工業生産や日常設備の用途において、ボルトは構造上の荷重を固定、接続し、支える役割を担うコア接続ファスナーとして機能します。長期勤務中は、-ボルト負荷条件、作業環境、製造プロセス、組立品質などの複数の要因の影響を受けるため、容易に破損につながる可能性があります。これにより、さらに機器の停止、構造上の故障、さらには重大な安全事故が発生する可能性があります。この論文では、一般的な破壊形態、形成メカニズム、過負荷破壊の巨視的破壊特性、ボルトのさまざまな荷重条件下での高リスク破壊位置と破壊状態を体系的に紹介し、ボルトの破損防止、設備のメンテナンス、プロセスの最適化に対する技術サポートを提供します。-
I. ボルトの一般的な破壊形態
1. 過負荷破壊
過負荷破壊は、ボルトにかかる瞬間的な荷重が材料の極限引張強さを超えると発生し、典型的な静的延性破壊または脆性破壊に属します。このタイプの骨折は、明らかな故障前の兆候なしに突然発生します。-延性材料の場合、破面は一般にカップ-円錐形状、または粗い表面と大きな塑性変形を伴う 45- 度の傾斜部分を示します。高強度脆性ボルトの場合、破断面は比較的平坦であり、塑性変形は無視できます。
骨折の原因: 不合理な構造設計により、過小なボルトが選択され、負荷マージンが不十分となり、長期にわたる過負荷運転が発生します。{0}}機器の動作中の衝撃荷重や一時的な過負荷などの突然の異常な動作条件によっても、瞬間的な限界超過負荷が発生する可能性があります。-たとえば、クレーン吊り上げ機構の接続ボルトは、重量超過の荷物を吊り上げるときに過負荷破壊を起こす可能性があります。
2.疲労破壊
疲労破壊は、ボルトの最も一般的な破損形態です。 -交互の引張、圧縮、曲げ、振動などの長期の周期的負荷がかかると、応力集中領域で微小疲労亀裂が発生します。亀裂は負荷サイクルとともに徐々に拡大し、有効軸受面積が減少し続け、最終的には使用荷重が定格値を超えない場合でも突然の破壊につながります。疲労破壊は明らかな塑性変形を伴わずに発生します。破断面は一般に滑らかで、典型的な貝殻-または年輪-のような質感があります。
骨折の原因: -設備の長期にわたる往復運動と高周波振動により、ボルトは周期的な交番応力にさらされます。-たとえば、自動車エンジンのコネクティング ロッド ボルトは、ピストンとコネクティング ロッドの高周波往復運動による周期的な引張荷重と圧縮荷重に耐え、その結果、疲労損傷が蓄積され、最終的には疲労破壊が発生します。
3. 腐食破壊
ボルトが腐食環境で使用されると、母材に化学的または電気化学的腐食が発生し、錆や孔食などの表面欠陥が形成されます。これらの欠陥により、ボルトの有効支持面積と機械的強度が低下し、通常の作業荷重下で破損が発生します。破面には錆層や腐食ピットなどの腐食生成物が観察されます。
骨折の原因: 湿気、塩水噴霧、または酸性-の腐食環境で使用されるボルトは、海の近くの構造用鋼設備や化学工業装置など、腐食破損を起こしやすくなります。たとえば、船舶の甲板上の接続ボルトは海水や塩水噴霧によって継続的に浸食され、その結果、材料の劣化や腐食破壊が発生します。
4. 応力腐食破壊
応力腐食破壊とは、一定の引張応力と特定の腐食性媒体の複合作用下で発生する脆性破壊を指します。初期段階では亀裂は明らかな破壊症状を示さずにゆっくりと成長し、亀裂が臨界サイズに達すると突然破壊が発生します。破断面には、応力破壊と腐食損傷の 2 つの特徴が現れます。
骨折の原因: 特定のボルト材料は、特定の腐食環境において低い一定の引張応力下で応力腐食亀裂を生成し、拡大する可能性があります。典型的なケースは、塩化物-が豊富な環境におけるオーステナイト系ステンレス鋼ボルトの応力腐食破壊です。
5. 水素脆化破壊
製造中または整備中に、水素原子がボルト素材の内部に侵入して蓄積し、水素分子を形成して巨大な内圧を発生させます。これにより格子亀裂や微小亀裂の伝播が生じ、最終的には脆性破壊につながります。水素脆化は、平坦な破断面と明らかな塑性変形がないことを特徴とする典型的な脆性破壊です。
