книги / Усталость металлов

Т аб л и ц а 55

Сопротивление усталости унифицированных резьбовых соединений [473], [474] (см. рис. 121)

Диаметр стержня в мм

Число ниток на 25,4 мм

		Болт		Гайка
	Материал	а вр в	Метод	Материал	а вр
			изготовления
		кГ/мм*			в кГ/мм*

Размах напряжения на пределе усталости при пульсирующем цикле* (Ю7 циклов) в кГ/мм2

U. N.

BSF

U. N. С.

в. S. W.

9,5	20	Еп16Т	94,4	Шлифование	3S1 (N)	58,2	19,3	20**
		(1,3—-1,8% Мп;
		0,2—0,35% Мо)	94,4	Накатывание		58,2	33,7	30,2
		Еп16Т
		(1,3—1,8% Мп;						до 32,2
		0,2—0,35% Мо)	61,4	Нарезание резцом	3S1 (N)	58,2	11,9**	14**
		3S1
		3S1	61,4	Накатывание	3S1 (N)	58,2	20,0	18,55
								i
19,1	10	Еп16Т	99,0	Шлифование	3S1 (N)	55—62,8		20,8	19,65
		Еп16Т	99,0	Накатывание	3S1 (N)	55—62,8		45,5	35,1
		Еп16Т	99,0	Шлифование	Еп17Т	103,5		19,8
					(1,3—1,8% Мп;
		3S1		Нарезание резцом	0,2—0,35% Мо)	55—62,8		11,9**	11,15**
			61,4		3S1 (N)
		3S1	61 ,4	Шлифование	3S1 (N)	55—62,8		11,6	19,65
		3S1	61,4	Накатывание	3S1 (N)	55-62,8\		24,2
65	Шаг 6 мм	Сталь (0,46% С)	53,5	Шлифование	Сталь (0,14% С)1	44	8,8***		1
	» 4 »	Сталь (0,46% С)	53,5	То же	Сталь (0,14% С)1	44	7,85***
	* Минимальное напряжение цикла 7.07			кПмм2 для болтов 9,5 мм и 19,1 мм и 4.71 кГ/мм2 для болтов 64 мм. Все напряжения при­
нимаются на минимальном сечении по ,дну резьбы.
** Имеется неточность вследствие разброса результатов; в худшем случае эта неточность составляет ±1,57 кГ1мм*.
*** Очевидно, преимущество мелкой резьбы получается из-за меньшего сечения сердцевины.							Размах	пульсирующей растягивающей на­
грузки на пределе усталости составлял:				для шага G мм — 1,38 т \
				для шага 4 мм — 1,35 т .

что следует отнести к более низкой прочности при растяжении материала болта и влиянию размера.

Материал. Так как стали становятся более чувствительными к надрезам с увеличением прочности на растяжение, то увеличе­ ние прочности материала болта не может дать в результате со­ ответствующего увеличения предела усталости. Кроме того, же­ лательно, чтобы материал болта был пластичным, что компенси­ рует деформации, возникающие от эксцентричности нагружения. Оптимальная прочность на растяжение должна составлять около ПО кГ/мм2 для мало- и среднеуглеродистых сталей [471]. Однако более высоким пределом усталости обладают материалы высо­ кой прочности, особенно при тщательном изготовлении (табл. 56).

								Т а б л и ц а		56
Сопротивление усталости болтов диаметром 6,25 м м с накатанной резьбой
(U. N. F.),	нагруженных через гайку [476] G. К. N.
								Предел усталости,
							Статическая	как размах напряже­
						ойп в кГ/мм2		ния	при асимметрич­
	Материал						прочность	ном	цикле (база 10»
						вр
							болтов в кГ	циклов, =		0,1)
									в кГ/мм2
С т ал ь (5%	Сг;	1,5%	Мо; 0 ,5%		V)	157/172	427		7 2 ,0
Титановый		с п л ав		(4%	А1;		284		4 3 ,0
1,4% Мп)
П р и м е ч а н и е :			Напряжения			принимаются по минимальному сечению резьбы.

Не рекомендуется проводить термическую обработку болтов после их нарезания, так как это может вызвать обезуглерожива­ ние поверхности и навести неблагоприятные остаточные напря­ жения. Применение мягкой гайки на высокопрочных болтах мо­ жет благоприятно влиять на предел усталости (см. табл. 55), так как при пластической деформации гайки нагрузки в резьбе вы­ равниваются.

