Технические статьи

ГлавнаяТехнические статьиКрепежБолтыМеталловедение → Прочность болтов из сталей, сплавов и пластмасс

Прочность болтов из сталей, сплавов и пластмасс

Проточки в стержнях высокопрочных болтов за резьбовым участком и под головкой способствуют уменьшению концентрации напряжений в наиболее нагруженных частях болта.

Проточки в стержнях высокопрочных болтов за резьбовым участком и под головкой способствуют уменьшению концентрации напряжений в наиболее нагруженных частях болта.

Выбор материала для болтов и шпилек – нетривиальная задача, требующая комплексного подхода с учётом конкретных условий применения, уменьшения материалоёмкости и стоимости изготовления крепежных изделий.

Дата публикации: 16 апреля 2011

Автор: Дроздов М.В., ООО «Инженерный Союз»

Разместите статью о трубопроводах в данном каталоге
Ваша информация на каталоге технических статей

Будь у меня сила воли побольше, я бы сумел пересилить её.
Станислав Ежи Лец

Конструктивные методы повышения прочности болтов

Чувствительность высокопрочных болтов к высоким концентрациям напряжений

Высокопрочные и сверхвысокопрочные болты необходимо устанавливать без перекоса под гайкой или под головкой. Болты из конструкционных высокопрочных сталей обладают высокой чувствительностью к концентрации напряжений, поэтому все переходы сечения следует проектировать с максимально возможными радиусами закругления, особенно в месте перехода от гладкой части к головке.

Болты следует изготовлять с проточками за резьбовым участком, а сверхвысокопрочные — и под головкой (рис. 1). Такие проточки способствуют уменьшению концентрации напряжений в наиболее нагруженных частях болта. 

Болт из высокопрочной стали, зависимость механических характеристик болтов

Рис. 1. Болт из высокопрочной стали, зависимость механических
характеристик болтов

Резьбу следует изготавливать с гарантированным минимальным радиусом впадины.

Производство крепежа из различных сплавов и сталей

Болты нержавеющие высокопрочные для динамически нагруженных соединений

Для производства крепежа используют также высокопрочные коррозионно-стойкие стали 07Х16Н6 и 1Х15Н4АМЗ-Ш, которые после закалки в воздухе с температуры растворения карбидов (1000...1050°С) имеют в основном аустенитную структуру. Упрочнение достигается обработкой холодом, в процессе которой 80% аустенита превращается в мартенсит. Болты из таких сталей обладают высокими прочностью и коррозионной стойкостью. Как следует из анализа табл. 1, указанные стали по пластичности (относительному удлинению) и ударной вязкости значительно превосходят обычно применяемые для болтов конструкционные стали. Отметим, что сталь 07Х16Н6 сохраняет высокую ударную вязкость (ан = 80...100 Дж/см2) и пластичность (δ5 > 20 %) до температуры t = —196 °С, в то время как ударная вязкость высокопрочных конструкционных сталей, из которых изготовляют болты, не превышает 15...20 Дж/см2. Благодаря указанным свойствам болты из сталей 07Х16Н6 и 1Х15Н4АМЗ-Ш применяют в динамически нагруженных соединениях.

Болты для нагружения в плоскости стыка

Болты из этих сталей можно также использовать в конструкциях, нагруженных в плоскости стыка. Минимальные значения сопротивления срезу составляют для них соответственно τв = 875 и 1000 МПа. Для сравнения отметим, что сопротивление срезу болтов из стали 30ХГСНА при σв = 1600...1800 МПа равно 960 МПа. 

Вследствие высоких пластичности и ударной вязкости болты из этих сталей нечувствительны к перекосу (до 8°) и концентрации напряжений. Благодаря этому отпадает необходимость проведения специальных конструктивных мероприятий, снижающих концентрацию напряжений (галтели и др.).

Болты из сталей 07Х16Н6 и 1Х15Н4АМЗ-Ш сохраняют высокую прочность до t = 500 °С (рис. 1). Сопротивление усталости болтов из этих материалов значительно выше, чем из конструкционных коррозионно-стойких сталей, применяемых обычно для изготовления высокопрочных болтов. 

Для повышения прочности болты из сталей 07X16Н6 и 1Х15Н4АМЗ-Ш изготовляют по следующей технологии: изготовление заготовки с головкой, полная термическая обработка, накатка резьбы, отпуск при t = 400 °С.

Таблица 1.

