Bulong đứt trong khi máy đang chạy hầu như không bao giờ là do quá tải một lần. Nó là gãy mỏi: vết nứt nhỏ hình thành ở một vị trí tập trung ứng suất, lớn dần qua hàng triệu chu kỳ tải, rồi phần tiết diện còn lại đứt đột ngột. Bề mặt gãy kể lại toàn bộ câu chuyện — một vùng nhẵn có các vân đồng tâm (vết nứt lan dần) và một vùng thô ráp (đứt cuối cùng). Tỉ lệ giữa hai vùng cho biết mối ghép đã bị quá tải nhiều hay ít.
Nhận biết ngoài hiện trường: gãy mỏi cho mặt gãy phẳng, vuông góc trục, hầu như không có biến dạng dẻo, không thắt cổ chai. Gãy do quá tải thì ngược lại — bulong dài ra thấy rõ, ren biến dạng, mặt gãy nghiêng và xù xì.
VDI 2230 cho biên độ ứng suất cho phép của bulong ren cán trước nhiệt luyện bằng công thức:
σASV = 0,85 × (150 / d + 45) N/mm² — với d là đường kính danh nghĩa tính bằng mm.
Nhìn kỹ công thức: không có biến nào là cấp bền. Thay số:
| Cỡ ren | σASV (N/mm²) — biên độ cho phép | Áp dụng cho cấp bền nào |
|---|---|---|
| M8 | 54,0 | 8.8, 10.9, 12.9 — như nhau |
| M10 | 51,0 | |
| M12 | 48,9 | |
| M16 | 46,2 |
Điều kiện áp dụng: đây là biên độ ứng suất (nửa khoảng dao động), không phải ứng suất lớn nhất, và áp dụng cho ren cán trước nhiệt luyện chịu tải dọc trục. VDI 2230 có công thức riêng, cho giá trị cao hơn, đối với ren cán sau nhiệt luyện.
Hệ quả thực tế rất quan trọng: thay bulong 8.8 bằng 12.9 không cứu được mối ghép đang gãy mỏi. Thép cấp cao hơn chịu tải tĩnh tốt hơn nhưng nhạy cảm hơn với hiệu ứng khía, và biên độ mỏi gần như không đổi. Nếu bulong đang gãy trong lúc máy chạy, hãy tìm nguyên nhân ở lực kẹp và ở thiết kế mối ghép, đừng nâng cấp bền rồi hy vọng.
Như đã trình bày ở bài tính mối ghép theo VDI 2230, khi mặt bích còn ép chặt thì hệ số tải Φ nằm trong khoảng 0,1–0,3: bulong chỉ nhận 10–30% biên độ tải ngoài. Ví dụ tải ngoài dao động ±20 kN trên mối ghép có Φ = 0,2 chỉ tạo ra ±4 kN trong bulong. Với M12 (As = 84,3 mm²) đó là biên độ ứng suất ±47 N/mm² — vừa chạm ngưỡng cho phép 48,9.
Bây giờ giả sử lực kẹp tụt và mặt bích hé mở. Φ nhảy lên 1,0, bulong nhận trọn ±20 kN, tương ứng ±237 N/mm² — gấp gần năm lần ngưỡng. Tuổi thọ không giảm năm lần mà giảm hàng nghìn lần, vì quan hệ giữa biên độ ứng suất và số chu kỳ là quan hệ lũy thừa.
Đây là điểm mấu chốt của toàn bộ chủ đề mỏi: phần lớn bulong gãy mỏi không phải vì bulong yếu, mà vì mối ghép đã mất lực kẹp từ trước. Bulong gãy là triệu chứng cuối cùng của một quá trình bắt đầu bằng siết thiếu, lún bề mặt hoặc tự lỏng.
Rẻ nhất và hiệu quả nhất. Siết đúng, siết lại sau chạy thử, chống tự lỏng bằng cơ cấu phù hợp. Xem bài mất lực siết và siết lại.
Bulong dài hơn, hoặc bulong thân thắt có đường kính thân nhỏ hơn đường kính chân ren, làm giảm Φ nên giảm biên độ ứng suất. Đây là lý do bulong tay biên và bulong nắp máy trong động cơ luôn dài và mảnh. Trong thiết kế máy, thêm một đoạn bạc lót để kéo dài chiều dài kẹp là thủ thuật rẻ tiền và rất hiệu quả.
