Analyse der häufigsten Ursachen für den Bruch von Befestigungsschrauben

Es gibt verschiedene Gründe für einen BolzenbruchVerbindungselemente. Im Allgemeinen werden Schraubenschäden durch Spannungsfaktoren, Ermüdung, Korrosion und Wasserstoffversprödung verursacht.

Bolzenbruch

1. Stressfaktor
Das Überschreiten der herkömmlichen Belastung (Überbeanspruchung) wird durch Scherung, Zug, Biegung und Druck oder durch eine Kombination daraus verursacht.
Die meisten Konstrukteure berücksichtigen zunächst die Kombination aus Zugbelastung, Vorspannkraft und zusätzlicher praktischer Belastung. Die Vorspannkraft ist im Wesentlichen eine interne und statische Kraft, die die Verbindungskomponenten zusammendrückt. Bei praktischen Belastungen handelt es sich um äußere, typischerweise zyklische (hin- und hergehende) Kräfte, die auf Verbindungselemente wirken.
Durch die Zugbelastung wird versucht, ein Öffnen der Gelenkteile zu verhindern. Wenn diese Belastungen die Streckgrenze der Schraube überschreiten, geht die Schraube von einer elastischen Verformung in eine plastische Verformung über, was zu einer bleibenden Verformung der Schraube führt. Daher kann der ursprüngliche Zustand nicht wiederhergestellt werden, wenn die externe Last entfernt wird. Aus ähnlichen Gründen bricht die Schraube, wenn die äußere Belastung auf die Schraube ihre maximale Zugfestigkeit überschreitet.
Das Anziehen der Schrauben erfolgt durch Drehen mit Vorspannkraft. Bei der Montage führt ein zu hohes Drehmoment zu einem Überdrehen und verringert die axiale Zugfestigkeit der Verbindungselemente, indem sie einer Überbeanspruchung ausgesetzt werden. Mit anderen Worten: Schrauben, die einer kontinuierlichen Torsion ausgesetzt sind, weisen im Vergleich zu Schrauben, die direkt einer Zug- und Zugbelastung ausgesetzt sind, geringere Streckgrenzen auf. Auf diese Weise kann es vorkommen, dass die Schraube nachgibt, bevor die Mindestzugfestigkeit der entsprechenden Norm erreicht wird. Ein großes Drehmoment kann die Vorspannkraft der Schraube erhöhen und entsprechend die Lockerheit der Verbindung verringern. Um die Schließkraft zu erhöhen, wird die Vorspannkraft im Allgemeinen auf einen oberen Grenzwert eingestellt. Auf diese Weise geben Schrauben im Allgemeinen nicht aufgrund von Torsion nach, es sei denn, der Unterschied zwischen Streckgrenze und Zugfestigkeit ist gering.
Eine Scherlast übt eine vertikale Kraft auf die Längsachse ausBolzen. Die Scherspannung wird in Einfachschubspannung und Doppelschubspannung unterteilt. Empirischen Daten zufolge beträgt die ultimative Einzelschubspannung etwa 65 % der ultimativen Zugspannung. Viele Konstrukteure bevorzugen Scherlasten, weil sie die Zug- und Scherfestigkeit von Schrauben nutzen. Sie wirken hauptsächlich wie Dübel und bilden relativ einfache Verbindungen für auf Scherung beanspruchte Verbindungselemente. Der Nachteil besteht darin, dass Scherverbindungen nur begrenzte Einsatzmöglichkeiten haben und nicht häufig eingesetzt werden können, da sie mehr Material und Platz erfordern. Wir wissen, dass auch die Zusammensetzung und Genauigkeit der Materialien eine entscheidende Rolle spielen. Materialdaten, die Zugspannung in Scherlast umrechnen, sind jedoch häufig nicht verfügbar.
Die Vorspannkraft der Befestigungselemente beeinflusst die Integrität der Scherverbindungen. Je geringer die Vorspannkraft ist, desto leichter gleitet die Verbindungsschicht beim Kontakt mit der Schraube. Die Schertragfähigkeit wird berechnet, indem die Anzahl der Querebenen multipliziert wird (eine Scherebene wird als Einzelscherebene bezeichnet, zwei Scherebenen werden als Doppelscherebene bezeichnet), die den Querschnitten von Schrauben ohne Gewinde entsprechen sollten. Wir raten davon ab, Schergewinde durch Gewinde zu konstruieren, da die Scherfestigkeit von Verbindungselementen durch Spannungskonzentration bei Querschnittsänderungen überwunden werden kann. Bei der Bestimmung der Scherfestigkeit von Verbindungselementen verwenden einige Konstrukteure den Zugspannungsbereich, während andere Abschnitte mit kleinem Durchmesser bevorzugen. Wenn der Bolzen in der Schubverbindung um den angegebenen Wert verdreht wird (wie in Abbildung 2 dargestellt), kann die Gegenfläche der Kontaktschicht erst dann ins Gleiten kommen, wenn der äußere Reibungswiderstand überschritten wird. Eine Erhöhung der Reibung zwischen den Passflächen kann die Gesamtintegrität der Verbindung verbessern. Manchmal ist die Anzahl der zu verwendenden Schrauben aufgrund der Größe der Teile und der Designanforderungen begrenzt.

