ישנן סיבות שונות לשבר בריח פנימהמחברים. באופן כללי, נזק לבורג נגרם על ידי גורם מתח, עייפות, קורוזיה והתפרקות מימן.
שבר בריח
1. גורם מתח
חריגה ממתח קונבנציונלי (מתח יתר) נגרמת על ידי כל אחד או שילוב של גזירה, מתח, כיפוף ודחיסה.
רוב המעצבים רואים תחילה את השילוב של עומס מתיחה, כוח עומס מראש ועומס מעשי נוסף. כוח ההידוק מראש הוא בעצם פנימי וסטטי, מה שדוחס את מרכיבי המפרק. עומסים מעשיים הם כוחות חיצוניים, בדרך כלל מחזוריים (הדדיים) המופעלים על מחברים.
עומס המתיחה מנסה להתנגד לרכיבי המפרק להיפתח. כאשר עומסים אלו עולים על גבול התפוקה של הבורג, הבורג משתנה מעיוות אלסטי לעיוות פלסטי, וכתוצאה מכך לעיוות קבוע של הבורג. לכן, לא ניתן להחזיר אותו למצבו המקורי כאשר העומס החיצוני מוסר. מסיבות דומות, אם העומס החיצוני על הבורג עולה על חוזק המתיחה הסופי שלו, הבורג ישבר.
הידוק הבורג מושג על ידי פיתול בכוח עומס מראש. במהלך ההתקנה, מומנט יתר מוביל להידוק יתר ומפחית את חוזק המתיחה הצירי של מחברים על ידי הכפפתם למתח יתר. במילים אחרות, לברגים הנתונים פיתול מתמשך יש ערכי תפוקה נמוכים יותר בהשוואה לברגים הנתונים ישירות למתח ולמתח. בדרך זו, הבורג עשוי להיכנע לפני הגעה לחוזק המתיחה המינימלי של התקן המקביל. מומנט גדול יכול להגביר את כוח ההידוק מראש של הבורג ובהתאמה להפחית את הרפיון של המפרק. על מנת להגביר את כוח הנעילה, כוח ההידוק מראש מוגדר בדרך כלל בגבול עליון. בדרך זו, אלא אם כן ההבדל בין חוזק כניעה לחוזק מתיחה סופי קטן, ברגים בדרך כלל לא ייכנעו עקב פיתול.
עומס גזירה מפעיל כוח אנכי על ציר האורך שלבְּרִיחַ. מתח גזירה מתחלק למתח גזירה בודד ולמתח גזירה כפול. מנתונים אמפיריים, מתח הגזירה הסופי הוא כ-65% ממתח המתיחה הסופי. מעצבים רבים מעדיפים עומסי גזירה מכיוון שהם מנצלים את חוזק המתיחה והגזירה של ברגים. הם פועלים בעיקר כמו דיבלים, ויוצרים חיבורים פשוטים יחסית עבור מחברים הנתונים לגזירה. החיסרון הוא שלחיבורי גזירה יש מגוון מצומצם של יישומים ולא ניתן להשתמש בהם לעתים קרובות, מכיוון שהם דורשים יותר חומרים ומקום. אנו יודעים שגם ההרכב והדיוק של החומרים משחקים תפקיד מכריע. עם זאת, נתוני חומר הממירים מתח מתיחה לעומס גזירה אינם זמינים לרוב.
כוח ההידוק מראש של מחברים משפיע על שלמות חיבורי הגזירה. ככל שכוח הטעינה המוקדמת נמוך יותר, כך קל יותר לשכבת המפרק להחליק במגע עם הבורג. כושר עומס הגזירה מחושב על ידי הכפלת מספר המישורים הרוחביים (מישור גזירה אחד נקרא גזירה בודדת, ושני מישורי גזירה נקראים גזירה כפולה), שאמורים להיות חתכים של ברגים ללא הברגה. אנו לא דוגלים בתכנון גזירה דרך חוטים, מכיוון שניתן להתגבר על חוזק הגזירה של מחברים על ידי ריכוז מתח כאשר החתך משתנה. בעת קביעת חוזק הגזירה של מחברים, כמה מעצבים משתמשים באזור מתח המתיחה, בעוד שאחרים מעדיפים קטעים בקוטר קטן. אם הבורג בחיבור הגזירה מעוות לערך שצוין (כמתואר באיור 2), משטח ההזדווגות של שכבת המגע לא יכול להתחיל להחליק עד שהוא חורג מהתנגדות החיכוך בחוץ. הגדלת החיכוך בין משטחי ההזדווגות יכולה לשפר את השלמות הכוללת של החיבור. לפעמים, בשל גודל החלקים ודרישות התכנון, מספר הברגים שיש להשתמש בהם עשוי להיות מוגבל.
