ファスナーボルト破損の一般的な原因の分析

ボルトの破損には様々な原因が考えられますが、ファスナー。一般的に、ボルトの損傷は応力要因、疲労、腐食、水素脆化によって引き起こされます。

ボルト破損

1. ストレス要因
従来の応力を超える（過応力）は、せん断、張力、曲げ、圧縮のいずれか、またはそれらの組み合わせによって引き起こされます。
ほとんどの設計者は、まず引張荷重、予荷重力、および追加の実際の荷重の組み合わせを検討します。事前に締め付ける力は基本的に内部的な静的な力であり、ジョイント コンポーネントを圧縮します。実際の負荷は、ファスナーに加えられる外部からの、通常は周期的 (往復) 力です。
引張荷重は、ジョイント コンポーネントが開かないよう抵抗しようとします。これらの荷重がボルトの降伏限界を超えると、ボルトは弾性変形から塑性変形に変化し、永久変形が生じます。したがって、外部負荷を取り除いても元の状態に戻ることはできません。同様の理由で、ボルトにかかる外部荷重が極限引張強さを超えると、ボルトは破損します。
ボルトの締め付けは、予圧力を加えてねじることによって行われます。取り付け中、過剰なトルクは締めすぎにつながり、ファスナーに過剰な応力がかかることによってファスナーの軸方向の引張強度が低下します。言い換えれば、連続的にねじりを受けたボルトは、引張力や引張力を直接受けたボルトに比べて、降伏値が低くなります。このようにして、ボルトは、対応する規格の最小引張強度に達する前に降伏する可能性があります。トルクが大きいとボルトの仮締め力が大きくなり、それに応じて接合部の緩みが軽減されます。ロック力を高めるために、仮締め力は上限値に設定されるのが一般的です。このように、降伏強さと極限引張強さの差が小さくない限り、一般的にボルトはねじれによって降伏しません。
せん断荷重は、長手方向軸に垂直方向の力を加えます。ボルト。せん断応力は単せん断応力と二重せん断応力に分けられます。経験的データから、極限の単一せん断応力は極限の引張応力の約 65% です。多くの設計者は、ボルトの引張強度とせん断強度を利用するため、せん断荷重を好みます。これらは主にダボのように機能し、せん断を受けるファスナーの比較的単純な接続を形成します。欠点は、せん断接続はより多くの材料とスペースを必要とするため、適用範囲が限られており、頻繁に使用できないことです。材料の構成と精度も決定的な役割を果たすことがわかっています。ただし、引張応力をせん断荷重に変換する材料データが入手できないことがよくあります。
ファスナーの事前の締め付け力は、せん断接続の完全性に影響します。予圧力が低いほど、ボルトと接触したときに接合層が滑りやすくなります。せん断耐力は、ねじなしボルトの断面である横断面の数 (1 つのせん断面をシングルせん断と呼び、2 つのせん断面をダブルせん断と呼びます) を乗じて計算します。断面が変化すると応力集中によってファスナーのせん断強度が弱くなる可能性があるため、ねじ山を通るせん断の設計は推奨しません。ファスナーのせん断強度を決定する際、引張応力領域を使用する設計者もいますが、小さな直径のセクションを好む設計者もいます。せん断接続のボルトが指定された値までねじられた場合 (図 2 を参照)、接触層の合わせ面は外側の摩擦抵抗を超えるまで滑り始めません。合わせ面間の摩擦を増やすと、接続の全体的な完全性が向上します。場合によっては、部品のサイズや設計要件により、使用する必要があるボルトの数が制限される場合があります。

図 2: 接続コンポーネントがシングルカットかダブルカットかに関係なく、切断面がファスナーのネジ部分を通過してはなりません
引張荷重とせん断荷重に加えて、曲げ応力もボルトが受ける負荷であり、ボルトの長手軸に対して垂直ではなく、座面と合わせ面にかかる外力によって引き起こされます。全体として、ファスナー接続が単純であればあるほど、その完全性と信頼性が高まります。
2. 疲労
現在、特にファスナーの故障の主な原因である疲労について言及せずに、工業用ファスナーの関連規制における工業規格に準拠する主要コンポーネントを購入するようサプライヤーに指示する特定の法律はありません。疲労損傷は、ファスナーの破損総数の 85% を占めると推定されています。
ボルトの疲労は、周期的な引張荷重が継続的に作用することで発生し、その結果、ボルト比較的小さな予圧力と交互の作業荷重がかかる場合。このような二重荷重条件が長期間続くと、ボルトの定格引張強度が以下になると破損します。疲労寿命は、負荷応力サイクルの数と振幅によって決まります。プレス機、スタンピング装置、成形機などの一部の圧縮コネクタでも疲労破壊が発生する可能性があります。動作中に出力と予圧の間に複数の複合応力が発生します。反復的なストレッチ動作では、応力変化の数と振幅は疲労と損傷の程度に影響されます。
六角ネジなどの一般的な工業用ファスナーは、一定の弾性範囲内で常に伸びて元の形状に戻ります。通常を超え、弾性範囲を超える応力を受けると、最終的に破損するまで永久変形します。伸びたり伸びた状態に戻ったりする動作をサイクルと呼びます。図 3 に示すように、六角穴付きネジは 1 日あたり約 240-10 度のサイクル (最大) に耐えることができます。

