In der industriellen Produktion und im täglichen Geräteeinsatz dienen Schrauben als zentrale Verbindungselemente, die für die Befestigung, Verbindung und Aufnahme struktureller Lasten verantwortlich sind. Während des Langzeitbetriebs-Schraubenwerden von mehreren Faktoren wie Belastungsbedingungen, Arbeitsumgebung, Herstellungsprozessen und Montagequalität beeinflusst, was leicht zu Bruchschäden führen kann. Dies kann außerdem zu Geräteabschaltungen, strukturellem Versagen und sogar zu schweren Sicherheitsunfällen führen. In diesem Artikel werden systematisch die häufigsten Bruchformen, Bildungsmechanismen, makroskopischen Brucheigenschaften von Überlastbrüchen, Bruchpositionen mit hohem-Risiko und Bruchzustände unter verschiedenen Belastungsbedingungen von Schrauben vorgestellt und technische Unterstützung für die Verhinderung von Schraubenausfällen, die Wartung von Geräten und die Prozessoptimierung bereitgestellt.

I. Häufige Bruchformen von Schrauben

1. Überlastungsfraktur

Überlastungsbruch tritt auf, wenn die auf eine Schraube wirkende Momentanlast die maximale Zugfestigkeit des Materials übersteigt, was zu einem typischen statischen Duktil- oder Sprödbruch gehört. Diese Art von Bruch tritt plötzlich auf, ohne dass es offensichtliche Anzeichen vor dem Ausfall gibt. Bei duktilen Materialien weist die Bruchfläche im Allgemeinen eine becher-kegelförmige Form oder einen um 45-Grad geneigten Abschnitt mit rauen Oberflächen und erheblicher plastischer Verformung auf. Bei hochfesten, spröden Schrauben ist die Bruchfläche relativ flach und weist eine vernachlässigbare plastische Verformung auf.

Bruchursachen: Eine unangemessene Konstruktionskonstruktion führt zu einer unterdimensionierten Schraubenauswahl und einem unzureichenden Lastspielraum, was zu einem langfristigen Überlastbetrieb führt. Plötzliche anormale Arbeitsbedingungen wie Stoßbelastungen und vorübergehende Überlastungen während des Gerätebetriebs können ebenfalls zu einer sofortigen Überschreitung der Grenzbelastung führen. Beispielsweise kann es beim Heben übergewichtiger Lasten zu Überlastungsbrüchen an den Verbindungsbolzen von Kranhebevorrichtungen kommen.

2. Ermüdungsbruch

Ermüdungsbruch ist die häufigste Versagensform von Schrauben. Unter langfristigen zyklischen Belastungen wie Wechselspannung, Druck, Biegung und Vibration entstehen an Spannungskonzentrationsbereichen Mikroermüdungsrisse. Die Risse dehnen sich mit den Belastungszyklen allmählich aus, wodurch die effektive Lagerfläche kontinuierlich verringert wird, und führen schließlich zu einem plötzlichen Bruch, selbst wenn die Arbeitslast den Nennwert nicht überschreitet. Ermüdungsbrüche treten ohne offensichtliche plastische Verformung auf. Die Bruchfläche ist im Allgemeinen glatt mit typischen schalen- oder jahresringähnlichen Texturen.

Bruchursachen: Langfristige Hin- und Herbewegungen und hochfrequente Vibrationen der Ausrüstung setzen Schrauben einer periodischen Wechselbeanspruchung aus. Beispielsweise sind die Pleuelschrauben von Automotoren zyklischen Zug- und Druckbelastungen durch die hochfrequente Hin- und Herbewegung von Kolben und Pleueln ausgesetzt, was zu akkumulierten Ermüdungsschäden und schließlich zu Ermüdungsbrüchen führt.

3. Korrosionsbruch

Wenn Schrauben in korrosiven Umgebungen eingesetzt werden, kommt es zu chemischer oder elektrochemischer Korrosion am Grundmaterial, wodurch Oberflächenfehler wie Rost und Lochfraß entstehen. Diese Mängel verringern die effektive Auflagefläche und die mechanische Festigkeit der Schrauben und führen bei normaler Arbeitsbelastung zum Bruch. An den Bruchflächen sind Korrosionsprodukte wie Rostschichten und Korrosionsgruben zu beobachten.

