Nella produzione industriale e nelle applicazioni quotidiane delle apparecchiature, i bulloni fungono da elementi di collegamento principali responsabili del fissaggio, del collegamento e del supporto dei carichi strutturali. Durante il servizio a lungo-termine,bullonisono influenzati da molteplici fattori quali condizioni di carico, ambiente di lavoro, processi di produzione e qualità dell'assemblaggio, che possono facilmente portare a rotture per frattura. Ciò può ulteriormente causare l'arresto delle apparecchiature, guasti strutturali e persino gravi incidenti per la sicurezza. Questo documento introduce sistematicamente le forme comuni di frattura, i meccanismi di formazione, le caratteristiche macroscopiche della frattura da sovraccarico, le posizioni di frattura ad alto-rischio e gli stati di frattura in diverse condizioni di carico dei bulloni, fornendo supporto tecnico per la prevenzione dei guasti dei bulloni, la manutenzione delle apparecchiature e l'ottimizzazione dei processi.

I. Forme comuni di frattura dei bulloni

1. Frattura da sovraccarico

La frattura da sovraccarico si verifica quando il carico istantaneo applicato su un bullone supera la resistenza alla trazione ultima del materiale, appartenente alla tipica frattura statica duttile o fragile. Questo tipo di frattura avviene all'improvviso senza evidenti segni pre-di cedimento. Per i materiali duttili, la superficie di frattura presenta generalmente una forma a coppa-cono o una sezione inclinata a 45-gradi con superfici ruvide e significativa deformazione plastica. Per i bulloni fragili ad alta resistenza, la superficie di frattura è relativamente piatta con una deformazione plastica trascurabile.

Cause di frattura: una progettazione strutturale irragionevole porta alla selezione di bulloni sottodimensionati e a un margine di carico insufficiente, con conseguente funzionamento con sovraccarico a lungo termine. Anche condizioni di lavoro anomale improvvise, come carichi da impatto e sovraccarichi temporanei durante il funzionamento dell'apparecchiatura, possono causare un sovraccarico istantaneo del-limite. Ad esempio, i bulloni di collegamento dei meccanismi di sollevamento delle gru possono subire fratture da sovraccarico durante il sollevamento di carichi sovrappeso.

2. Frattura da fatica

La frattura per fatica è la forma di cedimento più comune dei bulloni. Sotto carichi ciclici a lungo-termine come tensione alternata, compressione, flessione e vibrazione, le microfessurazioni da fatica si originano nelle aree di concentrazione dello stress. Le fessure si espandono gradualmente con i cicli di carico, riducendo continuamente l'area portante effettiva, e alla fine portano a rotture improvvise anche se il carico di lavoro non supera il valore nominale. La frattura per fatica avviene senza evidente deformazione plastica. La superficie della frattura è generalmente liscia con la tipica struttura a conchiglia-o ad anello annuale-.

Cause di frattura: il movimento alternativo a lungo termine-e le vibrazioni ad alta-frequenza delle apparecchiature sottopongono i bulloni a sollecitazioni periodiche alternate. Ad esempio, i bulloni delle bielle dei motori delle automobili sopportano tensioni cicliche e carichi di compressione derivanti dal movimento alternativo ad alta-frequenza di pistoni e bielle, con conseguenti danni da fatica accumulati ed eventuali fratture per fatica.

3. Frattura da corrosione

Quando i bulloni lavorano in ambienti corrosivi, si verifica corrosione chimica o elettrochimica sul materiale di base, formando difetti superficiali come ruggine e corrosione per vaiolatura. Questi difetti riducono l'area di supporto effettiva e la resistenza meccanica dei bulloni, portando alla frattura in condizioni di carico di lavoro normali. Sulle superfici di frattura si possono osservare prodotti della corrosione come strati di ruggine e cavità di corrosione.

Cause di frattura: I bulloni utilizzati in ambienti umidi, corrosivi a base di sale-spruzzato o acido-a base acida sono soggetti a guasti per corrosione, come nel caso di strutture in acciaio strutturale vicino al mare e apparecchiature chimiche industriali. Ad esempio, i bulloni di collegamento sui ponti delle navi vengono continuamente erosi dall’acqua di mare e dalla nebbia salina, con conseguente degrado del materiale e frattura per corrosione.

4. Frattura da corrosione da stress

La frattura da tensocorrosione si riferisce alla frattura fragile che si verifica sotto l'azione combinata di sollecitazione di trazione costante e mezzi corrosivi specifici. La fessura cresce lentamente nella fase iniziale senza evidenti sintomi di cedimento e si verifica una frattura improvvisa una volta che la fessura raggiunge la dimensione critica. La superficie di frattura presenta una duplice caratteristica di rottura da stress e danno da corrosione.

Cause di frattura: Alcuni materiali dei bulloni possono generare ed espandere le cricche da tensocorrosione in condizioni di tensione di trazione bassa e costante in specifici ambienti corrosivi. Un caso tipico è la frattura da tensocorrosione di bulloni di acciaio inossidabile austenitico in ambienti ricchi di cloruro-.

5. Frattura da infragilimento da idrogeno

Durante la produzione o la manutenzione, gli atomi di idrogeno penetrano e si accumulano all'interno del materiale del bullone, formando molecole di idrogeno che producono un'enorme pressione interna. Ciò provoca la rottura del reticolo e la propagazione di microfessure, che alla fine portano a fratture fragili. L'infragilimento da idrogeno è un tipico cedimento fragile caratterizzato da superfici di frattura piane e nessuna evidente deformazione plastica.