Ren cán lăn ép tạo ứng suất dư nén ở chân ren và làm thớ kim loại chạy liên tục theo biên dạng ren; ren tiện thì cắt đứt thớ và để lại vết dao. Với cùng cấp bền, ren cán cho tuổi thọ mỏi cao hơn rõ rệt. Bulong tiêu chuẩn ISO 4014/4017 sản xuất hàng loạt đều là ren cán; ren tiện chỉ xuất hiện ở hàng gia công đơn chiếc hoặc cỡ rất lớn — cần lưu ý khi đặt hàng chế tạo riêng.
Vì vòng ren đầu tiên gánh nhiều tải nhất, các giải pháp làm đều tải giúp ích: đai ốc cao hơn tiêu chuẩn ít tác dụng (vòng ren xa vẫn gánh ít), nhưng đai ốc có mặt vát hoặc phần đầu mềm hơn thì có. Trong thiết kế chính xác, người ta còn dùng đai ốc chịu kéo (lắp ngược) để hướng biến dạng của đai ốc cùng chiều với bulong.
| Quan sát trên mặt gãy | Kết luận sơ bộ | Hướng xử lý |
|---|---|---|
| Phẳng, vân đồng tâm, vùng nhẵn chiếm phần lớn | Mỏi ở tải thấp — mối ghép mất lực kẹp từ lâu | Kiểm tra quy trình siết và chống tự lỏng |
| Phẳng, vùng nhẵn nhỏ, vùng thô lớn | Mỏi ở tải cao — bulong bị quá tải chu kỳ | Lên cỡ bulong hoặc tăng số lượng |
| Nghiêng, có thắt cổ chai, ren giãn | Quá tải tĩnh — siết quá lực hoặc tải đột biến | Xem lại mô men và ma sát ren |
| Gãy giòn, mặt hạt, không biến dạng, xảy ra sau vài giờ đến vài ngày kể từ khi lắp | Nghi giòn hydro | Truy quy trình mạ và khử hydro của lô hàng |
| Gãy ở nhiều bulong cùng một hàng, cùng vị trí | Lỗi hệ thống: mặt tựa nghiêng hoặc phân bố tải lệch | Kiểm tra độ phẳng và trình tự siết |
Khi nghi ngờ, giữ lại cả hai nửa bulong gãy và đừng chạm vào mặt gãy — mọi thông tin cần cho việc truy nguyên đều nằm ở đó.
Thường là không, nếu nguyên nhân là mỏi. Biên độ ứng suất mỏi cho phép theo VDI 2230 không phụ thuộc cấp bền — công thức 0,85 × (150/d + 45) chỉ có đường kính. Cấp bền cao chỉ giúp chịu tải tĩnh và cho phép lực kẹp lớn hơn; nếu lực kẹp không được nâng lên và giữ được, bulong 10.9 sẽ gãy đúng chỗ cũ.
Vì bulong dài mềm hơn, nên khi tải ngoài dao động tác dụng, phần dao động rơi vào bulong nhỏ hơn (hệ số tải Φ nhỏ). Bulong ngắn cứng, gần như nhận trọn dao động. Ngoài ra bulong dài cũng ít bị ảnh hưởng bởi tổn thất lún bề mặt nên giữ lực kẹp tốt hơn theo thời gian.
Ren cán được lăn ép nên chân ren có ứng suất dư nén và thớ kim loại chạy liên tục, chống nứt tốt hơn nhiều. Ren tiện cắt đứt thớ và để lại vết dao làm mầm nứt. Với cùng vật liệu và cấp bền, ren cán cho tuổi thọ mỏi cao hơn rõ rệt, nên bulong tiêu chuẩn sản xuất hàng loạt đều dùng ren cán.
Là gãy giòn hoặc gãy mỏi, không phải quá tải. Nếu mặt gãy có vân đồng tâm thì là mỏi. Nếu mặt gãy có dạng hạt, xảy ra sau khi lắp vài giờ tới vài ngày và bulong thuộc cấp 10.9 hoặc 12.9 có mạ điện phân, thì phải nghi giòn hydro và kiểm tra lại quy trình khử hydro của cả lô hàng.