Analisis Penyebab Umum Patahnya Baut Pengikat

Ada berbagai penyebab patahnya bautpengencang. Secara umum kerusakan baut disebabkan oleh faktor tegangan, kelelahan, korosi, dan penggetasan hidrogen.

Fraktur baut

1. Faktor stres
Melebihi tegangan konvensional (tekanan berlebih) disebabkan oleh salah satu atau kombinasi gaya geser, tegangan, tekukan, dan kompresi.
Kebanyakan desainer pertama-tama mempertimbangkan kombinasi beban tarik, gaya pramuat, dan beban praktis tambahan. Gaya prapengencangan pada dasarnya bersifat internal dan statis, yang menekan komponen sambungan. Beban praktis adalah gaya eksternal, biasanya gaya siklik (bolak-balik) yang diterapkan pada pengencang.
Beban tarik berusaha menahan komponen sambungan agar tidak terbuka. Ketika beban tersebut melebihi batas luluh baut, maka baut berubah dari deformasi elastis menjadi deformasi plastis, sehingga mengakibatkan deformasi permanen pada baut. Oleh karena itu, tidak dapat dikembalikan ke keadaan semula ketika beban eksternal dihilangkan. Untuk alasan serupa, jika beban luar pada baut melebihi kekuatan tarik ultimatnya, baut akan patah.
Pengencangan baut dilakukan dengan memutar dengan gaya pramuat. Selama pemasangan, torsi yang berlebihan menyebabkan pengencangan yang berlebihan dan mengurangi kekuatan tarik aksial pengencang dengan memberikan tekanan berlebih pada pengencang. Dengan kata lain, baut yang diberi torsi terus menerus mempunyai nilai luluh yang lebih rendah dibandingkan dengan baut yang diberi tegangan dan tegangan langsung. Dengan cara ini, baut dapat luluh sebelum mencapai kekuatan tarik minimum standar yang sesuai. Torsi yang besar dapat meningkatkan gaya pra-pengencangan baut dan dengan demikian mengurangi kelonggaran sambungan. Untuk meningkatkan gaya penguncian, gaya prapengencangan umumnya diatur pada batas atas. Dengan cara ini, kecuali perbedaan antara kekuatan luluh dan kekuatan tarik ultimit kecil, baut umumnya tidak akan luluh akibat torsi.
Beban geser memberikan gaya vertikal pada sumbu longitudinalbaut. Tegangan geser dibagi menjadi tegangan geser tunggal dan tegangan geser ganda. Dari data empiris, tegangan geser tunggal ultimit kira-kira 65% dari tegangan tarik ultimit. Banyak desainer lebih memilih beban geser karena memanfaatkan kekuatan tarik dan geser baut. Mereka terutama bertindak seperti pasak, membentuk sambungan yang relatif sederhana untuk pengencang yang mengalami geser. Kerugiannya adalah sambungan geser memiliki cakupan aplikasi yang terbatas dan tidak dapat sering digunakan karena memerlukan lebih banyak bahan dan ruang. Kita tahu bahwa komposisi dan keakuratan bahan juga memainkan peran yang menentukan. Namun, data material yang mengubah tegangan tarik menjadi beban geser seringkali tidak tersedia.
Kekuatan pengencang sebelum mengencangkan mempengaruhi integritas sambungan geser. Semakin rendah gaya preload maka lapisan sambungan akan semakin mudah tergelincir saat bersentuhan dengan baut. Kapasitas beban geser dihitung dengan mengalikan jumlah bidang melintang (satu bidang geser disebut bidang geser tunggal, dan dua bidang geser disebut bidang geser ganda), yang merupakan penampang baut tak berulir. Kami tidak menganjurkan perancangan benang geser, karena kekuatan geser pengencang dapat diatasi dengan konsentrasi tegangan ketika penampang berubah. Saat menentukan kekuatan geser pengencang, beberapa desainer menggunakan area tegangan tarik, sementara yang lain lebih memilih bagian berdiameter kecil. Jika baut pada sambungan geser dipelintir hingga nilai yang ditentukan (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2), permukaan perkawinan lapisan kontak tidak dapat mulai meluncur hingga melebihi tahanan gesekan di luar. Meningkatkan gesekan antara permukaan kawin dapat meningkatkan integritas sambungan secara keseluruhan. Terkadang, karena ukuran komponen dan persyaratan desain, jumlah baut yang harus digunakan mungkin terbatas.