Cause di frattura: Gli atomi di idrogeno penetrano nella matrice dell'acciaio durante la galvanica, il decapaggio acido, la fosfatazione e altri processi di trattamento superficiale senza un adeguato trattamento di deidrogenazione.Bulloni in acciaio- ad alta resistenzasono molto sensibili all’infragilimento da idrogeno. L'eccessiva concentrazione di ioni idrogeno nella soluzione di placcatura e i processi di deidrogenazione non qualificati sono i principali fattori che provocano la frattura da infragilimento da idrogeno.

6. Frattura causata da difetti di fabbricazione

I difetti interni e superficiali generati durante la produzione delle materie prime e la fabbricazione dei bulloni costituiscono fonti di concentrazione delle sollecitazioni. Sotto carico, la sollecitazione aumenta bruscamente nelle posizioni dei difetti, inducendo l'innesco e la rapida propagazione delle cricche, che alla fine portano alla frattura. Sulla superficie della frattura si possono chiaramente osservare le caratteristiche dei difetti di fabbricazione originali.

Cause di frattura: Difetti della materia prima quali inclusioni, porosità, cavità da ritiro e segregazione; un controllo improprio dei processi di forgiatura, trattamento termico e tornitura provoca cricche da tempra, cricche da molatura, segni di utensili e graffi.

II. Tre zone caratteristiche di frattura da sovraccarico dei bulloni

1. Zona Fibra

Posizione: Situato al centro della superficie di frattura, funge da zona di inizio della cricca e di propagazione iniziale.

Caratteristiche morfologiche: La superficie è ruvida e fibrosa con visibile deformazione plastica e aggregazione di microvuoti, caratteristica tipica della frattura duttile.

Meccanismo di formazione: Nella fase iniziale della frattura, il materiale del bullone subisce una reologia plastica sotto tensione. I microvuoti generano, crescono, si aggregano e si collegano per formare la morfologia fibrosa della frattura.

2. Zona irradiata

Posizione: Situato all'esterno della zona della fibra, corrispondente alla fase di rapida propagazione della cricca.

Caratteristiche morfologiche: La superficie della frattura è relativamente piatta con evidenti strutture radiali o a spina di pesce che si estendono verso l'esterno dal centro.

Meccanismo di formazione: Quando la fessura iniziale si espande fino alla dimensione critica, entra nella fase di rapida propagazione. Una forte concentrazione di stress all'apice della cricca provoca una rapida lacerazione transgranulare o intergranulare, formando la morfologia della frattura radiale.

3. Zona del labbro di taglio

Posizione: Distribuito sul bordo più esterno della superficie di frattura, formatosi nella fase finale della frattura.

Caratteristiche morfologiche: La superficie è liscia e inclinata con tipiche caratteristiche di scorrimento a taglio, formando un labbro di taglio anulare, che è la caratteristica finale della frattura duttile.

Meccanismo di formazione: Nella fase finale della frattura, il materiale residuo scivola e si lacera lungo il piano di taglio massimo sotto stress elevato, producendo una deformazione plastica di taglio e formando la struttura del labbro di taglio.

III. Posizioni comuni della frattura da sovraccarico del bullone

1. Primo dente della filettatura vicino alla superficie di appoggio del dado

I carichi delle connessioni bullonate vengono trasmessi principalmente attraverso l'ingranamento dei denti filettati. Il primo dente della filettatura vicino alla superficie di appoggio del dado sopporta il carico maggiore e presenta la concentrazione di sollecitazioni più grave. È la posizione più suscettibile alla frattura da sovraccarico durante il servizio a lungo termine.

2. Radice della filettatura nella transizione tra la testa del bullone e il gambo

La radice del filetto presenta bruschi cambiamenti geometrici e un elevato coefficiente di concentrazione degli sforzi. Con stati di sollecitazione complessi, diventa il punto debole strutturale dei bulloni ed è soggetto a fratture in caso di sovraccarico e carichi di impatto.

3. Zona di transizione tra il gambo liscio e la sezione filettata

Cambiamenti improvvisi nelle dimensioni e nella struttura della sezione trasversale- alla giunzione tra il gambo liscio e la sezione filettata causano un'evidente concentrazione dello stress e una distribuzione non uniforme dello stress. Questa posizione genera facilmente l'innesco di cricche in condizioni di sovraccarico e porta alla rottura della frattura.

IV. Stati di frattura dei bulloni sotto diverse forme di carico

1. Frattura sotto sforzo di trazione

Si possono osservare la tipica frattura del cono della tazza- e un evidente allungamento generale e deformazione del collo. Per i bulloni ad alta-tenacità sottoposti a sovraccarico di trazione, la sezione finale della frattura forma un angolo di taglio di circa 45 gradi con l'asse del bullone, appartenente alla tipica frattura da sovraccarico duttile, che si verifica principalmente nella posizione debole della radice della filettatura.

2. Frattura sotto stress da impatto e momento flettente

Sulla superficie della frattura si possono osservare strutture radiali e labbri di taglio, mentre i labbri di taglio sono incompleti e distribuiti in modo non uniforme senza una forma anulare completa. La frattura presenta una lieve deformazione plastica ed evidenti caratteristiche di fragilità, causate principalmente da urti istantanei e carichi di flessione.

3. Frattura sotto stress combinato di torsione e tensione

Sotto carichi combinati di torsione e trazione, la superficie della frattura mostra evidenti strutture torsionali vorticose, nonché morfologie a forma di mezzaluna o di ventaglio-. La distorsione e l'offset della frattura sono formati dallo scivolamento relativo e dallo strappo dei materiali lungo il piano di taglio sotto la forza di taglio torsionale.