Cıvata kırılmasının çeşitli nedenleri vardır.bağlantı elemanları. Genel olarak konuşursak, cıvata hasarına stres faktörü, yorulma, korozyon ve hidrojen gevrekleşmesi neden olur.
Cıvata kırığı
1. Stres faktörü
Geleneksel gerilimin (aşırı gerilim) aşılması, kesme, çekme, bükme ve sıkıştırmanın herhangi birinden veya bunların birleşiminden kaynaklanır.
Tasarımcıların çoğu öncelikle çekme yükü, ön yük kuvveti ve ek pratik yükün birleşimini düşünür. Ön sıkma kuvveti temelde dahili ve statiktir ve bağlantı bileşenlerini sıkıştırır. Pratik yükler, bağlantı elemanlarına uygulanan harici, tipik olarak döngüsel (karşılıklı) kuvvetlerdir.
Çekme yükü, bağlantı bileşenlerinin açılmasına karşı koymaya çalışır. Bu yükler cıvatanın akma sınırını aştığında cıvata elastik deformasyondan plastik deformasyona geçer ve bu da cıvatanın kalıcı deformasyonuna neden olur. Bu nedenle dış yük kaldırıldığında eski durumuna döndürülemez. Benzer sebeplerden dolayı cıvataya gelen dış yük nihai çekme mukavemetini aşarsa cıvata kırılır.
Cıvata sıkma ön yük kuvvetiyle bükülerek sağlanır. Montaj sırasında aşırı tork, aşırı sıkmaya neden olur ve bağlantı elemanlarını aşırı gerilime maruz bırakarak eksenel çekme mukavemetini azaltır. Yani sürekli burulmaya maruz kalan cıvatalar, doğrudan çekme ve çekme etkisine maruz kalan cıvatalara göre daha düşük akma değerlerine sahiptir. Bu şekilde cıvata, ilgili standardın minimum çekme mukavemetine ulaşmadan akabilir. Büyük bir tork, cıvatanın ön sıkma kuvvetini artırabilir ve buna bağlı olarak bağlantının gevşekliğini azaltabilir. Kilitleme kuvvetini arttırmak için ön sıkma kuvveti genellikle bir üst sınıra ayarlanır. Bu şekilde akma dayanımı ile nihai çekme dayanımı arasındaki fark küçük olmadığı sürece cıvatalar genellikle burulma nedeniyle akmayacaktır.
Kesme yükü, kirişin boyuna eksenine dikey bir kuvvet uygular.sürgü. Kayma gerilimi tek kayma gerilimi ve çift kayma gerilimi olarak ikiye ayrılır. Ampirik verilere göre nihai tek kayma gerilimi, nihai çekme geriliminin yaklaşık %65'idir. Birçok tasarımcı, cıvataların çekme ve kesme mukavemetinden yararlandıkları için kesme yüklerini tercih etmektedir. Çoğunlukla dübel görevi görürler ve kesmeye maruz kalan bağlantı elemanları için nispeten basit bağlantılar oluştururlar. Dezavantajı ise kesme bağlantılarının sınırlı uygulama alanına sahip olması ve daha fazla malzeme ve alan gerektirmesi nedeniyle sık kullanılamamasıdır. Malzemelerin bileşiminin ve doğruluğunun da belirleyici bir rol oynadığını biliyoruz. Ancak çekme gerilimini kesme yüküne dönüştüren malzeme verileri çoğu zaman mevcut değildir.
Bağlantı elemanlarının ön sıkma kuvveti kesme bağlantılarının bütünlüğünü etkiler. Ön yük kuvveti ne kadar düşük olursa, bağlantı katmanının cıvatayla temas ettiğinde kayması o kadar kolay olur. Kesme yükü kapasitesi, dişsiz cıvataların kesitleri olması gereken enine düzlemlerin sayısı (bir kesme düzlemi tek kesme olarak adlandırılır ve iki kesme düzlemi çift kesme olarak adlandırılır) çarpılarak hesaplanır. Bağlantı elemanlarının kesme mukavemeti, kesit değiştiğinde stres konsantrasyonunun üstesinden gelebileceğinden, dişlerin içinden kesme tasarımını savunmuyoruz. Bağlantı elemanlarının kayma mukavemetini belirlerken, bazı tasarımcılar çekme gerilmesi alanını kullanırken diğerleri küçük çaplı kesitleri tercih etmektedir. Kesme bağlantısındaki cıvata belirtilen değere kadar bükülürse (Şekil 2'de gösterildiği gibi), temas katmanının birleşme yüzeyi dışarıdaki sürtünme direncini aşıncaya kadar kaymaya başlayamaz. Birleşen yüzeyler arasındaki sürtünmenin arttırılması, bağlantının genel bütünlüğünü iyileştirebilir. Bazen parçaların büyüklüğü ve tasarım gereklilikleri nedeniyle kullanılması gereken cıvata sayısı sınırlı olabilir.
