Có nhiều nguyên nhân gây gãy bu lông ởốc vít. Nói chung, hư hỏng bu lông là do yếu tố ứng suất, mỏi, ăn mòn và hiện tượng giòn do hydro.
gãy bu lông
1. Yếu tố căng thẳng
Vượt quá ứng suất thông thường (quá ứng suất) là do bất kỳ một hoặc sự kết hợp nào đó của lực cắt, lực căng, uốn và nén gây ra.
Hầu hết các nhà thiết kế trước tiên đều xem xét sự kết hợp giữa tải trọng kéo, lực tải trước và tải trọng thực tế bổ sung. Lực siết trước về cơ bản là lực bên trong và tĩnh, có tác dụng nén các bộ phận của mối nối. Tải trọng thực tế là các lực bên ngoài, điển hình là lực tuần hoàn (chuyển động qua lại) tác dụng lên các ốc vít.
Tải trọng kéo cố gắng chống lại sự mở ra của các thành phần khớp. Khi các tải trọng này vượt quá giới hạn chảy của bu lông, bu lông sẽ chuyển từ biến dạng đàn hồi sang biến dạng dẻo, dẫn đến bu lông bị biến dạng vĩnh viễn. Vì vậy, nó không thể khôi phục lại trạng thái ban đầu khi loại bỏ tải bên ngoài. Vì những lý do tương tự, nếu tải trọng bên ngoài tác dụng lên bu lông vượt quá độ bền kéo cuối cùng của nó thì bu lông sẽ bị gãy.
Việc siết chặt bu lông được thực hiện bằng cách xoắn với lực tải trước. Trong quá trình lắp đặt, mô-men xoắn quá mức dẫn đến siết quá chặt và làm giảm độ bền kéo dọc trục của ốc vít do khiến chúng chịu ứng suất quá lớn. Nói cách khác, bu lông chịu lực xoắn liên tục có giá trị chảy thấp hơn so với bu lông chịu lực kéo và lực căng trực tiếp. Bằng cách này, bu lông có thể bị nhão trước khi đạt được độ bền kéo tối thiểu theo tiêu chuẩn tương ứng. Mô-men xoắn lớn có thể làm tăng lực siết trước của bu-lông và tương ứng làm giảm độ lỏng của mối nối. Để tăng lực khóa, lực siết trước thường được đặt ở giới hạn trên. Bằng cách này, trừ khi chênh lệch giữa cường độ chảy và cường độ kéo cuối cùng là nhỏ, nếu không thì bu lông thường sẽ không bị chảy do xoắn.
Tải trọng cắt tác dụng một lực thẳng đứng lên trục dọc củachốt. Ứng suất cắt được chia thành ứng suất cắt đơn và ứng suất cắt kép. Từ dữ liệu thực nghiệm, ứng suất cắt đơn tới hạn xấp xỉ 65% ứng suất kéo tới hạn. Nhiều nhà thiết kế thích tải trọng cắt vì họ tận dụng độ bền kéo và độ bền cắt của bu lông. Chúng chủ yếu hoạt động giống như chốt, tạo thành các kết nối tương đối đơn giản cho các ốc vít chịu cắt. Điểm bất lợi là các kết nối cắt có phạm vi ứng dụng hạn chế và không thể sử dụng thường xuyên vì chúng đòi hỏi nhiều vật liệu và không gian hơn. Chúng tôi biết rằng thành phần và độ chính xác của vật liệu cũng đóng vai trò quyết định. Tuy nhiên, dữ liệu vật liệu chuyển đổi ứng suất kéo thành tải trọng cắt thường không có sẵn.
Lực siết trước của ốc vít ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của các kết nối cắt. Lực đặt trước càng thấp thì lớp mối ghép càng dễ trượt khi tiếp xúc với bu lông. Khả năng chịu tải cắt được tính bằng cách nhân số lượng mặt phẳng ngang (một mặt phẳng cắt được gọi là mặt cắt đơn và hai mặt phẳng cắt được gọi là mặt cắt đôi), đó phải là mặt cắt ngang của bu lông không ren. Chúng tôi không ủng hộ việc thiết kế lực cắt xuyên qua ren, vì độ bền cắt của ốc vít có thể bị khắc phục bằng cách tập trung ứng suất khi mặt cắt ngang thay đổi. Khi xác định độ bền cắt của ốc vít, một số nhà thiết kế sử dụng vùng ứng suất kéo, trong khi những người khác lại thích các phần có đường kính nhỏ. Nếu bu lông trong liên kết cắt bị xoắn đến giá trị xác định (như trong Hình 2), bề mặt tiếp xúc của lớp tiếp xúc không thể bắt đầu trượt cho đến khi vượt quá lực cản ma sát bên ngoài. Tăng ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc có thể cải thiện tính toàn vẹn tổng thể của kết nối. Đôi khi, do kích thước của các bộ phận và yêu cầu thiết kế, số lượng bu lông phải sử dụng có thể bị hạn chế.
