عوامل شکست اتصالات پیچ و مهره ای

برای بررسی پدیده شکست پیچ و مهره شکل زیر را در نظر بگیرید. شکل شماره یک اتصال پیچ و مهره شش گوش استاندارد آمریکایی را نشان می دهد. شکل شماره دو همان پیچ را از روی گل نشان داده که نام تولید کننده و سه خط که معرف پیچ گرید 5 در دستگاه آمریکایی است را نشان می دهد که طبق استاندارد حداقل تنسایل 120 ksi را دارد. اتصالات پیچ و مهره ممکن است تحت هزاران پوند بار کششی، خمشی، پیچشی و در اتصالات دینامیک تحت بارهای متناوب قرار گیرند. زمانیکه اتصال پیچ و مهره توانایی تحمل یک بار یا تلفیقی از چند بار وارد شده را نداشته باشد از هم جدا می شود. این جدایی ممکن است بصورت خوردگی و هرزی رزوه های پیچ یا مهره و یا هر دو اتفاق بیافتد و یا از طریق شکست پیچ. این پدید را در اصطلاح Failure یا شکست پیچ و مهره می گویند.

اتصالات پیچ و مهره ای پرکاربردترین نوع اتصالات در صنایع سبک و سنگین هستند و شکست این اتصالات می تواند حوادث هولناکی چون جدا شدن چرخ ماشین، ریزش پل، سقوط هواپیما، غرق شدن کشتی و نشت مواد سمی و رادیواکتیو را به همراه داشته باشد. در این مقاله به تشریح دلایل اصلی شکست اتصالات پیچ و مهره ای می پردازیم. دسترسی به این دلایل با بررسی حوادث و شکست های متعدد اتصالات پیچ و مهره ای بوجود آمده و مطالعه آنها می تواند راه را برای انتخاب مناسب تر و دقیق تر این اتصالات بسته به محل بکارگیری پیچ و مهره هموار نماید.

1. شکست در اثر اعمال بار بیش از حد بر اتصالات پیچ و مهره ای

حوادث و اتفاقات بسیار متعددی می تواند موجب اعمال بار ناگهانی و بیش از حد مجاز به اتصالات پیچ و مهره ای شود مثل برخورد یک کامیون به پایه ی یک پل بتنی. در این مورد و موارد مشابه اتصال پیچ و مهره می تواند دچار شکست بر اثر بار اعمالی بیش از حد شود. شکل شماره 3 سطح مقطع پیچ شکسته شده در ناحیه رزوه را نشان می دهد. زاویه شکست 45 درجه در مقطع کاملا شکسته شده نشان از اعمال بار تنسایل بالا دارد. سطح براق و دنده های منظم این پیچ نشان از آن دارد که نه در اثر خوردگی یا زنگ زدگی بلکه در اثر اعمال بیش از حد شکسته است. در این وضعیت مابقی پیچ های این سازه نیز دچار شکست شده و بار وارده به این پیچ نیز منتقل شده است. شکل شماره 4 سطح مقطع شکسته شده یک دنده فرمان لودر را نشان می دهد. تصور ابتدایی این است که شکسته شدن این دنده موجب تصادف شده باشد. اما بررسی میکروسکوپیک این سطح، زاویه شکست 45 درجه سرتاسری و سطح براق حاکی از آن است که شکست این قطعه عامل تصادف نبوده و در واقع این قطعه بر اثر تصادف و اعمال ناگهانی بار شکسته است.