Şekil 2: Bağlantı elemanının tek kesimli ya da çift kesimli olmasına bakılmaksızın kesme yüzeyi bağlantı elemanının dişli kısmından geçmemelidir.
Çekme ve kesme yüklerine ek olarak, cıvatanın boyuna eksenine dik olmayan ve yatak ve birleşme yüzeylerinde bulunan dış kuvvetlerin neden olduğu, cıvataların maruz kaldığı başka bir yük de bükülme gerilimidir. Genel olarak, bağlantı elemanı bağlantısı ne kadar basit olursa bütünlüğü ve güvenilirliği de o kadar fazla olur.
2. Yorgunluk
Şu anda, özellikle bağlantı elemanı arızasının ana nedeni olan yorgunluktan bahsetmeden, tedarikçileri endüstriyel bağlantı elemanlarına ilişkin ilgili düzenlemelerde endüstriyel standartlara uygun temel bileşenleri satın almaya yönlendiren özel bir mevzuat bulunmamaktadır. Yorulma hasarının, toplam bağlantı elemanı arızası sayısının %85'ini oluşturduğu tahmin edilmektedir.
Cıvatalardaki yorulma, döngüsel çekme yüklerinin sürekli etkisidir.cıvatalarnispeten küçük ön yükleme kuvvetlerine ve değişken çalışma yüklerine maruz kalır. Uzun süre bu tür ikili yük koşulları altında cıvataların nominal çekme mukavemeti 2.000'den az olduğunda arızalanır. Yorulma ömrü, yükleme stres çevrimlerinin sayısı ve büyüklüğü ile belirlenir. Presler, damgalama ekipmanı ve kalıplama makineleri gibi bazı sıkıştırılmış konektörlerde de yorulma kırılması yaşanabilir. Çalışma sırasında güç ve ön yük arasında çoklu kompozit gerilimler üretilir. Tekrarlanan esneme hareketlerinde stres değişikliklerinin sayısı ve şiddeti, yorgunluk ve hasarın derecesinden etkilenir.
Altıgen vidalar gibi tipik endüstriyel bağlantı elemanları sürekli olarak uzar ve belirli bir esneklik aralığı dahilinde orijinal şekillerine geri döner. Normalin ötesinde ve elastik aralığın ötesinde strese maruz kalırlarsa, sonunda kırılıncaya kadar kalıcı deformasyona uğrayacaklardır. Uzatma ve genişletilmiş duruma geri dönme davranışına döngü denir. Altıgen bir soket vida, Şekil 3'te gösterildiği gibi günde yaklaşık 240-10 derecelik döngülere (maksimum) dayanabilir.
Şekil 3 Geliştirilmiş Goodman diyagramı
Noktalı köşegen, 10 milyon döngü için %90 olasılıkla alternatif vida yükünün ortalama değerini gösterir. Gerçek çapraz çizgi, vida ön sıkma kuvveti 100ksi'ye ulaştığında dinamik yük ile ortalama gerilim arasındaki maksimum sapmanın 12ksi olduğunu gösterir.
Bağlantı elemanları, zirveden zirveye tekrarlanan stres döngüleri nedeniyle sonunda çatlayacaktır. Kırılma genellikle bağlantı elemanının mühendislerin "maksimum gerilim konsantrasyonu alanı" olarak adlandırdığı en hassas noktasında meydana gelir. Stres yoğunlaşma noktasında mikro çatlaklar meydana geldiğinde ve strese maruz kalmaya devam ettiğinde, çatlaklar hızla yayılarak bağlantı elemanında yorulma hasarına neden olur. Endüstriyel kullanıma yönelik bağlantı elemanları üreten işletmeler, sürekli olarak yeni kalıplama süreçlerini araştırıyor ve yukarıda bahsedilen ölümcül zayıflıkların üstesinden gelebilecek yeni üretim yöntemleri tasarlıyor ve geliştiriyor.
Yorulma arızasının en yaygın yerleri arasında bağlantı (yani ilk yüklenen diş), kök dolgusu, diş ve diş sonlandırması yer alır. İmalat endüstrisinde daha iyi malzeme ve üretim yöntemlerinin geliştirilmesi yoluyla yorulma mukavemetinin iyileştirilmesi nedeniyle, iplikler bağlantı elemanlarının en zayıf noktası haline gelmiş ve şu anda yorulma arızasında en yüksek hasara neden olan kısım haline gelmiştir.
Tasarımdaki gerilim değişkenleri ile bağlantı elemanlarının performans özellikleri arasındaki ilişki, yorulma mukavemeti standartlarının belirlenmesini zor bir görev haline getirmektedir. Şu anda, "kırılana kadar geçen döngülerin" sayısını belirlemek ve bir dizi bağlantı elemanının göreceli gücünü ölçmek karmaşık bir süreçtir.
