Прочность и виды разрушений резьбовых соединений шпилек при их применении в статических нагрузках

Для качественного производства, а также для безопасного и экономичного применения шпилек и других крепежных изделий в резьбовых соединениях необходимо оценивать их прочность и учитывать возможные разрушения.

Методы оценки прочности соединений

Резьбовые детали, которыми являются крепежные изделия, работают при высоких статических нагрузках, возникающих от 1) затяжки и 2) внешних сил. Поэтому при разработке легких, надежных и экономичных деталей, например, фланцевых соединений, нужно предусматривать наиболее полное использование прочности крепежа при их наименьших размерах (диаметр болта или шпильки, длина свинчивания и т. д.).

Предел прочности, определяющий максимальную несущую способность, является важным критерием работоспособности соединений. Методики оценки (испытания) прочности резьбовых соединений обуславливаются видом их нагружения в реальных условиях эксплуатации.

Так как резьбовые соединения работают преимущественно при действии растягивающих и изгибающих сил, наиболее рас­пространены следующие методы испытаний:

1. непосредственным нагружением в испытательных машинах или специальных уста­новках;
2. нагружением затяжкой гайки;
3. комбинированным нагружением. В этом случае непосредственным нагруже­нием доводится до разрушения или наперед известного рабочего режима соединение, предварительно затянутое гайкой.

Несущую способность соединений обычно оценивают по разрушающей нагрузке или напряжению (нагрузке, отнесенной к площади поперечного сечения шпильки по внутреннему диаметру резьбы). Такой метод оправдан тем, что заметные пластические деформации появляются лишь при действии нагрузок, близких к разрушающим.

Нагружение на специальных установках

Из указанных методов испытаний наиболее широко применяют первый, отличающийся простотой и точностью. Его использование в лабораторных условиях  для определения наибольшей несущей способности особенно целесообразно для динамически нагруженных соединений, так как под действием переменных нагрузок касательные напряжения от крутящего момента в резьбе при затяжке постепенно ис­чезают.

Нагружение затяжкой гайки

Второй метод испытаний применяют для оценки проч­ности соединений, работающих преимущественно на затяжку (например, соединения стальных шпилек в мостовых конструкциях). На рис. 1 дана диаграмма растяжения стальной шпильки с резьбой 7/8″ (σ_в = 1700 МПа). Кривая 1 соответствует результа­там испытаний при непо­средственном нагружении, кривая 2 — нагружению затяжкой гайки, кривая 3 — комбинированному нагружению (первоначаль­ная затяжка осуществля­лась поворотом гайки на 1/2 оборота). Анализ диа­граммы показывает, что в области упругих деформаций шпилек все методы нагружения дают одинаковые результаты (кривые на упругом участке совпадают). Однако разрушающие нагрузки для соединений, подвергнутых непосредственному нагружению, значительно (до 30 %) превышают нагрузки, полученные при нагружении гайкой (в испытаниях при нагружении гайкой наблюдается большой разброс результатов из-за рассеяния значений коэффициента трения в резьбе).

Деформации, соответствующие разрушающим нагрузкам, снижаются при нагружении гайками на 20…60% по сравнению с непосредственным нагружением. Указанное об­стоятельство объясняется увеличением эквивалентных напря­жений за счет касательных напряжений, обусловленных силами трения. Эти силы в витках резьбы особенно сильно влияют при напряжениях в шпильке, превышающих предел пропорционально­сти, так как в этом случае деформации витков шпильки и гайки сильно увеличиваются. В пределах упругости деформация витков сравнительно невелика и не вызывает заметного увеличения на­пряжений в теле шпильки, поэтому оба метода испытаний дают в этом случае одинаковые  результаты.

Снижение прочности соединений при нагружении гайкой не­обходимо учитывать при проектировании соединений с сильной затяжкой (σ₀ ≥ 0,8σ_т). В этом случае следует предусматривать мероприятия, уменьшающие силы трения в резьбе и препятст­вующие скручиванию шпилек.

Сравнение результатов испытаний шпилек, подвергаемых не­посредственному нагружению, и шпилек, нагружаемых после за­тяжки гайкой, показывает, что предельные нагрузки для этих испытаний примерно одинаковые. Этим объясняется широкое применение способа непосредственного нагружения как наиболее простого и точного для оценки предельной несущей способности среднезатягиваемых резьбовых соединений (σ₀ < 0,8σ_т).

Для оценки предельной несущей способности резьбовых соеди­нений, работающих в условиях растяжения и изгиба, также применяют метод непосредственного нагружения. В этом случае под гайку подкладывают косую шайбу о углом скоса 0,5 ... 10°.

↑ В начало

Виды разрушений резьбовых соединений шпилек

На основании опыта эксплуатации машин, а также результатов многочисленных испытаний резьбовых соединений на растя­жение до разрушения установлено, что наиболее распространено разрушение двух видов:

1. обрыв стержня шпильки (болта) и
2. разру­шение резьбы.