2. شکست بر اثر عدم وجود سیستم قفل کننده اتصالات پیچ و مهره

برای جلوگیری از باز شدن و شل شدن اتصالات پیچ و مهره های بر اثر لرزش و بار دینامیکی از مکانیزم های قفل کننده متفاوتی استفاده می شود. این روش ها شامل واشر های قفلی، مهره های قفلی، مهره های گیر دار، تغییر فورم مکانیکی، بستن توسط سیم، انکرهای انبساطی و … می شود. ماشین ها و اتصالاتی که در معرض بار مکانیکی و لرزش هستند معمولا به نوعی سیستم قفل کننده اتصالات پیچ و مهره مجهز هستند. عدم وجود سیستم های قفل کننده در اتصالات پیچ و مهره ای این ماشین آلات می تواند موجب حادثه و یا خسارت جبران ناپذیری گردد. شکل شماره 7 موتور یک بالابر را نشان می دهد و شکل 8 پیچی را که بدلیل عدم استفاده از مکانیزم قفل کننده بر اثر لرزش از موقعیت خارج شده و موجب جدا شدن دنده نگهدارنده و افتادن بار گردیده است. شایان ذکر است، منظور از شکست اتصال پیچ و مهره حتما شکست فیزیکی یکی از اجزا نبوده و هر گونه از کار افتادگی در این سیستم شکست محسوب می شود.

3. شکست اتصالات پیچ و مهره ای بر اثر خستگی فلزات

پدیده خستگی فلزات بر اثر رشد ترکهای ریز در ساختمان فلز بر اثر بارگذاری سیکلی یا متناوب اتفاق می افتد. ترک های بسیار کوچک میکروسکوپی در ساختار فلز پیچ و مهره ها معمولا بر اثر ضربه پرس هنگام شکل دهی به گل پیچ و یا بر اثر تمرکز لحظه ای تنش حاصل از اعمال بار بوجود می آیند. این ترک های کوچک بر اثر اعمال بار متناوب به تدریج رشد کرده و به اندازه ای می رسند که دیگر توان تحمل بار را ندارند و موجب شکست پیچ می شوند. شکل زیر سطح مقطع یک پیچ شکسته شده بر اثر خستگی فلز را نشان می دهد. شیار های کوچک کناری نقاطی هستند که ترک های ذره بینی بوجود آمده و رشد کرده اند و قسمت براق ناحیه وسط قسمتی است که بصورت لحظه ای پیچ بر اثر کاهش سطح مقطع و استحکام شکسته است.

4. شکست اتصالات پیچ و مهره ای بر اثر اعمال گشتاور نا مناسب

پیچ و مهره در هنگام اتصال باید به اصطلاح سفت شوند. اما این سفت شدن مبنا و مقدار کنترل شده ای دارد که به آن بار اولیه یا Preload گفته می شود. میزان گشتاوری که برای اتصال پیچ و مهره ها استفاده می شود باید به اندازه ای باشد که اولا این اتصالات نقش مکانیکی خود را در محکم نگه داشتن قطعات حفظ کنند و از طرفی دچار بار بیش از حد و شکست نشوند. میزان این گشتاور برای موتر سیکلت ها 100 الی 400 فوت-پوند بسته به وزن و قدرت موتور سیکلت متفاوت می باشد. اعمال گشتاور اولیه نامناسب، بالاتر یا پایین تر از حد مجاز، موجب شکست اتصالات پیچ و مهره ای می شود.

شکل 10 تصویری از یک پیچ را در مقایسه با پیچ کار نکرده نشان می دهد که بر اثر اعمال گشتاور اولیه نامناسب شکسته است. شکل 11 نیز پیچی را نشان می دهد که بر اثر اعمال گشتاور اولیه بیش از حد دچار شکست له شدگی گردیده.

5. شکست اتصالات پیچ و مهره ای بر اثر خوردگی

زمانیکه پیچ و مهره در تماس با عوامل خورنده محیطی مثل گرما، رطوبت، نمک های معدنی، محیط های اسیدی و آمونیاکی و … قرار می گیرند و جنس آنها و یا نوع آبکاری سطحی آنها برای مواجه شدن با این محیط ها آماده سازی نشده باشد دچار خوردگی می شوند. این خوردگی ها از سطح پیچ و مهره شروع شده و به تدریج و با گذر زمان به لایه های درونی تر نفوذ کرده و ساختار فلز را پوک می کند. ناحیه زنگ زده یا اکسیده شده و خورده شده کاهش سطح مقطع مقاومتی پیچ و مهره را به همراه داشته و علاوه بر این در نقاطی که سرعت خوردگی بیشتر باشد تمرکز تنش را نیز به همراه خواهد داشت که هر دو از عوامل موثر در شکست اتصالات پیچ و مهره ای بشمار می آیند.

پیچ و مهره