3. Korozyon
Cıvata kırılmasının bir diğer nedeni korozyondur. Korozyonun, sıradan korozyon, kimyasal korozyon, elektrolitik korozyon ve stres korozyonu dahil olmak üzere birçok biçimi vardır. Elektrolitik korozyon, bağlantı elemanlarının kimyasal korozyona neden olabilecek elektrolitler olan yağmur suyu veya asit sisi gibi çeşitli nemli maddelere bağlantı elemanlarının maruz kalmasını ifade eder; İkincisi, bağlantı elemanlarının farklı malzemeleri nedeniyle elektrolitik potansiyelleri farklıdır ve potansiyel farkı kolayca "mikro piller" üretebilir. Tasarımcılar, elektrolitik korozyondan kaynaklanan çatlamayı önlemek için elektrolit oluşumu koşullarını ortadan kaldırırken, metallerin uyumluluğuna göre mümkün olduğunca benzer elektrolitik potansiyele sahip malzemeleri seçmelidir.
Gerilim korozyonu nispeten sınırlıdır. Gerilme korozyonu, yüksek çekme yükleri altında ortaya çıkar ve esas olarak yüksek mukavemetli alaşımlı çelikten yapılmış bağlantı elemanlarını etkiler. Alaşımlı çelikten (özellikle yüksek alaşım bileşimine sahip çelik) yapılan bağlantı elemanları, stres altında çatlamaya eğilimlidir. Başlangıçta genellikle yüzeyde çatlaklar ve çukurlar oluşur, daha sonra daha fazla korozyon meydana gelir ve bu da çatlağın ilerlemesini hızlandırır. Çatlak yayılma hızı, cıvata üzerindeki gerilime ve malzemenin kırılma tokluğuna göre belirlenir. Geriye kalan malzeme uygulanan strese dayanamayacak kadar işlev gördüğünde kırılma meydana gelir.
4. Hidrojen kırılganlığı
Yüksek mukavemetli çelik bağlantı elemanları (genellikle C36 veya daha yüksek Rockwell sertliğine sahip) hidrojen gevrekleşmesine daha yatkındır. Hidrojen kırılganlığı bağlantı elemanı kırılmasının ana nedenidir. Hidrojen gevrekleşmesi, hidrojen atomlarının tüm malzeme matrisine girip yayıldığı bir olgudur. Hidrojen atomları malzeme matrisine girdiğinde, matris kafes distorsiyonuna uğrar, orijinal denge durumu bozulur ve dış kuvvetler altında çatlaması kolaylaşır. Dışardan bir yük uygulandığındavida,Hidrojen atomları yüksek konsantrasyonlu gerilim bölgesine göç ederek kristal sınırlarının kenarları arasında önemli gerilime neden olur, bu da bağlantı elemanının kristal parçacıkları arasında kırılmaya yol açar.
Bağlantı elemanları kurulumdan önce kritik hidrojen içerdiğinde genellikle 24 saat içinde kırılırlar. Bağlantı elemanına hidrojen girerse ne zaman kırılacağını tahmin etmek imkansızdır. Bu nedenle, ilgili bağlantı elemanlarını kullanırken tasarımcılar, özel işlemlere sahip ve minimum potansiyel hidrojen kırılganlığına sahip tedarikçilerin seçimini belirtmelidir.
5. Diğer faktörler
Bağlantı kırılması her zaman doğrudan bağlantı elemanı kırılmasıyla doğrudan ilişkili değildir. Ön yük kaybı veya bağlantı elemanı bağlantılarının yorulması gibi bağlantı elemanlarıyla ilgili birçok faktör aşınma ve yıpranmaya neden olabilir; Bağlantı elemanlarının merkez ofseti kullanım sırasında gürültü ve sızıntı üretebilir, bu da kırılmayı önlemek için plansız bakım gerektirir. Örneğin titreşim, dişlerin sürtünme direncini azaltabilir ve bağlantı elemanı bağlantıları, kurulumdan sonra uygulanan iş yükleri nedeniyle gevşeyebilir. Bu faktörler, cıvataların yüksek sıcaklıktaki sürünmesiyle birlikte ön yük kuvvetinin kaybına neden olabilir. Bazen bağlantının kırılması, içinden geçen deliğin çok büyük veya çok küçük olmasına, dayanma alanının çok küçük olmasına, malzemenin çok yumuşak olmasına veya yükün çok fazla olmasına bağlanabilir. Bu durumlardan herhangi biri doğrudan cıvatanın kırılmasına neden olmaz, ancak bağlantı bütünlüğünün kaybolmasına veya sonunda cıvatanın kırılmasına neden olur.