Abbildung 2: Unabhängig davon, ob es sich bei der Verbindungskomponente um einen Einzelschnitt oder einen Doppelschnitt handelt, sollte die Schnittfläche nicht durch den Gewindeteil des Befestigungselements verlaufen
Neben Zug- und Scherbelastungen ist die Biegebeanspruchung eine weitere Belastung für Schrauben, die durch äußere Kräfte verursacht wird, die nicht senkrecht zur Längsachse der Schraube stehen und an den Lager- und Gegenflächen wirken. Generell gilt: Je einfacher die Verbindungsverbindung, desto größer ist ihre Integrität und Zuverlässigkeit.
2. Müdigkeit
Derzeit gibt es in den einschlägigen Vorschriften für industrielle Verbindungselemente keine spezifische Gesetzgebung, die Zulieferer anweist, Schlüsselkomponenten zu kaufen, die den Industriestandards entsprechen, insbesondere ohne die Hauptursache für das Versagen von Verbindungselementen – Ermüdung – zu erwähnen. Schätzungen zufolge sind Ermüdungsschäden für 85 % aller Versagen von Verbindungselementen verantwortlich.
Die Ermüdung bei Schrauben ist die kontinuierliche Einwirkung zyklischer Zugbelastungen, die zuSchraubenrelativ geringen Vorspannkräften und wechselnden Arbeitsbelastungen ausgesetzt sind. Unter solchen Doppellastbedingungen über einen längeren Zeitraum versagen Schrauben, wenn ihre Nennzugfestigkeit weniger als beträgt. Die Ermüdungslebensdauer wird durch die Anzahl und Amplitude der Belastungszyklen bestimmt. Bei einigen komprimierten Steckverbindern wie Pressen, Stanzgeräten und Formmaschinen kann es ebenfalls zu Ermüdungsbrüchen kommen. Im Betrieb entstehen mehrere Verbundspannungen zwischen Kraft und Vorspannung. Bei wiederholten Dehnbewegungen werden Anzahl und Amplitude der Spannungsänderungen vom Grad der Ermüdung und Schädigung beeinflusst.
Typische industrielle Verbindungselemente wie Sechskantschrauben dehnen sich ständig aus und nehmen innerhalb eines bestimmten Elastizitätsbereichs wieder ihre ursprüngliche Form an. Bei Belastungen, die über das Normale und den elastischen Bereich hinausgehen, verformen sie sich dauerhaft und brechen schließlich. Das Verhalten des Ausdehnens und Zurückkehrens in einen erweiterten Zustand wird als Zyklus bezeichnet. Eine Innensechskantschraube hält maximal etwa 240-10 Grad Zyklen pro Tag stand, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3 Verbessertes Goodman-Diagramm

