Les équipements mécaniques et les structures en acier sont assemblés à partir de divers composants, dont la plupart sont reliés de manière fixe par des attaches filetées. La défaillance des fixations filetées entraîne directement un dysfonctionnement de l'équipement. Dans les cas graves, cela peut provoquer un arrêt de l’équipement, un effondrement structurel et même des accidents corporels.

Compte tenu de la fréquence élevée et des risques graves de défaillance des fixations, les techniciens doivent analyser systématiquement les facteurs inducteurs et formuler des mesures ciblées de rectification et de prévention pour éliminer fondamentalement les défaillances des fixations.

Les défaillances des fixations sont principalement divisées en deux catégories. La première catégorie est celle des ruptures de boulons, qui provoquent une séparation instantanée des structures connectées et entraînent généralement de graves pannes d'équipement et des accidents de sécurité. La deuxième catégorie comprend le desserrage des paires de fils et le glissement des fils.boulons ou écrous, ce qui produit un minuscule déplacement relatif entre les pièces connectées et entraîne un dysfonctionnement partiel de l'équipement et une précision de fonctionnement réduite.

La défaillance des fixations est un processus progressif. Un desserrage mineur sans traitement opportun continuera à se détériorer et finira par provoquer une séparation complète des boulons et des écrous, déclenchant ainsi des accidents de sécurité majeurs. Dans les applications pratiques, la plupart du personnel comprend à tort que la rupture des boulons est uniquement causée par des défauts de matériau et le desserrage des écrous en raison d'une mauvaise qualité des écrous, tout en ignorant les problèmes fondamentaux tels qu'une conception structurelle déraisonnable et des processus d'assemblage non standard. Cet article analyse systématiquement les causes de diverses ruptures de boulons du point de vue de la conception et de l'assemblage.

1 Fracture par cisaillement

La rupture par cisaillement des boulons se produit principalement dans les connexions filetées sous précharge pure. La surface de rupture par cisaillement est située à l'interface de jointure de deux pièces connectées, présentant une petite zone de cisaillement lisse et brillante. Les causes spécifiques de défaillance sont résumées comme suit.

1.1 Causes de conception

(1) Un coefficient de frottement insuffisant à l’interface du joint ou des spécifications de boulons mal sélectionnées entraînent une précharge inadéquate. Lorsque la force de frottement à la surface du joint est inférieure à la charge de travail transversale, exprimée par la formule fF′＜F (où f est le coefficient de frottement de l'interface, F′ est la précharge du boulon et F est la charge de travail transversale), un glissement relatif se produit entre les composants connectés. La tige du boulon est soumise à une force d'extrusion et de cisaillement provenant de la paroi du trou. Une fois que la contrainte de cisaillement dépasse la résistance au cisaillement du matériau du boulon, une rupture par cisaillement se produit. Les composants mobiles soumis à des charges d’impact sont plus susceptibles de subir une telle défaillance. Dans la conception structurelle, des pièces réduisant la charge et des épaulements de positionnement peuvent être adoptés pour supporter les charges transversales, de sorte que les boulons n'effectuent qu'une connexion en traction sans supporter de force de cisaillement.

(2) Les fixations sans structures anti-anti-desserrage sont appliquées dans des conditions de travail vibrantes. Les vibrations de l'équipement à long terme-desserrent la paire de filetage et atténuent la précharge des boulons, ce qui entraîne une friction d'interface insuffisante et un glissement supplémentaire des composants et une rupture par cisaillement des boulons. Pour les structures travaillant dans des environnements vibratoires, des fixations anti-desserrage spéciales telles que des écrous Spiralock et des contre-écrous à couple dominant doivent être adoptées pour éviter toute défaillance de desserrage.

1.2 Causes d'assemblage

Un couple de serrage de l'assemblage insuffisant entraîne une précharge des boulons inférieure aux normes et une friction d'interface inadéquate. Les charges externes provoquent un glissement relatif des composants et finissent par entraîner une rupture par cisaillement des boulons. Le couple de serrage des boulons est un indicateur de processus critique dans l’ingénierie des structures en acier et l’assemblage de moteurs et nécessite un contrôle strict. Cependant, il est souvent négligé dans d’autres secteurs en raison du manque de gestion standardisée du couple. Dans les cas de défaillance pratiques, la plupart des desserrages de filetage et des défauts de rupture sont causés par un couple d'assemblage inapproprié.