図 3 改良されたグッドマン図

点線の対角線は、1,000万サイクルにおける90%の確率での交互スクリュー荷重の平均値を示します。実際の対角線は、ネジの仮締め力が 100ksi に達したとき、動荷重と平均応力の最大偏差が 12ksi であることを示しています。
ファスナーは、ピークからピークまで繰り返される応力サイクルにより、最終的には亀裂が発生します。破壊は通常、ファスナーの最も脆弱な点で発生します。エンジニアはこの点を「最大応力集中領域」と呼んでいます。応力集中点で微小亀裂が発生し、応力を受け続けると亀裂は急速に伝播し、ファスナーに疲労損傷を引き起こします。産業用ファスナーを製造する企業は、常に新しい成形プロセスを模索し、前述の致命的な弱点を克服できる新しい製造方法を設計および開発しています。
疲労破壊の最も一般的な場所には、ジョイント (つまり、最初に負荷がかかったねじ山)、ルート フィレット、ねじ山、およびねじ山の終端が含まれます。製造業におけるより良い材料と製造方法の開発による疲労強度の向上により、ねじ山はファスナーの最も弱い部分となり、現在、疲労破壊の原因となる損傷の最も高い割合を占めています。
設計における応力変数とファスナーの性能特性との間には相互関係があるため、疲労強度基準の設定は困難な作業となっています。現在、「破断までのサイクル数」を決定し、一連の締結具の相対強度を測定するのは複雑なプロセスです。
3. 腐食
ボルトの破損のもう一つの原因は腐食です。腐食には、通常腐食、化学腐食、電食、応力腐食などのさまざまな形態があります。電食とは、ファスナーが雨水や酸ミストなどのさまざまな湿潤物質にさらされることを指します。これらの湿潤物質は、ファスナーの化学腐食を引き起こす可能性のある電解質です。第二に、留め具の材質が異なるため、電解電位が異なり、その電位差により「マイクロバッテリー」が容易に生成される可能性があります。設計者は、金属の適合性を考慮して、電解電位が可能な限り近い材料を選択する必要があります。また、電食による亀裂を防ぐために、電解質の生成条件を排除する必要があります。
応力腐食は比較的限定的です。応力腐食は高い引張荷重下で発生し、主に高張力合金鋼で作られたファスナーに影響を与えます。合金鋼 (特に高合金組成の鋼) で作られたファスナーは、応力がかかると亀裂が発生しやすくなります。通常、初期には表面に亀裂やピットが形成され、その後さらに腐食が発生し、亀裂の伝播が促進されます。亀裂の伝播速度は、ボルトにかかる応力と材料の破壊靱性によって決まります。残った材料が加えられた応力に耐えられなくなるまで機能すると、破壊が発生します。
4. 水素脆化
高張力鋼製ファスナー (通常、ロックウェル硬度が C36 以上) は、水素脆化を起こしやすくなります。水素脆化はファスナー破損の主な原因です。水素脆化は、水素原子が材料マトリックス全体に侵入して拡散する現象です。水素原子が材料マトリックスに入ると、マトリックスに格子歪みが生じ、本来の平衡状態が崩れ、外力により割れやすくなります。外部から負荷が加わった場合、スクリュー、水素原子は高度に集中した応力ゾーンに移動し、結晶境界のエッジ間に大きな応力を引き起こし、ファスナーの結晶粒子間の破壊につながります。
取り付け前にファスナーに重大な水素が含まれている場合、通常は 24 時間以内に破損します。ファスナーに水素が侵入すると、いつ破損するか予測できません。したがって、関連するファスナーを使用する場合、設計者は特殊なプロセスを備え、潜在的な水素脆化を最小限に抑えたサプライヤーの選択を指定する必要があります。
5. その他の要因
接続部の破損は、致命的なファスナーの破損に必ずしも直接関係しているわけではありません。予圧の喪失やファスナー接続部の疲労など、ファスナーに関連する多くの要因が磨耗を引き起こす可能性があります。ファスナーの中心がずれていると、使用中に騒音や漏れが発生する可能性があり、破損を防ぐために計画外のメンテナンスが必要になります。たとえば、振動によりねじ山の摩擦抵抗が減少する可能性があり、取り付け後に作業負荷がかかることによりファスナーの接続が緩む可能性があります。これらの要因とボルトの高温クリープにより、予圧力の損失が発生する可能性があります。接続部の破損は、貫通する穴が大きすぎる、または小さすぎる、支持面積が小さすぎる、材料が柔らかすぎる、または負荷が高すぎることが原因である場合があります。これらの状況はいずれも直接ボルトの破損を引き起こすことはありませんが、接続の完全性が失われ、最終的にはボルトの破損につながります。