Технические статьи

ГлавнаяТехнические статьиКрепежПрименение → Усталостное разрушение болтов, шпилек и гаек. Предел выносливости крепежа.

Усталостное разрушение болтов, шпилек и гаек. Предел выносливости крепежа.

Наиболее слабым местом в резьбовом крепежном соединении при переменном нагружении является резьба болта или шпильки в области первого (от опорного торца гайки) витка.

Наиболее слабым местом в резьбовом крепежном соединении при переменном нагружении является резьба болта или шпильки в области первого (от опорного торца гайки) витка.

Усталостное напряжение чаще всего является следствием интенсивных динамических нагрузок. Коварность этого типа разрушения в почти полном отсутствии деформации в зоне разрушения. Для исследований параметров усталостного разрушения резьбовых соединений болтов, гаек и шпилек следует проводить испытания крепежа на прочность.

Дата публикации: 9 апреля 2011

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

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

Причины усталостного разрушения крепежных изделий

Усталостное разрушение резьбовых крепежных изделий часто встречающее на практике, - результат действия многоцикловых переменных нагрузок. Амплитуда переменной нагрузки, приводящей к разрушению, оказывается в 10....20 раз меньшей, чем при статическом разрушении.

Места разрушения резьбовых соединений болтов и шпилек с гайками

Практика и результаты исследований показывают, что наиболее слабым местом в соединении болтов и шпилек с гайками при переменном нагружении является резьба в области первого (от опорного торца гайки) витка, где  в наибольшей степени концентрируется нагрузка, передаваемая резьбой. Реже соединения разрушаются под головкой болта и по сбегу резьбы. Так как концентрация напряжений в этих зонах в 2 ... 3 раза ниже, чем в зоне первого рабочего витка, поломки вследствие усталости обусловливаются, как правило, дефектами  производства или недостаточными радиусами закругления.

Деформация болтов и шпилек при разрушении

В результате исследования разрушенных болтов и шпилек установлена характерная черта усталостной поломки — почти полное отсутствие деформации в зоне разрушения, даже болтов из высокопластичных (при статическом разрушении) сталей. 

В начале разрушения трещины обычно настолько мелкие, что их трудно обнаружить. По достижении трещиной макроскопических размеров наблюдается ее интенсивный рост, приводящий к полному разрушению резьбового соединения за малый промежуток времени.

Усталостное разрушение особенно опасно ввиду отсутствия предшествующих признаков. Незначительные пластические деформации при усталостном разрушении практически не снижают напряжений в зонах концентрации, а концентрация напряжений существенно влияет на сопротивление усталости соединений.

На поверхности усталостного излома имеются три зоны, обнаруживаемые визуально.

  1. В первой зоне (область зарождения трещины) трещина распространяется медленно и поверхность излома выглядит как полированная и окисленная.
  2. Во второй зоне трещина распространяется с большей скоростью, поверхность излома мелкозернистая.
  3. В третьей зоне поверхность излома, как правило, крупнозернистая либо волокнистая, соответствующая статическому разрушению.

Площадь этих зон зависит, в основном, от уровня переменных напряжений и силы предварительной затяжки соединения. 

Методы испытаний крепежа

Предел выносливости резьбовых крепежных изделий

Резьбовые соединения работают с предварительной затяжкой. Это обстоятельство следует учитывать при проведении испытаний на усталость крепежа. Наиболее точно реальные условия работы соединения можно воспроизвести при испытании предварительно затянутого соединения в захватах машины (рис. 1, а). Такие испытания можно проводить в качестве сравнительных. Они требуют тензометрирования образцов в процессе испытания, так как нагрузка на болт заранее неизвестна. 

Схемы испытаний

Рис.1. Схемы испытаний крепежных
резьбовых соединений болтов, шпилек
и гаек

На практике в испытательных лабораториях наиболее распространен метод непосредственного нагружения. Образец при этом устанавливают в зажимах машины, а действие силы затяжки имитируют статическим растяжением (рис.1, б). 

