تاثیر حرارت بر عملکرد پیچ و مهره ها یکی از فاکتورهای بسیار مهم در زمان انتخاب و خرید این قطعات است که عدم توجه به آن منجر به کاهش ایمنی می شود. چون با افزایش دما ساختار پیچ و مهره انعطاف پذیر و نرم شده و احتمال ترک و شکستگی آنها نیز وجود دارد. با توجه به نوع متریال به کار رفته در روند تولید پیچ و مهره و گرید، میزان مقاومت آنها در برابر افزایش دما و حرارت متفاوت است. در این مطلب به بررسی کامل اثر حرارت بر پیچ و مهره ها و عملکرد آنها می پردازیم.
تاثیر دما بر پیچ و مهره
با افزایش دما در ساختار پیچ و مهره ها به دلیل انبساط تغییرات زیادی ایجاد می شود که از مهم ترین آنها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
کاهش استحکام کششی
در دماهای بالاتر از 300 درجه سانتی‌گراد، بسیاری از فلزات مانند فولاد نرم شده و خواص مکانیکی خود را از دست می دهند. در نتیجه استحکام کششی پیچ تا حد زیادی کاهش یافته و احتمال کشیده شدن و شل شدن آن ها در اتصالات افزایش می یابد. هر اندازه گرید پیچ و مهره های فولادی کمتر باشد، به همان نسبت میزان کاهش استحکام کششی آنها بیشتر خواهد بود.
نرم شدن پیچ و مهره در حرارت بالا
یکی از مهم ترین اثرات حرارت بر عملکرد پیچ و مهره، نرم شدن آنها است. به همین دلیل پیچ و مهره توانایی خود برای تحمل بار را از دست داده و مشکلات زیادی در سازه مورد نظر ایجاد می کند.
افزایش احتمال اکسیدشوندگی پیچ و مهره
حرارت بالا باعث اکسید شدن سطح فلزات می شود. این لایه اکسیدی می تواند مقاومت پیچ و مهره ها در برابر خوردگی را کاهش دهد و باعث سست شدن بدنه آنها شود. برای مواد خاص مانند استنلس استیل و آلیاژهای مقاوم به حرارت، میزان خورندگی پیچ و مهره در حرارت زیاد کم است، اما همین مقدار کم می تواند طول عمر آنها را کاهش دهد.
تضعیف خواص مکانیکی در گریدهای پایین
پیچ و مهره‌های با گرید پایین مانند 4.6 و 5.6 در حرارت زیاد تحت تأثیر قرار گرفته و خاصیت کششی و استحکام کاهش پیدا می کند.
ترک خوردگی پیچ و مهره به دلیل شوک حرارتی
تغییرات ناگهانی دما و افزایش زیاد آن در مهره باعث شوک حرارتی می شود. در نتیجه احتمال ایجاد ترک های ریز و شکستگی در بدنه پیچ و مهره ها افزایش پیدا می کند. در پیچ و مهره های برنجی و آلومینیوم افزایش ناگهانی حرارت اثر زیادی داشته و طول عمر آنها را کم می کند.
کاهش سختی در مواد آلیاژی
در حرارت زیاد مواد آلیاژی مثل فولادهای کربنی و برخی آلیاژهای استنلس استیل به دلیل تغییرات ساختاری، سختی خود را از دست می دهند. این کاهش سختی باعث می شود پیچ و مهره آسیب‌پذیر شده و دچار سایش شوند.
تاثیر حرارت بر عملکرد پیچ و مهره در گریدهای مختلف
یکی از مهم ترین فاکتورهای موثر در میزان مقاومت پیچ و مهره ها در برابر حرارت، گرید آنها است. چون در هر گرید براساس نوع متریال و جنس پیچ و مهره میزان مقاومت کششی و استحکام و تغییرات ساختاری در برابر افزایش یا کاهش دما متفاوت است. به عنوان مثال، پیچ و مهره های فولادی در گریدهای پایین 5.6 و 4.6 در دمای بالاتر از 200 درجه سانتی گراد نمی توانند مقاومت مطلوبی داشته باشند و نرم می شوند. علاوه براین، نوسان زیاد دما منجر به ترک خوردگی بدنه پیچ و مهره می شود که خسارت های زیادی را می تواند ایجاد کند.
اگر پیچ و مهره فولادی گرید بالا 8.8، 10.9 و 12.9 دارد، تا 400 درجه سانتی گراد می تواند مقاومت مطلوبی در برابر حرارت داشته باشد. اما اگر ناگهان حرارت بالا کاهش پیدا کند، احتمال ترک و شکستگی در پیچ و مهره وجود دارد.
تاثیر حرارت بر پیچ و مهره های استنلس استیل در گریدهای A2 و A4 با سایر گریدها کمی تفاوت دارد. چون این پیچ و مهره ها مقاومت بسیار بالایی در برابر حرارت داشته و تا 800 درجه سانتی گراد دچار تغییر ساختار نمی شوند. یکی از مهم ترین ویژگی های این پیچ و مهره ها، عدم تغییر ساختار و ترک و شکستگی در صورت افزایش یا کاهش ناگهانی دما است. به همین دلیل در محیط های دارای نوسان دمایی زیاد از این نوع پیچ و مهره استفاده می شود.