Gambar 2: Terlepas dari apakah komponen penghubung berupa potongan tunggal atau potongan ganda, permukaan pemotongan tidak boleh melewati bagian pengikat yang berulir
Selain beban tarik dan geser, tegangan lentur merupakan beban lain yang dialami baut, yang disebabkan oleh gaya luar yang tidak tegak lurus terhadap sumbu memanjang baut dan terletak pada permukaan bantalan dan perkawinan. Secara keseluruhan, semakin sederhana sambungan pengikat, semakin besar integritas dan keandalannya.
2. Kelelahan
Saat ini tidak ada undang-undang khusus yang memerintahkan pemasok untuk membeli komponen utama yang memenuhi standar industri dalam peraturan terkait pengencang industri, terutama tanpa menyebutkan penyebab utama kegagalan pengencang, yaitu kelelahan. Kerusakan akibat kelelahan diperkirakan mencapai 85% dari total jumlah kegagalan pengikat.
Kelelahan pada baut adalah aksi beban tarik siklik yang terus menerus, yang mengakibatkanbautdikenai gaya preload yang relatif kecil dan beban kerja bergantian. Dalam kondisi beban ganda seperti itu untuk waktu yang lama, baut akan rusak jika kekuatan tarik pengenalnya kurang dari. Umur kelelahan ditentukan oleh jumlah dan amplitudo siklus tegangan pembebanan. Beberapa konektor terkompresi, seperti mesin press, peralatan stamping, dan mesin cetak, mungkin juga mengalami patah karena kelelahan. Berbagai tegangan gabungan dihasilkan antara daya dan beban awal selama pengoperasian. Pada gerakan peregangan yang berulang-ulang, jumlah dan amplitudo perubahan tegangan dipengaruhi oleh tingkat kelelahan dan kerusakan.
Pengencang industri yang umum, seperti sekrup segi enam, terus memanjang dan kembali ke bentuk aslinya dalam kisaran elastisitas tertentu. Jika terkena tegangan melebihi batas normal dan melampaui rentang elastis, maka akan mengalami deformasi permanen hingga akhirnya patah. Perilaku memperluas dan kembali ke keadaan diperpanjang disebut siklus. Sekrup soket heksagonal dapat menahan siklus sekitar 240-10 derajat per hari (maksimum) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3 Diagram Goodman yang ditingkatkan

