Hi ha diverses raons per a la fractura del cargolfixadors. En termes generals, els danys dels cargols són causats pel factor d'estrès, fatiga, corrosió i fragilitat per hidrogen.
Fractura del parabolt
1. Factor d'estrès
La superació de l'esforç convencional (excés de tensió) és causada per qualsevol o una combinació de cisalla, tensió, flexió i compressió.
La majoria dels dissenyadors consideren primer la combinació de càrrega de tracció, força de precàrrega i càrrega pràctica addicional. La força prèvia de tensió és bàsicament interna i estàtica, que comprimeix els components de la junta. Les càrregues pràctiques són forces externes, normalment cícliques (alternes) aplicades als elements de fixació.
La càrrega de tracció intenta resistir l'obertura dels components de la junta. Quan aquestes càrregues superen el límit de rendiment del cargol, el cargol canvia de deformació elàstica a deformació plàstica, donant lloc a una deformació permanent del cargol. Per tant, no es pot restaurar al seu estat original quan s'elimina la càrrega externa. Per raons similars, si la càrrega externa del cargol supera la seva resistència a la tracció màxima, el cargol es trencarà.
L'estrenyiment del cargol s'aconsegueix girant amb força de precàrrega. Durant la instal·lació, un parell excessiu provoca un estrès excessiu i redueix la resistència a la tracció axial dels elements de subjecció sotmetent-los a un sobreesforç. És a dir, els cargols sotmesos a una torsió contínua tenen valors de rendiment inferiors en comparació amb els cargols sotmesos directament a tensió i tensió. D'aquesta manera, el cargol pot cedir abans d'arribar a la resistència a la tracció mínima de la norma corresponent. Un gran parell pot augmentar la força de pre-estrenyiment del cargol i, en conseqüència, reduir la soltura de la junta. Per augmentar la força de bloqueig, la força de pre-estreny generalment es fixa en un límit superior. D'aquesta manera, tret que la diferència entre la resistència elàstica i la resistència a la tracció final sigui petita, els cargols generalment no cediran a causa de la torsió.
La càrrega de cisalla aplica una força vertical a l'eix longitudinal de lacargol. L'esforç tallant es divideix en esforç tallant simple i esforç tallant doble. A partir de dades empíriques, l'esforç de cisalla única final és aproximadament el 65% de l'esforç de tracció final. Molts dissenyadors prefereixen les càrregues de cisalla perquè utilitzen la resistència a la tracció i al tall dels cargols. Actuen principalment com tacs, formant connexions relativament senzilles per a elements de subjecció sotmesos a cisalla. El desavantatge és que les connexions de cisalla tenen un ventall limitat d'aplicacions i no es poden utilitzar amb freqüència, ja que requereixen més materials i espai. Sabem que la composició i la precisió dels materials també juguen un paper decisiu. Tanmateix, sovint no es disposa de dades de materials que converteixen l'esforç de tracció en càrrega de cisalla.
La força de pre-estrenyiment dels elements de fixació afecta la integritat de les connexions de cisalla. Com més baixa sigui la força de precàrrega, més fàcil serà que la capa d'unió llisqui en contacte amb el cargol. La capacitat de càrrega de cisalla es calcula multiplicant el nombre de plans transversals (un pla de cisalla s'anomena cisalla simple i dos plans de cisalla s'anomenen doble cisalla), que haurien de ser les seccions transversals dels cargols no roscats. No defensem el disseny de rosques de cisalla, ja que la resistència al tall dels elements de fixació es pot superar mitjançant la concentració de tensions quan canvia la secció transversal. A l'hora de determinar la resistència a tall dels elements de fixació, alguns dissenyadors utilitzen l'àrea d'esforç de tracció, mentre que d'altres prefereixen seccions de petit diàmetre. Si el cargol de la connexió de cisalla es torça fins al valor especificat (com es mostra a la figura 2), la superfície d'acoblament de la capa de contacte no pot començar a lliscar fins que superi la resistència de fricció exterior. Augmentar la fricció entre les superfícies d'acoblament pot millorar la integritat general de la connexió. De vegades, a causa de la mida de les peces i dels requisits de disseny, el nombre de cargols que s'han d'utilitzar pot ser limitat.
