มีสาเหตุหลายประการที่ทำให้โบลต์แตกหักรัด- โดยทั่วไปแล้ว ความเสียหายของสลักเกลียวเกิดจากปัจจัยความเครียด ความล้า การกัดกร่อน และการเปราะของไฮโดรเจน
สายฟ้าแตกหัก
1. ปัจจัยความเครียด
ความเครียดเกินปกติ (ความเครียดเกิน) มีสาเหตุจากแรงเฉือน แรงตึง การดัดงอ และแรงอัดอย่างใดอย่างหนึ่งหรือรวมกัน
นักออกแบบส่วนใหญ่พิจารณาการผสมผสานระหว่างแรงดึง แรงพรีโหลด และภาระการใช้งานจริงเพิ่มเติม แรงขันเบื้องต้นนั้นเป็นแรงภายในและเป็นแรงคงที่ ซึ่งจะบีบอัดส่วนประกอบของข้อต่อ โหลดที่ใช้งานได้จริงนั้นเป็นแรงภายนอก โดยทั่วไปจะเป็นแรงแบบวงกลม (แบบลูกสูบ) ที่ใช้กับตัวยึด
แรงดึงจะพยายามต้านทานการเปิดส่วนประกอบของข้อต่อ เมื่อโหลดเหล่านี้เกินขีดจำกัดครากของโบลต์ โบลต์จะเปลี่ยนจากการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่นเป็นการเปลี่ยนรูปแบบพลาสติก ส่งผลให้โบลต์เสียรูปอย่างถาวร ดังนั้นจึงไม่สามารถคืนสู่สถานะเดิมได้เมื่อโหลดภายนอกถูกลบออก ด้วยเหตุผลที่คล้ายกัน หากภาระภายนอกของสลักเกลียวเกินความต้านทานแรงดึงสูงสุด สลักเกลียวจะแตกหัก
การขันโบลต์ให้แน่นทำได้โดยการบิดด้วยแรงพรีโหลด ในระหว่างการติดตั้ง แรงบิดที่มากเกินไปทำให้เกิดการขันแน่นเกินไป และลดความต้านทานแรงดึงตามแนวแกนของตัวยึดโดยทำให้เกิดความเครียดเกิน กล่าวอีกนัยหนึ่ง โบลต์ที่ถูกบิดอย่างต่อเนื่องจะมีค่าผลผลิตต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับโบลต์ที่โดนแรงดึงและความตึงโดยตรง ด้วยวิธีนี้ โบลต์อาจคลานก่อนที่จะถึงค่าความต้านทานแรงดึงขั้นต่ำของมาตรฐานที่สอดคล้องกัน แรงบิดขนาดใหญ่สามารถเพิ่มแรงขันล่วงหน้าของโบลต์และลดการหลวมของข้อต่อได้เช่นเดียวกัน เพื่อเพิ่มแรงล็อค โดยทั่วไปแรงขันล่วงหน้าจะถูกตั้งค่าไว้ที่ขีดจำกัดบน ด้วยวิธีนี้ เว้นแต่ว่าความแตกต่างระหว่างกำลังครากและค่าความต้านทานแรงดึงสูงสุดจะมีน้อย โดยทั่วไปสลักเกลียวจะไม่ครากเนื่องจากแรงบิด
โหลดแรงเฉือนจะใช้แรงในแนวตั้งกับแกนตามยาวของสายฟ้า- ความเค้นเฉือนแบ่งออกเป็นความเค้นเฉือนเดี่ยวและความเครียดเฉือนคู่ จากข้อมูลเชิงประจักษ์ ความเค้นเฉือนเดี่ยวขั้นสุดท้ายจะอยู่ที่ประมาณ 65% ของความเค้นดึงขั้นสุดท้าย นักออกแบบหลายคนชอบการรับแรงเฉือนเนื่องจากใช้แรงดึงและแรงเฉือนของสลักเกลียว