En la producció industrial i l'aplicació d'equips diaris, els cargols serveixen com a elements de fixació bàsics responsables de fixar, connectar i suportar càrregues estructurals. Durant el servei-a llarg termini,cargolses veuen afectats per múltiples factors, com ara les condicions de càrrega, l'entorn de treball, els processos de fabricació i la qualitat del muntatge, que poden provocar fàcilment una fallada de fractura. Això també pot provocar l'aturada de l'equip, fallades estructurals i fins i tot accidents greus de seguretat. Aquest article presenta sistemàticament les formes de fractura habituals, els mecanismes de formació, les característiques de fractura macroscòpica de la fractura per sobrecàrrega, les posicions de fractura d'alt risc i els estats de fractura en diferents condicions de càrrega dels cargols, proporcionant suport tècnic per a la prevenció de fallades de cargols, el manteniment d'equips i l'optimització del procés.
I. Formes comuns de fractura de cargols
1. Fractura per sobrecàrrega
La fractura per sobrecàrrega es produeix quan la càrrega instantània aplicada a un cargol supera la resistència a la tracció màxima del material, pertanyent a la típica fractura estàtica dúctil o trencadissa. Aquest tipus de fractura es produeix sobtadament sense signes evidents de pre-falla. Per als materials dúctils, la superfície de fractura generalment presenta una forma de cop-con o una secció inclinada de 45-graus amb superfícies rugoses i una deformació plàstica important. Per als cargols fràgils d'alta resistència, la superfície de fractura és relativament plana amb una deformació plàstica insignificant.
Causes de fractura: un disseny estructural poc raonable condueix a una selecció de cargols de mida inferior i un marge de càrrega insuficient, donant lloc a una operació de sobrecàrrega-a llarg termini. Les condicions de treball anormals sobtades, com ara càrregues d'impacte i sobrecàrregues transitòries durant el funcionament de l'equip, també poden provocar una càrrega-limitada instantània. Per exemple, els cargols de connexió dels mecanismes d'elevació de la grua poden patir una fractura per sobrecàrrega en aixecar càrregues amb sobrepès.
2. Fractura per fatiga
La fractura per fatiga és la forma de fallada més comuna dels cargols. Sota càrregues cícliques-a llarg termini, com ara tensió, compressió, flexió i vibració alternes, s'inicien microesquerdes de fatiga a les zones de concentració d'estrès. Les esquerdes s'expandeixen gradualment amb els cicles de càrrega, reduint contínuament l'àrea de rodament efectiva i, finalment, condueixen a una fractura sobtada fins i tot si la càrrega de treball no supera el valor nominal. La fractura per fatiga es produeix sense una deformació plàstica evident. La superfície de la fractura és generalment llisa amb textures típiques semblants a la-conquilla o a l'anell- anual.
Causes de fractura: el moviment alternatiu a llarg termini-i la vibració d'alta-freqüència dels equips sotmeten els cargols a tensions periòdiques alternes. Per exemple, els cargols de biela dels motors d'automòbil suporten les càrregues de tensió i compressió cícliques del moviment alternatiu d'alta-freqüència dels pistons i les bielles, donant lloc a danys per fatiga acumulats i eventuals fractures per fatiga.
3. Fractura per corrosió
Quan els cargols funcionen en entorns corrosius, es produeix corrosió química o electroquímica al material base, formant defectes superficials com l'òxid i la corrosió per picades. Aquests defectes redueixen l'àrea de suport efectiva i la resistència mecànica dels cargols, provocant la fractura sota càrregues de treball normals. A les superfícies de fractura es poden observar productes de corrosió com ara capes d'òxid i pous de corrosió.
Causes de fractura: els cargols que serveixen en entorns corrosius humits,-sprais o àcids-àcids són propensos a fallar per corrosió, com ara instal·lacions d'acer estructural a prop del mar i equips industrials químics. Per exemple, els cargols de connexió de les cobertes dels vaixells són erosionats contínuament per l'aigua de mar i l'esprai de sal, donant lloc a la degradació del material i la fractura per corrosió.
4. Fractura per corrosió per tensió
La fractura per corrosió per esforç es refereix a la fractura fràgil que es produeix sota l'acció combinada d'una tensió de tracció constant i un medi corrosiu específic. L'esquerda creix lentament en l'etapa inicial sense símptomes evidents de fallada, i es produeix una fractura sobtada quan l'esquerda arriba a la mida crítica. La superfície de fractura presenta característiques dobles de fallada per tensió i danys per corrosió.
Causes de fractura: determinats materials dels cargols poden generar i expandir esquerdes per corrosió per tensió sota una tensió de tracció constant baixa en entorns corrosius específics. Un cas típic és la fractura per corrosió per tensió de cargols d'acer inoxidable austenític en entorns-rics en clorur.
5. Fractura de fragilització de l'hidrogen
Durant la fabricació o el servei, els àtoms d'hidrogen penetren i s'acumulen dins del material del cargol, formant molècules d'hidrogen que produeixen una gran pressió interna. Això provoca l'esquerda de la gelosia i la propagació de microesquerdes, que eventualment condueixen a una fractura fràgil. La fragilitat per hidrogen és una fallada trencadissa típica caracteritzada per superfícies de fractura planes i sense deformació plàstica evident.