Механические свойства высокопрочных конструкционных сталей
Марка стали Термическаяобработка σв, MПа σт, MПа δв% , Дж/см2
30ХГСНА Закалка с отпуском при 2500С 1750 1350 10 60...70
30ХГСНMA Изотермическая закалка в селитре или щелочи при 2500С 1650 1250 11 70
  то же при 300C 1500 1200 13 70...80
30ХГСА Закалка с отпуском при 2200C 1750 1350 9 50...60
07X16H6 Закалка с 10000C на воздухе, обработка холодом при -700C в течение 2ч, отпуск при 4000С в течение 1ч 1250 1050 20 140
1X15H4AMЗ-Ш Закалка с 10500C на воздухе, обработка холодом при -700C в течении 2ч,отпуск при  3500C в течении 1ч  1450 1150 15 120

Болты и шпильки из титановых и бериллиевых сплавов

Титановые и бериллиевые болты широко применяют в конструкциях, к которым предъявляют жесткие требования по массе, габаритам, прочности.

Болты и шпильки из титановых сплавов

Титановые сплавы с плотностью около 4,5 г/см3 имеют высокие механические характеристики. В табл. 2 приведены отечественные марки титановых сплавов, применяемых для изготовления болтов. 

Таблица 2.

Механические характеристики титановых сплавов, применяемых для изготовления болтов
Марка Термическая обработка, температура σв, МПа σт, МПа τв, МПа σ'в/σв δ5,% Рабочая температура t, °C, не выше
ОТ4-1 Отжиг (750±10) 700... 850 550... 650 - 1,20... 1,25 15...40 400
ВТ5 Закалка (950±10) старение (450) 900... 1100 800... 900 650 1,20... 1,25 8...13 400
ВТ9 Закалка (900±10)старение (550) 1100.. 1150 900... 1000 700 1,10 1,15 6 550
ВТ3-1 Закалка (880±10) старение(550) 1000... 1200 850.. 1000 650 1,20 10...16 450
ВТ14 Закалка (840±10) старение (600) 950... 1500 850... 1000 700 1,10... 1,15 15 500
ВТ14 Отжиг (825±10) 800... 1000 700... 850 - 1,15 17 400
ВТ16 Закалка (780±10) старение (520) 1250... 1350 1100... 1250 750 1,10... 1,15 4...6 350

Таблица 3.

Разрушающая нагрузка, кН, для болтов из титановых сплавов и легированных сталей
Резьба ОТ4-1 ВТ14 ВТ14 отожженный ВТ16 30ХГСА 38XA 40X2НMA
При растяжении
M6 16.0 21.0 18.6 21.4 21.1 20.9 21.2
M8 31.0 38.8 36.0 39.0 38.0 - -
M10 - 61.0 - 61.0 60.0 61.0 61.5
При срезе
M6 - 20.2 - 21.3 19.7 - -
M8 - 36.2 - 38.0 35.0 - -
M10 - 56.3 - 59.0 54.9 - -

Сплавы ВТЗ—1, ВТ5, ВТ9 и ВТ16 используют для изготовления болтов (шпилек) взамен сталей 30ХГСА, 30ХГНА, 38ХА и 40ХН2МА. Эти болты на 40% легче стальных. После термообработки на σв = 1100 МПа они обладают такими же свойствами при растяжении, как и болты из легированных сталей (табл. 3).

Прочность титановых болтов при срезе даже выше прочности стальных болтов.

Упругое удлинение титановых болтов при одних и тех же напряжениях приблизительно в 2 раза больше упругого удлинения стальных болтов,  то важно для сохранения первоначальной затяжки. Кроме того, вследствие высокой податливости дополнительная нагрузка на болт при действии рабочих сил в случае применения титановых болтов взамен стальных в стальных узлах снижается также почти в 2 раза. Однако эти преимущества титановых болтов исчезают при их работе в титановых узлах.

Болты из титановых сплавов малочувствительны к перекосу опорных поверхностей при статических нагрузках и не обнаруживают склонности к замедленному хрупкому разрушению. Однако ввиду высокой чувствительности титановых сплавов к остаточным напряжениям растяжения шлифование резьбы болтов, работающих при переменных напряжениях, недопустимо.

Из сплава ВТ9 изготовляют болты, которые могут длительно работать при температуре до 550 °С. Сплав ВТ16 можно использовать длительно при температуре до 350 °С и кратковременно до 700 °С.

Титановые болты необходимы при работе в корродирующих средах, так как они обладают высокой коррозионной стойкостью в большинстве агрессивных сред. Разрушение болтов из этих сплавов при статических нагрузках носит взрывной характер и происходит практически без образования шейки.

