V priemyselnej výrobe a každodennej aplikácii zariadení slúžia skrutky ako spojovacie prvky jadra zodpovedné za upevnenie, pripojenie a znášanie konštrukčných zaťažení. Počas dlhodobej služby,skrutkysú ovplyvnené viacerými faktormi, ako sú podmienky zaťaženia, pracovné prostredie, výrobné procesy a kvalita montáže, ktoré môžu ľahko viesť k poruche lomu. To môže ďalej spôsobiť odstavenie zariadenia, zlyhanie konštrukcie a dokonca aj vážne bezpečnostné nehody. Tento článok systematicky predstavuje bežné formy lomu, mechanizmy tvorby, makroskopické lomové charakteristiky lomu z preťaženia, vysoko rizikové polohy lomu a stavy lomu pri rôznych podmienkach zaťaženia skrutiek, pričom poskytuje technickú podporu pre prevenciu zlyhania skrutiek, údržbu zariadení a optimalizáciu procesov.

I. Bežné lomové formy skrutiek

1. Zlomenina z preťaženia

K lomu spôsobenému preťažením dochádza, keď okamžité zaťaženie pôsobiace na skrutku prekročí medzu pevnosti v ťahu materiálu, čo patrí k typickému statickému tvárnemu alebo krehkému lomu. Tento typ zlomeniny sa vyskytuje náhle bez zjavných príznakov pred zlyhaním. V prípade tvárnych materiálov má povrch lomu vo všeobecnosti tvar misky a kužeľa alebo 45-stupňovú naklonenú časť s drsnými povrchmi a výraznou plastickou deformáciou. Pri vysokopevnostných krehkých svorníkoch je lomová plocha relatívne plochá so zanedbateľnou plastickou deformáciou.

Príčiny zlomenín: Nerozumný konštrukčný návrh vedie k výberu poddimenzovaných skrutiek a nedostatočnému rozpätiu zaťaženia, čo vedie k dlhodobej prevádzke s preťažením. Náhle abnormálne pracovné podmienky, ako sú nárazové zaťaženie a prechodné preťaženie počas prevádzky zariadenia, môžu tiež spôsobiť okamžité nadmerné zaťaženie. Napríklad spojovacie skrutky zdvíhacích mechanizmov žeriavov môžu utrpieť zlomeninu pri preťažení pri zdvíhaní nadmerných bremien.

2. Únavová zlomenina

Únavová zlomenina je najčastejšou formou zlyhania skrutiek. Pri dlhodobom cyklickom zaťažení, ako je striedavé napätie, tlak, ohyb a vibrácie, vznikajú mikroúnavové trhliny v oblastiach koncentrácie napätia. Trhliny sa postupne rozširujú so zaťažovacími cyklami, neustále zmenšujú efektívnu nosnú plochu a nakoniec vedú k náhlemu zlomu, aj keď pracovné zaťaženie nepresiahne menovitú hodnotu. Únavový lom nastáva bez zjavnej plastickej deformácie. Povrch lomu je vo všeobecnosti hladký s typickými štruktúrami podobnými lastúrnikom alebo ročným prstencom.

Príčiny zlomenín: Dlhodobý vratný pohyb a vysokofrekvenčné vibrácie zariadenia vystavujú skrutky periodickému striedavému namáhaniu. Napríklad skrutky ojnice automobilových motorov znášajú cyklické ťahové a kompresné zaťaženia spôsobené vysokofrekvenčným vratným pohybom piestov a ojníc, čo vedie k akumulovanému únavovému poškodeniu a prípadnému únavovému lomu.

3. Zlomenina korózie

Keď skrutky pracujú v korozívnom prostredí, na základnom materiáli sa vyskytuje chemická alebo elektrochemická korózia, ktorá vytvára povrchové defekty, ako je hrdza a jamková korózia. Tieto defekty znižujú efektívnu nosnú plochu a mechanickú pevnosť skrutiek, čo vedie k prasknutiu pri normálnom pracovnom zaťažení. Na lomových plochách možno pozorovať produkty korózie, ako sú vrstvy hrdze a korózne jamy.

