книги из ГПНТБ / Биргер И.А. Резьбовые соединения

Г л а в а ѴШ.

ПРОЧНОСТЬ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗКАХ

1.ВИДЫ ПОЛОМОК И ХАРАКТЕРИСТИКА УСТАЛОСТНЫХ РАЗРУШЕНИЙ

Усталостное разрушение резьбовых соединений встречается на практике наиболее часто й является результатом действия повторно-переменных на­ грузок. Амплитуда — наибольшее (положительное) значение переменной со­ ставляющей цикла напряжений, приводящая к разрушению, оказывается в 10— 20 раз меньшей, чем при статическом разрушении. Последнее способствовало широкому распространению мнения о нецелесообразности применения болтов (шпилек) в конструкциях, нагруженных переменными растягивающими силами [31].

Обеспечение прочности и долговечности резьбовых соединений при пере­ менных нагрузках представляет собой одну из наиболее сложных проблем для конструкторов и технологов.

Практика и результаты исследований показывают, что наиболее слабым местом в соединении при переменной нагрузке является резьба в первом витке от опорного торца гайки, где в наибольшей степени концентрируется нагрузка, передаваемая резьбой.

Исследование разрушенных болтов и шпилек позволяет обнаружить наи­ более характерную черту усталостного разрушения — почти полное отсутствие деформации в зоне разрушения даже у болтов из высокопластичных при стати­ ческом разрушении сталей.

Усталостные трещины обычно настолько мелкие, что их трудно обнаружить. После достижения трещиной макроскопических размеров наблюдается ее интен­ сивное развитие, приводящее к полному разрушению за малый промежуток вре­ мени, что наиболее опасно из-за отсутствия признаков, предшествующих раз­ рушению.

Незначительные пластические деформации при усталостном разрушении практически не снижают напряжений в зонах концентрации, и концентрация напряжений оказывает существенное влияние на усталостную долговечность соединений.

Поверхность усталостного излома имеет характерный вид. Обычно можно обнаружить визуально три зоны на разрушенной поверхности. В первой зоне (область зарождения трещины) трещина распространяется медленно и поверх­ ность излома выглядит как полированная и окисленная. Во второй зоне тре­ щина распространяется с большей скоростью и поверхность излома имеет нере­ гулярный (мелкозернистый) характер. Поверхность излома в третьей зоне бывает, как правило, либо крупнозернистой, либо волокнистой, соответствующей стати­ ческому разрушению. Площадь этих зон зависит преимущественно от величины переменных напряжений и усилия предварительной затяжки соединения.

2.МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ. ПРЕДЕЛ ВЫНОСЛИВОСТИ

объяснить удобством построения диаграммы предельных напряжений, используе­ мой в расчетах на прочность.

Некоторые авторы 111] считают целесообразным проводить испытания по

* Широкое распространение иолучают также ускоренные методы определении пределов выносливости.

1Ь2

ческих координатах. Если использовать двойную логарифмическую шкалу, то результаты могут ложиться на прямую линию.

Наибольшее переменное напряжение, которое может выдержать образец сколь угодно долго (или заданное число циклов нагружений — базу) не разру­ шаясь, принято называть пределом выносливости.

Базу испытаний принимают в зависимости от условий работы реальной

дении сравнительных испытаний базу можно ограничить нижним пределом.

Следует отметить, что выраженный предел выносливости (горизонтальная линия на графике) характерен лишь для некоторых материалов (преимущест­ венно сталей) при нормальной температуре испытаний.

В тех случаях, когда выраженного предела выносливости не существует (например, для резьбовых соединений из титановых сплавов и пластмасс), опре­ деляют ограниченный (базой) предел выносливости (предел ограниченной выно­ сливости).

ба,

15

данной долговечности (или базы) много меньше, чем указанный выше разброс. Поэтому, если основной задачей эксперимента ставится определение предела выносливости, то его можно найти построением кривой аа — N по 8—10 образ­ цам. Если из этого числа 2—3 образца выдерживают базу испытаний на некото­ ром максимальном напряжении, то это напряжение можно считать пределом

В случае, когда по результатам испытаний выполняют расчет на ограничен­ ную долговечность (например, для соединений, работающих в условиях повы­ шенных температур и т. д.), и выраженный предел выносливости отсутствует или напряжения превышают предел выносливости, актуальным становится рас­ смотрение рассеяния результатов.

Статистическое рассмотрение рассеяния необходимо также для оценки поведения большого числа деталей в рабочих условиях по небольшим выборкам результатов испытаний [27].

3.ДИАГРАММА ПРЕДЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ДЛЯ РЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕНИЯ

Расчет прочности резьбовых соединений основан на диаграмме предельных напряжений, которая описывает зависимость наибольшей несущей способности от среднего напряжения цикла. Наиболее точно диаграмма может бить получена экспериментальным путем.

6

На рис. 179 приведена диаграмма, полученная Вигандом, на которой пока­

Исследования авторов (рис. 181) показали, что характер изменения пре­ дельной амплитуды переменных напряжений при увеличении среднего напря­ жения определяется технологией изготовления и термообработкой, резьбовых деталей.

