Trong sản xuất công nghiệp và ứng dụng thiết bị hàng ngày, bu lông đóng vai trò là ốc vít kết nối lõi chịu trách nhiệm cố định, kết nối và chịu tải kết cấu. Trong thời gian phục vụ lâu dài,bu lôngbị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như điều kiện tải trọng, môi trường làm việc, quy trình sản xuất và chất lượng lắp ráp rất dễ dẫn đến hỏng hóc. Điều này có thể khiến thiết bị ngừng hoạt động, hư hỏng cấu trúc và thậm chí là các tai nạn an toàn nghiêm trọng. Bài viết này giới thiệu một cách có hệ thống các dạng đứt gãy phổ biến, cơ chế hình thành, đặc điểm đứt gãy vĩ mô của đứt gãy do quá tải,-vị trí đứt gãy có nguy cơ cao và trạng thái đứt gãy trong các điều kiện tải trọng khác nhau của bu lông, cung cấp hỗ trợ kỹ thuật để ngăn ngừa hỏng hóc bu lông, bảo trì thiết bị và tối ưu hóa quy trình.

I. Các dạng gãy phổ biến của bu lông

1. Gãy xương quá tải

Gãy do quá tải xảy ra khi tải trọng tức thời tác dụng lên bu lông vượt quá độ bền kéo cuối cùng của vật liệu, thuộc loại gãy dẻo hoặc giòn tĩnh điển hình. Loại gãy xương này xảy ra đột ngột mà không có dấu hiệu-hư hỏng rõ ràng. Đối với vật liệu dẻo, bề mặt đứt gãy thường có hình cốc-hình nón hoặc phần nghiêng 45-độ với bề mặt gồ ghề và biến dạng dẻo đáng kể. Đối với bu lông giòn cường độ cao, bề mặt gãy tương đối phẳng và biến dạng dẻo không đáng kể.

nguyên nhân gãy xương: Thiết kế kết cấu không hợp lý dẫn đến việc lựa chọn bu lông có kích thước không đủ và biên độ tải không đủ, dẫn đến hoạt động quá tải trong thời gian dài-. Các điều kiện làm việc bất thường đột ngột như tải tác động và quá tải nhất thời trong quá trình vận hành thiết bị cũng có thể gây ra tải vượt quá-giới hạn tức thời. Ví dụ, các bu lông kết nối của cơ cấu nâng cần trục có thể bị gãy do quá tải khi nâng tải trọng quá tải.

2. Gãy xương do mỏi

Gãy do mỏi là dạng hư hỏng phổ biến nhất của bu lông. Dưới các tải trọng mang tính chu kỳ dài hạn-chẳng hạn như lực căng, lực nén, uốn và rung xen kẽ, các vết nứt mỏi vi mô bắt đầu tại các vùng tập trung ứng suất. Các vết nứt mở rộng dần dần theo chu kỳ tải, liên tục làm giảm diện tích chịu lực hiệu quả và cuối cùng dẫn đến gãy xương đột ngột ngay cả khi tải trọng làm việc không vượt quá giá trị định mức. Gãy do mỏi xảy ra mà không có biến dạng dẻo rõ ràng. Bề mặt vết nứt nhìn chung nhẵn với các kết cấu giống như vỏ sò-hoặc vòng năm- điển hình.

nguyên nhân gãy xương: Chuyển động tịnh tiến dài hạn và tần số rung- cao của thiết bị khiến bu-lông chịu ứng suất luân phiên định kỳ. Ví dụ: bu lông thanh kết nối của động cơ ô tô chịu lực căng và tải trọng nén theo chu kỳ do chuyển động tịnh tiến có tần số cao của pít-tông và thanh kết nối, dẫn đến hư hỏng do mỏi tích lũy và cuối cùng là gãy do mỏi.

3. Gãy xương do ăn mòn

Khi bu lông làm việc trong môi trường ăn mòn, hiện tượng ăn mòn hóa học hoặc điện hóa xảy ra trên vật liệu nền, tạo thành các khuyết tật bề mặt như rỉ sét và ăn mòn rỗ. Những khuyết tật này làm giảm diện tích chịu lực hiệu quả và độ bền cơ học của bu lông, dẫn đến gãy dưới tải trọng làm việc bình thường. Các sản phẩm ăn mòn như lớp gỉ và vết ăn mòn có thể được quan sát trên bề mặt vết nứt.

nguyên nhân gãy xương: Bu lông hoạt động trong môi trường ẩm ướt,-bắn phun muối hoặc bazơ-axit dễ bị ăn mòn, chẳng hạn như các cơ sở kết cấu thép gần biển và thiết bị công nghiệp hóa chất. Ví dụ, các bu lông kết nối trên boong tàu liên tục bị xói mòn bởi nước biển và phun muối, dẫn đến suy thoái vật liệu và gãy xương do ăn mòn.