Die gestrichelte Diagonale gibt den Durchschnittswert der wechselnden Schraubenbelastung mit einer Wahrscheinlichkeit von 90 % für 10 Millionen Zyklen an. Die tatsächliche diagonale Linie zeigt, dass die maximale Abweichung zwischen der dynamischen Belastung und der durchschnittlichen Spannung 12 ksi beträgt, wenn die Voranzugskraft der Schraube 100 ksi erreicht.
Aufgrund der wiederholten Belastungszyklen von Spitze zu Spitze kommt es schließlich zu Rissen in den Befestigungselementen. Ein Bruch tritt normalerweise an der empfindlichsten Stelle des Verbindungselements auf, die von Ingenieuren als „Bereich maximaler Spannungskonzentration“ bezeichnet wird. Sobald Mikrorisse am Spannungskonzentrationspunkt auftreten und weiterhin Spannungen ausgesetzt sind, breiten sich die Risse schnell aus und verursachen Ermüdungsschäden am Befestigungselement. Unternehmen, die Verbindungselemente für den industriellen Einsatz herstellen, erforschen ständig neue Formverfahren und entwerfen und entwickeln neue Herstellungsmethoden, die die oben genannten fatalen Schwächen überwinden können.
Zu den häufigsten Stellen für Ermüdungsversagen gehören die Verbindung (dh das erste belastete Gewinde), die Wurzelkehle, das Gewinde und der Gewindeabschluss. Aufgrund der Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit durch die Entwicklung besserer Materialien und Produktionsmethoden in der Fertigungsindustrie sind Gewinde zum schwächsten Punkt von Verbindungselementen geworden und stellen derzeit den höchsten Anteil an Schadensursachen bei Ermüdungsversagen dar.
Die Wechselbeziehung zwischen den Spannungsvariablen in der Konstruktion und den Leistungsmerkmalen von Verbindungselementen macht die Festlegung von Ermüdungsfestigkeitsstandards zu einer schwierigen Aufgabe. Derzeit ist es ein komplexer Prozess, die Anzahl der „Zyklen bis zum Bruch“ zu bestimmen und die relative Festigkeit einer Reihe von Verbindungselementen zu messen.
3. Korrosion
Ein weiterer Grund für Bolzenbrüche ist Korrosion. Korrosion hat viele Formen, einschließlich gewöhnlicher Korrosion, chemischer Korrosion, elektrolytischer Korrosion und Spannungskorrosion. Unter elektrolytischer Korrosion versteht man die Einwirkung verschiedener feuchter Substanzen wie Regenwasser oder Säurenebel auf Befestigungselemente. Dabei handelt es sich um Elektrolyte, die eine chemische Korrosion der Befestigungselemente verursachen können. Zweitens sind ihre elektrolytischen Potentiale aufgrund der unterschiedlichen Materialien der Befestigungselemente unterschiedlich, und durch die Potentialdifferenz können leicht „Mikrobatterien“ entstehen. Konstrukteure sollten Materialien mit möglichst ähnlichen Elektrolytpotentialen auf der Grundlage der Kompatibilität der Metalle auswählen und gleichzeitig die Bedingungen für die Elektrolyterzeugung eliminieren, um Risse durch elektrolytische Korrosion zu verhindern.
Spannungskorrosion ist relativ begrenzt. Spannungskorrosion tritt bei hohen Zugbelastungen auf und betrifft vor allem Verbindungselemente aus hochfestem legiertem Stahl. Verbindungselemente aus legiertem Stahl (insbesondere Stahl mit hoher Legierungszusammensetzung) neigen unter Belastung zur Rissbildung. Zu Beginn bilden sich meist Risse und Grübchen an der Oberfläche, anschließend kommt es zu weiterer Korrosion, die die Rissausbreitung fördert. Die Geschwindigkeit der Rissausbreitung wird durch die Belastung der Schraube und die Bruchzähigkeit des Materials bestimmt. Wenn das verbleibende Material so weit funktioniert, dass es der ausgeübten Belastung nicht mehr standhalten kann, kommt es zum Bruch.
4. Wasserstoffversprödung
Verbindungselemente aus hochfestem Stahl (im Allgemeinen mit einer Rockwell-Härte von C36 oder höher) sind anfälliger für Wasserstoffversprödung. Wasserstoffversprödung ist die Hauptursache für den Bruch von Verbindungselementen. Wasserstoffversprödung ist ein Phänomen, bei dem Wasserstoffatome in die gesamte Materialmatrix eindringen und dort diffundieren. Wenn Wasserstoffatome in die Materialmatrix eindringen, erfährt die Matrix eine Gitterverzerrung, wodurch der ursprüngliche Gleichgewichtszustand gestört wird und es unter äußeren Kräften leicht zu Rissen kommt. Wenn eine externe Last auf das einwirktschrauben,Wasserstoffatome wandern in die hochkonzentrierte Spannungszone und verursachen erhebliche Spannungen zwischen den Rändern der Kristallgrenzen, die zum Bruch zwischen den Kristallpartikeln des Befestigungselements führen.
Wenn Verbindungselemente vor der Installation kritischen Wasserstoff enthalten, brechen sie normalerweise innerhalb von 24 Stunden. Wenn Wasserstoff in das Verbindungselement eindringt, lässt sich nicht vorhersagen, wann es brechen wird. Daher sollten Konstrukteure bei der Verwendung relevanter Verbindungselemente die Auswahl von Lieferanten mit speziellen Prozessen und minimaler potenzieller Wasserstoffversprödung festlegen.
5. Andere Faktoren
Ein Verbindungsbruch steht nicht immer in direktem Zusammenhang mit einem katastrophalen Verbindungsbruch. Viele Faktoren im Zusammenhang mit Verbindungselementen, wie z. B. der Verlust der Vorspannung oder die Ermüdung der Verbindungselemente, können zu Verschleiß führen. Der Mittenversatz der Befestigungselemente kann während des Gebrauchs zu Geräuschen und Undichtigkeiten führen und eine ungeplante Wartung erforderlich machen, um einen Bruch zu verhindern. Vibrationen können beispielsweise den Reibungswiderstand von Gewinden verringern und Befestigungsverbindungen können sich durch die Anwendung von Arbeitslasten nach der Installation entspannen. Diese Faktoren können zusammen mit dem Kriechen der Schrauben bei hohen Temperaturen zum Verlust der Vorspannkraft führen. Manchmal ist der Bruch der Verbindung darauf zurückzuführen, dass das Durchgangsloch zu groß oder zu klein ist, die Auflagefläche zu klein ist, das Material zu weich ist oder die Belastung zu hoch ist. Jede dieser Situationen führt nicht zu einem direkten Bruch der Schraube, führt jedoch zum Verlust der Verbindungsintegrität oder schließlich zum Bruch der Schraube.