Figura 2: Independentment de si el component de connexió és de tall simple o doble, la superfície de tall no ha de passar per la part roscada del fixador
A més de les càrregues de tracció i cisalla, l'esforç de flexió és una altra càrrega que experimenten els cargols, causada per forces externes que no són perpendiculars a l'eix longitudinal del cargol i que es troben a les superfícies de suport i d'acoblament. En general, com més senzilla sigui la connexió de fixació, major serà la seva integritat i fiabilitat.
2. Fatiga
Actualment no hi ha cap legislació específica que indiqui als proveïdors que adquireixin components clau que compleixin amb els estàndards industrials de les normatives rellevants per a fixacions industrials, sobretot sense esmentar la causa principal de la fallada de la subjecció: la fatiga. Es calcula que els danys per fatiga representen el 85% del nombre total de fallades de fixació.
La fatiga en els cargols és l'acció contínua de les càrregues de tracció cícliques, que resulta encargolssotmesos a forces de precàrrega relativament petites i càrregues de treball alternes. En aquestes condicions de doble càrrega durant molt de temps, els cargols fallaran quan la seva resistència a la tracció nominal sigui inferior a. La vida a fatiga ve determinada pel nombre i l'amplitud dels cicles d'esforç de càrrega. Alguns connectors comprimits, com ara premses, equips d'estampació i maquinària d'emmotllament, també poden experimentar fractures per fatiga. Es generen múltiples tensions compostes entre la potència i la precàrrega durant el funcionament. En moviments d'estirament repetits, el nombre i l'amplitud dels canvis d'estrès es veuen afectats pel grau de fatiga i dany.
Els elements de fixació industrials típics, com els cargols hexagonals, s'allargan constantment i tornen a la seva forma original dins d'un cert rang d'elasticitat. Si se sotmeten a tensions més enllà del normal i més enllà del rang elàstic, patiran una deformació permanent fins que finalment es trenquen. El comportament d'estendre i tornar a un estat estès s'anomena cicle. Un cargol hexagonal pot suportar aproximadament 240-10 cicles de grau per dia (màxim) tal com es mostra a la figura 3.
Figura 3 Diagrama de Goodman millorat
La diagonal de punts indica el valor mitjà de la càrrega alterna del cargol amb una probabilitat del 90% durant 10 milions de cicles. La línia diagonal real mostra que quan la força de pre-estrenyiment del cargol arriba a 100 ksi, la desviació màxima entre la càrrega dinàmica i la tensió mitjana és de 12 ksi.
Els elements de fixació eventualment es trencaran a causa dels cicles d'estrès repetits de cim en cim. La fractura sol produir-se al punt més vulnerable de la fixació, que els enginyers anomenen "la zona de màxima concentració d'estrès". Una vegada que es produeixen microesquerdes al punt de concentració de tensió i continuen sotmeses a tensió, les esquerdes es propagaran ràpidament, causant danys per fatiga a la fixació. Les empreses que fabriquen elements de fixació per a ús industrial exploren constantment nous processos d'emmotllament i dissenyen i desenvolupen nous mètodes de fabricació que poden superar les debilitats fatals esmentades anteriorment.
Els llocs més comuns de fallada per fatiga inclouen la junta (és a dir, el primer fil carregat), el filet d'arrel, el fil i la terminació del fil. A causa de la millora de la resistència a la fatiga mitjançant el desenvolupament de millors materials i mètodes de producció a la indústria manufacturera, els fils s'han convertit en el punt més feble dels elements de subjecció i actualment la proporció més alta de danys causats en fallades per fatiga.
La interrelació entre les variables de tensió en el disseny i les característiques de rendiment dels elements de subjecció fa que establir estàndards de resistència a la fatiga sigui una tasca difícil. Actualment, és un procés complex determinar el nombre de "cicles a fracturar" i mesurar la resistència relativa d'una sèrie de fixacions.