4. Gãy xương do ăn mòn ứng suất

Gãy do ăn mòn ứng suất đề cập đến gãy giòn xảy ra dưới tác động kết hợp của ứng suất kéo không đổi và môi trường ăn mòn cụ thể. Vết nứt phát triển chậm ở giai đoạn đầu mà không có triệu chứng hư hỏng rõ ràng và vết nứt đột ngột xảy ra khi vết nứt đạt đến kích thước tới hạn. Bề mặt vết nứt có đặc điểm kép là hư hỏng do ứng suất và hư hỏng do ăn mòn.

nguyên nhân gãy xương: Một số vật liệu bu lông có thể tạo ra và mở rộng các vết nứt ăn mòn do ứng suất dưới ứng suất kéo không đổi thấp trong môi trường ăn mòn cụ thể. Một trường hợp điển hình là hiện tượng gãy do ăn mòn do ứng suất của bu lông thép không gỉ austenit trong môi trường giàu clorua.

5. Gãy xương do hydro tạo ra

Trong quá trình sản xuất hoặc sử dụng, các nguyên tử hydro xâm nhập và tích tụ bên trong vật liệu bu lông, tạo thành các phân tử hydro tạo ra áp suất bên trong rất lớn. Điều này gây ra vết nứt dạng lưới và sự lan truyền vết nứt vi mô, cuối cùng dẫn đến vết nứt giòn. Sự giòn do hydro là một hư hỏng giòn điển hình được đặc trưng bởi bề mặt gãy phẳng và không có biến dạng dẻo rõ ràng.

nguyên nhân gãy xương: Các nguyên tử hydro xâm nhập vào ma trận thép trong quá trình mạ điện, tẩy axit, phốt phát và các quá trình xử lý bề mặt khác mà không xử lý khử hydro đầy đủ.Bu lông thép cường độ-caorất nhạy cảm với sự giòn của hydro. Nồng độ ion hydro quá mức trong dung dịch mạ và quá trình khử hydro không đủ tiêu chuẩn là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng gãy giòn do hydro.

6. Gãy xương do lỗi sản xuất

Các khuyết tật bên trong và bề mặt được tạo ra trong quá trình sản xuất nguyên liệu thô và sản xuất bu lông tạo thành các nguồn tập trung ứng suất. Dưới tác dụng của tải trọng, ứng suất tăng mạnh tại các vị trí khuyết tật, gây ra sự hình thành vết nứt và lan truyền nhanh chóng, cuối cùng dẫn đến đứt gãy. Các đặc điểm lỗi sản xuất ban đầu có thể được quan sát rõ ràng trên bề mặt vết nứt.

nguyên nhân gãy xương: Các khuyết tật của nguyên liệu thô như tạp chất, độ xốp, các lỗ co ngót và sự phân tách; Kiểm soát không đúng quy trình rèn, xử lý nhiệt và tiện gây ra các vết nứt dập tắt, vết nứt mài, vết dụng cụ và vết trầy xước.

II. Ba vùng đặc trưng của gãy xương quá tải bu lông

1. Vùng sợi

Chức vụ: Nằm ở trung tâm của bề mặt vết nứt, đóng vai trò là vùng bắt đầu vết nứt và vùng lan truyền ban đầu.

Đặc điểm hình thái: Bề mặt gồ ghề và nhiều sợi với biến dạng dẻo có thể nhìn thấy và sự kết tụ khoảng trống vi mô, đây là đặc điểm điển hình của vết nứt dẻo.

Cơ chế hình thành: Trong giai đoạn gãy ban đầu, vật liệu bu lông trải qua quá trình lưu biến dẻo dưới sức căng. Các microvoids tạo ra, phát triển, tổng hợp và kết nối để tạo thành hình thái đứt gãy dạng sợi.

