книги из ГПНТБ / Биргер И.А. Резьбовые соединения

Влияние изгиба на прочность соединений изучают опытным путем при ра­ стяжении с перекосом. Перекос создается с помощью косых шайб (рис. 168), подкладываемых под гайку.

На рис. 169 приведены характерные результаты таких опытов с болтами MIO. Подобные данные были получены ранее К- Маттесом и Г. Рихтером. Прочность шпилек из сталей 38ХА, 1Х17Н2 и титановых сплавов ВТЗ-1 и ВТ9 при различных углах перекоса исследова­ лась авторами. К. Иллгнер и К- Беелих [46] описали влияние перекоса опорной поверхности (а = 5 и 10°) на прочность головок болтов с внутренним шестигранником.

^150 кгс/мм2) оказываются чувствительными к перекосу.

3.Величина ударной вязкости ан (кгс-м/см2) тесно связана с чувствитель­ ностью к перекосу. Большим значениям ан соответствует меньшая чувствитель­ ность к перекосу.

4.Чувствительность к перекосу можно понизить, повышая температуру от­

пуска (см. рис. 169).

12. ПРОЧНОСТЬ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

При проектировании резьбовых соединений, работающих в условиях высо­ кой температуры (/ 350° С), необходимо учитывать ползучесть и длительную прочность материала.

Ползучестью называют непрерывное увеличение деформаций при постоян­ ных напряжениях. Ползучесть материала при данной температуре характери­ зуется пределом ползучести — напряжением, вызывающим остаточную дефор­ мацию (обычно 0,2%) после определенной длительности нагружения.

Разрушения, связанные с длительной прочностью, обычно происходят по границам зерен, что отличает их от усталостных изломов, пересекающих зерна. Пределом длительной статической прочности аЛлХ называют напряжения, вызы­ вающие разрушения через т ч непрерывного действия. Каждой температуре соот­ ветствует своя кривая длительной прочности.

150

берманом [9] проведены испытания на длительную прочность шпилек из стали

Рис. 170. Длительная прочность резьбовых соединений из стали ЭП182 при 565° С:

1 — 4 — резьба М30 х 2, М20 X 2, М14 X 2 и MIO X 1 соответственно

прочность гладких цилиндрических образцов. Как показано на графике, сталь ЭП182 не чувствительна к концентрации напряжений. Испытания не выявили также влияния масштабного фактора на длительную прочность соединений.

Иногда для оценки длительной прочности используют результаты ста­ тических испытаний при кратковре­ менном нагреве (х — 10 -f- 30 мин) на заданную температуру. На рис. 171 приведены результаты таких испыта­ ний (т = 20 мин) для болтов с резь­ бой М10 из стали 4Х12Н8Г8МФБ при различных температурах; как пока­ зано на рисунке, даже при кратковре­ менном нагреве наблюдается сущест­ венное снижение прочности. Подобные результаты получены также в работе [58].

напряжения от изгиба и температурных деформаций. Иногда дополнительные напряжения от изгиба удается снизить применением шайб из «ползучих» при высоких температурах материалов (малоуглеродистых сталей).

В табл. 29 приведены механические характеристики при высоких темпера­ турах сталей и сплавов, используемых для изготовления болтов и шпилек.

151

29. Механические свойства сталей и сплавов для резьбовых соединений при высоких температурах

152

Получают распространение болты из молибдена, которые могут выдержи­ вать длительно нагрузки при / - ; 1000'С и кратковременно до 1650° С. Для повышения жаростойкости болты хромируют или покрывают силицидами. При

детали (болты, шпильки), изготовленные из материалов с метастабильной струк­ турой и малой пластичностью, например из сталей ЗОХГСА, ЗОХГСНА и других с ав 3г 120 кгс/мм2, a также высокопрочных титановых сплавов, могут разру­ шиться через несколько часов (дней) после установки их в узлы с предваритель­ ной затяжкой, но без рабочей нагрузки. Это явление получило название замед­ ленного хрупкого разрушения [3].

Основными особенностями такого разрушения являются внезапность и макрохрупкий излом.

