Dans la production industrielle et dans les applications quotidiennes des équipements, les boulons servent de fixations de connexion principales responsables de la fixation, de la connexion et du support des charges structurelles. Pendant le service à long terme-,boulonssont affectés par de multiples facteurs tels que les conditions de charge, l'environnement de travail, les processus de fabrication et la qualité de l'assemblage, qui peuvent facilement conduire à une rupture par rupture. Cela peut en outre provoquer des arrêts d’équipement, des défaillances structurelles et même de graves accidents de sécurité. Cet article présente systématiquement les formes de fracture courantes, les mécanismes de formation, les caractéristiques macroscopiques de rupture de surcharge, les positions de fracture à haut risque et les états de fracture dans différentes conditions de chargement des boulons, fournissant un support technique pour la prévention des ruptures de boulons, la maintenance des équipements et l'optimisation des processus.

I. Formes courantes de fracture des boulons

1. Fracture de surcharge

La rupture par surcharge se produit lorsque la charge instantanée appliquée sur un boulon dépasse la résistance à la traction ultime du matériau, appartenant à une rupture statique ductile ou fragile. Ce type de fracture survient soudainement sans signes évidents de pré-échec. Pour les matériaux ductiles, la surface de rupture présente généralement une forme de coupe-cône ou une section inclinée à 45-degrés avec des surfaces rugueuses et une déformation plastique importante. Pour les boulons fragiles à haute résistance, la surface de rupture est relativement plate avec une déformation plastique négligeable.

Causes des fractures : Une conception structurelle déraisonnable conduit à une sélection de boulons sous-dimensionnés et à une marge de charge insuffisante, entraînant un fonctionnement en surcharge à long-terme. Des conditions de travail anormales et soudaines, telles que des charges d'impact et des surcharges transitoires pendant le fonctionnement de l'équipement, peuvent également provoquer une surcharge instantanée-des limites. Par exemple, les boulons de connexion des mécanismes de levage des grues peuvent subir une rupture de surcharge lors du levage de charges en surpoids.

2. Fracture de fatigue

La rupture par fatigue est la forme de rupture la plus courante des boulons. Sous des charges cycliques à long terme telles que des tensions, des compressions, des flexions et des vibrations alternées, des microfissures de fatigue se forment au niveau des zones de concentration de contraintes. Les fissures se dilatent progressivement avec les cycles de charge, réduisant continuellement la surface d'appui effective et conduisant finalement à une rupture soudaine même si la charge de travail ne dépasse pas la valeur nominale. La rupture par fatigue se produit sans déformation plastique évidente. La surface de fracture est généralement lisse avec des textures typiques en forme de coquille-ou d'anneau annuel-.

Causes des fractures : Le mouvement alternatif à long-terme et les vibrations à haute-fréquence de l'équipement soumettent les boulons à des contraintes alternées périodiques. Par exemple, les boulons de bielle des moteurs automobiles subissent des charges de tension et de compression cycliques dues au mouvement alternatif à haute fréquence - des pistons et des bielles, ce qui entraîne des dommages de fatigue accumulés et une éventuelle rupture de fatigue.

3. Fracture par corrosion

Lorsque les boulons fonctionnent dans des environnements corrosifs, une corrosion chimique ou électrochimique se produit sur le matériau de base, formant des défauts de surface tels que la rouille et la corrosion par piqûres. Ces défauts réduisent la surface d'appui effective et la résistance mécanique des boulons, entraînant une rupture sous des charges de travail normales. Des produits de corrosion tels que des couches de rouille et des piqûres de corrosion peuvent être observés sur les surfaces de fracture.

Causes des fractures : Les boulons utilisés dans des environnements corrosifs humides,-au brouillard salin ou à base acide-sont sujets à la corrosion, comme dans les installations de construction en acier proches de la mer et les équipements industriels chimiques. Par exemple, les boulons de connexion sur les ponts des navires sont continuellement érodés par l’eau de mer et les embruns salins, entraînant une dégradation des matériaux et des fractures par corrosion.

4. Fracture par corrosion sous contrainte

La rupture par corrosion sous contrainte fait référence à une rupture fragile se produisant sous l'action combinée d'une contrainte de traction constante et de milieux corrosifs spécifiques. La fissure se développe lentement au début sans symptômes de rupture évidents, et une fracture soudaine se produit une fois que la fissure atteint la taille critique. La surface de fracture présente deux caractéristiques de rupture sous contrainte et de dommages dus à la corrosion.

Causes des fractures: Certains matériaux de boulons peuvent générer et développer des fissures de corrosion sous contrainte sous une faible contrainte de traction constante dans des environnements corrosifs spécifiques. Un cas typique est la rupture par corrosion sous contrainte de boulons en acier inoxydable austénitique dans des environnements riches en chlorure-.

5. Fracture de fragilisation par l’hydrogène

Pendant la fabrication ou l'entretien, les atomes d'hydrogène pénètrent et s'accumulent à l'intérieur du matériau du boulon, formant des molécules d'hydrogène qui produisent une énorme pression interne. Cela provoque des fissures dans le réseau et la propagation de microfissures, conduisant finalement à une fracture fragile. La fragilisation par l'hydrogène est une rupture fragile typique caractérisée par des surfaces de fracture plates et aucune déformation plastique évidente.