2. Vùng bức xạ

Chức vụ: Nằm ngoài vùng sợi, tương ứng với giai đoạn lan truyền vết nứt nhanh.

Đặc điểm hình thái: Bề mặt gãy tương đối phẳng với các kết cấu xuyên tâm hoặc xương cá rõ ràng kéo dài ra ngoài từ trung tâm.

Cơ chế hình thành: Khi vết nứt ban đầu mở rộng đến kích thước tới hạn, nó sẽ bước vào giai đoạn lan truyền nhanh. Sự tập trung ứng suất nghiêm trọng ở đầu vết nứt gây ra sự xé rách xuyên hạt hoặc giữa các hạt nhanh chóng, tạo thành hình thái gãy xuyên tâm.

3. Vùng môi bị cắt

Chức vụ: Phân bố ở mép ngoài cùng của bề mặt đứt gãy, hình thành ở giai đoạn đứt gãy cuối cùng.

Đặc điểm hình thái: Bề mặt nhẵn và nghiêng với đặc điểm trượt cắt điển hình, tạo thành môi cắt hình khuyên, đây là đặc điểm cuối cùng của đứt gãy dẻo.

Cơ chế hình thành: Ở giai đoạn gãy cuối cùng, vật liệu dư trượt và rách dọc theo mặt phẳng cắt tối đa dưới ứng suất cao, tạo ra biến dạng cắt dẻo và hình thành cấu trúc môi cắt.

III. Các vị trí thường gặp của gãy xương do quá tải bu lông

1. Răng ren đầu tiên gần bề mặt ổ trục đai ốc

Tải trọng của các kết nối bu lông chủ yếu được truyền qua các răng ren chia lưới. Răng ren đầu tiên gần bề mặt ổ trục đai ốc chịu tải trọng lớn nhất và có mức độ tập trung ứng suất nghiêm trọng nhất. Đây là vị trí dễ bị gãy do quá tải nhất trong quá trình sử dụng-lâu dài.

2. Chân ren tại điểm chuyển tiếp giữa đầu bu lông và thân bu lông

Rễ ren có những thay đổi hình học đột ngột và hệ số tập trung ứng suất cao. Với trạng thái ứng suất phức tạp, nó trở thành điểm yếu về kết cấu của bu lông và dễ bị gãy khi chịu tải trọng quá tải và va đập.

3. Vùng chuyển tiếp giữa phần thân trơn và phần ren

Những thay đổi đột ngột về-kích thước mặt cắt ngang và cấu trúc tại điểm nối của phần thân trơn và phần ren gây ra sự tập trung ứng suất rõ ràng và phân bổ ứng suất không đồng đều. Vị trí này dễ dàng tạo ra vết nứt trong điều kiện quá tải và dẫn đến phá hủy vết nứt.

IV. Các trạng thái gãy bu-lông dưới các hình thức tải khác nhau

1. Gãy xương dưới ứng suất kéo

Có thể quan sát được vết nứt hình nón-hình cốc điển hình cũng như độ giãn dài tổng thể và biến dạng cổ rõ ràng. Đối với bu lông có độ bền-cao dưới tình trạng quá tải kéo, phần gãy cuối cùng tạo thành một góc cắt khoảng 45 độ với trục bu lông, thuộc loại gãy quá tải dẻo điển hình, phần lớn xảy ra ở vị trí chân ren yếu.

2. Gãy xương dưới ứng suất va chạm và mô men uốn

Kết cấu xuyên tâm và môi cắt có thể được quan sát trên bề mặt vết nứt, trong khi môi cắt không hoàn chỉnh và phân bố không đều mà không có hình dạng hình khuyên đầy đủ. Vết nứt có biến dạng dẻo nhỏ và đặc tính giòn rõ ràng, chủ yếu gây ra bởi tác động tức thời và tải trọng uốn.

3. Gãy xương dưới tác dụng của lực xoắn và lực căng kết hợp

Dưới tác dụng của tải trọng xoắn và kéo kết hợp, bề mặt vết nứt thể hiện kết cấu xoắn rõ ràng cũng như các hình thái hình lưỡi liềm hoặc hình quạt. Sự biến dạng và độ dịch chuyển rõ rệt của vết nứt được hình thành do sự trượt và xé tương đối của vật liệu dọc theo mặt phẳng cắt dưới lực cắt xoắn.