Il existe diverses causes de rupture de boulon dansattaches. D’une manière générale, les dommages aux boulons sont causés par le facteur de contrainte, la fatigue, la corrosion et la fragilisation par l’hydrogène.
Rupture de boulon
1. Facteur de stress
Le dépassement des contraintes conventionnelles (surcontraintes) est provoqué par un ou une combinaison de cisaillement, de tension, de flexion et de compression.
La plupart des concepteurs considèrent d’abord la combinaison de la charge de traction, de la force de précharge et de la charge pratique supplémentaire. La force de pré-serrage est essentiellement interne et statique, ce qui comprime les composants du joint. Les charges pratiques sont des forces externes, généralement cycliques (réciproques), appliquées aux fixations.
La charge de traction tente de résister à l'ouverture des composants du joint. Lorsque ces charges dépassent la limite d'élasticité du boulon, le boulon passe d'une déformation élastique à une déformation plastique, entraînant une déformation permanente du boulon. Par conséquent, il ne peut pas être restauré à son état d’origine lorsque la charge externe est supprimée. Pour des raisons similaires, si la charge externe exercée sur le boulon dépasse sa résistance à la traction ultime, le boulon se brisera.
Le serrage des boulons est obtenu par torsion avec une force de précharge. Lors de l'installation, un couple excessif entraîne un serrage excessif et réduit la résistance à la traction axiale des fixations en les soumettant à des contraintes excessives. En d'autres termes, les boulons soumis à une torsion continue ont des valeurs d'élasticité inférieures à celles des boulons directement soumis à une tension et à une traction. De cette manière, le boulon peut céder avant d'atteindre la résistance minimale à la traction de la norme correspondante. Un couple important peut augmenter la force de pré-serrage du boulon et réduire en conséquence le jeu du joint. Afin d'augmenter la force de verrouillage, la force de pré-serrage est généralement fixée à une limite supérieure. De cette façon, à moins que la différence entre la limite d'élasticité et la résistance à la traction ultime soit faible, les boulons ne céderont généralement pas en raison de la torsion.
La charge de cisaillement applique une force verticale à l'axe longitudinal duboulon. La contrainte de cisaillement est divisée en contrainte de cisaillement simple et contrainte de cisaillement double. D'après des données empiriques, la contrainte ultime de cisaillement unique représente environ 65 % de la contrainte ultime de traction. De nombreux concepteurs préfèrent les charges de cisaillement car ils utilisent la résistance à la traction et au cisaillement des boulons. Ils agissent principalement comme des chevilles, formant des connexions relativement simples pour les fixations soumises au cisaillement. L'inconvénient est que les assemblages par cisaillement ont une gamme d'applications limitée et ne peuvent pas être utilisés fréquemment, car ils nécessitent plus de matériaux et d'espace. Nous savons que la composition et la précision des matériaux jouent également un rôle déterminant. Cependant, les données sur les matériaux qui convertissent la contrainte de traction en charge de cisaillement sont souvent indisponibles.
La force de pré-serrage des fixations affecte l’intégrité des connexions en cisaillement. Plus la force de précharge est faible, plus il est facile pour la couche de joint de glisser lorsqu'elle entre en contact avec le boulon. La capacité de charge de cisaillement est calculée en multipliant le nombre de plans transversaux (un plan de cisaillement est appelé cisaillement simple et deux plans de cisaillement sont appelés double cisaillement), qui doivent être les sections transversales des boulons non filetés. Nous ne recommandons pas de concevoir des filetages au cisaillement traversant, car la résistance au cisaillement des fixations peut être surmontée par la concentration des contraintes lorsque la section transversale change. Lors de la détermination de la résistance au cisaillement des fixations, certains concepteurs utilisent la zone de contrainte de traction, tandis que d'autres préfèrent les sections de petit diamètre. Si le boulon de l'assemblage en cisaillement est tordu à la valeur spécifiée (comme illustré sur la figure 2), la surface de contact de la couche de contact ne peut pas commencer à glisser jusqu'à ce qu'elle dépasse la résistance de frottement à l'extérieur. L'augmentation du frottement entre les surfaces de contact peut améliorer l'intégrité globale de la connexion. Parfois, en raison de la taille des pièces et des exigences de conception, le nombre de boulons à utiliser peut être limité.
