Прочность болтов из сталей, сплавов и пластмасс

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. 

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 (а_н = 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 τ_в = 875 и 1000 МПа. Для сравнения отметим, что сопротивление срезу болтов из стали 30ХГСНА при σ_в = 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%	aн, 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 3000 C	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 σ_в = 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 σ_в = 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 σ_в.p и сжатии σ_в.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 F_p, разрушающая резьбу пластмассовых гаек в соединении с болтами из стали 38 XA (σ_в=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. 

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