Каталог

Прочность соединений в зависимости от низки температур

При проектировании машин, работа которых планируется в условиях низких температур необходимо проводить соответствующие расчеты резьбовых соединений, что связано с такой особенностью металлов как хладноломкость.                                                

Так, при понижении температуры до определенных значений происходит хрупкое разрушение болтов, которое не сопровождается какой-либо деформацией пластического характера. Для оценки склонности металлов к такого рода разрушению используют характеристику tхр, критическая температура хрупкости. В этом случае для изделия характерны такие явления как достаточно резкое снижение пластичности и, работы в момент деформации, а также происходит замена волокнистого макростроения кристаллическим, что влечет за собой и изменение вида излома. В тоже время такая характеристика, как tхр позволяет получить представление о безопасности работы изделия, выполненного из конкретного металла в условиях низких температур. Ведь чем ниже критическая температура, тем безопаснее само изделие. В тоже время этот показатель не в полной мере отображает склонности резьбовых соединений к разрушению при их работе в условиях нормальных температур. В качестве примера можно привести болты выполненные из стали 30ХГСА, у коих tхр несколько ниже, чем у таких же болтов для изготовления которых была использована мягкая отожженная сталь 15. Но при этом в последнем случае соединения не подвержены замедленному разрушению при работе в условиях нормальных температур. Так, в этом случае, когда t < t xp, σв  не уменьшается, а либо не изменяется, либо немного увеличивается, в это время предел ползучести повышается и окончательное разрушение изделия возможно только после значительной пластической деформации.

5.30

Рис. 5.30. Кривые характеризующие  изменения Fp, σв, σ’в и е при пониженной температуре

На предел хладноломкости оказывает влияние целый ряд факторов, среди которых есть внутренние, внешние и технологические. Путем изменения, как предела текучести, так и сопротивления разрушению под действием низких температур они изменяют свойства металла. К внутренним факторам можно отнести такие характеристики изделия как его химический состав, структуру метала и величину зерна, а также степень загрязненности металла различными примесями. Внешние факторы представлены снижением температуры, видом напряженного состояния и скоростью деформирования. К технологическим факторам относят остаточное напряжение, наклеп и т. п.

Исследования прочности резьбовых соединений при понижении температуры были проведены Б. Байковым, который использовал соединения, выполненные из следующих марок стали: сталь 10, сталь 35, сталь 45 и 40Х. Испытуемые изделия имели резьбу М6, М12, М12х1 и М24. Для охлаждения соединений использовался азот. Кроме самих разрушающих нагрузок, исследователи определяли и среднее значение относительного удлинения в момент разрушения, Fp. На рис. 5.30 видно как происходит изменение нагрузки Fp, ведущее к разрушению соединения. Также здесь четко прослеживается изменение предела прочности, как самого используемого материала σв, а это сталь 45, так и σ’в данного резьбового соединения. К тому же здесь присутствует кривая изменения относительной деформации Fp соединения с резьбой М12. Так, на этом рисунке можно увидеть, что понижение температуры ведет к увеличению предела прочности, но при этом для стали 45 характерно снижение характеристик пластичности, что ограничивает возможности применения этой стали при температуре меньше минус 60 градусов. При этом стоит отметить, что в случае наличия проточки, перехода от резьбы к гладкому стержню, характеристики работы соединения не улучшаются. Если для изготовления болтов была использована сталь марок 10 и 40Х с термообработкой, то в этом случае свои пластичные свойства изделия сохраняют вплоть до температуры в минус 60 градусов.

5.31

Рис. 5.31. Кривые характеризуют изменение предела прочности болтов различных размеров в случае понижения температуры

Одним из способов увеличения порогового значения хрупкого разрушения является уменьшения шага резьбы наряду с увеличением площади сечения самого болта. Так, если болт с мелкой резьбой, то, как правило, значение Fp в 1,5 выше, чем для такого же болта с крупной резьбой. При этом критическая температура хрупкости в первом случае будет более низкой, ниже минус 80 градусов, во втором случае предел критической температуры это минус 60 градусов.

Стоит отметить, что с увеличением размера участвующих в резьбовом соединении деталей возрастает склонность к хрупкому разрушению всего соединения. Это в большинстве случаев связано с увеличением присутствующего в деталях запаса упругой энергии. Также в этом случае увеличивается опасность образования в болте такого дефекта, как трещина. Так, при увеличении диаметра болтов выполненных из стали 45 с 6 мм до 24, критическая температура увеличивается практически в два раза. Однако, предел прочности, σ’в, самого соединения изменяется слабо, что демонстрирует кривая 1 на рис. 5.31.