ส่วนใหญ่จะทำหน้าที่เหมือนเดือย ก่อให้เกิดการเชื่อมต่อที่ค่อนข้างง่ายสำหรับตัวยึดที่ถูกเฉือน ข้อเสียคือการเชื่อมต่อแบบเฉือนมีขอบเขตการใช้งานที่จำกัดและไม่สามารถใช้งานได้บ่อย เนื่องจากต้องใช้วัสดุและพื้นที่มากขึ้น เรารู้ว่าองค์ประกอบและความถูกต้องแม่นยำของวัสดุก็มีบทบาทสำคัญเช่นกัน อย่างไรก็ตาม ข้อมูลวัสดุที่แปลงความเค้นดึงเป็นโหลดเฉือนมักไม่มีข้อมูลดังกล่าว
แรงขันแน่นล่วงหน้าของตัวยึดจะส่งผลต่อความสมบูรณ์ของการเชื่อมต่อแบบเฉือน ยิ่งแรงพรีโหลดต่ำ ชั้นข้อต่อจะเลื่อนได้ง่ายขึ้นเมื่อสัมผัสกับสลักเกลียว ความสามารถในการรับน้ำหนักเฉือนคำนวณโดยการคูณจำนวนระนาบตามขวาง (ระนาบเฉือนหนึ่งระนาบเรียกว่าแรงเฉือนเดี่ยว และระนาบแรงเฉือนสองระนาบเรียกว่าแรงเฉือนสองครั้ง) ซึ่งควรเป็นหน้าตัดของสลักเกลียวที่ยังไม่ได้เกลียว เราไม่สนับสนุนการออกแบบแรงเฉือนผ่านเกลียว เนื่องจากค่าแรงเฉือนของตัวยึดสามารถเอาชนะได้ด้วยความเข้มข้นของความเค้นเมื่อหน้าตัดเปลี่ยนไป ในการพิจารณาค่าความต้านทานแรงเฉือนของตัวยึด นักออกแบบบางคนใช้พื้นที่ความเค้นดึง ในขณะที่บางคนชอบส่วนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็ก หากสลักเกลียวในการเชื่อมต่อแบบเฉือนถูกบิดเป็นค่าที่ระบุ (ดังแสดงในรูปที่ 2) พื้นผิวการผสมพันธุ์ของชั้นสัมผัสจะไม่สามารถเริ่มเลื่อนได้จนกว่าจะเกินความต้านทานแรงเสียดทานภายนอก การเพิ่มแรงเสียดทานระหว่างพื้นผิวผสมพันธุ์สามารถปรับปรุงความสมบูรณ์โดยรวมของการเชื่อมต่อได้ บางครั้ง เนื่องจากขนาดของชิ้นส่วนและข้อกำหนดด้านการออกแบบ จำนวนสลักเกลียวที่ต้องใช้อาจถูกจำกัด
รูปที่ 2: ไม่ว่าส่วนประกอบที่เชื่อมต่อจะเป็นแบบตัดเดี่ยวหรือแบบตัดสองครั้งก็ตาม พื้นผิวการตัดไม่ควรผ่านส่วนที่เป็นเกลียวของตัวยึด
นอกเหนือจากแรงดึงและแรงเฉือนแล้ว ความเค้นดัดงอเป็นภาระอีกประการหนึ่งที่โบลต์ประสบ เกิดจากแรงภายนอกที่ไม่ตั้งฉากกับแกนตามยาวของโบลต์ และอยู่บนพื้นผิวแบริ่งและการผสมพันธุ์ โดยรวมแล้ว ยิ่งการเชื่อมต่อตัวยึดง่ายขึ้น ความสมบูรณ์และความน่าเชื่อถือก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
2. ความเหนื่อยล้า
