Perché i bulloni si guastano per fatica?

Potresti chiederti: come può un bullone di metallo soffrire di fatica? Infatti, dopo che l'acciaio al carbonio è stato trasformato in bulloni, il carico ciclico a lungo-termine può creare concentrazioni di stress in aree locali se i parametri tecnici iniziali e le proprietà meccaniche non soddisfano i requisiti. Quando tale stress raggiunge un livello critico, si formeranno piccole crepe nel bullone - questo è solo il primo stadio di fatica. Quando il numero di cicli di carico aumenta fino a un certo livello, le crepe si propagano e alla fine portano a fratture improvvise. Questo è il meccanismo e il risultato della rottura per fatica del bullone.

Perché si manifesta la faticabulloni in acciaio al carbonio? I bulloni-più resistenti hanno maggiori probabilità di affaticarsi? Innanzitutto, la fatica non è direttamente correlata al livello di resistenza del bullone. I bulloni ordinari hanno requisiti di resistenza inferiori e vengono utilizzati in condizioni blande dove gli effetti della fatica sono limitati. I bulloni ad alta-resistenza, tuttavia, vengono applicati in ambienti con severi requisiti di trazione, che aumentano naturalmente il rischio di fatica. Per questo motivo, la maggior parte dei cedimenti per fatica che incontriamo nella pratica si verificano in bulloni-ad alta resistenza, anche se ciò non significa che i bulloni ordinari non si affatichino mai - sono semplicemente soggetti a requisiti di servizio inferiori.

La causa fondamentale della fatica dei bulloni è il ripetuto cambiamento della sollecitazione locale durante il carico ciclico, che causa danni cumulativi ai punti deboli e alla fine forma delle crepe. Il processo è il seguente: lo stress erode prima le aree vulnerabili del bullone, poi compaiono gradualmente delle microfessure, le crepe crescono nel tempo e, una volta raggiunta una lunghezza critica, il bullone si rompe improvvisamente. L'analisi a lungo-termine mostra che non è necessario che lo stress che causa l'affaticamento sia elevato; può anche essere molto inferiore al carico di snervamento del bullone. Pertanto, dopo la frattura per fatica, la superficie della frattura solitamente non mostra evidenti deformazioni o flessioni causate da forze esterne.

Sulla base dell'analisi di cui sopra, possiamo migliorare il processo di produzione per aumentare la resistenza alla fatica dei bulloni. Dai un'occhiata al seguente diagramma:

Filettatura rinforzataIl diagramma sopra mostra un profilo di filettatura ottimizzato con una radice arrotondata (raggio R-). Le crepe da fatica di solito si verificano alle radici della filettatura e sotto la testa del bullone, quindi la modifica del processo di produzione della filettatura di base può prevenire efficacemente la fatica. Confrontiamolo con i thread ordinari:

Filettatura ordinariaLa filettatura sopra è una filettatura standard con angoli acuti alla radice. Tali strutture ad angolo retto-sono altamente sensibili ai cambiamenti di stress e soggette a fratture per fatica. Come accennato in precedenza, l'area sotto la testa del bullone è un'altra posizione critica per la rottura per fatica, come mostrato nel diagramma:

Processo di fatica del bullone Utilizzando lo stesso principio del raggio della radice della filettatura, possiamo aggiungere un raggio di raccordo di dimensioni adeguate alla giunzione tra la testa del bullone e il gambo entro l'intervallo di progettazione consentito.