Causes de fractura: Els àtoms d'hidrogen penetren a la matriu d'acer durant la galvanoplastia, el decapat àcid, la fosfatació i altres processos de tractament de superfícies sense un tractament de deshidrogenació adequat.Cargols d'-acer d'alta resistènciasón altament sensibles a la fragilitat de l'hidrogen. La concentració excessiva d'ions d'hidrogen a la solució de revestiment i els processos de deshidrogenació no qualificats són els principals incentius de la fractura per fragilitat de l'hidrogen.
6. Fractura causada per defectes de fabricació
Els defectes interns i superficials generats durant la producció de matèries primeres i la fabricació de cargols formen fonts de concentració d'estrès. Sota càrrega, la tensió augmenta bruscament a les posicions del defecte, induint l'inici de l'esquerda i la propagació ràpida, que finalment condueix a la fractura. Les característiques de defecte de fabricació originals es poden observar clarament a la superfície de fractura.
Causes de fractura: Defectes de la matèria primera com inclusions, porositat, cavitats de contracció i segregació; El control inadequat dels processos de forja, tractament tèrmic i tornejat provoca esquerdes d'extinció, esquerdes de mòlta, marques d'eines i rascades.
II. Tres zones característiques de fractura per sobrecàrrega del cargol
1. Zona de fibra
Posició: Situat al centre de la superfície de fractura, servint com a zona d'inici de l'esquerda i de propagació inicial.
Característiques morfològiques: La superfície és rugosa i fibrosa amb deformació plàstica visible i agregació de microbuits, que és una característica típica de la fractura dúctil.
Mecanisme de formació: En l'etapa inicial de fractura, el material del cargol pateix reologia plàstica sota tensió. Els microbuits generen, creixen, s'agreguen i es connecten per formar la morfologia de la fractura fibrosa.
2. Zona d'irradiació
Posició: Situat fora de la zona de fibra, corresponent a l'etapa de propagació ràpida de l'esquerda.
Característiques morfològiques: La superfície de fractura és relativament plana amb textures radials o d'espina de peix que s'estenen cap a fora des del centre.
Mecanisme de formació: Quan l'esquerda inicial s'expandeix a la mida crítica, entra a l'etapa de propagació ràpida. La concentració severa d'estrès a la punta de l'esquerda provoca un ràpid trencament transgranular o intergranular, formant una morfologia de fractura radial.
3. Zona de llavi de cisalla
Posició: Distribuït a la vora més externa de la superfície de fractura, formada en l'etapa final de fractura.
Característiques morfològiques: La superfície és llisa i inclinada amb característiques típiques de lliscament de cisalla, formant un llavi de cisalla anular, que és la característica final de la fractura dúctil.
Mecanisme de formació: En l'etapa final de fractura, el material residual llisca i es trenca al llarg del pla de cisalla màxima sota una gran tensió, produint una deformació plàstica de cisalla i formant l'estructura del llavi de cisalla.
III. Posicions comunes de la fractura de sobrecàrrega del cargol
1. Primera dent del fil prop de la superfície de rodament de la femella
Les càrregues de connexions de cargols es transmeten principalment a través de dents de fil de malla. La primera dent del fil prop de la superfície de suport de la femella suporta la càrrega més gran i presenta la concentració d'estrès més severa. És la posició més susceptible de fractures per sobrecàrrega durant el servei-a llarg termini.
2. Arrel de rosca a la transició entre el cap del cargol i la tija
L'arrel del fil presenta canvis geomètrics bruscos i un alt coeficient de concentració de tensions. Amb estats de tensió complexos, es converteix en el punt feble estructural dels cargols i és propens a fracturar-se sota sobrecàrregues i càrregues d'impacte.
3. Zona de transició entre la tija llisa i la secció de rosca
Els canvis bruscos en la-mida de la secció transversal i l'estructura a la unió de la tija llisa i la secció de la rosca provoquen una concentració òbvia de tensions i una distribució desigual de la tensió. Aquesta posició genera fàcilment l'inici d'esquerdes en condicions de sobrecàrrega i condueix a una fallada de fractura.
IV. Estats de fractura del cargol sota diferents formes de càrrega
1. Fractura sota esforç de tracció
Es pot observar una fractura típica de cop-con i un allargament global evident i una deformació del coll. Per a cargols d'alta tenacitat sota sobrecàrrega de tracció, la secció de fractura final forma un angle de cisalla d'aproximadament 45 graus amb l'eix del cargol, pertanyent a la típica fractura de sobrecàrrega dúctil, que es produeix principalment a la posició de l'arrel del fil feble.
2. Fractura sota esforç d'impacte i moment de flexió
Es poden observar textures radials i llavis de cisalla a la superfície de la fractura, mentre que els llavis de cisalla estan incomplets i es distribueixen de manera desigual sense una forma anular completa. La fractura presenta una deformació plàstica menor i característiques òbvies de fragilitat, causades principalment per impactes instantanis i càrregues de flexió.
3. Fractura sota esforç combinat de torsió i tensió
Sota càrregues de tracció i torsió combinades, la superfície de la fractura mostra textures de torsió remolins evidents, així com morfologies en forma de mitja lluna o{0}}de ventall. La distorsió i el desplaçament diferenciats de la fractura es formen per lliscament relatiu i esquinçament dels materials al llarg del pla de cisalla sota força de tall torsional.