Также немного увеличить предел прочности, можно накатывая резьбу, а, не нарезая ее. При этом будут стабилизированы разрушающие нагрузки внутри соединения, но в тоже время будет снижена пластичность болтов, что особенно четко будет просматриваться при их работе в условиях низких температур. Связано это с затруднением пластической деформации, которое вызывают наклепанные слои. Во время исследований Байков установил, что болты, выполненные из сталей марок 40Х и 35 и имеющие нарезную резьбу (им соответствуют кривые под номерами 3 и 2), обладают величиной относительного удлинения при - 80 °С в 1,46 и 3,7 раза больше, чем болты, резьба которых была накатана. Если соединения работает при температуре, равной 20 градусам, то относительное удлинение болта с нарезной резьбой больше в 1,09 и 1,75 раза для болтов, выполненных из указанных выше сталей.

Полученные результаты исследований показывают, а опыт эксплуатации механизмов подтверждает, что болты, выполненные из углеродистой стали в состоянии работать продолжительное время при температурах до минус 55 градусов. Если планируется эксплуатация механизмов при температурах вплоть до -70 °С, то для изготовления болтов необходимо использовать высокопрочные легированные стали. При этом в случае тяжело нагруженных болтов, которые будут работать еще при более низких температурах, они должны быть изготовлены из сталей 07Х16Н6 и 1Х15Н4АМЗ-Ш. Эти стали являются коррозионно-стойкими и относятся к переходному классу. Среди всех характеристик этих сталей можно выделить их прекрасные антикоррозионные свойства, а также высокую степень пластичности вместе с ударной вязкостью при работе в условиях максимально низких температур. К примеру, болты, изготовленные из стали 07Х16Н6 сохраняют высокую степень прочности и ударной вязкости в пределах 80-95 Дж/см2 до температуры в минус 253 градуса. И они в состоянии продолжительное время работать в температурном диапазоне от -196 до 400 градусов. При температуре 500 °С такие болты способны проработать непродолжительный срок. Подобные свойства приобретают особую важность при конструировании космических аппаратов. Табл. 5.17 содержит сведения о характеристиках сталей отечественного производства, болты из которых способны работать при достаточно низких температурах.

Если обратиться к зарубежным исследованиям, то можно отметить, что наибольшее распространение там получили ниобиевые болты, которым не знакомо понятие критической температуры хрупкости в достаточно широких температурных интервалах, благодаря чему они могут работать как при очень высоких, так и при очень низких температурах.

Таблица 5.17

Механические характеристики сталей (пруток) для резьбовых соединений, работающих при низких температурах *

Состав

Термическая обработка

σв, МПА

σт, МПА

σв,%

Φ,%

ан, Дж/см2

35

Нормализация

560/650/980

350/420/880

31/30/10

60/58/14

140/60/5

45

Закалка и отпуск при 550 0С

1001050/1320

890/960/1280

10/10/7

57/54/10

100/60/10

12ХН3А

Закалка и отпуск при 560 0С

800/840/1150

-

18/20/20

70/70/61

200/170/10

18Х2Н4ВА

Закалка и отпуск при 170 0С

1340/1430/1740

920/960/1200

13/13/13

52/52/48

120/90/40

30ХГСА

Закалка и отпуск при 200 0С

1750/1820/2090

1450/1550/1850

11/11/5

45/45/8

65/50/30

30ХГСНА

Закалка и отпуск при 200 0С

1750/1820/2100

1500/1600/1750

10/11/7

46/50/29

90/65/25

40ХН2СМА

Закалка и отпуск при 225 0С

2100/2200/2400

1450/1480/1700

11/13/10

43/45/14

55/55/15

07Х16Н6

Нормализация, обработка холодом

1350/1500/1750

1250/1350/1650

11/12/9

-

-

1Х15Н4АМ3-Ш

Нормализация при 950 и отпуск при 250 0С

750/1100/1300

370/600/820

45/55/23

68/66/21

350/320/180

* Значения для характеристик даны для температур 2-70/-196 0С

 