Способ изготовления. Сопротивление усталости резьб, полу­ ченных обкаткой, значительно выше, чем сопротивление резьб, полученных нарезкой или шлифованием. Это показано в табл. 55 и 57, где приведены результаты усталостных испытаний нарезан­ ных образцов диаметром 25,4 мм из стали с овр = 47 кГ/мм2 [477]. Более низкие результаты получены для образцов с нагружением через гайку, что показывает влияние концентрации нагрузки. Благоприятное влияние обкатки можно частично отнести за счет сжимающих остаточных напряжений, наведенных в резьбе, час­ тично за счет упрочнения материала, а также, возможно, за счет получения более гладкой поверхности. Последующая термиче­ ская обработка для повышения статической прочности накатан­ ных резьб не рекомендуется, так как снижается благоприятное

2 32

влияние остаточных напряжений. Было показано, что предел усталости нарезанной резьбы можно повысить поверхностной обкаткой [478] или цементацией, но применение последней для болтов вызывает сомнения из-за уменьшения пластичности [471].

	Т а б л и ц а		57
Влияние способа изготовления на сопротивление усталости
резьб [477]
	Предел	у<:талости	как
	размах нгтряжения
	при пульсщэующем цикле
Способ изготовления	в	к)7мм2
	Нагрузка	Гайка не
	через гайку	нагружена
Накатывание	19,95	29,1
Нарезание резцом	11,9	17,1
Шлифование	—	18,4
Фрезерование	11,9	19,0

Влияние затяжки. Чтобы избежать усталостного разрушения, болт после затяжки должен испытывать растягивающую нагруз­ ку, большую, чем максимальная нагрузка, действующая на него в рабочих условиях, т. е. он должен быть затянут так, чтобы скрепленные детали имели надежный контакт. Если жесткость соединяемых деталей является высокой по сравнению с жестко­ стью болта, пульсирующие нагрузки в болте будут совсем незна­ чительными. Это было продемонстрировано Олменом [478], ко­ торый показал, что долговечность соединения заметно возрастала по мере увеличения начального растяжения в болте; такие же ре­ зультаты были получены Фишером, Кроссом и Норрисом [479]. Они подчеркнули важность сохранения начальной затяжки, кото­ рая может быть потеряна в процессе работы в результате обмя­ тая, ползучести или от других причин. Олмен утверждал, что до­ статочная затяжка более важна, чем другие факторы, влияющие на сопротивление усталости болтов. Усилие затяжки болта будет зависеть до некоторой степени от его назначения, вообще же це­ лесообразно, чтобы затяжка обеспечивала превышение предела текучести в вершине резьбы, так как в результате этого полу­ чается благоприятное распределение остаточных напряжений, но усилие не должно быть настолько высоким, чтобы пластическая область распространилась по всему сечению болта. Требуемая степень затяжки может быть обеспечена с помощью тарирован­ ных ключей, измерения удлинения болта или угла поворота гай­ ки. Кроме того, значение затяжки болтового соединения заклю­ чается в том, что при уменьшении относительного перемещения деталей влияние коррозии трения понижается.

Методы повышения сопротивления усталости резьбовых сое­ динений. Прочность болтового соединения можно улучшить, по­ низив напряжение и концентрацию нагрузки .в болте или изменив

жесткость	болта	и соединяемых деталей. Усталостное разруше­
ние болта	обычно происходит		в одном из мест,	показанных
на рис. 122.		длине гайки	распределяется^	неравномерно
Нагрузка по

вследствие сопряженных деформаций болта и гайки при нагруз­

ке [480, 481].