איור 2: לא משנה אם הרכיב המחבר הוא חתך יחיד או חתך כפול, משטח החיתוך לא אמור לעבור דרך החלק המשורשר של המחבר
בנוסף לעומסי מתיחה וגזירה, מתח כיפוף הוא עומס נוסף שחווים ברגים, הנגרם מכוחות חיצוניים שאינם מאונכים לציר האורך של הבורג וממוקמים על משטחי המיסב וההזדווגות. בסך הכל, ככל שחיבור המחבר פשוט יותר, כך גדלים שלמותו ואמינותו.
2. עייפות
אין כיום חקיקה ספציפית המורה לספקים לרכוש רכיבים מרכזיים העומדים בתקנים התעשייתיים בתקנות הרלוונטיות למחברים תעשייתיים, במיוחד מבלי להזכיר את הגורם העיקרי לכשל במחברים - עייפות. על פי הערכות, נזקי עייפות הם 85% מסך התקלות במחברים.
העייפות בברגים היא פעולה מתמשכת של עומסי מתיחה מחזוריים, שגורמת לכךברגיםנתון לכוחות קדם-עומס קטנים יחסית ועומסי עבודה מתחלפים. בתנאי עומס כפול כאלה במשך זמן רב, ברגים ייכשלו כאשר חוזק המתיחה המדורג שלהם נמוך מ. חיי העייפות נקבעים על פי המספר והמשרעת של מחזורי לחץ הטעינה. חלק מהמחברים הדחוסים, כגון מכבשים, ציוד הטבעה ומכונות דפוס, עשויים גם הם לחוות שבר עייפות. מתחים מורכבים מרובים נוצרים בין הכוח לעומס מראש במהלך הפעולה. בתנועות מתיחה חוזרות ונשנות, מספר ומשרעת שינויי הלחץ מושפעים ממידת העייפות והנזק.
מחברים תעשייתיים אופייניים, כגון ברגי משושה, מתארכים כל הזמן וחוזרים לצורתם המקורית בטווח מסוים של גמישות. אם הם נתונים ללחץ מעבר לנורמלי ומעבר לטווח האלסטי, הם יעברו דפורמציה קבועה עד שבסופו של דבר ישברו. ההתנהגות של הארכה וחזרה למצב מורחב נקראת מחזור. בורג שקע משושה יכול לעמוד בערך במחזורים של 240-10 מעלות ביום (מקסימום) כפי שמוצג באיור 3.
איור 3 דיאגרמת גודמן משופרת
האלכסון המקווקו מציין את הערך הממוצע של עומס בורג לסירוגין עם הסתברות של 90% ל-10 מיליון מחזורים. הקו האלכסוני בפועל מראה שכאשר כוח ההידוק מראש של הבורג מגיע ל-100KSI, הסטייה המקסימלית בין העומס הדינמי למתח הממוצע היא 12KSI.
מחברים יסדקו בסופו של דבר עקב מחזורי מתח חוזרים משיא לשיא. השבר מתרחש בדרך כלל בנקודה הפגיעה ביותר של המחבר, שאליו מהנדסים מתייחסים כ"אזור של ריכוז מתח מקסימלי". ברגע שמיקרו-סדקים מתרחשים בנקודת ריכוז המתח וממשיכים להיות נתונים ללחץ, הסדקים יתפשטו במהירות, ויגרמו לנזק עייפות לאגר. ארגונים המייצרים מחברים לשימוש תעשייתי בוחנים ללא הרף תהליכי יציקה חדשים ומתכננים ומפתחים שיטות ייצור חדשות שיכולות להתגבר על החולשות הקטלניות הנ"ל.
המיקומים הנפוצים ביותר של כשל עייפות כוללים את המפרק (כלומר החוט הטעון הראשון), פילה שורש, חוט וסיום חוט. עקב שיפור חוזק העייפות באמצעות פיתוח חומרים ושיטות ייצור טובות יותר בתעשיית הייצור, החוטים הפכו לנקודה החלשה ביותר של מחברים וכיום לשיעור הנזק הגבוה ביותר שנגרם בכשל בעייפות.