La force de serrage d'une paire de filetages est générée par la rotation des écrous ou des boulons et est positivement corrélée au couple d'assemblage. Pour garantir que la précharge répond aux exigences de conception, le couple d'assemblage doit être clairement spécifié dans les documents de processus et strictement mis en œuvre pendant le fonctionnement. La formule de calcul du couple d'assemblage est la suivante :

M = KPD

Où : M - Couple d'assemblage (Nm) ; K - Coefficient de couple ; P - Précharge prévue (kN) ; D - Diamètre nominal du boulon (mm).

Dans la conception conventionnelle, la précharge des boulons est réglée entre 60 % et 80 % de la limite d'élasticité du matériau avec un facteur de sécurité supérieur à 1,2. La charge d'élasticité des boulons avec différentes spécifications et niveaux de résistance peut être référée à GB/T 3098.1.

Le coefficient de couple est déterminé par le coefficient de frottement des paires de filetages et la surface de contact entreattacheset les pièces connectées. Elle est affectée par le traitement de surface, la précision de la résistance, la tolérance géométrique, la précision du filetage, la rugosité de la surface du support et la rigidité structurelle. Le traitement de surface constitue le facteur dominant. Différents traitements de surface entraînent de grandes différences de coefficient de couple, jusqu'à presque le double. Pour des paires de fils ayant les mêmes spécifications et résistance, le coefficient de couple du traitement de phosphatation est d'environ 0,13 à 0,15, tandis que celui du traitement de noircissement varie de 0,26 à 0,30.

Par conséquent, les fixations soumises à des traitements de phosphatation et de noircissement produisent une différence de précharge presque double sous le même couple d'assemblage. Le coefficient de couple doit être calibré par des expériences. Les fabricants de fixations doivent contrôler strictement les processus de traitement de surface pour garantir des coefficients de couple cohérents de chaque lot. Les utilisateurs ne doivent pas modifier arbitrairement les exigences en matière de traitement de surface, afin d'éviter une précharge insuffisante, un étirement des boulons ou une fracture provoqués par une fluctuation du coefficient de couple.

2 Fracture de fatigue

La rupture par fatigue est l’un des modes de défaillance des boulons les plus courants. La plupart des ruptures par fatigue proviennent de défauts de fabrication, notamment des congés de transition irréguliers sous les têtes de boulons, un rayon de congé de fond de filetage insuffisant, des rayures de surface et des inclusions de matériaux. Parallèlement, les assemblages non-standards constituent également une incitation importante aux ruptures de fatigue et aux accidents de sécurité potentiels.

En prenant comme exemple les boulons de roue d'automobile, la conception structurelle permet aux boulons de roue de supporter uniquement une précharge axiale sans charge radiale directe. Un couple d'assemblage insuffisant entraîne une précharge insuffisante et une friction insuffisante entre le moyeu de roue et le demi-arbre, provoquant un glissement relatif pendant le fonctionnement du véhicule.

Lors d'une rotation de roue à grande vitesse-, le boulon tourne périodiquement avec le moyeu. La tige du boulon est soumise à une force d'extrusion alternée des deux côtés de la paroi du trou, ce qui entraîne des charges radiales cycliques à haute fréquence-. L'action de charge cyclique à long-terme initie et étend les fissures de fatigue, conduisant finalement à une rupture de fatigue des boulons.

Lorsque la rupture d'un boulon de roue se produit après l'utilisation du véhicule, les inspecteurs doivent d'abord observer la morphologie de la rupture pour évaluer au préalable la rupture par fatigue avant de procéder à une analyse plus approfondie-.

3 Fracture de surcharge

La rupture par surcharge fait référence à la rupture par traction lorsque la charge axiale totale dépasse la limite admissible du matériau du boulon. Étant donné que la surface d'appui effective de la section filetée est plus petite que celle de la tige lisse avec une concentration de contraintes plus sévère, la rupture par surcharge se produit principalement au niveau de la section filetée, qui peut être identifiée au préalable par la morphologie de la rupture.

Les boulons de grade 8,8 présentent une striction évidente après une rupture par surcharge ; Les boulons de grade 10,9 présentent une légère striction ; Les boulons à haute résistance-de grade 12,9 n'ont fondamentalement aucune caractéristique de striction dans des conditions normales de surcharge.