Figure 2 : Que l'élément de connexion soit à coupe simple ou à coupe double, la surface de coupe ne doit pas traverser la partie filetée de la fixation.
En plus des charges de traction et de cisaillement, les contraintes de flexion sont une autre charge que subissent les boulons, provoquée par des forces externes qui ne sont pas perpendiculaires à l'axe longitudinal du boulon et sont situées sur les surfaces d'appui et de contact. Globalement, plus la connexion par fixation est simple, plus son intégrité et sa fiabilité sont grandes.
2. Fatigue
Il n'existe actuellement aucune législation spécifique obligeant les fournisseurs à acheter des composants clés conformes aux normes industrielles dans les réglementations applicables aux fixations industrielles, notamment sans mentionner la principale cause de défaillance des fixations : la fatigue. On estime que les dommages dus à la fatigue représentent 85 % du nombre total de ruptures de fixations.
La fatigue des boulons est l'action continue de charges de traction cycliques, ce qui entraîneboulonsétant soumis à des forces de précharge relativement faibles et à des charges de travail alternées. Dans de telles conditions de double charge pendant une longue période, les boulons échoueront lorsque leur résistance à la traction nominale est inférieure à. La durée de vie en fatigue est déterminée par le nombre et l'amplitude des cycles de contrainte de chargement. Certains connecteurs comprimés, tels que les presses, les équipements d'estampage et les machines de moulage, peuvent également subir une rupture par fatigue. De multiples contraintes composites sont générées entre la puissance et la précharge pendant le fonctionnement. Lors de mouvements d'étirement répétés, le nombre et l'amplitude des changements de stress sont affectés par le degré de fatigue et de dommage.
Les fixations industrielles typiques, telles que les vis hexagonales, s'allongent constamment et reprennent leur forme originale dans une certaine plage d'élasticité. S'ils sont soumis à des contraintes au-delà de la normale et au-delà de la plage élastique, ils subiront une déformation permanente jusqu'à ce qu'ils finissent par se briser. Le comportement d’extension et de retour à un état étendu est appelé un cycle. Une vis à six pans creux peut résister à environ 240-10 cycles de degrés par jour (maximum), comme le montre la figure 3.
Figure 3 Diagramme de Goodman amélioré
La diagonale en pointillés indique la valeur moyenne de la charge alternée des vis avec une probabilité de 90 % pour 10 millions de cycles. La ligne diagonale réelle montre que lorsque la force de pré-serrage de la vis atteint 100 ksi, l'écart maximum entre la charge dynamique et la contrainte moyenne est de 12 ksi.
Les fixations finiront par se fissurer en raison de cycles de contraintes répétés d'un sommet à l'autre. La fracture se produit généralement au point le plus vulnérable de la fixation, que les ingénieurs appellent la « zone de concentration maximale de contraintes ». Une fois que des microfissures se produisent au point de concentration des contraintes et continuent d'être soumises à des contraintes, les fissures se propagent rapidement, provoquant des dommages par fatigue à la fixation. Les entreprises fabriquant des éléments de fixation à usage industriel explorent constamment de nouveaux procédés de moulage et conçoivent et développent de nouvelles méthodes de fabrication capables de surmonter les faiblesses fatales susmentionnées.
Les emplacements les plus courants de rupture par fatigue comprennent le joint (c'est-à-dire le premier filetage chargé), le congé de racine, le filetage et l'extrémité du filetage. En raison de l'amélioration de la résistance à la fatigue grâce au développement de meilleurs matériaux et méthodes de production dans l'industrie manufacturière, les filetages sont devenus le point le plus faible des fixations et actuellement la proportion la plus élevée de dommages causés par une rupture par fatigue.
L'interrelation entre les variables de contrainte dans la conception et les caractéristiques de performance des fixations rend l'établissement de normes de résistance à la fatigue une tâche difficile. Actuellement, il s'agit d'un processus complexe permettant de déterminer le nombre de « cycles jusqu'à rupture » et de mesurer la résistance relative d'une série de fixations.