Проведенная О. П. Бендышевым, В. В. Петько и Я- Б. Фридманом [3] обра­ ботка статистических данных по поломкам высокопрочных болтов показала, что из 370 случаев разрушений 53% падает на замедленное хрупкое разрушение. Наиболее часто такое разрушение имеет место в конструкциях с большой подат­ ливостью стягиваемых деталей и при наличии перекосов (технологических и эксплуатационных). Поэтому при лабораторной проверке склонности к замед­ ленному хрупкому разрушению соединения испытывают с перекосом (обычно угол перекоса принимают равным а = 8°).

Следует отметить, что место нахождения перекоса (под головкой болта или под гайкой) оказывает существенное влияние на прочность, особенно для болтов, поставленных в отверстие деталей без зазора. Длительная прочность оцинкован­

шим (больше в 10 раз) радиусом закругления под головкой (по сравнению с резь­

жения прочности не наблюдалось. Можно отметить также, что замедленного хрупкого разрушения не происходит в соединениях с болтами, имеющими пре­

При наводороживании в процессе гальванического покрытия замедленное разрушение может происходить при более низких пределах прочности. У болтов из сталей ЗОХГСНА, ЗОХГСА и 45 с наводороженной поверхностью замедленное разрушение появляется даже при а„ — ПО -f- 120 кгс/мм2. В то время, как ненаводороженные болты из сталей этих марок обнаруживают склонность к разру­ шению соответственно при о„ = 180, 170 и 150 кгс/мм2.

Наряду с указанными факторами длительная прочность соединений зависит от способа изготовления резьбы. Накатывание резьбы обеспечивает стабильный радиус закругления во впадинах и уменьшает склонность к замедленному раз­ рушению. Благоприятное влияние на длительную прочность оказывает песко­ струйная обработка и полирование, которое устраняет направленность микро­ рельефа поверхности и задиры, полученные в процессе резания, а также микро­ трещины, образующиеся по различным технологическим причинам. Опыты 13) показали, что если кадмированные без разводороживания болты из стали ЗОХГСА

153

подвергнуть пескоструйной обработке, то их длительная прочность возрастет вдвое.

Наличие на поверхности впадины резьбы очень тонкого газонасыщенного слоя (толщиной даже в несколько десятков микрон) резко увеличивает склон­ ность к разрушению. Между тем, такой слой может образоваться при нарезании и калибровке резьбы, а также вследствие насыщения поверхности углеродом и азотом при термической обработке.

Повторные гальванические покрытия высокопрочных болтов также приво­ дят к необратимой потере пластичности в поверхностных слоях и способствуют снижению длительной прочности.

Производственными и лабораторными исследованиями установлено, что «пружинение» стягиваемых деталей из-за неплоскостности резко увеличивает податливость деталей и способствует преждевременному разрушению болтов. Поэтому детали, соединяемые высокопрочными болтами, рекомендуется пред­ варительно опрессовывать.

Можно указать следующие основные причины замедленного хрупкого раз­

в) образование хрупких поверхностных слоев металла из-за насыщения угле­ родом или азотом в процессе нагрева в жидких средах, обезуглероживание; оки­

в зоны концентрации напряжений (например, расплавленного гальванического покрытия).

14. ПРОЧНОСТЬ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Вопросы прочности резьбовых соединений при низких температурах яв­ ляются важными при проектировании машин и механизмов «северного исполне­ ния», а также летательных аппаратов.

Понижение температуры окружающей среды приводит к хладноломкости болтов — к хрупкому разрушению без заметной пластической деформации. Склонность металлов к хрупкому разрушению оценивается критической темпе­ ратурой хрупкости txp, которая характеризуется резким снижением пластич­ ности и работы деформации, изменением вида излома: волокнистое макрострое­

тем безопаснее эксплуатация деталей из данного материала при низких темпе­ ратурах. Следует отметить, что температура хладноломкости не оценивает склон­ ности к замедленному хрупкому разрушению резьбовых соединений при нормаль­ ных температурах. Так, например, болты из стали ЗОХГСА имеют более низкую температуру хладноломкости, чем болты из мягкой отожженной стали 15. Однако последние не склонны к замедленному разрушению при нормальной температуре.