Hình 2: Bất kể bộ phận kết nối là cắt đơn hay cắt đôi, bề mặt cắt không được xuyên qua phần ren của dây buộc
Ngoài tải trọng kéo và cắt, ứng suất uốn là một tải trọng khác mà bu lông gặp phải, gây ra bởi các lực bên ngoài không vuông góc với trục dọc của bu lông và nằm trên bề mặt ổ trục và tiếp giáp. Nhìn chung, kết nối dây buộc càng đơn giản thì tính toàn vẹn và độ tin cậy của nó càng cao.
2. Mệt mỏi
Hiện tại chưa có văn bản pháp luật cụ thể nào hướng dẫn các nhà cung cấp mua các bộ phận chính tuân thủ các tiêu chuẩn công nghiệp trong các quy định liên quan đối với ốc vít công nghiệp, đặc biệt là không đề cập đến nguyên nhân chính dẫn đến hỏng dây buộc - mỏi. Thiệt hại do mỏi được ước tính chiếm 85% tổng số lỗi dây buộc.
Độ mỏi của bu lông là tác động liên tục của tải trọng kéo theo chu kỳ, dẫn đếnbu lôngchịu lực đặt trước tương đối nhỏ và tải trọng làm việc xen kẽ. Trong điều kiện chịu tải kép như vậy trong thời gian dài, bu lông sẽ bị hỏng khi độ bền kéo định mức của chúng nhỏ hơn. Tuổi thọ mỏi được xác định bởi số lượng và biên độ của các chu kỳ ứng suất tải. Một số đầu nối nén, chẳng hạn như máy ép, thiết bị dập và máy đúc, cũng có thể bị gãy do mỏi. Nhiều ứng suất tổng hợp được tạo ra giữa nguồn điện và tải trước trong quá trình vận hành. Trong các động tác kéo giãn lặp đi lặp lại, số lượng và biên độ của sự thay đổi ứng suất bị ảnh hưởng bởi mức độ mỏi và hư hỏng.
Các ốc vít công nghiệp điển hình, chẳng hạn như vít lục giác, liên tục kéo dài và trở lại hình dạng ban đầu trong một phạm vi đàn hồi nhất định. Nếu chịu ứng suất vượt quá mức bình thường và vượt quá phạm vi đàn hồi, chúng sẽ bị biến dạng vĩnh viễn cho đến khi bị gãy. Hành vi kéo dài và quay trở lại trạng thái mở rộng được gọi là chu trình. Vít ổ lục giác có thể chịu được khoảng 240-10 chu kỳ độ mỗi ngày (tối đa) như minh họa trong Hình 3.
Hình 3 Sơ đồ Goodman cải tiến
Đường chéo chấm chấm biểu thị giá trị trung bình của tải trục vít xen kẽ với xác suất 90% trong 10 triệu chu kỳ. Đường chéo thực tế cho thấy khi lực siết trước vít đạt 100ksi thì độ lệch tối đa giữa tải trọng động và ứng suất trung bình là 12ksi.
Các chốt cuối cùng sẽ bị nứt do các chu kỳ ứng suất lặp đi lặp lại từ đỉnh này đến đỉnh khác. Vết nứt thường xảy ra ở điểm dễ bị tổn thương nhất của dây buộc mà các kỹ sư gọi là "khu vực tập trung ứng suất tối đa". Một khi các vết nứt nhỏ xảy ra tại điểm tập trung ứng suất và tiếp tục chịu ứng suất, các vết nứt sẽ lan rộng nhanh chóng, gây ra hư hỏng do mỏi cho dây buộc. Các doanh nghiệp sản xuất ốc vít dùng trong công nghiệp không ngừng khám phá các quy trình đúc mới cũng như thiết kế và phát triển các phương pháp sản xuất mới có thể khắc phục những điểm yếu chết người nói trên.
Các vị trí hư hỏng do mỏi phổ biến nhất bao gồm mối nối (tức là ren chịu lực đầu tiên), góc ren gốc, ren và đầu ren. Do sự cải thiện độ bền mỏi thông qua sự phát triển của vật liệu và phương pháp sản xuất tốt hơn trong ngành sản xuất, ren đã trở thành điểm yếu nhất của ốc vít và hiện là nguyên nhân gây hư hỏng cao nhất trong hiện tượng hỏng mỏi.
Mối quan hệ qua lại giữa các biến số ứng suất trong thiết kế và đặc tính làm việc của ốc vít làm cho việc thiết lập các tiêu chuẩn độ bền mỏi trở thành một nhiệm vụ khó khăn. Hiện tại, việc xác định số lượng "chu kỳ gãy" và đo độ bền tương đối của một loạt ốc vít là một quy trình phức tạp.