В тех случаях, когда резьба изготовлялась (нарезание или накатывание) на термообработанных (преимущественно термоулучшенных) заготовках, наблю­

существенное влияние могут оказывать режимы накатывания (нарезания) резьбы. '

•Такая последовательность операций изготовления и термической обработки

характерна д л я технологии производства высокопрочных болтов.

164

Нагруженный растягивающей нагрузкой болт можно представить как стер­ жень с надрезами в форме резьбы, в наименьшем сечении которого (под гайкой) возникает трехосное напряженное состояние (всестороннее неравномерное ра­ стяжение) с различным соотношением главных напряжений по глубине. На

165

поверхности впадин — двухосное растяжение. Наличие резьбы вызывает нерав­ номерное распределение осевых растягивающих напряжений по .сечению болта,

Так как «всплеск» осевого растягивающего напряжения оказывается недо­ статочным для хрупкого разрушения, то разрушение начинается с поверхности после достижения переменным напряжением предельной величины.

Независимость предельной амплитуды от средних напряжений для болтов, термически обработанных после изготовления резьбы, можно объяснить появле­ нием при небольших ат в поверхностных слоях (в зонах концентрации напря­ жений) местной пластической деформации.

Постоянству напряжения ат может способствовать также образование мягкого обезуглероженного слоя на поверхности резьбы после термической обработки.

При холодном накатывании (нарезании) резьбы в ее впадинах появляются осевые сжимающие напряжения. Если после изготовления резьбы болты не под­ вергают упрочняющей термической обработке, то остаточные напряжения сохра­ няются и при эксплуатации ее в условиях нормальной температуры *, способст­ вуя повышению выносливости соединений.

При действии растягивающих рабочих нагрузок осевые остаточные напря­ жения сжатия компенсируют частично наибольшие напряжения в зонах концент­ рации, что существенно повышает выносливость особенно при небольших значе­ ниях ат. С увеличением среднего напряжения до ат = (0,4 -г- 0,5) аТ влияние остаточных напряжений сказывается в меньшей степени и предельная амплитуда уменьшается. Повышение стт свыше 0,5аг приводит к появлению в зонах кон­ центрации пластических деформаций, и дальнейшее возрастание ат лишь незна­ чительно снижает предельную амплитуду напряжений.

На нецелесообразность термической обработки после накатывания резьбы указывается в работе Валькера [57].

При отсутствии экспериментальных или справочных данных в качестве тео­ ретической диаграммы предельных напряжений может быть принята линейная диаграмма. Ее можно получить из диаграммы для гладкого образца.

4. ВЛИЯНИЕ МАСШТАБНОГО ФАКТОРА

Экспериментальные исследования показали, что с увеличением диаметра резьбы выносливость соединений снижается вследствие вредного влияния мас­ штабного фактора, особенно на деталях с концентрацией напряжений.

Наиболее просто масштабный эффект объясняется тем, что при увеличении размеров в зоне напряжений данного уровня содержится большее число «зерен» металла. Это приводит к большей вероятности попадания неблагоприятно ори­ ентированных или дефектных зерен в область максимальных напряжений.

IIa рис. 182 показаны результаты исследования выносливости болтов раз­ личных диаметров, выполненные А. И. Якушевым [34]. Сильное понижение

* При работе таких соединений в у с л о в и я х повышенных температур будет про ­ исходить релаксации остаточных напряжений .

166

Tax нспытыоалисъ практически без предварительной затяжки, а механические характеристики шпилек меньшего размера заметно превосходили прочность шпи­

вает последовательность операций изготовления резьбы и термической обработки. В случае выполнения термической обработки после изготовления резьбы сни­ маются остаточные напряжения от механической обработки, а возникающие от термической обработки напряжения, как правило, невелики, и выносливость соединений в меньшей степени зависит от размеров резьбы.

По данным исследования 16], а также по результатам работ [34, 59 и др.] можно считать, что предельная амплитуда переменных напряжений остается практически неизменной при увеличении диаметра резьбы от 12 до 24 мм.

На рис. 183, б показано изменение коэффициента влияния абсолютных раз­ меров е 0 для соединений с нарезанной резьбой.

Анализируя многочисленные данные американских исследований по этому вопросу Р. Б. Хейвуд [31] предложил следующее соотношение для вычисления предельной амплитуды переменных напряжений:

25 + d

167

где I — коэффициент, который для стали с а8 ^ ПО кгс/мм2 может быть принят равным 0,15.

На рис. 184 приведена кривая, определяемая этим соотношением. Точками обозначены результаты различных американских исследований.

ба, кгс/мм

Q

s~8

напряжения от накатывания могут устранять влияние размера. Для накатан­

При расчете долговечности резьбовых соединений понижение выносливости вследствие масштабного фактора компенсируют увеличением эффективного коэффициента концентрации напряжений ka.

5.ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ФАКТОРОВ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

168

Напряжения от общей нагрузки имеют свои максимальные значения в сере­ дине впадины резьбы. Суммарные напряжения достигают наибольших значений в некоторой точке дуги впадины, отстоящей от середины впадины на угол у ~ 40° (см. рис. 137).

В работах Спроута [55], а также в исследованиях авторов обнаружено суще­ ственное влияние радиуса закругления на долговечность соединений. Подобные результаты для болтов из стали и титановых сплавов получены в одной из амери­ канских лабораторий.

169