Bruchursachen: Schrauben, die in feuchten, salz-sprüh- oder säure-basischen korrosiven Umgebungen eingesetzt werden, sind anfällig für Korrosionsversagen, wie z. B. Stahlbauanlagen in der Nähe des Meeres und chemische Industrieanlagen. Beispielsweise werden die Verbindungsbolzen an Schiffsdecks durch Meerwasser und Salznebel kontinuierlich erodiert, was zu Materialverschlechterung und Korrosionsbrüchen führt.

4. Spannungskorrosionsbruch

Unter Spannungskorrosionsbruch versteht man einen Sprödbruch, der unter der kombinierten Wirkung konstanter Zugspannung und spezifischer korrosiver Medien auftritt. Der Riss wächst im Frühstadium langsam, ohne dass offensichtliche Fehlersymptome auftreten, und sobald der Riss die kritische Größe erreicht, kommt es zu einem plötzlichen Bruch. Die Bruchfläche weist zwei Merkmale von Spannungsversagen und Korrosionsschäden auf.

Bruchursachen: Bestimmte Schraubenmaterialien können bei geringer konstanter Zugspannung in bestimmten korrosiven Umgebungen Spannungskorrosionsrisse erzeugen und ausdehnen. Ein typischer Fall ist der Spannungskorrosionsbruch von austenitischen Edelstahlschrauben in chloridreichen Umgebungen.

5. Wasserstoffversprödungsbruch

Während der Herstellung oder Wartung dringen Wasserstoffatome in das Schraubenmaterial ein und sammeln sich darin an. Dabei bilden sie Wasserstoffmoleküle, die einen enormen Innendruck erzeugen. Dies führt zu Gitterrissen und zur Ausbreitung von Mikrorissen, was schließlich zu Sprödbrüchen führt. Wasserstoffversprödung ist ein typisches sprödes Versagen, das durch flache Bruchflächen und keine offensichtliche plastische Verformung gekennzeichnet ist.

Bruchursachen: Wasserstoffatome dringen beim Galvanisieren, Säurebeizen, Phosphatieren und anderen Oberflächenbehandlungsprozessen ohne ausreichende Dehydrierungsbehandlung in die Stahlmatrix ein.Hoch-Stahlschraubensind sehr empfindlich gegenüber Wasserstoffversprödung. Eine zu hohe Wasserstoffionenkonzentration in der Galvanisierungslösung und ungeeignete Dehydrierungsprozesse sind die Hauptursachen für Wasserstoffversprödungsbrüche.

6. Durch Herstellungsfehler verursachter Bruch

Interne und Oberflächendefekte, die bei der Rohmaterialproduktion und der Schraubenherstellung entstehen, bilden Spannungskonzentrationsquellen. Unter Belastung steigt die Spannung an den Defektstellen stark an, was zur Entstehung und schnellen Ausbreitung von Rissen führt, die schließlich zum Bruch führen. Auf der Bruchfläche sind deutlich Original-Herstellungsfehler zu erkennen.

Bruchursachen: Rohstofffehler wie Einschlüsse, Porosität, Lunker und Entmischungen; Eine unsachgemäße Kontrolle der Schmiede-, Wärmebehandlungs- und Drehprozesse führt zu Abschreckrissen, Schleifrissen, Werkzeugspuren und Kratzern.

II. Drei charakteristische Zonen von Bolzenüberlastungsbrüchen

1. Faserzone

Position: Befindet sich in der Mitte der Bruchfläche und dient als Rissinitiierungs- und anfängliche Ausbreitungszone.

Morphologische Merkmale: Die Oberfläche ist rau und faserig mit sichtbarer plastischer Verformung und Mikrohohlraumansammlung, was ein typisches Merkmal duktiler Brüche ist.

Bildungsmechanismus: Im anfänglichen Bruchstadium erfährt das Schraubenmaterial unter Spannung eine plastische Rheologie. Mikrohohlräume entstehen, wachsen, aggregieren und verbinden sich, um die faserige Bruchmorphologie zu bilden.