הקשר ההדדי בין משתני המתח בתכנון לבין מאפייני הביצועים של מחברים הופך את קביעת תקני חוזק עייפות למשימה קשה. נכון לעכשיו, זהו תהליך מורכב לקבוע את מספר ה"מחזורים לשבר" ולמדוד את החוזק היחסי של סדרה של מחברים.
3. קורוזיה
סיבה נוספת לשבר בריח היא קורוזיה. לקורוזיה יש צורות רבות, כולל קורוזיה רגילה, קורוזיה כימית, קורוזיה אלקטרוליטית וקורוזיה מתח. קורוזיה אלקטרוליטית מתייחסת לחשיפה של מחברים לחומרים לחים שונים כגון מי גשמים או ערפל חומצה, שהם אלקטרוליטים שעלולים לגרום לקורוזיה כימית של המחברים; שנית, בשל החומרים השונים של מחברים, הפוטנציאלים האלקטרוליטיים שלהם שונים, והפרש הפוטנציאל יכול ליצור בקלות "מיקרוסוללות". על המעצבים לבחור חומרים בעלי פוטנציאל אלקטרוליטי דומה ככל האפשר בהתבסס על תאימות המתכות, תוך ביטול התנאים לייצור אלקטרוליטים למניעת סדקים הנגרמים מקורוזיה אלקטרוליטית.
קורוזיה במתח מוגבלת יחסית. קורוזיה במתח קיימת בעומסי מתיחה גבוהים ומשפיעה בעיקר על מחברים העשויים מפלדת סגסוגת בעלת חוזק גבוה. מחברים העשויים מפלדת סגסוגת (במיוחד פלדה בעלת הרכב סגסוגת גבוה) נוטים להיסדק תחת לחץ. בהתחלה, בדרך כלל נוצרים סדקים ובורות על פני השטח, ואז מתרחשת קורוזיה נוספת, מה שמקדם את התפשטות הסדקים. קצב התפשטות הסדק נקבע על ידי הלחץ על הבורג וקשיחות השבר של החומר. כאשר החומר הנותר מתפקד עד לנקודה שבה הוא אינו יכול לעמוד בלחץ המופעל, מתרחש שבר.
4. שבירות מימן
מחברי פלדה בחוזק גבוה (בדרך כלל עם קשיות Rockwell של C36 ומעלה) נוטים יותר להתפרקות מימן. שבירות המימן היא הגורם העיקרי לשבר מהדק. התפרקות מימן היא תופעה שבה אטומי מימן נכנסים ומתפזרים בכל מטריצת החומר. כאשר אטומי מימן נכנסים למטריצת החומר, המטריצה עוברת עיוות סריג, משבש את מצב שיווי המשקל המקורי ומקל על פיצוחה תחת כוחות חיצוניים. כאשר מופעל עומס חיצוני עללִדפּוֹק,אטומי מימן נודדים לאזור הלחץ המרוכז ביותר, מה שגורם ללחץ משמעותי בין קצוות גבולות הגביש, מה שמוביל לשבר בין חלקיקי הגביש של המחבר.
כאשר מחברים מכילים מימן קריטי לפני ההתקנה, הם בדרך כלל נשברים תוך 24 שעות. אם מימן נכנס לאגר, אי אפשר לחזות מתי הוא ישבר. לכן, בעת שימוש במחברים רלוונטיים, על המעצבים לציין את בחירת הספקים בעלי תהליכים מיוחדים ומינימום התפרקות מימן.
5. גורמים נוספים
שבר חיבור לא תמיד קשור ישירות לשבר מהדק קטסטרופלי. גורמים רבים הקשורים למחברים, כגון אובדן עומס מוקדם או עייפות של חיבורי מחברים, עלולים לגרום לבלאי; הקיזוז המרכזי של מחברים יכול ליצור רעש ודליפה במהלך השימוש, הדורש תחזוקה לא מתוכננת כדי למנוע שבירה. לדוגמה, רטט יכול להפחית את התנגדות החיכוך של חוטים, וחיבורי מחברים יכולים להירגע עקב הפעלת עומסי עבודה לאחר ההתקנה. גורמים אלה, יחד עם זחילת הברגים בטמפרטורה גבוהה, עלולים להוביל לאובדן כוח הטעינה המוקדמת. לעיתים ניתן לייחס את השבר של החיבור לכך שהחור העובר דרכו גדול מדי או קטן מדי, אזור המיסב קטן מדי, החומר רך מדי או העומס גבוה מדי. כל אחד מהמצבים הללו לא יגרום לשבר ישיר של הבורג, אלא יגרור אובדן שלמות החיבור או שבר בריח בסופו של דבר.
