Κόπωση στις συνδέσεις μπουλονιών

Στις συνδέσεις μπουλονιών, υπάρχει ένας τύπος θραύσης που είναι γνωστός ως κάταγμα κόπωσης. Το κάταγμα κόπωσης εμφανίζεται κυρίως σε μακροπρόθεσμα περιβάλλοντα κυκλικής δόνησης. Παρόμοια με την ευθραυστότητα του υδρογόνου, το κάταγμά του είναι ξαφνικό, αλλά και τα δύο είναι θεμελιωδώς διαφορετικά-το κάταγμα κόπωσης είναι αποτέλεσμα αθροιστικής βλάβης κάτω από μακροπρόθεσμα-κυκλικά φορτία, ενώ η ευθραυστότητα υδρογόνου είναι εύθραυστο κάταγμα που προκαλείται από άτομα υδρογόνου. Επί του παρόντος, δεν υπάρχει τεχνολογία που να προβλέπει την ακριβή ώρα κατά την οποία ένα μπουλόνι θα παρουσιάσει κάταγμα κόπωσης εκ των προτέρων. Επομένως, πρέπει να λαμβάνονται προληπτικά μέτρα από τα αρχικά στάδια όπως ο σχεδιασμός, η επιλογή υλικού και η εγκατάσταση.

Κάθε μπουλόνι έχει διάρκεια ζωής. Αν και ορισμένα μπουλόνια μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν, δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν επ' αόριστον. Όταν ένα μπουλόνι βρίσκεται σε συνθήκες λειτουργίας που υπερβαίνουν το σχεδιασμένο φορτίο για μεγάλο χρονικό διάστημα, η πιθανότητα θραύσης λόγω κόπωσης αυξάνεται σημαντικά. Τέτοια κατάγματα όχι μόνο προκαλούν σοβαρές ζημιές στον εξοπλισμό παραγωγής αλλά μπορεί επίσης να οδηγήσουν σε ατυχήματα ασφαλείας σε σοβαρές περιπτώσεις.

Λοιπόν, γιατί τα μπουλόνια παρουσιάζουν κάταγμα κόπωσης; Μια σχετικά συνεπής κατανόηση στη βιομηχανία είναι η εξής: κάτω από τη δράση κυκλικών φορτίων (όπως κραδασμοί και εναλλασσόμενη πίεση), η τάση τείνει να συσσωρεύεται στις περιοχές συγκέντρωσης τάσης του μπουλονιού (π.χ. ρίζες σπειρώματος και μετάβαση μεταξύ κεφαλής και στελέχους). Εάν τα στοιχεία που ταιριάζουν έχουν αποκλίσεις διαστάσεων ή τομπουλόνι έχει εγκατασταθεί με ακατάλληλη προφόρτιση (είτε πολύ σφιχτή είτε πολύ χαλαρή), η τοπική ανισορροπία καταπόνησης θα επιδεινωθεί περαιτέρω. Όταν η συσσωρευμένη τάση υπερβαίνει το όριο κόπωσης του υλικού και η πλαστικότητα του υλικού είναι ανεπαρκής για να καλύψει αυτή τη ζημιά, θα σχηματιστούν σταδιακά μικρορωγμές μέσα στο μπουλόνι. Καθώς ο αριθμός των κύκλων αυξάνεται, οι ρωγμές συνεχίζουν να διαδίδονται. όταν φτάσουν σε ένα κρίσιμο σημείο, το μπουλόνι θα σπάσει ξαφνικά. Αυτό που βλέπουμε με γυμνό μάτι ως "ξαφνικό κάταγμα" είναι στην πραγματικότητα το αποτέλεσμα της μακροπρόθεσμης-συσσώρευσης ρωγμών και της σταδιακής διάδοσης. Η πλήρης διαδικασία μπορεί να συνοψιστεί ως εξής: η κυκλική καταπόνηση δρα στα σημεία συγκέντρωσης τάσης του μπουλονιού → σκίζει σταδιακά τη μήτρα του μπουλονιού → σχηματίζονται μικρορωγμές → οι ρωγμές διαδίδονται στο κρίσιμο σημείο → ο κοχλίας σπάει ξαφνικά.

Αυτός είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους τα μπουλόνια πρέπει να υποβληθούν σε δοκιμή αντοχής σε εφελκυσμό πριν από τη χρήση. Αν και η δοκιμή εφελκυσμού διαρκεί λίγο, επιτρέπει μια προκαταρκτική αξιολόγηση των βασικών μηχανικών ιδιοτήτων του μπουλονιού παρατηρώντας τη θέση θραύσης (εάν το κάταγμα συμβαίνει σε περιοχές συγκέντρωσης τάσης, όπως οι ρίζες του νήματος ή η μετάβαση του στελέχους{1}}, οι κίνδυνοι κόπωσης πρέπει να προσέχετε) και καταγράφοντας τη δύναμη θραύσης. Εάν η δύναμη θραύσης των μπουλονιών στη δοκιμή είναι σημαντικά χαμηλότερη από τα πρότυπα σχεδιασμού, δεν συνιστάται η χρήση αυτής της παρτίδας μπουλονιών.

Επιπλέον, οι αλλαγές της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος επηρεάζουν επίσης τη διάρκεια κόπωσης των μπουλονιών. Εάν το μπουλόνι χρησιμοποιείται σε περιβάλλον με υπερβολικά υψηλές ή χαμηλές θερμοκρασίες ή συχνές εναλλασσόμενες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, θα επιταχύνει τη ζημιά του υλικού λόγω κόπωσης. Όταν συνδυάζεται με τη διάβρωση του μπουλονιού από διαβρωτικά μέσα στον αέρα (όπως υγρασία και ψεκασμός αλατιού), η πιθανότητα θραύσης λόγω κόπωσης θα αυξηθεί περαιτέρω.

Οι περισσότεροι από αυτούς τους κινδύνους θραύσης σχετίζονται με την προσαρμοστικότητα του υλικού στις συνθήκες λειτουργίας. Μπορούμε να μειώσουμε την πιθανότητα θραύσης λόγω κόπωσης βελτιστοποιώντας τις διαδικασίες παραγωγής: όταν οι συνθήκες το επιτρέπουν, η σειρά επεξεργασίας των μπουλονιών μπορεί να ρυθμιστεί-πρώτα, τα ακατέργαστα μπουλόνια υποβάλλονται σε θερμική επεξεργασία (σβήσιμο και σκλήρυνση) και στη συνέχεια εκτελείται κύλιση νήματος (η παραδοσιακή διαδικασία σε ορισμένα σενάρια είναι η κύλιση νήματος, ακολουθούμενη όμως από θερμική επεξεργασία.μπουλόνια υψηλής- αντοχής, η θερμική επεξεργασία πριν από την κύλιση του νήματος μπορεί να μειώσει την πρόσθετη συγκέντρωση τάσης που προκαλείται κατά την επεξεργασία του νήματος, βελτιώνοντας έτσι την αντοχή στην κόπωση). Εναλλακτικά, τα μπουλόνια με πλήρες σπείρωμα μπορούν να αντικατασταθούν με μπουλόνια με μερική σπείρωμα. Εξάλλου, το λείο τμήμα του στελέχους του μπουλονιού δεν έχει δομή σπειρώματος, με αποτέλεσμα πιο ομοιόμορφη κατανομή των τάσεων και πολύ καλύτερη αντοχή στην κόπωση από το τμήμα με σπείρωμα.