Príčiny zlomenín: Skrutky slúžiace vo vlhkom, slanom alebo acidobázickom korozívnom prostredí sú náchylné na zlyhanie korózie, ako sú oceľové konštrukcie v blízkosti mora a chemické priemyselné zariadenia. Napríklad spojovacie skrutky na palubách lodí sú neustále erodované morskou vodou a soľnou hmlou, čo má za následok degradáciu materiálu a korózne lomy.

4. Zlomenina pri stresovej korózii

Korózny lom pod napätím sa týka krehkého lomu, ktorý sa vyskytuje pri kombinovanom pôsobení konštantného ťahového napätia a špecifických korozívnych médií. Trhlina rastie pomaly v počiatočnom štádiu bez zjavných príznakov zlyhania a náhle prasknutie nastane, keď trhlina dosiahne kritickú veľkosť. Lomová plocha má dvojakú charakteristiku: porušenie napätím a poškodenie koróziou.

Príčiny zlomenín: Určité materiály skrutiek môžu vytvárať a rozširovať korózne trhliny pod napätím pri nízkom konštantnom ťahovom napätí v špecifických korozívnych prostrediach. Typickým prípadom je korózny lom skrutiek z austenitickej nehrdzavejúcej ocele v prostrediach bohatých na chloridy.

5. Zlomenina vodíkovej krehkosti

Počas výroby alebo servisu atómy vodíka prenikajú a hromadia sa vo vnútri materiálu skrutky, pričom vytvárajú molekuly vodíka, ktoré vytvárajú obrovský vnútorný tlak. To spôsobuje praskanie mriežky a šírenie mikrotrhlín, čo nakoniec vedie ku krehkému lomu. Vodíkové skrehnutie je typické krehké zlyhanie charakterizované plochými lomovými plochami a bez zjavnej plastickej deformácie.

Príčiny zlomenín: Atómy vodíka prenikajú do matrice ocele počas galvanizácie, morenia kyselinou, fosfátovania a iných procesov povrchovej úpravy bez adekvátnej dehydrogenačnej úpravy.Vysokopevnostné oceľové skrutkysú vysoko citlivé na vodíkové skrehnutie. Nadmerná koncentrácia vodíkových iónov v pokovovacom roztoku a nekvalifikované dehydrogenačné procesy sú hlavnými príčinami lomu vodíkového krehnutia.

6. Zlomenina spôsobená výrobnými chybami

Vnútorné a povrchové defekty vznikajúce počas výroby surovín a výroby skrutiek tvoria zdroje koncentrácie napätia. Pri zaťažení sa napätie v miestach defektov prudko zvyšuje, čo vyvoláva iniciáciu trhliny a rýchle šírenie, čo nakoniec vedie k lomu. Na povrchu lomu možno zreteľne pozorovať pôvodné znaky výrobnej chyby.

Príčiny zlomenín: Chyby suroviny, ako sú inklúzie, pórovitosť, zmršťovacie dutiny a segregácia; nesprávna kontrola procesov kovania, tepelného spracovania a sústruženia spôsobuje praskliny pri kalení, praskliny pri brúsení, stopy po nástrojoch a škrabance.

II. Tri charakteristické zóny zlomeniny skrutky pri preťažení

1. Zóna vlákien

pozícia: Nachádza sa v strede povrchu lomu a slúži ako zóna iniciácie trhliny a počiatočného šírenia.

Morfologické charakteristiky: Povrch je drsný a vláknitý s viditeľnou plastickou deformáciou a mikrodutinovou agregáciou, čo je typický znak tvárneho lomu.

Formačný mechanizmus: V počiatočnom štádiu lomu materiál skrutky podlieha plastickej reológii pod napätím. Mikrodutiny vytvárajú, rastú, agregujú a spájajú sa, aby vytvorili morfológiu vláknitého lomu.

