di 12ksi.
Gli elementi di fissaggio alla fine si romperanno a causa di ripetuti cicli di sollecitazione da picco a picco. La frattura di solito si verifica nel punto più vulnerabile dell'elemento di fissaggio, che gli ingegneri chiamano "l'area di massima concentrazione dello stress". Una volta che si verificano microfessure nel punto di concentrazione della tensione e continuano ad essere sottoposte a sollecitazione, le crepe si propagheranno rapidamente, causando danni da fatica all'elemento di fissaggio. Le aziende che producono elementi di fissaggio per uso industriale esplorano costantemente nuovi processi di stampaggio e progettano e sviluppano nuovi metodi di produzione in grado di superare le debolezze fatali sopra menzionate.
Le posizioni più comuni di rottura per fatica includono il giunto (ovvero la prima filettatura caricata), il raccordo di radice, la filettatura e la terminazione della filettatura. A causa del miglioramento della resistenza alla fatica attraverso lo sviluppo di materiali e metodi di produzione migliori nell’industria manifatturiera, le filettature sono diventate il punto più debole degli elementi di fissaggio e attualmente la percentuale più alta di danni causati dalla rottura per fatica.
L’interrelazione tra le variabili di sollecitazione nella progettazione e le caratteristiche prestazionali degli elementi di fissaggio rende difficile la definizione degli standard di resistenza alla fatica. Attualmente, determinare il numero di "cicli di rottura" e misurare la resistenza relativa di una serie di elementi di fissaggio è un processo complesso.
3. Corrosione
Un altro motivo per la rottura del bullone è la corrosione. La corrosione ha molte forme, tra cui la corrosione ordinaria, la corrosione chimica, la corrosione elettrolitica e la tensocorrosione. La corrosione elettrolitica si riferisce all'esposizione degli elementi di fissaggio a vari agenti umidi come acqua piovana o nebbia acida, che sono elettroliti che possono causare la corrosione chimica degli elementi di fissaggio; In secondo luogo, a causa dei diversi materiali degli elementi di fissaggio, i loro potenziali elettrolitici sono diversi e la differenza di potenziale può facilmente generare "microbatterie". I progettisti dovrebbero scegliere materiali con potenziali elettrolitici simili il più possibile in base alla compatibilità dei metalli, eliminando al tempo stesso le condizioni per la generazione di elettroliti per prevenire fessurazioni causate dalla corrosione elettrolitica.
La tensocorrosione è relativamente limitata. La tensocorrosione esiste sotto carichi di trazione elevati e colpisce principalmente gli elementi di fissaggio realizzati in acciaio legato ad alta resistenza. Gli elementi di fissaggio in acciaio legato (in particolare acciaio con composizione ad alto contenuto di lega) sono soggetti a fessurazioni sotto stress. All'inizio si formano solitamente crepe e cavità sulla superficie, poi si verifica un'ulteriore corrosione che favorisce la propagazione delle crepe. La velocità di propagazione della cricca è determinata dallo stress sul bullone e dalla resistenza alla frattura del materiale. Quando il materiale rimanente funziona al punto da non poter sopportare lo stress applicato, si verifica la frattura.
4. Infragilimento da idrogeno
Gli elementi di fissaggio in acciaio ad alta resistenza (generalmente con una durezza Rockwell pari a C36 o superiore) sono più soggetti all'infragilimento da idrogeno. L’infragilimento da idrogeno è la principale causa di frattura degli elementi di fissaggio. L'infragilimento da idrogeno è un fenomeno in cui gli atomi di idrogeno entrano e si diffondono nell'intera matrice del materiale. Quando gli atomi di idrogeno entrano nella matrice materiale, la matrice subisce una distorsione reticolare, interrompendo lo stato di equilibrio originale e facilitandone la rottura sotto forze esterne. Quando viene applicato un carico esterno alvite,gli atomi di idrogeno migrano verso la zona di stress altamente concentrata, causando uno stress significativo tra i bordi dei confini del cristallo, che porta alla frattura tra le particelle cristalline dell'elemento di fissaggio.
Quando gli elementi di fissaggio contengono idrogeno critico prima dell'installazione, in genere si rompono entro 24 ore. Se l’idrogeno entra nel dispositivo di fissaggio, è impossibile prevedere quando si romperà. Pertanto, quando si utilizzano elementi di fissaggio pertinenti, i progettisti dovrebbero specificare la selezione di fornitori con processi specializzati e un potenziale infragilimento da idrogeno minimo.
5. Altri fattori
La frattura della connessione non è sempre direttamente correlata alla frattura catastrofica dell'elemento di fissaggio. Molti fattori legati agli elementi di fissaggio, come la perdita di precarico o l'affaticamento delle connessioni degli elementi di fissaggio, possono causare usura; Lo spostamento centrale degli elementi di fissaggio può generare rumore e perdite durante l'uso, richiedendo una manutenzione non pianificata per prevenirne la rottura. Ad esempio, le vibrazioni possono ridurre la resistenza all'attrito delle filettature e le connessioni di fissaggio possono allentarsi a causa dell'applicazione di carichi di lavoro dopo l'installazione. Questi fattori, insieme allo scorrimento ad alta temperatura dei bulloni, possono portare alla perdita della forza di precarico. A volte la rottura della connessione può essere attribuita al foro passante troppo grande o troppo piccolo, alla superficie di appoggio troppo piccola, al materiale troppo morbido o al carico troppo elevato. Ognuna di queste situazioni non causerà la frattura diretta del bullone, ma comporterà la perdita dell'integrità della connessione o l'eventuale frattura del bullone.