В мире, где здания, мосты и автомобили держатся на крепеже, отказ болта может привести к катастрофическим последствиям. Чтобы предотвратить аварии, травмы и дорогостоящий ремонт, необходимо принимать меры для защиты механических соединений от разрушения. Существует множество причин, по которым болты выходят из строя: от водородного охрупчивания до самоотвинчивания и ползучести. Ниже рассмотрим распространенные типы разрушения болтов и способы их предотвращения.
Усталостное разрушение
Что вызывает разрушение крепежа? Во многих случаях ответом является усталость металла.
Усталостные разрушения — наиболее частая причина выхода болта из строя. Усталость означает склонность болта со временем слабеть и в конечном итоге ломаться из-за повторяющегося воздействия циклических (динамических) нагрузок.
Статическая нагрузка оказывает постоянное усилие на болт — это создает относительно низкое напряжение в материале крепежа. В отличие от этого, циклические нагрузки колеблются, постоянно ослабляя и возобновляя усилие. Такое динамическое нагружение создает напряжение в материале, открывая микроскопические трещины (называемые усталостными), которые со временем распространяются, пока болт не сломается.
Ослабление или потеря предварительного натяга также могут вызывать усталостные разрушения болтов. Потеря предварительного натяга снижает прижимное усилие, заставляя крепеж брать на себя большую часть нагрузки (для сравнения: правильно нагруженный болт воспринимает лишь небольшой процент нагрузки, тогда как большая ее часть поглощается скрепляемыми компонентами). Все, что вызывает ослабление (неправильный монтаж, перепады температур, вибрация или циклическое нагружение), повышает риск разрушения болтового соединения.
Как предотвратить усталостное разрушение
Полностью исключить риск развития усталостных трещин в некоторых случаях невозможно, однако перечисленные ниже шаги помогут снизить риск:
- Правильный монтаж: недостаточный предварительный натяг болта — основная причина усталостного разрушения, поэтому важно затягивать болты с моментом затяжки, указанным производителем. Перед установкой убедитесь, что инструменты (например, динамометрические ключи) откалиброваны.
- Визуальный осмотр и технологическое обслуживание: особенно в ответственных соединениях болты, воспринимающие циклические нагрузки, должны регулярно проходить визуальный осмотр и при необходимости заменяться. Для обнаружения невидимых глазу усталостных трещин могут использоваться проникающие красители (капиллярная дефектоскопия), лупы или рентгеновские лучи — это поможет определить, какие крепежи нужно заменить.
Разрушение при срезе
Разрушение при срезе происходит, когда болт изгибается или ломается из-за чрезмерного сдвигового (бокового) напряжения, то есть напряжения от сил, действующих перпендикулярно оси стержня. Когда болт нагружен на срез, он скрепляет два компонента, которые в противном случае скользили бы друг относительно друга в противоположных направлениях. Сдвиговое усилие воздействует на стержень, который должен обладать достаточной прочностью на срез, чтобы сопротивляться разрушению.
Эта форма разрушения крепежа может быть вызвана слабыми местами в стержне или малым диаметром стержня. Слабые места могут включать трещины, канавки или впадины резьбы — все это создает зоны концентрации напряжений. Меньший диаметр имеет меньшую прочность на срез по сравнению с большим диаметром. Вспомните усилие, необходимое, чтобы сломать маленькую палочку, по сравнению с толстой веткой дерева.
Как предотвратить разрушение при срезе
Чрезмерное усилие на сдвиг (срез) может привести к отказу болтового соединения. Ознакомьтесь со следующими рекомендациями, чтобы защитить болт от поломки из-за нагрузки на сдвиг:
- Выбор крепежа: болты, работающие на срез, должны иметь достаточно большой диаметр, чтобы сопротивляться разрушению. Кроме того, рассмотрите возможность выбора болта с неполной резьбой вместо болта с полной резьбой — впадины резьбы создают больше слабых мест из-за концентрации напряжений, в отличие от гладкого стержня.
- Выбор материала: некоторые материалы прочнее на срез, чем другие – например, закаленная сталь имеет более высокую прочность, чем медь.
Разрушение при растяжении
Разрыв болта происходит, когда стержень болта не выдерживает чрезмерной нагрузки на растяжение или напряжения от сил, действующих параллельно оси стержня. Когда болт выдерживает растягивающую нагрузку, он плотно стягивает соединяемые детали. Растягивающие силы нагружают стержень, поэтому он должен обладать достаточной прочностью на разрыв, чтобы избежать разрушения.