На температуру хладноломкости * влияют все факторы, изменяющие соп­ ротивление хрупкому разрушению и предел текучести. Из внешних факторов важнейшее влияние оказывают: понижение температуры, увеличение скорости деформирования и вид напряженного состояния. Наряду с указанными факто­ рами на хладноломкость оказывают влияние некоторые технологические факторы

154

(наклеп, остаточные напряжения и др.), а также структура и величина зерна материала, химический состав, загрязненность металла примесями и т. п.

Наиболее широкие исследования прочности резьбовых соединений при пониженных температурах (до —80° С) проведены Б. А. Байковым [2, 7]. Испытывались соединения из сталей 10, 35, 45 и 40Х с резьбой Мб, М12, М12 X 1 и М24. Образцы охлаждались парами азота. Наряду с разрушающими нагрузками, определялось среднее относительное удлинение (база 8—17 мм) к моменту на­ ступления разрушения гр. На рис. 172 показано изменение разрушающей на­ грузки Р т а х , предела прочности материала (сталь 45 в состоянии поставки) и резьбового соединения о'в, а также относительной деформации е для соединения

с нарезанной резьбой М12. Как показано на графике, при понижении темпе­ ратуры статическая прочность несколько возрастает. Однако интенсивное сни­ жение пластичности ограничивает применение стали 45 как конструкционного

б'в,

материала уже при / = —60° С. Переход от резьбы к гладкому стержню с помощью проточки не улучшает условий работы соединения.

Болты из сталей 10 и 40Х (после термоулучшения) сохраняют высокие пла­ стические свойства до температуры —60° С.

Уменьшение шага резьбы, наряду с повышением несущей способности (за счет увеличения площади поперечного сечения болта), оказывает также благо­ приятное влияние на механические характеристики и склонность к хрупкому разрушению. Величина 8 для болтов с мелкой резьбой оказалась почти в 1,5 раза большей, чем для болтов с крупной резьбой. Температурный порог хрупкости (критическая температура) для болтов с мелкой резьбой оказывается более низ­

шению возрастает, что может быть связано с увеличением запаса упругой энер­ гии, а также с вероятностью наличия в болте опасного дефекта (трещины). Уве­

Накатывание резьбы несколько повышает статическую прочность соедине­ ний в сравнении с нарезкой и стабилизирует значения разрушающих нагрузок. Однако наклепанные поверхностные слои (подобно надрезу) затрудняют пласти-

155

ческие деформации, что снижает пластичность болтов при нормальной и особенно

пластичность и ударную вязкость при очень низких температурах. Болты из

так как не обладают хладноломкостью в широком интервале температур. Расчет на прочность резьбовых соединений в условиях пониженных темпе­

ратур не отличается от расчета при нормальной температуре.

15.ПРОЧНОСТЬ ПРИ ПОВТОРНЫХ НАГРУЗКАХ Расчет на статическую прочность предусматривает однократное нагружение.

На практике встречаются случаи, когда действующая нагрузка повторяется

наблюдается снижение прочности материала. Если в условиях однократного нагружения образец разрушается при напряжениях а = ав, то при повторных

нагружениях с ст = 0,95 о'в образец разрушится после 1000—2000 циклов.

При повторных нагружениях (в отличие от однократных) проявляется в зна­ чительной степени влияние величины концентрации напряжений, а также тех­ нологии изготовления резьбы. Темп и характер снижения прочности зависит также от особенностей материала, уровня нагрузок, размера болта (масштабного фактора), температуры испытаний и других факторов.

Механические свойства соединений при повторных нагружениях характе­ ризуют пределом статической выносливости на заданной (принятой) базе испы­ таний. В табл. 31 приведены значения разрушающих растягивающих напряже­ ний для соединений шпилек с нарезанной резьбой по данным Ю. С. Данилова. Рабочие нагрузки выбирались в пределах от 0,9 до 0,2 от разрушающей нагрузки.

соединений практически одинаковая. С увеличением размера резьб предел ста­ тической выносливости снижается.

Наряду с конструктивными параметрами существенное влияние на статиче­ скую выносливость оказывают технологические факторы. В табл. 32 приведены результаты испытаний соединений с титановыми болтами с резьбой М10, изго­ товленной при различной последовательности технологических операций [11].

J57

31. Прочность шпилек из стали ЗОХГСА и титанового сплава ВТЗ-1

158