Causes des fractures: Les atomes d'hydrogène pénètrent dans la matrice en acier pendant la galvanoplastie, le décapage acide, la phosphatation et d'autres processus de traitement de surface sans traitement de déshydrogénation adéquat.Boulons en acier-à haute résistancesont très sensibles à la fragilisation par l’hydrogène. Une concentration excessive d’ions hydrogène dans la solution de placage et des processus de déshydrogénation non qualifiés sont les principales causes de fracture par fragilisation par l’hydrogène.

6. Fracture causée par des défauts de fabrication

Les défauts internes et de surface générés lors de la production des matières premières et de la fabrication des boulons constituent des sources de concentration de contraintes. Sous charge, la contrainte augmente fortement au niveau des emplacements des défauts, induisant l'initiation de fissures et leur propagation rapide, ce qui conduit finalement à une fracture. Les défauts de fabrication originaux peuvent être clairement observés sur la surface de fracture.

Causes des fractures: Défauts de la matière première tels que inclusions, porosité, cavités de retrait et ségrégation ; un contrôle inapproprié des processus de forgeage, de traitement thermique et de tournage provoque des fissures de trempe, des fissures de meulage, des marques d'outils et des rayures.

II. Trois zones caractéristiques de rupture de surcharge des boulons

1. Zone Fibre

Position: Situé au centre de la surface de fracture, servant de zone d'initiation et de propagation initiale de la fissure.

Caractéristiques morphologiques: La surface est rugueuse et fibreuse avec une déformation plastique visible et une agrégation de microvides, caractéristique typique de la fracture ductile.

Mécanisme de formation: Au stade initial de fracture, le matériau du boulon subit une rhéologie plastique sous tension. Les microvides génèrent, grandissent, s’agrègent et se connectent pour former la morphologie de fracture fibreuse.

2. Zone de rayonnement

Position: Situé en dehors de la zone des fibres, correspondant à l'étape de propagation rapide de la fissure.

Caractéristiques morphologiques: La surface de fracture est relativement plate avec des textures claires radiales ou à chevrons s'étendant vers l'extérieur à partir du centre.

Mécanisme de formation: Lorsque la fissure initiale atteint la taille critique, elle entre dans la phase de propagation rapide. Une forte concentration de contraintes au fond de la fissure provoque une déchirure transgranulaire ou intergranulaire rapide, formant une morphologie de fracture radiale.

3. Zone de cisaillement des lèvres

Position: Distribué au bord le plus externe de la surface de fracture, formé au stade final de fracture.

Caractéristiques morphologiques: La surface est lisse et inclinée avec des caractéristiques typiques de glissement par cisaillement, formant une lèvre de cisaillement annulaire, qui est la caractéristique finale de la fracture ductile.

Mécanisme de formation: Au stade final de fracture, le matériau résiduel glisse et se déchire le long du plan de cisaillement maximal sous des contraintes élevées, produisant une déformation plastique par cisaillement et formant la structure de la lèvre de cisaillement.

III. Positions courantes de rupture de surcharge de boulon

1. Première dent filetée près de la surface d’appui de l’écrou

Les charges des assemblages boulonnés sont principalement transmises par les dents filetées en prise. La première dent filetée située près de la surface d'appui de l'écrou supporte la charge la plus importante et présente la concentration de contraintes la plus sévère. Il s'agit de la position la plus susceptible de se rompre par surcharge lors d'un service à long -terme.

2. Racine de filetage à la transition entre la tête du boulon et la tige

La racine du filetage présente des changements géométriques brusques et un coefficient de concentration de contraintes élevé. Avec des états de contrainte complexes, il devient le point faible structurel des boulons et est sujet à la rupture sous des charges de surcharge et d'impact.

3. Zone de transition entre la tige lisse et la section filetée

Des changements brusques dans la taille et la structure de la section transversale-à la jonction de la tige lisse et de la section du filetage provoquent une concentration évidente des contraintes et une répartition inégale des contraintes. Cette position génère facilement une initiation de fissure dans des conditions de surcharge et conduit à une rupture par rupture.

IV. États de rupture des boulons sous différentes formes de chargement

1. Fracture sous contrainte de traction

Une fracture typique du cône de la cupule-, ainsi qu'un allongement global évident et une déformation du rétrécissement peuvent être observés. Pour les boulons à haute -ténacité soumis à une surcharge de traction, la section de rupture finale forme un angle de cisaillement d'environ 45 degrés avec l'axe du boulon, ce qui appartient à une rupture de surcharge ductile typique, qui se produit principalement au niveau de la position faible du fond du filetage.

2. Fracture sous contrainte d'impact et moment de flexion

Des textures radiales et des lèvres de cisaillement peuvent être observées sur la surface de fracture, tandis que les lèvres de cisaillement sont incomplètes et inégalement réparties sans une forme annulaire complète. La fracture présente une déformation plastique mineure et des caractéristiques de fragilité évidentes, principalement causées par des impacts instantanés et des charges de flexion.

3. Fracture sous contrainte combinée de torsion et de tension

Sous des charges combinées de torsion et de traction, la surface de fracture présente des textures de torsion tourbillonnantes évidentes, ainsi que des morphologies en forme de croissant ou d'éventail-. La distorsion et le décalage distincts de la fracture sont formés par le glissement relatif et la déchirure des matériaux le long du plan de cisaillement sous l'effet d'une force de cisaillement de torsion.