ขณะนี้ยังไม่มีกฎหมายเฉพาะที่กำหนดให้ซัพพลายเออร์ซื้อส่วนประกอบสำคัญที่สอดคล้องกับมาตรฐานอุตสาหกรรมในข้อบังคับที่เกี่ยวข้องสำหรับตัวยึดทางอุตสาหกรรม โดยเฉพาะอย่างยิ่งไม่ได้กล่าวถึงสาเหตุหลักของความล้มเหลวของตัวยึด - ความล้า ความเสียหายจากความล้าคาดว่าจะคิดเป็น 85% ของจำนวนความล้มเหลวของตัวยึดทั้งหมด
ความล้าของสลักเกลียวคือการกระทำอย่างต่อเนื่องของแรงดึงแบบไซคลิก ซึ่งส่งผลให้เกิดสลักเกลียวอยู่ภายใต้แรงพรีโหลดที่ค่อนข้างน้อยและภาระงานสลับกัน ภายใต้สภาวะโหลดคู่ดังกล่าวเป็นเวลานาน สลักเกลียวจะล้มเหลวเมื่อค่าความต้านทานแรงดึงที่กำหนดน้อยกว่า อายุความล้าถูกกำหนดโดยจำนวนและความกว้างของรอบความเครียดในการโหลด ตัวเชื่อมต่อแบบบีบอัดบางชนิด เช่น เครื่องอัด อุปกรณ์ปั๊ม และเครื่องจักรขึ้นรูป อาจประสบกับการแตกหักจากความเมื่อยล้าเช่นกัน ความเค้นคอมโพสิตหลายจุดถูกสร้างขึ้นระหว่างกำลังและพรีโหลดระหว่างการทำงาน ในการเคลื่อนไหวยืดกล้ามเนื้อซ้ำๆ จำนวนและความกว้างของการเปลี่ยนแปลงความเค้นจะได้รับผลกระทบจากระดับของความเหนื่อยล้าและความเสียหาย
ตัวยึดทางอุตสาหกรรมทั่วไป เช่น สกรูหกเหลี่ยม จะยืดออกอย่างต่อเนื่องและคืนรูปทรงเดิมภายในช่วงความยืดหยุ่นที่กำหนด หากอยู่ภายใต้ความเครียดที่เกินกว่าปกติและเกินช่วงความยืดหยุ่น พวกมันจะเกิดการเสียรูปอย่างถาวรจนกว่าจะแตกหักในที่สุด พฤติกรรมของการขยายและการกลับสู่สถานะขยายเรียกว่าวงจร สกรูหัวจมหกเหลี่ยมสามารถทนได้ประมาณ 240-10 รอบต่อวัน (สูงสุด) ดังแสดงในรูปที่ 3
รูปที่ 3 ปรับปรุงแผนภาพ Goodman
เส้นทแยงมุมประแสดงค่าเฉลี่ยของการสลับโหลดสกรูโดยมีความน่าจะเป็น 90% สำหรับ 10 ล้านรอบ เส้นทแยงมุมที่เกิดขึ้นจริงแสดงให้เห็นว่าเมื่อแรงขันสกรูล่วงหน้าถึง 100ksi ค่าเบี่ยงเบนสูงสุดระหว่างโหลดไดนามิกและความเค้นเฉลี่ยคือ 12ksi
ตัวยึดจะแตกในที่สุดเนื่องจากวงจรความเค้นซ้ำๆ จากจุดสูงสุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่ง การแตกหักมักเกิดขึ้นที่จุดที่เปราะบางที่สุดของตัวยึด ซึ่งวิศวกรเรียกว่า "พื้นที่ที่มีความเข้มข้นของความเครียดสูงสุด" เมื่อรอยแตกขนาดเล็กเกิดขึ้นที่จุดความเข้มข้นของความเครียดและยังคงได้รับความเครียดต่อไป รอยแตกร้าวจะแพร่กระจายอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดความเสียหายต่อความล้าของตัวยึด องค์กรที่ผลิตตัวยึดสำหรับใช้ในอุตสาหกรรมกำลังสำรวจกระบวนการขึ้นรูปใหม่ๆ อย่างต่อเนื่อง รวมถึงออกแบบและพัฒนาวิธีการผลิตใหม่ๆ ที่สามารถเอาชนะจุดอ่อนร้ายแรงที่กล่าวมาข้างต้นได้