Сопвис [482] показал, что в нормальных гайке и болте макси­ мальный коэффициент концентрации нагрузки (со стороны опор­

						ной поверхности гайки)				составляет
					*	от 2 до 4, в		зависимости		от формы
						резьбы, соотношения размеров дета­
		У				лей и степени смазки.			распределения
			2	3		Для	улучшения
Рис.	122. Места			усталостных		нагрузки	между гайкой			и	болтом
/ —	разрушений болта:					был предложен ряд			модификаций
	на	переходе		к	головке	конструкций. Виганд			[483] показал,
болта;		2 — на	сбеге		резьбы;
3 —	опорная		плоскость гай­			что сопротивление усталости					болто­
		ки				вого соединения можно улучшить на
						30%, сделав		кольцевую		выточку в
основании гайки (рис. 123, а), и на 20%								при слегка конусообраз­

ной резьбе гайки. Польза конусообразной резьбы была подтверж­ дена Хейвудом [484], он же показал, что сопротивление усталости улучшается, если шаг резьбы гайки больше, чем болта, или гай­ ка имеет выпуклую или вогнутую наружную поверхность в соче­ тании с подходящей фасонной шайбой.

Более равномерного распределения нагрузки можно также достичь, применив гайку с более низким модулем упругости, чем болт. Сопвис [482], например, рассчитал, что коэффициент кон­ центрации напряжения для одного из соединений можно сни­ зить от 3,38 до 2,54, заменив на стальном болте стальную гайку дюралюминиевой.

С чугунными гайками предел усталости стальных болтов уве­ личивался на 40% [483], а с гайками из магниевого сплава на 35—60%. При использовании гайки и контргайки сопротивление усталости увеличивалось на 50% [486]. Хитней [487] иссле­ довал влияния модификаций конструкции на распределение напряжения с помощью фотоупругих измерений и показал, что коэффициент концентрации напряжения можно понизить с 3,85 для обычной гайки до 3,10 для гайки с конусообразной резьбой и до 3,00 для гайки с конусообразной нижней частью (рис. 123, б). Гайка, показанная на рис. 123, в, дает более равномерное распре­ деление нагрузки, так как на гайку и на болт действуют растя­ гивающие напряжения. Подобные условия нагружения имеют место в шпильках, и, следовательно, шпилька лучше сопротив-

234

ляется усталости, чем стандартный болт и гайка. Влияние кон­ струкции шпилек на их сопротивление усталости приведено в табл. 58 [488]. Концентрацию напряжения при сбеге резьбы

				Т а б л и ц а 58
Сопротивление усталости шпилек (см. рис. 124)				[488]
	Шпильки			Предел усталости
				(107 циклов) в кГ/ммг
С разгружающей канавкой		.	. .	1 6 ,2 ± 1 ,4 5
С расточенной под шпильку		частью	отвер­
стия				1 4 ,1 ± 9 ,4 2
С буртиком				1 3 ,5 ± 8 ,8
Нормальная			до дна	12,7-fc8,0
С концом без нарезки, завинченная				1 1 ,4 5 ± 6 ,7 5
отверстия	. . .
Болт диаметром 25,4 мм				9 ,4 2 ± 4 ,7 2

можно значительно ослабить, уменьшая диаметр стержня болта. Чтобы получить максимальный эффект, диаметр стержня дол-

Рис. 123. Конструкции гайки с улучшенным распре­ делением нагрузки:

а — гайка с кольцевой выточкой; б — гайка с конусооб­ разной нижней частью; в — гайка растяжения

жен быть меньше диаметра по дну резьбы; уменьшение в резуль­ тате этого жесткости болта является дополнительным преиму­ ществом. Можно использовать разгружающие канавки или про­ должить резьбу вплоть до головки болта.

В хорошо затянутом болтовом соединении переменная на­ грузка, передаваемая на болт, определяется отношением жестко­ сти болта к жесткости соединения. Опасность усталостного раз­ рушения может быть поэтому понижена уменьшением жесткости

Рис. 124. Детали шпилек, испытанные Брауном и Мак-Климонтом [448]

а — с расточенной	под шпильку частью отверстия;	б — с буртиком;	в — с разгру­
жающей	канавкой; г — нормальная; д —	завинченная до	отказа

болта или повышением жесткости соединяемых частей. При этом большая часть переменной нагрузки воспринимается соединяемы­ ми частями, но так как они сжаты, то не разрушаются от устало­ сти. Применение упругих шайб полезно, потому что они понижа­ ют эффективную жесткость болта, но прокладки со сто­ роны головки болта являют­ ся вредными и должны быть как можно более жесткими.

Расположение деталей в болтовом соединении может быть также важным (рис. 125) [478].