به نقل از سایت electronicfasteners
پیچ و مهره‌های استنلس استیل در برابر خوردگی مقاوم بوده و می‌توانند دماهای بالا را تحمل کنند. با این حال، حرارت همچنان می‌تواند باعث انبساط و انقباض آنها شود و در نهایت باعث زنگ زدگی، شل شدن یا شکستن پیچ و مهره شما گردد.
مقاوم ترین نوع پیچ و مهره در برابر حرارت، مدل های تولید شده با تیتانیوم و اینکونل است. پیچ و مهره های دارای تیتانیوم می توانند به خوبی تا 1000 درجه سانتی گراد ساختار خود را حفظ کنند و دچار نرمی یا شکستگی نمی شوند. به همین دلیل در توربین های گازی، موتورهای جت و هوا و فضا از این پیچ و مهره ها استفاده می شود.
روش های کاهش اثر حرارت بر پیچ و مهره ها
در حالت کلی می توان گفت حرارت بالا در بسیاری از انواع پیچ و مهره باعث کاهش طول عمر آنها می شود. چون حرارت زیاد بدنه پیچ و مهره را نرم کرده و استحکام کششی را کاهش می دهد. در صنعت برای کاهش اثرات منفی حرارت بر عملکرد پیچ و مهره ها روش های مختلفی به کار می رود که مهم ترین آنها عبارتند از:
- استفاده از آلیاژ مناسب برای حرارت بالا در ساخت پیچ و مهره؛ به عنوان مثال آلیاژهای کروم و مولیبدن مقاومت پیچ و مهره را در برابر حرارت افزایش می دهد. علاوه براین، آلیاژهای تیتانیوم و اینکونل نیز به شدت در بالا بردن مقاومت پیچ و مهره در برابر حرارت موثر هستند.
- با اجرای روکش های گالوانیزه گرم و نیکل می توان تا حد مطلوبی مقاومت پیچ و مهره را در برابر حرارت افزایش داد. این روکش ها بدنه پیچ و مهره را در برابر سایش و اکسیداسیون نیز مقاوم می کند.
- در روند تولید پیچ و مهره می توان از عملیات حرارتی استاندارد استفاده کرد. فرآیندهایی از قبیل آنیلینگ، نرمالایز کردن تاثیر زیادی بر بالا بردن استحکام و مقاومت پیچ و مهره در برابر حرارت دارند.
نکات مهم در استفاده از پیچ و مهره در حرارت بالا
اگر محیط استفاده از پیچ و مهره حرارت بالایی دارد و به دنبال کاهش اثرات منفی دما بر عملکرد این قطعات هستید، رعایت نکات زیر می تواند موثر باشد:
- در محیط های دارای حرارت زیاد و دمای بالا باید پیچ و مهره هایی از جنس آلیاژهایی مانند اینکونل، تیتانیوم یا فولاد ضدزنگ (استنلس استیل) با مقاومت بالا استفاده شود.
- انتخاب گرید پیچ و مهره از جمله گریدهای 10.9، 12.9 یا گریدهای آلیاژی مقاوم به حرارت ضروری است. پیچ های گرید 5.6 و 8.8 در شرایط دمایی بالا عملکرد خوبی ندارند و ممکن است دچار تغییر شکل و کاهش استحکام شوند.
- برای جلوگیری از آسیب به سطح اتصال و کاهش اثرات حرارتی، از واشر مقاوم به حرارت استفاده کنید. واشرهای ساخته شده از مواد مشابه با پیچ و مهره می توانند به حفظ اتصال کمک کنند.
- قبل از نصب پیچ و مهره، سطح اتصال باید تمیز باشد. آلودگی و زنگ‌زدگی سطح می توانند باعث ایجاد مشکلات در هنگام نصب و عملکرد پیچ ها در دمای بالا شوند.
- سطح اتصال باید صاف باشد تا فشار یکنواختی در سراسر سطح اتصال اعمال شود. این موضوع از ایجاد تنش های ناهموار و آسیب به پیچ و مهره جلوگیری می کند.
- پیچ و مهره های استفاده شده در شرایط حرارتی بالا باید به طور منظم بازرسی شوند. در صورت مشاهده هرگونه تغییر شکل، ترک خوردگی یا تغییر در سختی، پیچ و مهره باید تعویض شود.
جمع بندی
براساس آنچه در متن بررسی شد، تاثیر حرارت بر عملکرد پیچ و مهره ها کاهش مقاومت و استحکام کششی آنها است. با افزایش دما بدنه پیچ و مهره نرم شده و به همین دلیل نمی تواند در برابر ضربه و کشش مقاومت خوبی داشته باشد. میزان مقاومت پیچ و مهره ها در برابر حرارت تا حد زیادی به جنس و گرید آنها بستگی دارد. به طوریکه پیچ و مهره های استیل و فولادی با گریدهای بالا مقاومت بهتری در برابر حرارت دارند.