Этот вид разрушения обычно вызван перегрузкой болта, особенно если в стержне уже есть слабые места. Более длинные стержни имеют большую площадь поверхности и, следовательно, более высокий риск наличия слабых мест, что делает их, как правило, менее прочными на разрыв. Стержни меньшего диаметра также более уязвимы к разрушению при растяжении, так как для их растяжения или разрушения требуется меньше усилий.
Как предотвратить разрушение при растяжении
При правильном выборе и монтаже болтов риск разрушения при растяжении значительно снижается. Чтобы защитить крепеж от этого вида отказа, следуйте следующим рекомендациям:
- Выбор крепежа: чтобы избежать разрушения при растяжении, выбирайте болт подходящей длины с диаметром, достаточно большим, чтобы выдержать требуемую нагрузку. Перегрузка болта может привести к разрыву.
- Выбор материала: некоторые материалы, такие как сталь, алюминий и титан, демонстрируют более высокую прочность на растяжение, чем другие, например, латунь или медь. Болты, работающие на растяжение, должны быть изготовлены из материала, достаточно прочного, чтобы сопротивляться разрыву.
Вырыв крепления
Вырыв крепления происходит, когда растягивающая нагрузка отделяет наружную резьбу болта от внутренней резьбы ответного отверстия или гайки. Хотя вырывание может выглядеть похожим на разрушение при растяжении (поскольку оба включают выдергивающие усилия), они различаются механизмом разрушения. При растяжении усилие разрывает сам материал крепежа; при вырывании усилие разрывает соединение между болтом и ответной резьбой.
Эта форма отказа чаще встречается у винтов и болтов, ввинчиваемых в резьбовые отверстия, чем в классических болтовых соединениях с гайками. Это может произойти, когда болт или винт был недотянут или перетянут (недотягивание оставляет крепеж свободным и уязвимым для выдергивания, а перетягивание может сорвать резьбу и снизить прочность зацепления). Вырывание также может быть вызвано малой длиной свинчивания или вибрационным ослаблением.
Как предотвратить вырывание
Внутренняя и наружная резьба спроектированы так, чтобы соответствовать друг другу и образовывать прочное соединение. Когда это соединение нарушается, происходит вырыв. Прочтите ниже, как избежать этой формы отказа:
- Длина свинчивания: это показатель того, сколько витков резьбы болта взаимодействуют с ответной резьбой. Чем больше витков задействовано, тем сложнее выдернуть крепеж из отверстия или гайки. Болты с мелкой резьбой имеют большее количество витков на единицу длины, что означает, что больше витков могут взаимодействовать с ответной резьбой. Если крепеж будет подвергаться значительным растягивающим усилиям, стоит рассмотреть болт с мелкой резьбой.
- Правильный монтаж: чтобы избежать вырывания, затягивайте болт или винт с моментом, указанным производителем, используя калиброванный инструмент, например динамометрический ключ. Как чрезмерная, так и недостаточная затяжка снижают сопротивление выдергиванию.
Разрушение материала или компонента
Разрушение материала или компонента — это разрушение не самого болтового соединения, а материала или компонентов, которые оно скрепляет. Например, чрезмерная затяжка болта, установленного в мягкой древесине, может привести к тому, что головка болта врежется в опорную поверхность или даже полностью прорвет материал. В качестве альтернативы, установка болта слишком близко к краю или в поврежденный поверхностный элемент может вызвать разрушение материала — это когда участок материала, содержащий болт, отрывается от основной части.
Как предотвратить разрушение материала/компонента
Отказ болтового соединения не всегда происходит из-за крепежа — он также может быть вызван скрепляемыми компонентами. Учитывайте следующие факторы, чтобы защитить вашу сборку от разрушения материала:
- Ответный материал/компоненты: головка болта может утонуть в более мягких материалах, повреждая поверхность или даже полностью проходя сквозь монтажное отверстие. Чтобы этого избежать, можно выбрать болт с большей опорной поверхностью или установить шайбу под головку болта для лучшего распределения нагрузки. Остерегайтесь установки крепежа на уже треснувших или поврежденных поверхностях.