Une striction évidente peut également apparaître dans les boulons de qualité 8,8 à 12,9 avec des matériaux non qualifiés, un traitement thermique inadéquat, une trempe incomplète ou une dureté du noyau insuffisante. Par conséquent, les critères de jugement pour la rupture par surcharge sont spécifiés comme suit :

(1) Pour les fractures avec striction, des tests sur échantillons doivent être effectués conformément à GB/T 3098.1. La rupture par surcharge peut être confirmée si la dureté du noyau est qualifiée.

(2) Une analyse métallographique est requise pourBoulons à haute résistance de grade 12,9pour déterminer la rupture par surcharge, car les défauts de surface du filetage et les défauts de matériau peuvent également provoquer une rupture de la section filetée et ne peuvent pas être jugés simplement par leur apparence.

La rupture par surcharge se produit principalement dans les assemblages boulonnés sous des charges axiales, avec trois causes principales :

un. Un couple d'assemblage excessivement élevé fait que la précharge dépasse la limite d'élasticité du matériau du boulon, ce qui entraîne un étirement ou une rupture du boulon pendant l'assemblage.

b. Précharge d'assemblage excessive proche de la limite d'élasticité du boulon. Pendant le fonctionnement de l'équipement, le boulon supporte à la fois la précharge résiduelle et la charge de travail. La superposition des deux charges dépassant la limite de résistance du matériau provoque une rupture par surcharge. Sous une charge de travail constante, une précharge d'assemblage plus élevée entraîne une précharge résiduelle plus élevée et un risque de surcharge plus important.

c. Sélection incorrecte des boulons avec un diamètre de filetage nominal insuffisant ne répondant pas aux exigences de roulement dans la conception structurelle.

Fracture de 4 boulons causée par une charge excentrique de l'assemblage

La rupture des boulons due à une charge excentrique est une défaillance typique du processus d'assemblage. Des marques d'usure évidentes en forme de croissant- peuvent être observées sur la surface d'appui du boulon, la zone d'appui réelle ne représentant que 1/4 à 1/3 de la surface d'appui totale et une répartition des contraintes très inégale. La tige du boulon près de la fracture se plie dans le sens opposé à la direction de la contrainte, présentant des caractéristiques typiques de flexion et de rupture excentriques.

La rupture sous charge excentrique des boulons est principalement causée par deux facteurs :

Premièrement, la surface de support de contact des pièces connectées est inclinée ou inégale, ce qui entraîne une contrainte locale sur letête de boulonet former une charge excentrique, qui est la principale cause de ce cas de défaillance.

Deuxièmement, une erreur de rectitude excessive ou une déformation par flexion de la tige du boulon provoque une charge excentrique inhérente lors de l'assemblage.

Les deux types de charges excentriques diffèrent considérablement en termes de position de contrainte et de direction de flexion de la tige, qui peuvent être distinguées par les traces de contrainte de la surface d'appui et la direction de déformation des boulons.

5 Conclusion

Les défaillances des fixations telles que la rupture, le glissement du filetage et le desserrage ne sont pas toujours causées par des défauts inhérents à la qualité du produit. Des procédures de dépannage standardisées doivent être suivies en cas de défaillance des fixations :

Tout d’abord, préservez complètement les échantillons défaillants et protégez les surfaces de fracture de la rouille, des collisions et des dommages secondaires pour garantir une analyse précise des défaillances.

Deuxièmement, déterminez au préalable le type de défaillance et son incitation en fonction de la morphologie de la fracture, de l'apparence de l'échantillon, des traces de contraintes de surface et des conditions de travail réelles.

Troisièmement, effectuez des tests physiques et chimiques professionnels, notamment une analyse métallographique et une détection de dureté. Si les indicateurs de matériaux et de traitement thermique répondent aux normes nationales, la défaillance provient de la conception structurelle ou du processus d'assemblage ; sinon, cela est confirmé comme un défaut de qualité des fixations.

Quatrièmement, formuler des mesures ciblées de rectification et de prévention en fonction des causes de défaillance confirmées, normaliser les spécifications de conception et optimiser les processus d'assemblage pour éviter la répétition de défaillances similaires.