+7(343)201-14-02

+7(343)298-01-98

+7(343)298-01-98

Каталог

Прочность материала, из которого выполнен болт

 

Одной из особенностей резьбовых деталей являются достаточно высокие коэффициенты, характеризующие концентрацию напряжений. В связи с чем, следует проявлять определенную осторожность при выборе материала для изготовления шпилек и болтов и исходить в первую очередь необходимо из результатов соответствующих испытаний. Высокая концентрация напряжений обусловила широкое применение для изготовления соединений подвергающихся динамической нагрузке легированных сталей, главным преимуществом которых является достаточно высокий предел текучести (в сравнении с углеродистыми сталями) и большая степень прочности при необходимой степени пластичности, что дает возможность получить нужную величину напряжения затяжки.

Таблица 6.17

Значение σап для болтов из стали 40ХН2МА при различной термической обработке в зависимости от механических характеристик материала

Твердость HRC

σв, МПа

σв, %

σап, МПа

27,0…28,9

1000

12

130

33,8…36,7

1270

10

180

40,6…42,5

1540

8

210

50,3…52,2

2000

6

240

В тоже время повышение конструкционной прочности самого болта неизбежно влечет за собой увеличение сопротивления усталости всего соединения. Так, в табл. 6.17 приведены данные, которые показывают зависимость амплитуды цикла от прочности материала, из которого выполнен болт при σm = 250 МПа; H = 0,8d. В данном случае для изготовления болтов использовалась сталь 40ХН2МА, также болты имеют накатанную резьбу М12х 1,5. Гайки выполнены из стали 45.

6.28

Рис. 6.28. Кривая, характеризующая предел выносливости соединения в зависимости от прочности болтов, выполненных из стали 30ХГСА

В тоже время экспериментальным путем было установлено, что повышение твердости материала влечет за собой увеличение прочности. При проведении испытаний были использованы болты, выполненные из стали 30ХГСА с резьбой нарезного типа М10, использовались гайки, выполненные из стали 45 высотой 0,8d, при этом радиус впадины резьбы был различным, рис. 6.28.

Накатка резьбы в значительной степени способствует увеличению предела выносливости при использовании высокопрочных сталей, но в этом случае существуют определенные трудности, связанные с недостаточными прочностными характеристиками резьбонакатного инструмента при твердости материала превышающей 38HRСа.

При использовании болтов, степень твердости которых превышает 38HRСа нужно использовать переходы от головки к стержню и переходы при выходе резьбы отличающиеся большей степенью плавности, что связано с частым разрушением болтов именно в этих местах.  Стоит заметить, что получение достаточно больших значений таких параметров как σв и σт не всегда целесообразно. Так, при использовании стали 45 и ее закалке, при температуре в 850 оС с последующим отпуском при температуре в 200 оС значение σв достигнет величины в 1600-1800 МПа, а σт будет равным 135-1600 МПа. Однако величина относительного удлинения в этом случае не превысит и 3%. Естественно материал, обладающий такой пластичностью в машиностроении, использован быть не может. Если температуру отпуска увеличить до 600 оС, то σв будет равно 850-900 МПа, σт составит 650-750 МПа, величина относительного удлинения будет равной 14%.

Таблица 6.18

Значение σап для соединений с накатанной резьбой М10 в зависимости от радиуса впадины и среднего напряжения

Материалы

R/P

σап, МПа, при σmɣ

0,2

0,4

0,7

0,9

Сталь 38ХА

в=1150 МПа)

0

0,12

0,20

0,30

0,40

-

165

185

-

150

95

110

125

110

100

55

75

85

95

100

-

75

85

-

100

Сталь

в=1150 МПа)

0,12

0,20

155

185

60

95

40

60

-

-

Работы Г. Майера и Р. А. Уолкера показывают, что в некоторых случаях увеличение предела твердости и прочности ведет к снижению предела  выносливости соединений с резьбой, термообработка которых происходила после изготовления резьбы. Вызвано это тем, что верхние слои обезуглероживаются. При этом если резьба была накатана на заготовках предварительно прошедших термообработку, уменьшение предела выносливости не наблюдается.

В случае, если для изготовления болтов и шпилек были использованы стали марок C8ХА, 40ХН2МА, 18Х2Н4ВА отпуск проходит при значении температуры в 500-550 оС, что позволяет получить значение σв равным 1100-1200 МПа. Стоит отметить, что улучшение характеристик пластичности после достаточно высокого отпуска в дальнейшем положительно сказывается на работе соединения в условиях дополнительных нагрузок на изгиб, а также в условиях динамических перегрузок.

В тоже время кроме выше обозначенных марок некоторые отрасли машиностроения используют болты и шпильки, выполненные из сталей аустенитного и аустенитно-мартенситного классов, которые к тому же являются еще и коррозионно-стойкими. К примеру, это могут быть стали марок 12Х18Н10Т, 14Х17Н2, 07Х16Н6, 1Х15Н4АМЗ-Ш и некоторые другие.