- Правильный монтаж: чрезмерная затяжка болта увеличивает риск врезания головки болта в материал поверхности или ее повреждения. Кроме того, установка крепежа слишком близко к краю конструкции повышает риск откалывания материала. Обратитесь к инструкциям производителя для конкретного болта о необходимом расстоянии между креплениями и отступа от края.
Отказ резьбы (срыв или задир)
Отказ резьбы — это состояние, когда болтовое соединение перестает нормально функционировать из-за повреждения резьбы гайки, болта, ввертыша или нарезанного отверстия. Часто это происходит из-за таких видов повреждений, как срыв или заедание резьбы.
- Срыв резьбы (срез резьбы): происходит, когда резьба изнашивается до такой степени, что больше не может надежно сцепляться, вызывая ослабление крепежа. Срыв резьбы часто вызывается перетягиванием, перегрузкой или перекосом резьбы (соединением деталей с разным шагом или несоосностью деталей с одинаковым шагом).
- Заедание резьбы (схватывание или холодная сварка): это форма адгезионного износа, при которой две детали сплавляются на молекулярном уровне из-за тепла, выделяемого трением. Заедание часто вызывается высокоскоростной установкой, недостатком смазки, загрязнением резьбы и перетягиванием.
Как предотвратить срыв и заедание резьбы
Срыв или заедание резьбы — особенно опасная форма отказа крепежа, поскольку резьба часто скрыта внутри гаек или отверстий, что затрудняет обнаружение повреждения до того, как соединение разрушится. Защитите болтовые соединения от таких видов разрушения резьбы, как заедание и срыв, приняв следующие меры предосторожности:
- Правильный монтаж: устанавливайте крепеж на низких оборотах, чтобы уменьшить трение и риск перекоса резьбы. Используйте калиброванные инструменты, чтобы убедиться, что крепеж затянут с моментом, указанным производителем.
- Чистая резьба: перед установкой крепежа убедитесь, что резьба болта и ответная резьба чистые, сухие и не имеют повреждений и коррозии. Это уменьшит трение, снижая риск заедания.
- Использование антизадирной смазки: некоторые материалы более уязвимы для задира. При работе с крепежом из алюминия, титана или нержавеющей стали рассмотрите возможность использования противозадирной смазки.
Отказ гайки
Болтовое соединение состоит из нескольких компонентов: болта, 1-2 шайб и гайки. Если откажет хотя бы один компонент, под угрозой может оказаться все соединение.
Представьте, что вы накручиваете стандартную шестигранную гайку на болт в условиях сильной вибрации, например, на тяжелом оборудовании. Со временем вибрация может привести к самоотвинчиванию гайки, снижая усилие затяжки и ставя под угрозу безопасность узла. Для защиты от самоотвинчивания в движущихся или вибрирующих средах были изобретены стопорные гайки, такие как гайки с нейлоновым кольцом, корончатые гайки и другие (подробнее см. в нашем руководстве по стопорным гайкам). В качестве альтернативы для сопротивления самоотвинчиванию в болтовых соединениях могут также использоваться стопорные шайбы или фиксаторы резьбы (клеи).
Как не допустить выхода гайки из строя
Выбор подходящей гайки и ее правильная установка так же важны, как и выбор правильного болта. Чтобы избежать отказов, связанных с гайкой, ознакомьтесь со следующими рекомендациями:
- Выбор гайки: существует широкий спектр гаек для удовлетворения потребностей различных применений: от стандартных шестигранных гаек общего назначения до барашковых гаек для ручной установки. Для условий с сильной вибрацией стоит рассмотреть стопорные гайки.
- Правильный монтаж: гайки могут ослабевать со временем, особенно если они не были полностью затянуты при установке. Затягивайте гайку с моментом, указанным производителем, чтобы предотвратить самоотвинчивание.
- Визуальный контроль и обслуживание: в зависимости от применения гайки могут нуждаться в регулярном визуальном осмотре, чтобы убедиться, что они не ослабли.
Коррозионное разрушение
Коррозионное разрушение происходит, когда материал болта ржавеет или корродирует из-за таких факторов, как химическое воздействие, окисление или гальваническая коррозия. Коррозия крепежа может привести либо к постепенному ослаблению с течением времени, либо к внезапному разрушению. Коррозия возникает, когда материал крепежа вступает в химические реакции из-за факторов окружающей среды или химических веществ. Например, когда крепеж из углеродистой стали подвергается воздействию дождя или соленой воды, образуется ржавчина (оксид железа), которая разъедает сталь и постепенно ослабляет ее.
Коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) — это менее заметная (и поэтому более опасная) форма разрушения крепежа. КРН может произойти, когда металлы или сплавы подвергаются воздействию коррозионных сред в условиях растягивающего напряжения, особенно при повышенных температурах. Даже если болт выглядит не корродированным на поверхности, он может быть полон микроскопических трещин из-за коррозии. Со временем микроскопические трещины увеличиваются, приводя к внезапному разрушению крепежа.
Как предотвратить коррозионное разрушение
При установке в промышленных, химических, пищевых или морских средах крепеж может быть особенно уязвим к коррозии. Ознакомьтесь со следующими пунктами, чтобы защитить болт от КРН или постепенного ослабления:
- Выбор материала: самый эффективный способ защитить болт от коррозии — выбрать материал или покрытие, подходящее для данного применения. Например, использовать болты из нержавеющей стали А4 морского класса или латунь, если соединение будет контактировать с соленой водой.
- Визуальный контроль и обслуживание: крепеж в коррозионных средах должен регулярно проходить визуальный осмотр специалистами. Любой корродированный крепеж должен быть заменен.
Разрушение из-за ползучести
Ползучесть описывает процесс, при котором болт под постоянной нагрузкой может растягиваться или деформироваться с течением времени, особенно в условиях высоких температур. Первоначальное растяжение происходит из-за усилия предварительной затяжки — когда гайка накручивается на болт, она слегка растягивает его. Пока болт остается под нагрузкой, он может растягиваться больше в течение месяцев или лет, прежде чем в конечном итоге полностью разрушится.
Как предотвратить разрушение из-за ползучести
Ползучесть часто происходит с болтами в высокотемпературных условиях, таких как реактивные двигатели. Примите меры предосторожности против этой формы отказа крепежа, следуя приведенным ниже рекомендациям:
- Выбор материала: рассмотрите возможность выбора марки материала, устойчивого к ползучести, для вашего крепежа, если он может подвергаться воздействию высоких температур при нагрузке.
- Визуальный контроль и обслуживание: чтобы предотвратить опасные аварии, крепеж в ответственных соединениях, подверженный ползучести, должен регулярно проходить визуальный осмотр и при необходимости заменяться.
Часто задаваемые вопросы
Что вызывает разрушение болта?
Болты могут сломаться по многим причинам. Если превышен предел допустимой рабочей нагрузки (WLL), болт может не выдержать и сломаться; если болт подвергается повторяющимся циклическим нагрузкам, он может испытывать усталость, в результате чего образуются микроскопические трещины, пока он не сломается; если болт подвергается воздействию коррозионных сред, он может сломаться из-за коррозионного растрескивания под напряжением и т.д.
Помогает ли установка двух гаек на один болт?
Да, установка двух гаек на болт и их затяжка друг против друга помогает предотвратить самоотвинчивание. Эта дополнительная гайка (которая часто имеет половину ширины основной гайки) называется контргайкой.
Как определить, поврежден ли болт?
Внимательно осмотрите болт на наличие признаков повреждения, износа или коррозии. Убедитесь, что он не растянут и не деформирован, а гайка с обратной стороны все еще надежно закреплена. Для обнаружения микроскопических трещин (которые могут возникнуть из-за усталости или коррозионного растрескивания под напряжением) вам может потребоваться испытание с проникающим красителем или рентгеновский контроль.
Как предотвратить разрушение болта?
Предотвратите разрушение болта, выбрав болт достаточно прочный и большого диаметра, чтобы соответствовать требованиям монтажа. Устанавливайте болт в соответствии с инструкциями производителя и не пренебрегайте промышленным обслуживанием — регулярно осматривайте болты, подвергающиеся воздействию высоких температур и высоких напряжений, проверяя их на наличие трещин, коррозии, пластической деформации и других повреждений. Заменяйте все болты, которые находятся в неудовлетворительном состоянии.
Как остановить ослабление болтов из-за вибрации?
Чтобы остановить ослабление болтов из-за вибрации, выбирайте болты, гайки и шайбы, рекомендованные производителем для использования в условиях вибрации. Рассмотрите возможность использования стопорных гаек вместо стандартных и/или нанесения промышленного фиксатора резьбы для создания неразъемного соединения.