ตำแหน่งที่เกิดความเมื่อยล้าที่พบบ่อยที่สุด ได้แก่ ข้อต่อ (เช่น ด้ายที่ใส่ครั้งแรก) เนื้อราก ด้าย และการสิ้นสุดของด้าย เนื่องจากการปรับปรุงความแข็งแรงของความล้าผ่านการพัฒนาวัสดุและวิธีการผลิตที่ดีขึ้นในอุตสาหกรรมการผลิต เกลียวจึงกลายเป็นจุดอ่อนที่สุดของตัวยึดและปัจจุบันมีสัดส่วนของความเสียหายสูงสุดจากความล้มเหลวของความล้า
ความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรความเค้นในการออกแบบและคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพของตัวยึดทำให้การกำหนดมาตรฐานความแข็งแรงของความล้าเป็นงานที่ยาก ปัจจุบัน เป็นกระบวนการที่ซับซ้อนในการกำหนดจำนวน "รอบที่จะแตกหัก" และวัดความแข็งแรงสัมพัทธ์ของชุดตัวยึด
3. การกัดกร่อน
อีกสาเหตุหนึ่งที่ทำให้เกิดการแตกหักของโบลต์คือการกัดกร่อน การกัดกร่อนมีหลายรูปแบบ รวมถึงการกัดกร่อนทั่วไป การกัดกร่อนทางเคมี การกัดกร่อนด้วยไฟฟ้า และการกัดกร่อนจากความเค้น การกัดกร่อนด้วยไฟฟ้าหมายถึงการที่ตัวยึดสัมผัสกับสารชื้นต่างๆ เช่น น้ำฝนหรือละอองกรด ซึ่งเป็นอิเล็กโทรไลต์ที่สามารถทำให้เกิดการกัดกร่อนทางเคมีของตัวยึดได้ ประการที่สอง เนื่องจากวัสดุของตัวยึดที่แตกต่างกัน ค่าศักย์ไฟฟ้าของพวกมันจึงแตกต่างกัน และความต่างศักย์ไฟฟ้าสามารถสร้าง "แบตเตอรี่ขนาดเล็ก" ได้อย่างง่ายดาย นักออกแบบควรเลือกวัสดุที่มีศักยภาพอิเล็กโทรไลต์ใกล้เคียงกันมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้โดยพิจารณาจากความเข้ากันได้ของโลหะ ขณะเดียวกันก็ขจัดเงื่อนไขในการสร้างอิเล็กโทรไลต์เพื่อป้องกันการแตกร้าวที่เกิดจากการกัดกร่อนของอิเล็กโทรไลต์
การกัดกร่อนจากความเค้นค่อนข้างจำกัด การกัดกร่อนจากความเค้นเกิดขึ้นภายใต้แรงดึงสูงและส่งผลกระทบต่อตัวยึดที่ทำจากเหล็กโลหะผสมที่มีความแข็งแรงสูงเป็นหลัก ตัวยึดที่ทำจากเหล็กโลหะผสม (โดยเฉพาะเหล็กที่มีส่วนประกอบของโลหะผสมสูง) มีแนวโน้มที่จะแตกร้าวภายใต้ความเครียด ในตอนแรก รอยแตกและหลุมมักเกิดขึ้นบนพื้นผิว จากนั้นจึงเกิดการกัดกร่อนเพิ่มเติม ซึ่งส่งเสริมการแพร่กระจายของรอยแตกร้าว อัตราการแพร่กระจายของรอยแตกร้าวถูกกำหนดโดยความเค้นบนสลักเกลียวและความเหนียวของการแตกหักของวัสดุ เมื่อวัสดุที่เหลือทำงานได้จนถึงจุดที่ไม่สามารถทนต่อแรงเค้นที่เกิดขึ้นได้ จะเกิดการแตกหัก
