Влияние высоких температур на механические свойства резьбовых соединений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние высоких температур на механические свойства резьбовых соединений

Пучков Павел Владимирович

В данной статье изложены результаты экспериментов по исследованию влияния высоких температур на механические свойства резьбовых соединений. резьбовый температура деформация

Технический прогресс неразрывно связан с применением резьбовых соединений. При создании и обслуживании современной техники, строительных конструкций, приборов невозможно обойтись только неразъёмными соединениями. Необходимость разборки механизмов при ремонте и обслуживании (замена масла, контроль износа и пр.) обусловливает применение таких неподвижных разъемных соединений, которые могли бы нормально выполнять заданные функции после неоднократной разборки и сборки. Одной из разновидностей таких разъемных соединений являются резьбовые соединения. Резьбовые соединения находят самое широкое применение в различных областях техники. В современных машинах количество резьбовых деталей, как правило, численно превышает количество не резьбовых деталей (60 % общего числа деталей). Резьбовые соединения имеют ряд достоинств перед другими способами соединения деталей, что делает их незаменимыми элементами конструкций, механизмов, машин и приборов.

Резьбовые соединения имеют ряд преимуществ перед другими видами разъемных и неразъемных соединений. Резьбовые соединения имеют сравнительно простую конструкцию и очень удобны как для сборки, так и разборки соединения. Они полностью взаимозаменяемы, выгодны для массового производства и не очень дороги. С их помощью можно образовывать самотормозящие и несамотормозящие, подвижные и неподвижные компактные соединения. К недостаткам этих соединений следует отнести: неравномерность нагружения сопряжённых витков, низкий КПД и значительная концентрация напряжений, снижающих их прочность.

Концентраторами напряжений у резьбовых соединений являются канавки между витками резьбы см. рис.1. Высокая концентрация напряжения на дне резьбовой канавки происходит вследствие малых радиусов скругления. Углы во впадинах являются сильными концентраторами напряжений, что резко снижает усталостную прочность винта. По этой причине резьба применяется ограниченно в малонагруженных передачах.

Рисунок 1. Метрическая резьба

Основным критерием работоспособности резьбовых соединений является прочность. Разрушение элементов резьбового соединения может происходить по одной из следующих причин:

· во-первых, разрыв стержня по резьбе или по переходному сечению у головки;

· во-вторых, повреждение или разрушение резьбы;

· в-третьих, разрушение головки.

Для изготовления крепёжных резьбовых деталей используются самые различные материалы, сплавы цветных металлов (дюралюминий, бронзу, латунь, и др.) и чёрные металлы (углеродистые и легированные стали). Тем не менее, основная масса потребляемых промышленностью резьбовых изделий изготавливается из сталей.

При затяжке резьбового соединения и в процессе его последующей работы в деталях соединения действуют самые разнообразные напряжения. Так, например, под действием осевой силы в болтовом соединении сечение тела болта нагружено растягивающими напряжениями, в переходной области между телом и головкой возникают касательные напряжения, а в витках резьбы напряжения изгиба, смятия и среза одновременно. Таким образом, прочность элементов резьбового соединения является основным критерием работоспособности.

Все стандартные винты (болты, шпильки) изготовляют равнопрочными по каждому из названных критериев. В этой связи стандартные резьбовые соединения обычно рассчитываются только по одному главному критерию работоспособности - прочности нарезанной части их стержня. Кроме того, большая часть резьбовых соединений, применяемых в машиностроении, работает со значительной силой начальной затяжки, что практически позволяет ограничиться лишь расчетами на статическую прочность.

Вызывает особый интерес изучение вопроса влияния высоких температур на прочность резьбовых соединений. Испытания проводились для резьбового соединения типа шпилька М 8 - гайка. К данному резьбовому соединению была приложена только внешняя осевая растягивающая сила, предварительная затяжка резьбового соединения отсутствовала. Статические испытания резьбовых соединений проводились на разрывной машине Р-5. Для проведения опытов было изготовлено специальное приспособление для фиксации резьбового соединения в губках разрывной машины Р-5. Данное приспособление представлено на рис. 2.

Рисунок 2. Приспособление для испытания резьбовых соединений на прочность, закрепленное в губках разрывной машины Р-5

Для проведения эксперимента были подготовлены образцы шпильки М 8 и гайки М 8 со стандартной метрической резьбой. Часть образцов была подвергнута нагреванию в высокотемпературной печи ПЛ-10/12,5 до температуры 400°С. Образцы для испытаний представлены на рис. 3.

Рисунок 3. Резьбовая пара шпилька М 8-гайка: а - без теплового воздействия; б - после нагревания в печи до Т = 400°С.

После проведения испытаний резьбового соединения на прочность был построен график зависимости деформации резьбы от приложенной растягивающей осевой силы см. рис. 4.

Рисунок 4. График зависимости деформации резьбы от приложенной осевой силы.

На графике видно, что резьбовые пары шпилька М 8 - гайка, подвергнутые нагреванию до Т= 400 °С (красный график) разрушались при меньшем значении осевой растягивающей силы, нежели резьбовые пары шпилька М 8- гайка, которые тепловому воздействию подвергнуты не были (синий график). Также в результате эксперимента было выявлено, что характер разрушения резьбы этих образцов различен см. рис. 6. Следует отметить, что разрушение витков резьбы во всех случаях происходило на шпильке, а резьба гайки оставалась без видимых повреждений и деформаций. Проанализировав характер разрушения резьбовой поверхности шпильки М 8 можно проследить следующую закономерность: после воздействия высоких температур на резьбовую пару шпилька М 8 - гайка при его разрушении происходит срез витков резьбы на шпильке (см. рис. 5б), а у резьбовой пары шпилька - гайка, работающей при нормальных температурах, произойдет смятие витков резьбы на шпильке см. рис. 5а.

Характер разрушения рассматриваемых резьбовых соединений можно объяснить следующим образом. В современном мире с целью оптимизации технологии изготовления изделий и снижения себестоимости выпускаемой продукции резьбу на метизах неответственного назначения не нарезают с помощью резьбонарезного инструмента, а накатывают. Данная технология изготовления резьбовых соединений обеспечивает очень высокую производительность и невысокую стоимость готовой продукции. Причем при накатывании резьбы поверхностный слой изделия приобретает наклеп, т.е. упрочняется вследствие пластической деформации. При воздействии на резьбовые соединения из углеродистой стали высокой температуры, а именно температуры в 400°С никаких фазовых превращений в ней не происходит, а происходит по сути своей средний отпуск стали, при котором у стали немного снижаются показатели поверхностной твердости и упругости и повышается пластичность.

Рисунок 5. Шпилька М 8 с поврежденными витками: а - испытание в холодном состоянии; б - испытание после теплового воздействия

Подводя итог вышесказанному, необходимо отметить тот факт, что воздействие высоких температур на резьбовые соединения из углеродистых сталей приводит к снижению их прочности, что в свою очередь снижает в целом надежность и долговечность конструкции (строительной) или механизма в котором они установлены.

Список литературы

1. Киселев В.В., Топоров А.В., Пучков П.В. Перспективы применения магнитожидкостных устройств в пожарной и аварийно-спасательной технике.// Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. - 2010. - №2. - С. 63-64.

2. Пучков П.В., Киселев В.В., Топоров А.В. Разрушение строительных металлоконструкций в условиях пожара.// Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. - 2010. - №3. - С. 29-32.

3. Киселев В.В., Топоров А.В., Пучков П.В. Перспективы использования модернизированных смазочных материалов в пожарной и аварийно-спасательной технике.// Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. - 2011. - №3. - С. 23-29.

Размещено на Allbest.ru