При визуальном осмотре шпильки, разрушенной растягивающей силой, наблюдаются типичные признаки ее пластической дефор­мации в зоне обрыва: остаточное удлинение, отчетливо обнаружи­ваемое по увеличению шага резьбы, и сужению поперечного сечения. Обрыв стержня шпильки всегда происходит в наимень­шем поперечном сечении, например, по резьбовой части, по проточке.

Исключение составляют высокопрочные шпильки для фланцевых соединений из аустенитных сталей, полу­ченные холодной высадкой. Их резьбу изготовляют путем холод­ного накатывания, обеспечивающего значительное деформацион­ное упрочнение резьбы. Вследствие этого обрыв происходит в не­резьбовой части стержня болта, где поперечное сечение больше, а прочность значительно ниже, чем в резьбовой части.

Объемное напряженное состояние в зонах впадин резьбы часто приводит к тому, что стержень шпильки в месте обрыва не приобре­тает форму воронки, которую можно наблюдать при разрушении гладкого образца из вязкого материала, а представляет собой покрытый трещинами скол половины сечения, распространяю­щийся под углом 45° и занимающий по глубине 2…3 витка резьбы. В остальной части сечения наблюдается пластический излом, вызываемый развитыми радиальными и осевыми деформа­циями.

Хрупкий излом шпилек и болтов и причины его возникновения

Хрупкий излом характерен для недостаточно пластичных материалов, в которых затруднена деформация, выравнивающая напряжения между более и менее нагруженными зонами. Излом шпилек из малопластичных материалов не сопровождается пла­стической деформацией. Поверхность такого излома отличается чешуйчатостью, а в примыкающих слоях материала часто обна­руживаются трещины.

Хрупкий излом возникает в шпильках из стали закаленной, но не прошедшей отпуск. Наиболее частыми причинами хрупкого излома шпилек на практике являются:

• недостаточный отпуск после закалки,
• перегрев, а также
• хрупкость некоторых хромоникелевых сталей, вызванная их подкаливанием на воздухе после отпуска.

Этому способствует также наличие фосфора в стали. Недостаточ­ный отпуск (т.е. отпуск, при котором температура нагрева стали была недостаточно высокой) либо небольшая его продолжительность ведут к сбережению прочности, но не придают пластичности. В случае перегрева при закалке или очень длитель­ной выдержки при температуре закалки закаленная сталь при­обретает игольчатую структуру хрупкого мартенсита.

Хрупкий излом характерен для шпилек из сталей, насыщенных атомарным водородом при электрохимической обработке (цинко­вании, кадмировании поверхностей в щелочно-цианистых ваннах), а также при травлении в соляной или серной кислотах, применяе­мом для подготовки поверхностей шпилек перед их фосфатированием.

Скорость насыщения водородом тем выше, чем больше проч­ность стали. При соединении атомов в молекулы водорода по гра­ницам зерен в стали возникает давление, приводящее при наличии внутренних напряжений (например, от затяжки) к появлению трещин.

Обычные методы испытаний резьбовых соединений для об­наружения водородной хрупкости непригодны. Испытания прово­дят путем создания в шпильках напряжений, близких к пределу текучести, в течение не менее 48 ч. В случае поломок поверхность излома исследуют под электронно-растровым микроскопом.

Шпильки из высокопрочных сталей (σ_в > 1250 МПа) при напря­жениях затяжки, близких к пределу текучести, и наличии не­большого количества агрессивной среды (например, серной кис­лоты, выделившейся из смазочного материала) склонны к появ­лению межзеренных трещин — коррозионному растрескиванию и последующему хрупкому разрушению. Примеси углерода, фос­фора и азота, расположенные по границам зерен, ускоряют трещинообразование.

Разрушение перезатянутой шпильки

Срез резьбы

Разрушение перезатянутой шпильки несколько другое. Обрыв шпильки всегда происходит по плоскости, совпадающей с витком резьбы, при этом воронки или скола под углом не возникает, поверхность излома гладкая со следами спиралеподобной струк­туры.

При недостаточной длине свинчивания, а также существенном различии механических свойств материала шпильки (или болта) и гайки корпуса происходит разрушение резьбы, называемое срезом. В зависимости от соотношения механических характе­ристик материалов могут быть срезаны витки шпильки или гайки. Возможно и одновременное разрушение витков шпильки и гайки. Витки резьбы срезаются на некотором диаметре, большем вну­треннего и зависящем от толщины стенок гайки, свойств мате­риалов шпильки и гайки, а также начального перекрытия витков.

Смятие резьбы

При минимальном перекрытии витков, определяемом равенством

H₁ = H_{1 min},

и близких механических характеристиках материалов шпильки и гайки возможен пластический изгиб витков — смятие резьбы. Прочность резьбового соединения в этом случае значительно меньше, чем при срезе витков.

↑ В начало

Заключение

В эпоху частых экономических кризисов изучение прочностных свойств крепежных изделий принимает еще более важное значение: максимальная экономия возможна при производстве крепежа гарантированной прочности и с минимальным расходом все дорожающих материалов.

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