3. Ăn mòn
Một lý do khác khiến bu lông bị gãy là do ăn mòn. Ăn mòn có nhiều dạng, bao gồm ăn mòn thông thường, ăn mòn hóa học, ăn mòn điện phân và ăn mòn ứng suất. Ăn mòn điện phân đề cập đến việc ốc vít tiếp xúc với các tác nhân ẩm khác nhau như nước mưa hoặc sương axit, là những chất điện phân có thể gây ra sự ăn mòn hóa học của ốc vít; Thứ hai, do vật liệu của ốc vít khác nhau nên điện thế điện phân của chúng khác nhau và sự chênh lệch điện thế có thể dễ dàng tạo ra "pin vi mô". Người thiết kế nên lựa chọn vật liệu có khả năng điện phân tương tự càng nhiều càng tốt dựa trên khả năng tương thích của kim loại, đồng thời loại bỏ các điều kiện tạo ra chất điện phân để tránh nứt do ăn mòn điện phân.
Ăn mòn ứng suất tương đối hạn chế. Ăn mòn ứng suất tồn tại dưới tải trọng kéo cao và chủ yếu ảnh hưởng đến các ốc vít làm bằng thép hợp kim cường độ cao. Chốt làm bằng thép hợp kim (đặc biệt là thép có thành phần hợp kim cao) dễ bị nứt khi chịu ứng suất. Lúc đầu, các vết nứt và rỗ thường được hình thành trên bề mặt, sau đó xảy ra hiện tượng ăn mòn tiếp theo, điều này thúc đẩy quá trình lan truyền vết nứt. Tốc độ lan truyền vết nứt được xác định bởi ứng suất lên bu lông và độ bền đứt của vật liệu. Khi phần vật liệu còn lại hoạt động đến mức không thể chịu được ứng suất tác dụng thì vết nứt sẽ xảy ra.
4. Độ giòn hydro
Các ốc vít bằng thép cường độ cao (thường có độ cứng Rockwell từ C36 trở lên) dễ bị giòn do hydro hơn. Sự giòn do hydro là nguyên nhân chính gây gãy dây buộc. Sự giòn hydro là hiện tượng trong đó các nguyên tử hydro xâm nhập và khuếch tán khắp toàn bộ nền vật chất. Khi các nguyên tử hydro đi vào ma trận vật chất, ma trận sẽ bị biến dạng mạng tinh thể, phá vỡ trạng thái cân bằng ban đầu và dễ bị nứt dưới tác dụng của ngoại lực. Khi có tải trọng bên ngoài tác dụng lênvít,các nguyên tử hydro di chuyển đến vùng ứng suất tập trung cao độ, gây ra ứng suất đáng kể giữa các cạnh của ranh giới tinh thể, dẫn đến gãy xương giữa các hạt tinh thể của dây buộc.
Khi các ốc vít chứa lượng hydro quan trọng trước khi lắp đặt, chúng thường bị hỏng trong vòng 24 giờ. Nếu hydro đi vào dây buộc thì không thể đoán trước được khi nào nó sẽ đứt. Do đó, khi sử dụng các ốc vít có liên quan, các nhà thiết kế nên chỉ định việc lựa chọn nhà cung cấp có quy trình chuyên biệt và khả năng tạo giòn do hydro ở mức tối thiểu.
5. Các yếu tố khác
Gãy kết nối không phải lúc nào cũng liên quan trực tiếp đến gãy dây buộc thảm khốc. Nhiều yếu tố liên quan đến dây buộc, chẳng hạn như mất tải trước hoặc độ mỏi của các kết nối dây buộc, có thể gây hao mòn; Phần lệch tâm của ốc vít có thể tạo ra tiếng ồn và rò rỉ trong quá trình sử dụng, cần phải bảo trì ngoài kế hoạch để tránh bị gãy. Ví dụ, rung động có thể làm giảm lực cản ma sát của ren và các kết nối dây buộc có thể bị lỏng do tác dụng của tải trọng công việc sau khi lắp đặt. Những yếu tố này, cùng với sự biến dạng của bu lông ở nhiệt độ cao, có thể dẫn đến mất lực dự ứng lực. Đôi khi, đứt kết nối có thể do lỗ đi qua quá lớn hoặc quá nhỏ, diện tích chịu lực quá nhỏ, vật liệu quá mềm hoặc tải trọng quá cao. Bất kỳ tình huống nào trong số này sẽ không gây ra gãy bu lông trực tiếp nhưng sẽ dẫn đến mất tính toàn vẹn của kết nối hoặc cuối cùng là gãy bu lông.