骨折の原因: 電気めっき、酸洗、リン酸塩処理およびその他の表面処理プロセス中に、適切な脱水素処理が行われないと、水素原子が鋼マトリックスに侵入します。高張力鋼ボルト-水素脆化に対して非常に敏感です。めっき液中の過剰な水素イオン濃度と不適切な脱水素プロセスは、水素脆化破壊の主な原因となります。
6. 製造上の欠陥による破壊
原材料製造時やボルト製造時に発生する内部欠陥や表面欠陥は応力集中源となります。荷重がかかると、欠陥位置で応力が急激に増加し、亀裂の発生と急速な伝播が誘発され、最終的に破壊につながります。元々の製造欠陥の特徴が破断面にはっきりと観察されます。
骨折の原因：介在物、気孔、引け巣、偏析などの原材料の欠陥。鍛造、熱処理、旋削加工の管理が適切でないと、焼入れ割れ、研削割れ、工具跡や傷が発生します。
II.ボルトの過負荷破壊の 3 つの特徴的なゾーン
1.ファイバーゾーン
位置: 破面の中心に位置し、亀裂の開始および初期伝播ゾーンとして機能します。
形態的特徴: 表面は粗く繊維状で、目に見える塑性変形と微小空洞の凝集が見られます。これは延性破壊の典型的な特徴です。
形成メカニズム: 初期破壊段階では、ボルト材料は張力下で塑性レオロジーを受けます。微小空隙は生成、成長、凝集、結合して繊維状の破壊形態を形成します。
2. 放射ゾーン
位置: 繊維ゾーンの外側に位置し、急速な亀裂伝播段階に対応します。
形態的特徴: 破面は比較的平坦で、中心から外側に向かって明確な放射状またはヘリンボーン状のテクスチャが広がっています。
形成メカニズム: 初期亀裂が臨界サイズまで拡大すると、急速な進展段階に入ります。亀裂の先端での激しい応力集中により、急速な粒内または粒界の引き裂きが引き起こされ、放射状の破壊形態が形成されます。
3. シアーリップゾーン
位置：破面の最外縁に分布し、破面の最終段階で形成される。
形態的特徴: 表面は滑らかで、典型的なせん断滑り特徴を備えて傾斜しており、延性破壊の最終特性である環状せん断リップを形成します。
形成メカニズム: 最終破壊段階では、残留材料が高応力下で最大せん断面に沿って滑って引き裂き、塑性せん断変形を引き起こし、せん断リップ構造を形成します。
Ⅲ．ボルトの過負荷破壊の一般的な位置
1. ナット座面付近の第一ねじ歯
ボルト接続の荷重は主に、噛み合うねじ歯を介して伝達されます。ナット座面に近い最初のねじ山歯は最大の荷重に耐え、最も激しい応力集中を示します。長期使用中に過負荷骨折が最も起こりやすい位置です。-
2. ボルトの頭とシャンクの間の移行部のねじの根元
ねじの谷の形状は急激に変化しており、応力集中係数が高いのが特徴です。複雑な応力状態により、ボルトの構造上の弱点となり、過負荷や衝撃荷重がかかると破損しやすくなります。
3. 滑らかなシャンクとねじ部の間の移行ゾーン
滑らかなシャンクとねじ部の接合部における断面サイズと構造が急激に変化すると、明らかな応力集中と不均一な応力分布が発生します。{0}}この位置は過負荷条件下で亀裂の発生を容易に引き起こし、破壊破壊につながります。
IV.異なる荷重形式におけるボルトの破壊状態
1. 引張応力下での破壊
典型的なカップ-コーンの破壊と、明らかな全体的な伸びとネッキング変形が観察されます。引張過負荷下の高靱性ボルトの場合、最終破断セクションはボルト軸に対して約 45 度のせん断角を形成します。これは典型的な延性過負荷破断に属し、主に弱いねじ山根元位置で発生します。
2. 衝撃応力と曲げモーメントによる破壊
破面には放射状のテクスチャーとシアーリップが観察されますが、シアーリップは不完全で完全な環状形状ではなく不均一に分布しています。破壊は、主に瞬間的な衝撃と曲げ荷重によって引き起こされる、軽微な塑性変形と明らかな脆性特性を示します。
3. ねじりおよび引張の複合応力下での破壊
ねじり荷重と引張荷重を組み合わせた場合、破面には明らかな渦巻き状のねじり組織と、三日月形または扇形の形態が見られます。-亀裂の明確な歪みとオフセットは、ねじりせん断力下でせん断面に沿った材料の相対的な滑りと引き裂きによって形成されます。