Бериллиевый крепеж

Бериллиевые болты приблизительно в 4 раза легче стальных и в 2,2 раза легче титановых.

Предел прочности сплава бериллия с алюминием при нормальной температуре составляет σв = 520 ... 580 МПа, модуль упругости Е = 175 ГПа, удлинение при разрыве δ5 = 20...26 %. 

Однако изделия из бериллиевых сплавов очень чувствительны к концентрации напряжений и качеству поверхности, поэтому бериллиевые болты требуют тщательной обработки, выполнения резьбы накаткой, использования алюминиевых гаек и т. д. Применение для таких болтов резьбы с пониженной высотой профиля (до 55 % нормальной) с соответствующим увеличением внутреннего диаметра и радиуса впадины (R=0,28Р) уменьшает концентрацию напряжений и повышает предел выносливости более чем в 2 раза.

По прочности бериллиевые болты уступают стальным и титановым. Однако удельная прочность (отношение прочности к массе) болтов из бериллия в 1,5...2,0 раза выше прочности стальных к титановых болтов при статических нагрузках, а при переменных нагрузках их долговечность в 2 раза больше титановых и почти в 10 раз больше стальных. Необходимо иметь в виду, что бериллиевая пыль, образующаяся при механической обработке, токсична.

Крепежные детали из пластмасс

Крепежные детали из пластмасс широко применяют благодаря высоким электро- и теплоизоляционным, а также противокоррозионным свойствам.

Основные материалы для изготовления крепежных деталей – 

  • волокнит,
  • фенопласты К-18-2 и К-21-22,
  • пресс-материал АГ-4В, 
  • найлон
  • полиамиды.

Таблица 4.

Значения предела прочности, MПа, термореактивных пластмасс при растяжении σв.p и сжатии σв.с
Материал σв.p σв.pпри продолжительности нагружения, ч. σв.с σв.с;τ при продолжительности нагружения, ч.
100 1000 10 000 100 1000 10000
АГ-4В 104,0 91,0 89,7 88,1 198,0 145,0 141,0 137,0
К-18-2 41,0 30,3 28,9 27,3 131,0 96,0 94,0 92,0
Волокнит 41,5 29,8 28,2 26,7 115,0 82,0 80,0 78,5

Таблица 5.

Нагрузка Fp, разрушающая резьбу пластмассовых гаек в соединении с болтами из стали 38 XA (σв=1050MПа; резьба M10)
Соединение Материал гайки Значение Fp, kH, при H/d
0,5 1,0 1,5 7,0
С вставкой 2363С 18,0 31,0 40,0 49,0
Обычное 2363С 14,5 19,0 27,5 35,0
Обычное Д1Т 38,0 55,0 62,0* 62,0*
*Обрыв шпильки по резьбовой части

Механические характеристики этих материалов невысоки, они различны для растягивающих и сжимающих нагрузок. При проектировании резьбовых деталей из пластмасс необходимо также иметь в виду снижение их прочности с увеличением продолжительности нагружения и повышением температуры (табл. 4).

Распространение получили антивибрационные пластмассовые гайки, в которые для усиления (повышения несущей способности) иногда монтируют резьбовые спиральные вставки. В табл. 5 приведены результаты испытания таких гаек.

Успешно применяют стопорные кольца и гайки из найлона и полиамидов, а также шайбы из полиамидов, которые при затяжке сильно деформируются, заполняют зазоры и впадины резьбы, одновременно способствуя герметизации. Для восприятия основных осевых сил предусмотрена металлическая основа. 

Детали корпусов из стеклопластиков стягивают с помощью, стальных или титановых болтов. В таких конструкциях внешнюю нагрузку на болты следует уменьшать путем увеличения податливости деталей системы болта (например, введением специальной упругой шайбы).

Заключение

Выбор материала для болтов и шпилек – нетривиальная задача, требующая комплексного подхода с учётом конкретных условий применения, уменьшения материалоёмкости и стоимости изготовления крепежных изделий. 

Список литературы

  1. Гоулд Д., Микич М. Площади контакта и распределение давлений в болтовых соединениях // Конструирование и технология машиностроения. 1972. №3... – С. 99.
  2. Якушев А. И., Мустаев Р. Х., Мавлютов Р. Р. Повышение прочности и надежности резьбовых соединений.. – М. : Машиностроение, 1979. – 214 c.
  3. Якушев А. И. Влияние технологии изготовления и основных параметров резьбы на прочность резьбовых соединений.. – М. : Оборонгиз, 1956.

Получив доступ к данной странице, Вы автоматически принимаете Пользовательское соглашение.

Rambler's Top100