Предел выносливости соединений определяют в основном при постоянном среднем напряжении σт. Такая схема соответствует переменному напряжению затяжки в процессе испытаний

σт = σ0 – σа,

где σа — амплитуда напряжений цикла. 

Более близка к реальным условиям нагружения схема испытаний при постоянном минимальном напряжении цикла σmin = σ0. Обе схемы легко реализовать на любых испытательных машинах.

Предел выносливости резьбовых соединений принято оценивать по предельной амплитуде переменных напряжений σап

Обычно  σап≈ (0,05....0,12) σв. В реальных конструкциях σ≥ 0,ЗQв, поэтому при таких напряжениях затяжки испытания по схеме σm = const не вносят существенных погрешностей при определении предела выносливости резьбовых соединений σап

Преимущественное распространение схемы испытаний σт = const  можно объяснить удобством построения диаграммы предельных напряжений, используемой в расчетах на прочность. 

Испытания для определения σап иногда проводят при постоянном коэффициенте асимметрии цикла напряжений

Rσ =σminmax = 0,1. 

Поскольку такая схема соответствует испытанию практически незатянутых соединений, ее применение не может быть оправданно, особенно для сравнительной оценки сопротивления усталости соединений при различной технологии изготовления резьбы. 

Кривая усталости

Рис.2. Кривая усталости соединений с накатанной
резьбой M10 (R = 0.3 мм) при σm = 400 MПа
(материал болта - сталь 38 XA, гайки - сталь 45)

Обычный способ определения предела выносливости состоит в последовательном разрушении ряда одинаковых образцов под действием напряжений с определенной амплитудой σа при постоянном среднем или минимальном напряжении цикла. В результате получают зависимость между переменным напряжением σап и долговечностью N (числом циклов нагружения до разрушения). На рис. 2  показана типичная кривая усталости резьбового соединения, начерченная в полулогарифмических координатах.

Наибольшее переменное напряжение, при котором образец  может выдержать заданное число циклов нагружения — базу испытаний не разрушаясь, принято называть пределом выносливости

Базу испытаний выбирают из условия работы реальной конструкции, типа материала, задач эксперимента и других факторов. Для резьбовых соединений из сталей для фланцев обычно принимают No  = 5×106...107 циклов, из алюминиевых и титановых сплавов No = 107...108 циклов. При проведении сравнительных испытаний базу можно ограничить по нижнему пределу.

Предел ограниченной выносливости крепежных изделий

Следует отметить, что выраженный предел выносливости - горизонтальная линия на графике — характерен лишь для некоторых материалов (преимущественно сталей) при нормальной температуре испытаний. Если выраженного предела выносливости не существует, как, например, для крепежных изделий из титановых сплавов и пластмасс, определяют ограниченный (базой) предел выносливости (предел ограниченной выносливости). 

Статистический подход к определению предела выносливости крепежа

При испытаниях на усталость наблюдается значительный разброс долговечности при постоянном σа, разброс амплитуд напряжений при данной долговечности (или базе) много меньше. Предел выносливости можно найти построением кривой σа — N на основании результатов испытаний 8...10 образцов. Если два-три образца из этого числа не разрушаются при данной базе испытаний, то соответствующее напряжение можно считать пределом выносливости. Результаты многочисленных опытов показывают, что определенный таким образом предел выносливости соответствует вероятности разрушения Р ≤ 0,5.

Заключение

Таким образом, значения предела выносливости резьбовых крепежных деталей: болтов, шпилек и гаек – можно выяснить в лабораторных условиях. Более того, проведение подобных испытаний необходимо при контроле качества крепежной продукции.

Список литературы

  1. Тимошенко С. П. Сопротивление материалов.. – М. : Гостехиздат, 1943. – 345 c. Т. 2.
  2. Якушев А. И. Влияние технологии изготовления и основных параметров резьбы на прочность резьбовых соединений.. – М. : Оборонгиз, 1956.
  3. Якушев А. И., Мустаев Р. Х., Мавлютов Р. Р. Повышение прочности и надежности резьбовых соединений.. – М. : Машиностроение, 1979. – 214 c.

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

Рейтинг@Mail.ru
Rambler's Top100