Диаграмма предельных напряжений резьбового крепежа

Предельные и средние напряжения при переменных нагрузках на крепеж

Расчет резьбовых соединений крепежа на прочность основан на диаграмме предельных напряжений цикла, характеризующей зависимость между значениями предельных (σ_ап) и средних (σ_m) напряжений цикла для заданной долговечности. В данной статье предел текучести обозначается как σ_т.

Исследования предельных напряжений на крепеж

Результаты исследований Биргера, Иосилевича (рис. 1), а также экспериментов А. И. Якушева [3]  и других показывают, что изменение предельной амплитуды напряжений цикла при увеличении среднего напряжения невелико и определяется технологией изготовления и термообработкой резьбовых деталей (табл.1). 

При выполнении резьбы нарезанием или накатыванием на термообработанных заготовках наблюдается снижение σ_ап при увеличении σ_m. Наиболее интенсивно σ_ап снижается в соединениях с накатанной резьбой при σ_m < 0,5 σ_т.

Режим накатывания или нарезания резьбы на крепеж

В указанных пределах изменения σ_m существенное влияние на значение σ_ап могут оказывать режимы накатывания (нарезания) резьбы. При дальнейшем увеличении от предел выносливости соединений с накатанной резьбой практически не изменяется и приближается к пределу выносливости соединений с нарезанной резьбой (табл.2).

Если термообработку болтов или шпилек проводили после изготовления резьбы (такая последовательность операций изготовления и термообработки характерна для технологии производства высокопрочных болтов), то значение σ_ап остается практически неизменным при возрастании среднего напряжения вплоть до σ_m ≤ 0,9σ_т.

Деформации в резьбе шпилек и болтов

Таблица 1.

Значения предельной амплитуды напряжений крепежных изделий в зависимости от среднего напряжения

Сталь	σm, МПа	σm / σт	σап, МПа, для соединений с резьбой
			М6	М12×1,5
45	150	0,33	80	60
	250	0,55	80	60
	365	0,80	70	60
	460	1,01	70	60
40ХН2МА	150	0,13	120	70
	250	0,21	120	70
	365	0,31	—	70
	540	0,45	100	—
Примечание.  Высота гайки E = 0,8 d. Резьба изготовлена по 6-й степени точности с минимальными зазорами по диаметрам резьбы.

Таблица 2.

Значения предельной амплитуды напряжений крепежа в зависимости от способа изготовления резьбы среднего напряжения

Способ изготовления резьбы	σап, МПа при σm, МПа
	250	400	700	900
Накатывание	165/70	110/60	85/60	85/60
Нарезание	70/60	60/60	60/60	60/60
Примечание.  Резьба М10, радиус впадины R = 0,18 мм. В числителе даны значения для заготовок в знаменателе - для готовых шпилек (в обоих случаях после термообработки 29,9…33,8 HRCЭ). Материал шпилек - сталь 38ХА (σв = 1150 МПа), материал гаек - сталь 45 (σв = 950 МПа).

Эти выводы, хорошо согласующиеся с результатами упомянутых выше работ, можно объяснить, рассмотрев напряжения и деформации в резьбе крепежных изделий. Нагруженный растягивающей нагрузкой болт или шпильку представим в виде стержня с надрезами в форме резьбы, в наименьшем сечении которого (под гайкой) возникает трехосное напряженное состояние (всестороннее неравномерное растяжение) с разным соотношением главных напряжений по глубине. На поверхности впадин — двухосное растяжение. Наличие резьбы вызывает неравномерное распределение осевых напряжений растяжения по сечению болта, наибольшая концентрация которых отмечается в вершине впадины резьбы. Поэтому уже при σ_m = 0,1...0,2 σ_т напряжения у поверхностных слоев в вершине наиболее нагруженных витков резьбы болта достигают предела текучести. В результате в поверхностных слоях возникают пластические деформации, дальнейшее увеличение которых не может привести к существенному повышению напряжений в наиболее нагруженной области. 

Независимость значения σ_ап от средних напряжений для болтов, термообработанных после изготовления резьбы, можно объяснить появлением при небольших σ_т в поверхностных слоях (в зонах концентрации напряжений) местной пластической деформации.

Постоянству σ_ап может способствовать также образование мягкого обезуглероженного слоя на поверхности резьбы после термообработки. 

При холодном накатывании (нарезании) резьбы в ее впадинах появляются напряжения сжатия. Если после изготовления резьбы болты не подвергают упрочняющей термообработке, то остаточные напряжения сохраняются и при нормальной температуре, способствуя повышению сопротивления усталости соединений. При работе таких соединений в условиях повышенных температур будет происходить релаксация остаточных напряжений. При действии растягивающих рабочих нагрузок остаточные напряжения сжатия компенсируют частично наибольшие напряжения в зонах концентрации, что существенно повышает сопротивление усталости, особенно при небольших σ_т. С увеличением среднего напряжения до σ_m = (0,4...0,5)σ_т  влияние остаточных напряжений сказывается в меньшей степени и значение σ_ап снижается. При σ_m ≥0,5σ_т появляются зоны концентрации пластических деформаций; дальнейшее возрастание σ_т лишь незначительно снижает σ_ап. 

На нецелесообразность термообработки после накатывания резьбы указывается Р. Уолкером и Д. Майером.

Упрощенная диаграмма предельных напряжений

При отсутствии экспериментальных или справочных данных в качестве теоретической диаграммы предельных напряжений может быть принята линейная диаграмма, которая получается обычным способом из диаграммы для гладкого образца. 

Заключение

Экспериментальные исследования нагрузок на крепеж создают основы принципы производства качественной крепежной продукции. При выполнении резьбы нарезанием или накатыванием на термообработанных заготовках наблюдается снижение. Также экспериментальные исследования выявляют нецелесообразность термообработки после накатывания резьбы.

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