6)Значительные изгибаю­

Рис. 125. Влияние расположения де­						щие напряжения		могут		дей­
талей болтового соединения на сопро­						ствовать в болте, если он на­
	тивление усталости			[478]:
						гружен не по оси,		чем,		ве­
а —	пружина	является опорной			деталью,
болт	ослаблен;	б —	пружина		является	роятно, объясняется			боль­
	частью	болта,	болт	усилен		шая	часть разрушений			бол­
что если усталостная				трещина в		тов.	Коттелл [1] утверждает,
						болте	распространяется		в	од­

ном направлении, то в этом случае гайка или головка болта опи­ раются неравномерно; в результате возникает несоосное нагру­ жение.

Сопротивление усталости проушин

Усталостные разрушения в рабочих условиях часто зарож­ даются у отверстий для заклепок болтов или пальцев, и этому вопросу в последнее время уделяется значительное внимание, особенно применительно к самолетным конструкциям. Многие факторы, влияющие на сопротивление усталости проушин, не исследовались систематически, но Хейвуд [489] пробовал связать имеющиеся данные и предложил простой способ расчета, кото­ рый можно использовать для оценки их сопротивления усталос­ ти. Хейвуд отметил, что сопротивление усталости больших про­ ушин заметно ниже, чем малых. С учетом существенных откло­ нений отдельных результатов была найдена зависимость предела усталости от величины коэффициента концентрации напряже­ ния а, вычисляемого по площади нетто минимального сечения. Поэтому можно нанести кривые а — N для стальных и алюмини­ евых сплавов (рис. 126), дающие предел усталости при пульси­ рующем нагружении для «стандартной» проушины с диаметром отверстия 25,4 мм и значением коэффициента концентрации а = = 2,5. Предел усталости проушин другого размера или формы приблизительно дается зависимостью

где do — предел усталости как размах напряжения при пульси­ рующем нагружении, рассчитанный по пульсирующей нагрузке, деленной на площадь поперечного сечения по

отверстию;

d — диаметр отверстия в дюймах;

о»о— предел усталости как размах напряжения стандартной

проушины при пульсирующем цикле.

Эту зависимость следует рассматривать только как прибли­ женную, поскольку она дает отклонения ±33% . Эта зависимость построена по результатам для проушин с отверстиями диамет­

ром от 5 до 70 мм из сталей		с
а* = 78,5 -т- 125,6	кГ/мм2	и

термически обработанных алю­

миниевых	сплавов	с ов =
= 50 -¥• 60	кГ/мм2.	Показано,

что пределы усталости проушин

					Рис.	127. Значения		теоретических ко­
					эффициентов		концентрации для про­
					ушин, определенные Фрохтом и Хил-
Рис. 126. Кривые а — N для					стан­	Г1ПЛ1		ffmax
дартной	проушины		с	диаметром		л °м [489] а = —
отверстия	25,4	мм,	а =	2,5	[489];	/ — а для	открытого отверстия
/ — сталь;	2 —	алюминиевый			сплав

для стали и алюминиевого сплава не зависят существенно от предела прочности на растяжение. Все испытания проводились на растяжение при асимметричном или пульсирующем цикле, влияние среднего напряжения оказалось незначительным. Одна­ ко впоследствии было показано, что увеличение среднего напря­ жения цикла может заметно понизить предел усталости [490].

Прямая зависимость между пределом усталости и а в форму­

ле (38) характеризует значение	конструкции для		улучшения
усталостного сопротивления проушин.
Значения а для широкого диапазона проушин были опреде­
лены Фрохтом [255] (рис. 127).
Понижения а можно достигнуть		увеличением	расстояния
от отверстия до края проушины	или	увеличением	отношения

237

диаметра отверстия к ширине проушины. Лав [491] показал что предел усталости (вычисленный по поперечному сечению) про­ ушины из алюминиевого сплава L65 шириной 57 мм увеличивает­ ся по мере увеличения диаметра шипа вплоть до 25,4 мм. Также было показано, что увеличение отношения толщины проушины к диаметру отверстия понижает предел усталости и это следует отнести к неравномерному распределению давлений, вызванно­ му изгибом шипа [490].