3. Corrosió
Un altre motiu de la fractura del cargol és la corrosió. La corrosió té moltes formes, incloent corrosió ordinària, corrosió química, corrosió electrolítica i corrosió per estrès. La corrosió electrolítica es refereix a l'exposició dels elements de fixació a diversos agents humits com l'aigua de pluja o la boira àcida, que són electròlits que poden causar corrosió química dels elements de fixació; En segon lloc, a causa dels diferents materials dels elements de fixació, els seus potencials electrolítics són diferents i la diferència de potencial pot generar fàcilment "microbateries". Els dissenyadors haurien de triar materials amb potencials electrolítics similars tant com sigui possible basant-se en la compatibilitat dels metalls, alhora que eliminen les condicions per a la generació d'electròlits per evitar l'esquerda causada per la corrosió electrolítica.
La corrosió per tensió és relativament limitada. La corrosió per tensió existeix sota altes càrregues de tracció i afecta principalment els elements de fixació fets d'acer aliat d'alta resistència. Els elements de fixació d'acer aliat (especialment l'acer amb una composició alta d'aliatge) són propensos a esquerdar-se sota estrès. Al principi, normalment es formen esquerdes i fosses a la superfície, i després es produeix una corrosió addicional, que afavoreix la propagació de les esquerdes. La velocitat de propagació de l'esquerda ve determinada per la tensió sobre el cargol i la resistència a la fractura del material. Quan el material restant funciona fins al punt que no pot suportar la tensió aplicada, es produeix una fractura.
4. Fragilització per hidrogen
Els elements de fixació d'acer d'alta resistència (generalment amb una duresa Rockwell de C36 o superior) són més propensos a la fragilitat per hidrogen. La fragilitat de l'hidrogen és la principal causa de fractura de fixació. La fragilització de l'hidrogen és un fenomen en què els àtoms d'hidrogen entren i es difonen per tota la matriu material. Quan els àtoms d'hidrogen entren a la matriu material, la matriu pateix una distorsió de la xarxa, alterant l'estat d'equilibri original i fent que sigui fàcil de trencar-se sota forces externes. Quan s'aplica una càrrega externa alcargol,Els àtoms d'hidrogen migren cap a la zona d'estrès altament concentrada, provocant una tensió significativa entre les vores dels límits del cristall, la qual cosa condueix a la fractura entre les partícules de cristall de la fixació.
Quan els elements de fixació contenen hidrogen crític abans de la instal·lació, normalment es trenquen en 24 hores. Si l'hidrogen entra a la fixació, és impossible predir quan es trencarà. Per tant, quan s'utilitzen elements de fixació rellevants, els dissenyadors haurien d'especificar la selecció de proveïdors amb processos especialitzats i una possible fragilitat mínima de l'hidrogen.
5. Altres factors
La fractura de connexió no sempre està directament relacionada amb la fractura catastròfica de fixació. Molts factors relacionats amb els elements de subjecció, com ara la pèrdua de precàrrega o la fatiga de les connexions dels elements de subjecció, poden provocar un desgast; El desplaçament central dels elements de fixació pot generar soroll i fuites durant l'ús, cosa que requereix un manteniment no planificat per evitar trencaments. Per exemple, la vibració pot reduir la resistència a la fricció dels fils i les connexions de fixació es poden relaxar a causa de l'aplicació de càrregues de treball després de la instal·lació. Aquests factors, juntament amb la fluència a alta temperatura dels cargols, poden provocar la pèrdua de força de precàrrega. De vegades, la fractura de la connexió es pot atribuir al fet que el forat que passa és massa gran o massa petit, l'àrea de suport és massa petita, el material és massa tou o la càrrega és massa alta. Cap d'aquestes situacions no provocarà una fractura directa del cargol, però provocarà una pèrdua de la integritat de la connexió o una eventual fractura del cargol.