4. การแตกตัวของไฮโดรเจน
ตัวยึดเหล็กความแข็งแรงสูง (โดยทั่วไปมีความแข็งแบบร็อกเวลล์ที่ C36 หรือสูงกว่า) มีแนวโน้มที่จะเกิดการเปราะของไฮโดรเจนมากกว่า การเปราะของไฮโดรเจนเป็นสาเหตุหลักของการแตกหักของตัวยึด การแตกตัวของไฮโดรเจนเป็นปรากฏการณ์ที่อะตอมของไฮโดรเจนเข้าและกระจายไปทั่วเมทริกซ์ของวัสดุทั้งหมด เมื่ออะตอมไฮโดรเจนเข้าสู่เมทริกซ์ของวัสดุ เมทริกซ์จะเกิดการบิดเบี้ยวของโครงตาข่าย ซึ่งรบกวนสถานะสมดุลดั้งเดิม และทำให้แตกง่ายภายใต้แรงภายนอก เมื่อโหลดภายนอกถูกนำไปใช้กับสกรู,อะตอมไฮโดรเจนจะย้ายไปยังโซนความเครียดที่มีความเข้มข้นสูง ทำให้เกิดความเครียดอย่างมากระหว่างขอบของขอบเขตคริสตัล ซึ่งนำไปสู่การแตกหักระหว่างอนุภาคคริสตัลของตัวยึด
เมื่อตัวยึดมีไฮโดรเจนวิกฤตก่อนการติดตั้ง มักจะแตกหักภายใน 24 ชั่วโมง หากไฮโดรเจนเข้าไปในตัวยึดก็ไม่สามารถคาดเดาได้ว่าจะแตกเมื่อใด ดังนั้น เมื่อใช้ตัวยึดที่เกี่ยวข้อง ผู้ออกแบบควรระบุการคัดเลือกซัพพลายเออร์ด้วยกระบวนการเฉพาะทางและมีโอกาสเกิดการเปราะของไฮโดรเจนน้อยที่สุด
5. ปัจจัยอื่นๆ
การแตกหักของการเชื่อมต่อไม่ได้เกี่ยวข้องโดยตรงกับการแตกหักของตัวยึดที่รุนแรงเสมอไป ปัจจัยหลายประการที่เกี่ยวข้องกับตัวยึด เช่น การสูญเสียพรีโหลดหรือความล้าของการเชื่อมต่อตัวยึด อาจทำให้เกิดการสึกหรอได้ การเยื้องศูนย์ของตัวยึดอาจทำให้เกิดเสียงรบกวนและการรั่วไหลระหว่างการใช้งาน ซึ่งจำเป็นต้องมีการบำรุงรักษาโดยไม่ได้วางแผนเพื่อป้องกันการแตกหัก ตัวอย่างเช่น การสั่นสะเทือนสามารถลดความต้านทานเสียดทานของเกลียว และการเชื่อมต่อตัวยึดสามารถผ่อนคลายได้เนื่องจากการใช้งานโหลดหลังการติดตั้ง ปัจจัยเหล่านี้ประกอบกับการคืบของโบลต์ที่อุณหภูมิสูง อาจทำให้สูญเสียแรงพรีโหลดได้ บางครั้งการแตกหักของการเชื่อมต่ออาจเนื่องมาจากรูที่ทะลุผ่านมีขนาดใหญ่หรือเล็กเกินไป พื้นที่รับน้ำหนักเล็กเกินไป วัสดุอ่อนเกินไป หรือรับน้ำหนักสูงเกินไป สถานการณ์ใดๆ เหล่านี้จะไม่ทำให้เกิดการแตกหักของสลักเกลียวโดยตรง แต่จะส่งผลให้สูญเสียความสมบูรณ์ในการเชื่อมต่อหรือส่งผลให้สลักเกลียวแตกหักในที่สุด