Хэйвуд своим анализом показал, что эффективный коэффици­ ент концентрации Ко для проушин, определенный на базе Ю7 цик­ лов, соответствует высокому значению (около 8), в то время как а равняется 2,5. Таким образом, предел усталости составляет меньше */з значений, которые были получены обычными метода­ ми расчета, так что способ расчета, предложенный Хейвудом, повидимому, является приемлемым для оценки предела усталости проушин. Указанное расхождение можно отнести, в основном, за счет трения между поверхностью цапфы и отверстия проушины.

Значительное увеличение сопротивления усталости можно по­ лучить с помощью натяга. Лав [491] при испытаниях проушин из алюминиевого сплава нашел, что с цапфой 25,4 мм оптимальный натяг составлял около 0,18 мм и это повысило предел усталости с 2,35 до 14 кГ/мм2-, подобные результаты были получены в дру­ гих работах [490, 492]. Влияние натяга заключается в повышении среднего напряжения цикла и понижении размаха переменного напряжения.

Повысить сопротивление усталости можно также понижением коррозии трения или предварительной опрессовкой; это было продемонстрировано Хейвудом (см. рис. 61).

Заклепочные соединения

Заклепочные соединения почти всегда разрушаются по листу, причем усталостные трещины распространяются от заклепочного отверстия. Такое разрушение происходит даже в соединениях, рассчитанных на статическое разрушение от среза заклепок изза концентрации напряжения в листе по краям отверстий. Для сталей большинство имеющихся данных по пределам усталости заклепочных соединений было получено при натурных испыта­ ниях достаточно больших стальных пластин; некоторые типичные результаты приводятся в табл. 59.

Наиболее исчерпывающие серии усталостных испытаний за­ клепочных соединений стальных пластин были проведены Виль­ соном и Томасом [493]. Было показано, что влияние материала пластин незначительно, причем размах предела усталости при пульсирующей нагрузке, рассчитанный по полному сечению, со­ ставляет 12,5 и 15,7 кГ/мм2 для всех испытанных сталей. Измене­ ния в конструкции соединения или применение различных методов 238

Т а б л и ц а 59 Сопротивление усталости клепаных и болтовых двухсрезных стыковых соединений стальных пластин на базе 2-10е циклов

Материал

	С
	са
заклепок или болтов	с.
	с»

«5

оч

К£

йо

Число заклеп

болтов

СО

о

о л

«а а» X & . 2 Z

s;

о

§

Ч

* заШаг

8

Н

с бо.или

в мм

w К S

" ч З

О.55 д	Ширина
о 5	пластины в мм
| в ?
2 «ич
д-ч о
R. х \ 0

со Я v £ Толщи]пласти мл* в

	Предел уста­	х
	лости при растя­
		S
	жении по полному	X
	сечению*	э*
		о
	в кГ/мм2	5
		S

						Клепаные соединения
Углеродистая сталь			Углеродистая сталь		44,6	2	76,2	107,85	25,4	209,4	19,1	0 до	13,8
Кремнистая		сталь	То же		55,2	2	76,2	107,85	25,4	209,4	19,1	0 до	13,6
Никелевая сталь			»	»	69,5	2	76,2	107,85	25,4	209,4	19,1	0 до	14,1
Кремнистая		сталь	Марганцевая сталь		56,2	2	76,2	107,85	25,4	209,4	19,1	0 до	14,75
Углеродистая сталь			Углеродистая сталь			3	76,2	101,6	25,4	171,5—196,9	19,1	± 9 ,9
То же			То же			3	76,2	101,6	25,4	171,5—196,9	19,1	0 до ±14,3
»	»		»	»		3	76,2	101,6	25,4	171,5—196,9	19,1	И ,6 ± 4 ,82
»	»		»	»		4	76,2	177,8	25,4	177,8	12,7	0 до	14,3
»	»		»	»		2	76,2	123,8	25,4	206,37	12,7	0 до	13,2
»	»		»	»	78,5	3	76,2	92,1	25,4	260,25	12,7	0 до	13,35
			»	» (0,3% С)		2	88,9	88,9	25,4	165,1	12,7	±9,42
						Болтовые соединения
Углеродистая		сталь		(0,3% С)	78,5	2	88,9	88,9	25,4	165,1	12,7	±11,7

* Предел усталости получен при малом числе испытаний и вычислен по эмпирической зависимости о	-----, где N — долговечность
	N0*1

при напря>

, а В —постоянная.