2. Strahlungszone

Position: Befindet sich außerhalb der Faserzone und entspricht dem Stadium der schnellen Rissausbreitung.

Morphologische Merkmale: Die Bruchfläche ist relativ flach mit deutlichen radialen oder fischgrätenartigen Strukturen, die sich von der Mitte nach außen erstrecken.

Bildungsmechanismus: Wenn sich der anfängliche Riss auf die kritische Größe ausdehnt, tritt er in die Phase der schnellen Ausbreitung ein. Eine starke Spannungskonzentration an der Rissspitze führt zu einem schnellen transgranularen oder intergranularen Reißen, wodurch eine radiale Bruchmorphologie entsteht.

3. Scherlippenzone

Position: Verteilt am äußersten Rand der Bruchfläche, gebildet im letzten Bruchstadium.

Morphologische Merkmale: Die Oberfläche ist glatt und geneigt mit typischen Schergleitmerkmalen und bildet eine ringförmige Scherlippe, die das endgültige Merkmal des duktilen Bruchs darstellt.

Bildungsmechanismus: Im letzten Bruchstadium rutscht und reißt das Restmaterial unter hoher Spannung entlang der maximalen Scherebene, wodurch eine plastische Scherverformung entsteht und die Scherlippenstruktur entsteht.

III. Häufige Ursachen von Bolzenüberlastungsbrüchen

1. Erster Gewindezahn in der Nähe der Mutterauflagefläche

Lasten werden bei Schraubverbindungen überwiegend durch ineinandergreifende Gewindezähne übertragen. Der erste Gewindezahn in der Nähe der Mutterauflagefläche trägt die größte Belastung und weist die stärkste Spannungskonzentration auf. Dies ist die anfälligste Position für Überlastungsbrüche im Langzeitbetrieb.

2. Gewindegrund am Übergang zwischen Schraubenkopf und Schaft

Der Gewindegrund weist abrupte geometrische Änderungen und einen hohen Spannungskonzentrationskoeffizienten auf. Bei komplexen Spannungszuständen wird es zur strukturellen Schwachstelle von Schrauben und neigt bei Überlast und Stoßbelastung zum Bruch.

3. Übergangsbereich zwischen glattem Schaft und Gewindeabschnitt

Abrupte Änderungen der Querschnittsgröße und -struktur an der Verbindung von glattem Schaft und Gewindeabschnitt führen zu einer deutlichen Spannungskonzentration und ungleichmäßigen Spannungsverteilung. Diese Position führt unter Überlastbedingungen leicht zur Rissbildung und zum Bruchversagen.

IV. Schraubenbruchzustände unter verschiedenen Belastungsformen

1. Bruch unter Zugspannung

Es können ein typischer Becher-{0}}Kegelbruch und eine deutliche Gesamtdehnung und Einschnürungsverformung beobachtet werden. Bei hochfesten Schrauben unter Zugüberlastung bildet der endgültige Bruchabschnitt einen Scherwinkel von etwa 45 Grad mit der Schraubenachse, was zu einem typischen Bruch bei duktiler Überlastung gehört, der meist an der schwachen Gewindewurzelposition auftritt.

2. Bruch unter Stoßbeanspruchung und Biegemoment

Auf der Bruchfläche sind radiale Texturen und Scherlippen zu beobachten, während die Scherlippen unvollständig und ungleichmäßig verteilt sind und keine vollständige Ringform aufweisen. Der Bruch weist eine geringfügige plastische Verformung und offensichtliche Sprödigkeitseigenschaften auf, die hauptsächlich durch augenblickliche Stoß- und Biegebelastungen verursacht werden.

3. Bruch unter kombinierter Torsions- und Zugbeanspruchung

Unter kombinierter Torsions- und Zugbelastung zeigt die Bruchoberfläche offensichtliche wirbelnde Torsionstexturen sowie halbmond- oder fächerförmige Morphologien. Die ausgeprägte Verformung und der Versatz des Bruchs entstehen durch relatives Verrutschen und Reißen von Materialien entlang der Scherebene unter Torsionsscherkraft.