3. Corrosion
Une autre raison de la rupture des boulons est la corrosion. La corrosion prend de nombreuses formes, notamment la corrosion ordinaire, la corrosion chimique, la corrosion électrolytique et la corrosion sous contrainte. La corrosion électrolytique fait référence à l'exposition des fixations à divers agents humides tels que l'eau de pluie ou le brouillard acide, qui sont des électrolytes pouvant provoquer une corrosion chimique des fixations ; Deuxièmement, en raison des différents matériaux des fixations, leurs potentiels électrolytiques sont différents, et la différence de potentiel peut facilement générer des « microbatteries ». Les concepteurs doivent choisir autant que possible des matériaux ayant des potentiels électrolytiques similaires en fonction de la compatibilité des métaux, tout en éliminant les conditions de génération d'électrolyte afin d'éviter les fissures causées par la corrosion électrolytique.
La corrosion sous contrainte est relativement limitée. La corrosion sous contrainte existe sous des charges de traction élevées et affecte principalement les fixations en acier allié à haute résistance. Les fixations en acier allié (en particulier en acier à composition fortement alliée) sont sujettes à la fissuration sous contrainte. Au début, des fissures et des piqûres se forment généralement à la surface, puis une corrosion supplémentaire se produit, ce qui favorise la propagation des fissures. Le taux de propagation des fissures est déterminé par la contrainte exercée sur le boulon et la ténacité du matériau. Lorsque le matériau restant fonctionne au point où il ne peut plus résister à la contrainte appliquée, une fracture se produit.
4. Fragilisation par l'hydrogène
Les fixations en acier à haute résistance (généralement avec une dureté Rockwell de C36 ou supérieure) sont plus sujettes à la fragilisation par l'hydrogène. La fragilisation par l’hydrogène est la principale cause de rupture des fixations. La fragilisation par l'hydrogène est un phénomène dans lequel des atomes d'hydrogène pénètrent et diffusent dans toute la matrice matérielle. Lorsque des atomes d'hydrogène pénètrent dans la matrice matérielle, la matrice subit une distorsion du réseau, perturbant l'état d'équilibre d'origine et facilitant sa fissuration sous l'effet de forces externes. Lorsqu'une charge externe est appliquée auvis,les atomes d'hydrogène migrent vers la zone de contrainte hautement concentrée, provoquant une contrainte importante entre les bords des limites cristallines, ce qui conduit à une fracture entre les particules cristallines de la fixation.
Lorsque les fixations contiennent de l’hydrogène critique avant l’installation, elles se cassent généralement dans les 24 heures. Si de l’hydrogène pénètre dans la fixation, il est impossible de prédire quand elle se brisera. Par conséquent, lorsqu’ils utilisent des fixations appropriées, les concepteurs doivent spécifier la sélection de fournisseurs disposant de processus spécialisés et d’une fragilisation potentielle minimale par l’hydrogène.
5. Autres facteurs
La rupture d’une connexion n’est pas toujours directement liée à une rupture catastrophique des fixations. De nombreux facteurs liés aux fixations, tels que la perte de précharge ou la fatigue des connexions des fixations, peuvent provoquer une usure ; Le décalage central des fixations peut générer du bruit et des fuites lors de l'utilisation, nécessitant un entretien imprévu pour éviter toute casse. Par exemple, les vibrations peuvent réduire la résistance au frottement des filetages et les connexions de fixation peuvent se détendre en raison de l'application de charges de travail après l'installation. Ces facteurs, ainsi que le fluage des boulons à haute température, peuvent entraîner une perte de force de précharge. Parfois, la rupture de la connexion peut être attribuée au fait que le trou traversant est trop grand ou trop petit, que la zone d'appui est trop petite, que le matériau est trop mou ou que la charge est trop élevée. Aucune de ces situations ne provoquera une rupture directe du boulon, mais entraînera une perte de l’intégrité de la connexion ou une éventuelle rupture du boulon.
