Релаксация стяжных соединений

(60)

Релаксация стяжных соединений.

Стяжные соединения (особенно работающие при повышенных температурах) с течением времени ослабевают вследствие медленно развивающейся пластической деформации болтов (а иногда и стягиваемых деталей) под длительным воздействием напряжений, значительно меньших предела текучести материала при однократной и кратковременной нагрузке. Это явление называют релаксацией (ослаблением).

Обычное определение релаксации как «самопроизвольного изменения во времени напряжений при неизменной деформации» неверно. Релаксация всегда сопровождается возникновением пластических деформаций, которые и являются ее первопричиной. Правильно говорить о явлении холодной ползучести металлов, аналогичном явлению ползучести при высоких температурах, с тем различием, что деформации при холодной ползучести развиваются медленнее и имеют меньшее значение.

Проследим процесс релаксации на примере стяжки болтом корпусной детали. Предположим сначала, что корпус абсолютно жесткий. С течением времени болт пластически вытягивается. Первоначальная, созданная предварительной затяжкой относительная упругая деформация Δe болта уменьшается на относительную пластическую деформацию Δпл, и новая упругая деформация становится равной Δ'е = Δe – Δпл. Напряжение в болте снижается в отношении Δ'е/Δе = 1 – Δпл/Δе, и в том же отношении снижается сила затяжки стыка.

В соединениях с упругими корпусами стягиваемые детали, расправляясь по мере вытяжки болта, продолжают оказывать на болт давление, хотя и уменьшенное по сравнению с первоначальным, вследствие чего процесс релаксации затухает при относительно больших вытяжках, чем в предыдущем случае. В системах с постоянно действующей внешней нагрузкой, статической и, особенно, циклической, процесс релаксации происходит еще интенсивнее и приостанавливается при еще больших вытяжках.

На рис. 463 показана вытяжка образца из аустенитной стали (0,1% С; 23% Cr; 15% Ni; σ0,2 = 480 МПа) в функции продолжительности выдержки под статической растягивающей нагрузкой. Как видно, вытяжка резко возрастает с увеличением напряжения. При σ = 300 МПа (~ 0,6σ0,2) вытяжка крайне незначительна.

Relaksacija 1

Вытяжка зависит от материала, вида термообработки, характера нагружения и рабочей температуры. Вытяжка при циклическом нагружении больше, чем при статическом. Прямой зависимости между ползучестью и показателями прочности материала не наблюдается.

Обычно релаксационную стойкость определяют путем длительной (5—10 тыс. ч) выдержки образцов под напряжением, равным 0,5—0,8 предела текучести материала при заданной температуре.

При кольцевом методе применяют образцы в виде колец, профилированных как тело равного сопротивления изгибу, с клиновидным разрезом. Напряжение создают введением в разрез клина. Через определенные промежутки времени нагрузку снимают и измеряют остаточные деформации, по которым находят напряжение, остающееся в образце после данного этапа испытания [σост = σ0(1 – fпл/f0), где σ0 — первоначальное напряжение; f0 и fпл — соответственно первоначальная и пластическая деформации].

Итогом испытания является диаграмма остающихся напряжений в функции времени (рис. 464). Чем выше остаточные напряжения, тем больше считается релаксационная стойкость. Остаточные напряжения резко снижаются в первые 1000 часов испытания, после чего снижение замедляется (вследствие падения действующих напряжений и отчасти вследствие деформационного упрочнения материала).

Relaksacija 2

Релаксационная стойкость материалов колеблется в широких пределах. Например, после выдержки под нагрузкой в течение 10 тыс. ч образец из стали 40Х сохраняет ~ 75% первоначальных напряжений (пластическая вытяжка 25%), а образец из стали ЗОХМА — 30% первоначальных напряжений (пластическая вытяжка 70%). Высокой релаксационной стойкостью обладают сплавы Ti.

Оценка релаксационной стойкости по остаточным напряжениям является спорной. Для отражения физической сущности явлений, а также для удобства расчетов целесообразно исходить прямо из остаточных деформаций и оценивать релаксационную стойкость пределом ползучести — напряжение, при котором пластическая вытяжка за регламентированный, достаточно большой промежуток времени (3000—5000 ч) не превышает определенного малого значения (0,5—1‰).

Испытания следует проводить под нагрузкой, соответствующей реальным условиям нагружения (для нагруженных стяжных соединений — под отнулевой нагрузкой, при напряжениях, соответствующих рабочим и с обязательным учетом податливости стягиваемой системы).

Рабочие напряжения в болтах должны быть меньше найденного таким способом предела ползучести.

При повышенных напряжениях и температурах следует применять релаксационно-стойкие материалы (хромистые и кремнистые стали), подвергнутые улучшению или изотермической закалке на верхний бейнит.

Для предотвращения пластических микродеформаций целесообразно применять подкладные шайбы большого диаметра. Резьбу, опорные поверхности шайб, гаек, головок болтов, а также поверхности стыков рекомендуется обрабатывать не ниже 6-го класса шероховатости и обеспечивать строгую перпендикулярность опорных поверхностей относительно оси болтов. Болты следует затягивать регламентированной силой. Соединения рекомендуется подвергать предварительной осадке путем затяжки болтов под напряжением, близким к пределу текучести материала, с целью расплющивания микронеровностей в резьбе и на опорных поверхностях и деформационного упрочнения материала болтов.

