Высокоскоростное нагружение и прочность соединения

Стыковочные болты, участвующие в резьбовых соединениях космических аппаратов и болты, участвующие в других подобных соединениях, например в предохранительных устройствах, работа которых строится на разрушении болтов, зачастую испытывают однократные нагрузки, скорость приложения которых очень высока.

Оценку скорости нагружения проводят, оценивая интенсивность, с которой нарастает напряжение в период времени:

здесь σ это напряжение, которое может быть как условным, так и истинным, а t период времени.

В случае статического напряжения скорость нагружения, σ', как правило, находится в достаточно широких пределах от 1 и до 500 МПа/с, высокими же принято считать скорости превышающими показатель 500 МПа/с.

Повсеместно принято делить нагружение, характеризующееся высокой скоростью, на три группы. Так, к первой группе относят нагружение, которое характеризуется постоянным изменением сопротивления материала деформации и протекает с постоянной либо меняющейся скоростью. Ко второй группе относят случаи, когда высокая скорость нагружения сочетается с высокой скоростью деформации. В этом случае соизмеримы инерционная составляющая и сопротивление деформации. При этом стоит отметить, что инерционная составляющая характерна только для напряжений обеспечивающих пластическую деформацию. В третью группу попадают нагружения, которые способны преодолеть как упругопластичные, так и упругие волны.

Рис. 5,32. Кривая, характеризующая несущую способность болтов при их растяжении в зависимости от скорости нагружения.

Также стоит отметить и то обстоятельство, что с увеличением скорости нагружения, и как результат – скорости деформации, возрастает прочность абсолютного большинства материалов. С точки зрения физики это явление объясняется гипотезой, описывающей  протекание таких процессов как упрочнение и разупрочнение, которые протекают одновременно в момент пластической деформации. Исходя из этой гипотезы, разупрочнение проявляется с большей силой в зависимости от времени приложения нагрузки и чем времени больше, тем полнее оно проявляется. Естественно, когда скорость деформации увеличивается, время разупрочнения сокращается. При этом упрочнение снимается гораздо медленнее, что обуславливает увеличение степени прочности. Хотя теоретически подсчитать величину упрочнения невозможно. 

Для того чтобы оценить чувствительность различных материалов резьбовых соединений в зависимости от скорости нагружения был проведен ряд экспериментов, результаты которых можно увидеть в соответствующей статье Р. Элая. В этой статье присутствуют результаты исследований прочности болтовых соединений, как на срез, так и на растяжение при их высокоскоростном нагружении. Так при растяжении скорость нагружения изменялась в пределах от 68 и до 15*10⁶ Н/с, а в момент испытаний на срез скорость нагружения доходила до 27*10⁴ Н/с. В испытании участвовали болты 3/16", длина которых составляла 32 мм и болты были выполнены из латуни и стали, σ в = 570 МПа и 680 МПа соответственно. Также были использованы гайки высотой 3,2 мм, выполненные из тех же материалов. При этом головка болта от гайки находилась на расстоянии 25,4 мм. На срез испытания проводились в отношении двухсрезных соединений. Для регистрации результатов при малых скоростях использовался самописец, для регистрации результатов достигнутых при высоких скоростях использовали катодный осциллограф.

Рис. 5.33. Кривая, характеризующая несущую способность болтов при срезе в зависимости от скорости нагружения.

С полученными при испытаниях результатами можно ознакомиться, рассмотрев рис. 5.32 и 5.33. вертикальные линии, которые пересекают кривые, отражают разброс полученных результатов для каждой из точек. На рис. 5.32 штриховая линия было использована для обозначения области, для измерения значений в которой был использован осциллограф. На приведенных графиках ясно прослеживается закономерность: с увеличением скорости нагружения происходит и увеличение несущей способности всего соединения. При этом изменение скорости нагружения не влияет на соотношение прочности на срез и на растяжение, которая остается практически неизменной. Так, в отношении стали отношение снижается с 0,7 до 0,65 (рис. 5.33, кривая 1) и это при максимально возможных скоростях. В отношении латуни, а данное соотношение находится в пределах 0,56-0,59.

Рис. 5.34. Кривая, характеризующая несущую способность резьбового соединения в зависимости от высоты гайки.

И. Клепачко и М. Вакальски получили результаты, при которых было отмечено значительное увеличение несущей способности соединения, выполненного из стали 15, σ в = 400 ... 500 МПа, что продемонстрировано на рис. 5.34.

Если рассматривать ударные нагрузки, то можно отметить что в данном случае они оцениваются не только по количеству движения, а еще и по определенным механическим характеристикам, таким как предел упругости, пластичность и текучесть.

Так, согласно исследований Г. Юнкера, при использовании болтов М8Х20, выполненных из высокопрочной стали, σв = 1410 МПа, несущая способность соединения увеличивается на 61,5% в сравнении со статическим.