Высокопрочные болты. Особенности конструирования.

Временное сопротивление на растяжение стандартных бол­тов по ГОСТ нормировано с σ_в = 300 МПа (класс прочности 3.6) до σ_в = 1200 МПа (класс прочности 12.9). В ряде отраслей промышленности в настоящее время используют более прочные болты с σ_в до 2100 МПа. По международной классификации к высоко­прочным относят болты, временное сопротивление которых σ_в ≥ 800 МПа. Прочность исходного материала и его упрочнение в процессе изготовления болта определяют конечную прочность болта. Применение высокопрочных болтов - это повышение ка­чества конечной продукции, улучшение ее потребительских свойств и основная предпосылка создания в промышленности облегчен­ных конструкций (как за счет уменьшения массы болтов, так и за счет уменьшения размеров расчетного соединения в целом).

Возрастание усилия разрушения высокопрочных болтов по­казано на рис.1 для размера М12 в зависимости от четырех клас­сов прочности. Расчеты показывают, что при переходе от класса прочности 4.6 к классу прочности 10.9 при одинаковой несущей способности возможно уменьшение диаметра болта наполовину. Представление об экономии материала при изготовлении одного болта средней длины дают следующие данные:

Такое изменение размеров и массы крепежа обеспечивает без дополнительных затрат снижение объема складских помещений и перевозок на 400% по всему циклу производства, начиная с ме­таллургического.

Рис. 1. Усилие разрушения болтов М12 по классам прочности	Рис. 2. Фланец соединения труб

Снижение массы фланцевого соединения труб при переходе от болтов класса прочности 4.6 к болтам класса прочности 10.9 (с сохранением прочности соединения) достигает 50% (рис.2). Это обусловлено тем, что уменьшение диаметра отверстий D под болты повышает прочность фланца по основным сечениям А-А и Б-Б, а уменьшение межцентрового расстояния между болтами D₁ снижает напряжения от внешней нагрузки при затяжке соедине­ния по этим же сечениям фланца. В итоге появляется возможность уменьшения всех основных размеров фланца, особенно наружного диаметра и толщины, в основном определяющих снижение массы соединения. В резьбовых соединениях встык с накладкой, где нормируются минимальные расстояния до кромок листа и между отверстиями, за счет уменьшения номинального диаметра болтов обеспечивается еще большее снижение массы конструкции.

Следует иметь в виду, что уменьшение площади поперечного сечения болта при использовании высокопрочных болтов влечет за собой и другие изменения свойств резьбового соединения, в том числе такого важнейшего, как повышение сопротивления устало­сти. При переходе от класса прочности 4.6 к классу прочности 10.9 и уменьшении диаметра с М20 до М10 уменьшаются:

• жесткость болтов - примерно на 24%,
• потеря предварительной затяжки - на 27%,
• вибрационная составляющая нагрузки при равном рабо­чем напряжении - почти на 50%,

что и определяет повышение усталостной прочности соединения.

Монтажный момент соединения зависит как от величины не­обходимой стяжки соединения, так и от геометрических параме­тров болтов. При переходе от класса прочности 4.6 к классу прочности 10.9 монтажный момент для затяжки болтов снижается приблизительно до 58%. Это позволяет использовать малогабарит­ные, облегченные пневматические инструменты с большим чис­лом оборотов и производить монтаж вручную обычным инстру­ментом, облегчая ремонт и эксплуатацию машин. Необходимый монтажный момент для размера болтов М20 вручную обычным ин­струментом не воспроизводится вообще, тогда как болты М10 класса прочности 10,9 устанавливаются вручную без затруднения.

Применительно к высокопрочным болтам справедливы все требования, предъявляемые при проектировании деталей из вы­сокопрочных сталей. В первую очередь, следует избегать созда­ния концентраторов напряжения, чувствительность к которым по мере роста прочности материала увеличивается. Это, как правило, достигается увеличением радиусов перехода от одной поверхности детали к другой, повышением чистоты поверхностей, особенно в зоне концентраторов напряжений. Необходимо поверхностное упрочнение деталей, особенно зон концентрации напряжений. Для этого используют пескоструйную и дробеструйную обработки или другие методы поверхностного пластического деформирова­ния, способствующие существенному повышению сопротивления усталости деталей.

При упрочнении концентраторов напряжения методами по­верхностного пластического деформирования величина и харак­тер остаточных напряжений являются обобщающими параметрами качества поверхностного слоя, отвечающими за приращение со­противления усталости.

Количественной зависимости между остаточными напряже­ниями и сопротивлением усталости галтелей болтов малых диа­метров в настоящее время не существует. При отработке новых конструкций и технологических процессов изготовления крепежа из новых материалов знание уровня остаточных напряжений в зоне концентрации повысит производительность научно-исследователь­ских работ.

Прочность и сопротивление усталости высокопрочных болтов и резьбовых соединений определяют три группы факторов: кон­структивные, технологические и эксплуатационные.

Конструктивные факторы характеризуются наличием кон­центраторов напряжения в элементах конструкции. Для болтов ярко выраженными концентраторами напряжения являются: зона перехода от головки болта к стержню - радиус скругления гал­тели; сбег резьбы; непосредственно резьба.

Определяющими также являются радиус галтели и закругле­ния впадины резьбы, перпендикулярность опорной поверхности головки относительно стержня болта и чистота поверхности в зонах концентраций напряжений.

Технологические факторы включают: химический состав, меха­нические характеристики материала и их разброс в пределах технических условий, величину зерна, неоднородность макро- и микроструктуры материала и покрытия; чувствительность мате­риала к концентрации напряжений, к действию поверхностноактивных веществ, к коррозии под напряжением, водородной хрупкости, состоянию тонкого поверхностного слоя; метод фор­мообразования головки и резьбы; последовательность техноло­гических операций в технологическом процессе изготовления болтов.

В зарубежных стандартах и стандартах ИСО, как правило, все технологические, металлургические требования приводятся в технических условиях на болты.

К эксплуатационным факторам, которые определяют проч­ность и сопротивление усталости болтов, следует отнести: нали­чие и величину перекосов опорных поверхностей; величину и стабильность усилия затяжки соединения; температурный режим и среду эксплуатации.