2. Radiate Zone

pozícia: Nachádza sa mimo zóny vlákien, čo zodpovedá štádiu rýchleho šírenia trhlín.

Morfologické charakteristiky: Povrch lomu je relatívne plochý s jasnými radiálnymi alebo rybími textúrami, ktoré sa tiahnu smerom von zo stredu.

Formačný mechanizmus: Keď sa počiatočná trhlina rozšíri na kritickú veľkosť, vstúpi do fázy rýchleho šírenia. Silná koncentrácia napätia na špičke trhliny spôsobuje rýchle transgranulárne alebo intergranulárne roztrhnutie, čím sa vytvorí morfológia radiálneho lomu.

3. Shear Lip Zone

pozícia: Rozmiestnené na najvzdialenejšom okraji lomovej plochy, vytvorené v konečnom štádiu lomu.

Morfologické charakteristiky: Povrch je hladký a naklonený s typickými znakmi šmykového sklzu, tvoriaci prstencovú strižnú hranu, čo je konečná charakteristika tvárneho lomu.

Formačný mechanizmus: V konečnom štádiu lomu zvyškový materiál skĺzne a trhá sa pozdĺž maximálnej šmykovej roviny pod vysokým napätím, čím dochádza k plastickej šmykovej deformácii a vytváraniu štruktúry šmykovej hrany.

777

III. Bežné polohy zlomenia skrutky spôsobeného preťažením

888

1. Prvý závitový zub v blízkosti nosnej plochy matice

Zaťaženia skrutkových spojov sa prenášajú hlavne cez zaberajúce zuby závitu. Prvý zub závitu v blízkosti nosnej plochy matice znáša najväčšie zaťaženie a predstavuje najväčšiu koncentráciu napätia. Je to najnáchylnejšia poloha na zlomeninu z preťaženia počas dlhodobej prevádzky.

2. Koreň závitu na prechode medzi hlavou skrutky a stopkou

Koreň závitu sa vyznačuje náhlymi geometrickými zmenami a vysokým koeficientom koncentrácie napätia. Pri zložitých stavoch napätia sa stáva štrukturálnym slabým bodom skrutiek a je náchylný na zlomenie pri preťažení a nárazovom zaťažení.

3. Zóna prechodu medzi hladkou stopkou a sekciou závitu

Prudké zmeny veľkosti a štruktúry prierezu v mieste spojenia hladkého drieku a prierezu závitu spôsobujú zjavnú koncentráciu napätia a nerovnomerné rozloženie napätia. Táto poloha ľahko generuje iniciáciu trhliny v podmienkach preťaženia a vedie k porušeniu lomu.

IV. Stavy lomu skrutky pri rôznych formách zaťaženia

1. Zlomenina pri ťahovom napätí

Je možné pozorovať typický zlom miskovitého kužeľa a zjavné celkové predĺženie a deformáciu hrdla. V prípade skrutiek s vysokou húževnatosťou pri preťažení ťahom tvorí koncový lomový uhol s osou skrutky približne 45-stupňový šmykový uhol, ktorý patrí k typickému ťažnému lomu spôsobenému preťažením, ktorý sa väčšinou vyskytuje v polohe slabého koreňa závitu.

999

2. Zlomenie pri rázovom napätí a ohybovom momente

Na povrchu lomu možno pozorovať radiálne textúry a šmykové okraje, zatiaľ čo šmykové okraje sú neúplné a nerovnomerne rozložené bez plného prstencového tvaru. Lom predstavuje malú plastickú deformáciu a zjavné krehké charakteristiky, spôsobené najmä okamžitým zaťažením nárazom a ohybom.

101010

3. Zlomenina pri kombinovanom napätí krútením a ťahom

Pri kombinovanom torznom a ťahovom zaťažení vykazuje povrch lomu zjavné vírivé torzné textúry, ako aj morfológie v tvare polmesiaca alebo vejára. Výrazná deformácia a presadenie lomu sú tvorené relatívnym sklzom a trhaním materiálov pozdĺž šmykovej roviny pod torznou šmykovou silou.

111111