Diagonal putus-putus menunjukkan nilai rata-rata beban sekrup bolak-balik dengan probabilitas 90% untuk 10 juta siklus. Garis diagonal sebenarnya menunjukkan bahwa ketika gaya prapengencangan sekrup mencapai 100ksi, simpangan maksimum antara beban dinamis dan tegangan rata-rata adalah 12ksi.
Pengencang pada akhirnya akan retak karena siklus tegangan yang berulang dari puncak ke puncak. Fraktur biasanya terjadi pada titik paling rentan pada pengikat, yang oleh para insinyur disebut sebagai "area konsentrasi tegangan maksimum". Begitu retakan mikro terjadi pada titik konsentrasi tegangan dan terus mengalami tegangan, retakan tersebut akan menyebar dengan cepat, menyebabkan kerusakan lelah pada pengikat. Perusahaan yang memproduksi pengencang untuk keperluan industri terus mengeksplorasi proses pencetakan baru dan merancang serta mengembangkan metode manufaktur baru yang dapat mengatasi kelemahan fatal yang disebutkan di atas.
Lokasi kegagalan fatik yang paling umum meliputi sambungan (yaitu ulir pertama yang dimuat), fillet akar, ulir, dan terminasi ulir. Karena peningkatan kekuatan lelah melalui pengembangan bahan dan metode produksi yang lebih baik di industri manufaktur, benang telah menjadi titik terlemah dari pengencang dan saat ini merupakan penyebab kerusakan tertinggi dalam kegagalan kelelahan.
Keterkaitan antara variabel tegangan dalam desain dan karakteristik kinerja pengencang membuat penetapan standar kekuatan lelah menjadi tugas yang sulit. Saat ini, merupakan proses yang rumit untuk menentukan jumlah "siklus yang akan patah" dan mengukur kekuatan relatif dari serangkaian pengencang.
3. Korosi
Alasan lain patahnya baut adalah korosi. Korosi memiliki banyak bentuk, antara lain korosi biasa, korosi kimia, korosi elektrolitik, dan korosi tegangan. Korosi elektrolitik mengacu pada paparan pengencang terhadap berbagai bahan lembab seperti air hujan atau kabut asam, yang merupakan elektrolit yang dapat menyebabkan korosi kimia pada pengencang; Kedua, karena bahan pengencang yang berbeda, potensi elektrolitiknya berbeda, dan perbedaan potensial dapat dengan mudah menghasilkan "baterai mikro". Perancang harus memilih material dengan potensi elektrolitik yang serupa sebanyak mungkin berdasarkan kompatibilitas logam, sekaligus menghilangkan kondisi pembentukan elektrolit untuk mencegah retak yang disebabkan oleh korosi elektrolitik.
Korosi tegangan relatif terbatas. Korosi tegangan terjadi pada beban tarik tinggi dan terutama mempengaruhi pengencang yang terbuat dari baja paduan berkekuatan tinggi. Pengencang yang terbuat dari baja paduan (terutama baja dengan komposisi paduan tinggi) rentan terhadap retak akibat tekanan. Pada awalnya, retakan dan lubang biasanya terbentuk di permukaan, dan kemudian terjadi korosi lebih lanjut, yang mendorong penyebaran retakan. Laju perambatan retak ditentukan oleh tegangan pada baut dan ketangguhan patah material. Ketika material yang tersisa berfungsi sampai pada titik di mana material tersebut tidak dapat menahan tegangan yang diberikan, maka terjadilah patahan.
4. Penggetasan hidrogen
Pengencang baja berkekuatan tinggi (umumnya dengan kekerasan Rockwell C36 atau lebih tinggi) lebih rentan terhadap penggetasan hidrogen. Penggetasan hidrogen adalah penyebab utama patahnya pengikat. Penggetasan hidrogen adalah fenomena di mana atom hidrogen masuk dan berdifusi ke seluruh matriks material. Ketika atom hidrogen memasuki matriks material, matriks tersebut mengalami distorsi kisi, mengganggu keadaan keseimbangan awal dan membuatnya mudah retak karena gaya eksternal. Ketika beban eksternal diterapkan padabaut,atom hidrogen bermigrasi ke zona tegangan yang sangat terkonsentrasi, menyebabkan tegangan yang signifikan antara tepi batas kristal, yang menyebabkan patahnya partikel kristal pengikat.
Jika pengencang mengandung hidrogen kritis sebelum pemasangan, biasanya pengencang akan rusak dalam waktu 24 jam. Jika hidrogen memasuki pengikat, tidak mungkin untuk memprediksi kapan pengikat akan rusak. Oleh karena itu, ketika menggunakan pengencang yang relevan, perancang harus menentukan pemilihan pemasok dengan proses khusus dan potensi penggetasan hidrogen yang minimal.
5. Faktor lainnya
Patahnya sambungan tidak selalu berhubungan langsung dengan patahnya pengikat bencana. Banyak faktor yang berkaitan dengan pengencang, seperti hilangnya beban awal atau kelelahan sambungan pengikat, dapat menyebabkan keausan; Offset tengah pengencang dapat menimbulkan kebisingan dan kebocoran saat digunakan, sehingga memerlukan perawatan tidak terencana untuk mencegah kerusakan. Misalnya, getaran dapat mengurangi ketahanan gesekan benang, dan sambungan pengikat dapat mengendur karena penerapan beban kerja setelah pemasangan. Faktor-faktor ini, bersama dengan mulur baut pada suhu tinggi, dapat menyebabkan hilangnya gaya pramuat. Kadang-kadang patahnya sambungan dapat disebabkan oleh ukuran lubang yang dilewati terlalu besar atau terlalu kecil, luas bantalan yang terlalu kecil, bahan yang terlalu lunak, atau beban yang terlalu tinggi. Situasi seperti ini tidak akan menyebabkan patahnya baut secara langsung, namun akan mengakibatkan hilangnya integritas sambungan atau akhirnya patahnya baut.