Два последних варианта сталей являются наиболее перспективными. После их закалки на воздухе до температуры, при которой происходит растворение карбидов, обе марки стали имеют полностью аустенитную структуру. В последующем сталь подвергается обработке холодом при температуре в минус 70 оС в течение двух часов. Или в течение четырех часов, при температуре в минус 50 оС. В результате чего происходит упрочнение стали и ее мартенситное превращение.

В тоже время, указанные стали отличает их высокая сопротивляемость коррозии, вязкость и достаточная пластичность при высоких значения прочности. Так, для стали марки 07Х16Н6 σв равно 1250 МПа, а для стали марки 1Х15Н4АМЗ-Ш σв равно 1450 МПа. К тому же еще одной особенностью этих сталей является их малая чувствительность к воздействию концентраторов напряжений, что важно в случае динамического нагружения всего соединения. 

Как показали результаты работы Я. Потака при использовании в соединениях болтов, выполненных из стали марок 07X16Н6 и 14Х17Н2 σап равно 135 и 95 МПа соответственно, при резьбе М8.

6.29

Рис, 6.29. Кривые усталости для  резьбовых соединений, выполненных из сплава ВТ9

Для последних нескольких лет характерным явлением стало использование болтов, выполненных из сплавов титана. В сравнении со сталью данные сплавы обладают более высоким пределом выносливости при условии одинаковой прочности на гладких образцах. Вместе с тем пластичность таких сплавов достаточно мала и ее значение не превышает величины в 12%, что в сочетании с высокой чувствительностью материала к образованию концентраций напряжений и качеству верхнего слоя  зачастую приводит к снижению значения сопротивления усталости всего соединения.

Кроме этого, авторы исследовали влияние на предел выносливости соединений резьбового типа выполненных из стали ВТ9 конструктивных факторов. Испытания проводились с использованием шпилек и гаек, имеющих различный профиль своей резьбы  М10*0,75, M10*l, М10*1,25 и М10, рис. 6.8.

Для нарезания резьбы на одной партии шпилек использовался токарно-винторезный станок. Резцы этого станка имели пластины, выполненные из достаточно твердого сплава марки ВК8, и были заточены с использованием оптико-шлифовального станка. Для контроля профиля резьбы использовался инструментальный микроскоп. Табл. 6.5 содержит размеры основных профилей резьбы при различной величине шага. При этом шероховатость поверхности резьбы находилась в пределах 1,25-2,50 мкм. Для другой партии шпилек использовался резьбовой станок GWR = 80, диаметр роликов которого составлял 1700 мм и выполнены они были из стали Х12Ф1. Максимальная радиальная подача на оборот при накатывании резьбы составляла 0,075 мм/об. Для смазки и охлаждения использовалась такая жидкость, как сульфофрезол.

При накатывании и нарезании резьбы допуск точности соответствовал 4-й степени.

Для проведения испытаний на усталость применялись резонансные машины с частотой 90-95 Гц при среднем значении напряжений σт = (0,2 ... 0,7) σт (по резьбовой части) и базе 107 циклов. Для контроля напряжения использовался тензометрический способ.

В табл. 6.5, а также в табл. 6.18 представлены результаты исследований зависимости σап от радиуса впадины и шага резьбы. Рис. 6.29 отображает распространенные кривые усталости характерные для резьбовых соединений при резьбе М10*1,25 (нумерация данных кривых соответствует нумерации профилей на рис. 6.8).

Так, была установлена закономерность, при увеличении размера впадины резьбы от изначального R=0 до последующего R=0,4Р предельная амплитуда значения σап увеличивается до значения в 200%. Если отношение R/P шага резьбы одинаково, то заметного влияния на изменения сопротивления усталости оказано не будет. Стоит отметить, что для стали марки 38ХА и сплава ВТ9 с нарезной резьбой предел выносливости имеет практически одинаковое значение. Накатывание резьбы, когда R = 0,108 Р никак не влияет на σап соединения и даже может привести к снижению этого значения. С увеличением радиуса впадины до значения R = (0,2 ... 0,3) Р можно добиться значительного увеличения предела выносливости при использовании титановых сплавов. В тоже время возрастание значения σm влечет снижение σап, которое отличается своей интенсивностью, соответствующие данные приведены в табл. 6.18, что объясняется малой глубиной проникновения характерной для остаточных напряжений сжатия, оставшихся от накатывания резьбы из-за слабой пластичности сплавов титана.

Одним из обязательных условий надежной работы резьбовых соединений, выполненных из титановых сплавов в ответственных соединениях, является увеличение до R = (0,20 ... 0,25) Р, радиуса впадины резьбы. 

В целях улучшения свинчиваемости применяют стальные гайки (вместо титановых), что влечет уменьшение значения σап на 10%, это обусловлено не таким равномерным распределением нагрузки, воздействующей на витки.