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.

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.

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 *

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