А

Абакан

Азов

Актобе

Александров

Алексин

Алматы

Альметьевск

Анапа

Ангарск

Анжеро-Судженск

Апатиты

Арзамас

Армавир

Арсеньев

Артем

Архангельск

Асбест

Астана

Астрахань

Ачинск

Б

Балаково

Балахна

Балашиха

Балашов

Барнаул

Батайск

Белгород

Белебей

Белово

Белогорск

Белорецк

Белореченск

Белоярский

Бердск

Бердюжье

Березники

Березово

Берёзовский

Бийск

Биробиджан

Благовещенск

Большие Леуши

Бор

Борисоглебск

Боровичи

Братск

Брянск

Бугульма

Будённовск

Бузулук

Буйнакск

В

Великие Луки

Великий Новгород

Верхняя Пышма

Видное

Владивосток

Владикавказ

Владимир

Волгоград

Волгодонск

Волжск

Волжский

Вологда

Вольск

Воркута

Воронеж

Воскресенск

Воткинск

Всеволожск

Выборг

Выкса

Вязьма

Г

Газ-Сале

Гатчина

Геленджик

Георгиевск

Глазов

Голышманово

Горно-Алтайск

Грозный

Губкин

Губкинский

Гудермес

Гуково

Гусь-Хрустальный

Д

Дербент

Дзержинск

Димитровград

Дмитров

Долгопрудный

Домодедово

Донской

Дубна

Е

Евпатория

Егорьевск

Ейск

Екатеринбург

Елабуга

Елец

Ессентуки

Ж

Железногорск

Жигулёвск

Жуковский

З

Заводоуковск

Заречный

Зеленогорск

Зеленодольск

Златоуст

И

Иваново

Ивантеевка

Игрим

Ижевск

Избербаш

Иркутск

Искитим

Ишим

Ишимбай

Й

Йошкар-Ола

К

Казань

Калининград

Калуга

Каменск-Уральский

Каменск-Шахтинский

Камышин

Канск

Каспийск

Кемерово

Керчь

Кинешма

Кириши

Киров

Кирово-Чепецк

Киселёвск

Кисловодск

Клин

Клинцы

Ковров

Когалым

Коломна

Комсомольск-на-Амуре

Копейск

Королёв

Коротчаево

Кострома

Котлас

Красногорск

Краснодар

Краснокаменск

Краснокамск

Красноселькуп

Краснотурьинск

Красноярск

Кропоткин

Крымск

Кстово

Кузнецк

Кумертау

Кунгур

Курган

Курильск

Курск

Кызыл

Л

Лабинск

Лабытнанги

Лангепас

Лениногорск

Ленинск-Кузнецкий

Лесосибирск

Липецк

Лиски

Лобня

Лысьва

Лыткарино

Люберцы

Лянтор

М

Магадан

Магнитогорск

Майкоп

Махачкала

Мегион

Междуреченск

Междуреченский

Мелеуз

Миасс

Минеральные Воды

Минусинск

Михайловка

Михайловск

Мичуринск

Москва

Мужи

Муравленко

Мурманск

Муром

Мытищи

Н

Набережные Челны

Надым

Назарово

Назрань

Нальчик

Наро-Фоминск

Находка

Невинномысск

Нерюнгри

Нефтекамск

Нефтеюганск

Нижневартовск

Нижнекамск

Нижний Новгород

Нижний Тагил

Новоалтайск

Новокузнецк

Новокуйбышевск

Новомосковск

Новороссийск

Новосибирск

Новотроицк

Новочебоксарск

Новочеркасск

Новошахтинск

Новый Уренгой

Ногинск

Норильск

Ноябрьск

Нягань

О

Обнинск

Одинцово

Озерск

Октябрьский

Омск

Орел

Оренбург

Орехово-Зуево

Орск

П

Павлово

Павловский Посад

Пенза

Первоуральск

Пермь

Петрозаводск

Петропавловск-Камчатский

Подольск

Покачи

Полевской

Приобье

Прокопьевск

Прохладный

Псков

Пуровск

Пурпе

Пушкино

Пятигорск

Р

Радужный

Раменское

Ревда

Реутов

Ржев

Рославль

Россошь

Ростов

Ростов-на-Дону

Рубцовск

Рыбинск

Рязань

С

Салават

Сальск

Самара

Санкт-Петербург

Саранск

Сарапул

Саратов

Саров

Свободный

Севастополь

Северодвинск

Северск

Сергиев Посад

Серов

Серпухов

Сертолово

Сибай

Симферополь

Славянск-на-Кубани

Сладково

Смоленск

Советский

Соликамск

Солнечногорск

Сосновый Бор

Сочи

Ставрополь

Старый Оскол

Стерлитамак

Ступино

Сургут

Сызрань

Сыктывкар