Релаксация сильно зависит от упругой характеристики системы. Относительная пластическая вытяжка болтов Δпл уменьшает силу затяжки на величину ΔР. При этом у болтов упругая деформация уменьшается на величину Δе1 = ΔР/λ1, а корпус удлиняется на величину Δе2 = ΔР/λ2.

Сумма упругих деформаций болтов и корпуса равна Δпл:

Relaksacija 3

откуда

Relaksacija 4

При λ1 = 0 или λ2 = 0 величина ΔР = 0, т. е. даже при пластической вытяжке ослабление системы не наступает.

При построении диаграммы Р—е с учетом релаксации (рис. 465) прямые растяжения аb и bс сближают на отрезок сс' = Δпл. Треугольник аb'с' изображает состояние системы после релаксации.

Влияние релаксации на параметры соединения

Силы, действующие в соединении,

Relaksacija 6

Коэффициенты асимметрии циклов r1 и r2 снижаются, вследствие чего циклическая прочность болтов и корпусов падает.

Наибольшую опасность представляет уменьшение натяга на стыке. Коэффициент затяжки после релаксации

Коэффициент затяжки после релаксации

где ϑ — первоначальный коэффициент затяжки.

Представляя формулу (100) в виде

Relaksacija 8

и вводя в нее

Relaksacija 9

находим

Relaksacija 10

откуда

Relaksacija 11

По этой формуле определены значения Δпл, при которых ϑ' = 0 (полное исчезновение натяга) и ϑ' = 0,5 (натяг, равный 0,5 первоначального). Принято ϑ = 1; λ12 = 1; Е1 = 2·105 МПа. Ниже приведены также абсолютная вытяжка для болта длиной 200 мм (fпл = 200Δпл).

Relaksacija 12

Как видно, совершенно незначительные пластические вытяжки (в рассматриваемом случае 0,1—0,3 мм) приводят к полному исчезновению натяга. Для сохранения натяга, равного 0,5 первоначального, вытяжки не должна превышать 0,05 мм при низких значениях σ1 и 0,15 мм при высоких. Ослабление стыка можно предупредить повышением начальной силы затяжки. Для получения нужного коэффициента затяжки ϑ после релаксации исходный коэффициент затяжки должен быть равен

Relaksacija 13

Пример. Пусть Е1 = 2,1·105 МПа; F1 = 290 мм21 = E1·F1 = 6·107 Н); Е2 = 7,5·104 МПа; F2 = 1600 мм21 = E2·F2 = 12·107 Н). Рабочая сила Рраб = 25 кН; коэффициент натяжки ϑ = 1. Пластическая вытяжка болта по истечении длительного времени Δпл = 0,0005 (при длине болта 200 мм абсолютная вытяжка fпл = 0,1 мм).

Согласно формуле (100)

Relaksacija 14

Параметры соединения до и после вытяжки приведены ниже.

Relaksacija 15

После вытяжки на стыке остается только 20% первоначальной затяжки; стык работает при очень низком значении коэффициента асимметрии (r2 = 0,23). Для получения после вытяжки значения ϑ' = 1 необходимо согласно формуле (104) увеличить первоначальный коэффициент затяжки до

Relaksacija 16

тогда параметры соединения до и после вытяжки будут

Relaksacija 17

В этом случае после вытяжки сохраняются все параметры исходного соединения (см. предыдущую таблицу), но за счет повышения на 40—45% начальных напряжений σ1 и σ2.

Другой способ заключается в уменьшении ΔР путем установки упругих элементов на болтах или корпусах (конструктивно удобнее установка на болтах).

Сохраняя численные значения предыдущего примера, уменьшим ΔР в 5 раз (ΔР'= 4000 Н). Необходимый для этого коэффициент жесткости λ*1 болта с упругим элементом

Relaksacija 18

Новое значение фактора жесткости системы

Relaksacija 19

Новое значение силы затяжки (при том же коэффициенте затяжки ϑ = 1)

Relaksacija 20

Параметры соединения до и после вытяжки приведены ниже.

Relaksacija 21

Установка упругих элементов обеспечивает после релаксации вполне удовлетворительную затяжку стыка (ϑ’ = 0,84) без существенного изменения напряжений в болтах и корпусах. Однако уменьшение фактора жесткости системы вызывает снижение коэффициента асимметрии цикла сжатия (r2 = 0,48), который можно повысить до r2 = 0,6 путем небольшого увеличения исходного коэффициента затяжки (с 1,0 до 1,4).

Коэффициент жесткости упругого элемента λэ, необходимый для получения λ*1 = 8,6·106 Н, находим из формулы (94). Полагая lэ/l = 0,1, получаем

Relaksacija 22

Относительное удлинение элемента после вытяжки

Relaksacija 23

Абсолютное удлинение (при lэ = 20 мм) fэ = 0,004·20 = 0,08 мм.

Полная свободная деформация элемента при монтаже (сжатие от 0 до Рзат = 48000 Н)

Relaksacija 24

Абсолютная деформация fэ = е'э·lэ = 0,048·20 = 0,96 мм. С запасом на колебания вытяжки и сил затяжки принимаем f'э = 1,5 мм.

Как видно из этого примера, можно, придавая элементам достаточную податливость, застраховаться с большим резервом от релаксации. Кроме того, упругие элементы, амортизируя нагрузку, уменьшают пластическую вытяжку болтов и, поддерживая в системе постоянный натяг, предупреждают самоотвинчивание гаек, что не освобождает от необходимости их жесткого стопорения.