Высокопрочные материалы для резьбовых соединений


       Посвящается памяти академика РАН Игоря Васильевича ГОРЫНИНА, любимого отца, близкого друга и учителя

Vladimir I. Gorynin








                THE HIGH-STRENGTH MATERIALS
                FOR THREADED FASTENERS





Monograph
















Moscow Vologda «Infra-Ingeneria» 2022

В. И. Горынин








                ВЫСОКОПРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ




Монография















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 669:621.88.082
ББК 34.41
     Г67




Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Ю. Л. Легостаев; доктор технических наук А. А. Ланин





       Горынин, В. И.
Г67        Высокопрочные материалы для резьбовых соединений : моногра-
        фия / В. И. Горынин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. -432 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0947-6

     Представлены новые подходы к обоснованию технических требований к уровню сопротивляемости хрупким и циклическим разрушениям высокопрочных материалов для нагруженных резьбовых соединений. Проанализированы результаты испытаний натурных и модельных резьбовых и фланцевых соединений из крепежных материалов в условиях нестационарного нагружения. Предложены и апробированы методы расчета концентрации и интенсивности напряжений и деформаций в резьбе крепежных деталей с учетом перераспределения нагрузки по виткам при малоцикловой усталости соединения из материалов шпилек (болтов) с различными циклическими свойствами. Рассмотрены пути конструктивного и технологического совершенствования резьбовых соединений, обеспечивающие снижение влияния перераспределения нагрузки по виткам резьбы и, соответственно, повышение работоспособности резьбы при повторных затягах соединения.
     Рекомендуется инженерам и научным работникам, занятым в области металловедения, материаловедения не только для общего и энергетического машиностроения, но и судового, нефтехимического, автомобильно-тракторного, строительного и других отраслей машиностроения, а также студентам и аспирантам.

                                                  УДК 669:621.88.082
                                                  ББК 34.41








ISBN 978-5-9729-0947-6

     © Горынин В. И., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

  ОГЛАВЛЕНИЕ


   ПРЕДИСЛОВИЕ                                          16

   ВВЕДЕНИЕ                                             19

   Глава 1
   МАТЕРИАЛЫ КРЕПЕЖНЫХ ДЕТАЛЕЙ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ОБЩЕГО И АТОМНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО
   МАШИНОСТРОЕНИЯ                                       28
   1.1. Условия эксплуатации резьбовых соединений общего машиностроения и атомных энергетических установок    30
      1.1.1. Крепежные детали водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР)                                  31
      1.1.2. Крепежные детали реакторов на быстрых
      нейтронах (БН)                                    35
      1.1.2. Технические требования к материалу крепежных деталей                                          38
     1.2. Крепежные материалы отечественных и зарубежных
     атомных энергетических установок (АЭУ)            43
      1.2.1 .Материалболтовишпилек                     43
      1.2.2. Материал гаек и шайб                      52
      1.2.2. Материалы корпусов реакторов              57
         1.2.2.1. Корпуса РУ ВВЭР                      57
         1.2.2.2 .КорпусаРУБН                          61
         1.2.2.2. Малоактивируемые стали и сплавы      62
         1.2.2.4. Малоактивируемые сплавы на основе титана для корпусов РУ ВВЭР                          64
   1.2. Перспективные титановые крепежные материалы    67

   Глава 2
   СТАТИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ РЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕНИЯ         75
   2.1. Методы оценки прочности                        75
      2.1.1. Виды разрушения крепежных соединений      76
      2.1.2. Прочность стержня шпильки (болта)         78
   2.2. Влияние длины свинчивания на статическую прочность резьбового соединения крепежных деталей из сталей
   38ХН3МФАи25Х1МФ                                      82
   2.2. Испытания на статическое растяжение резьбового соединенияМ170                                       92

5

    2.3.1 .Схеманагружения                             92
    2.3.2. Определение деформаций                      93
    2.3.3. Обработкарезультатов измерений              95
2.4. Испытания на цепной срез витков резьбового
соединенияМ170                                        100
    2.4.1. Условия нагружения                         100
    2.4.2. Результаты экспериментов и их анализ       101
2.5. Расчетно-экспериментальная оценка прочности анкерно-тяжного резьбового соединения гильза-гайка для системы
преднатяжения защитной оболочки энергоблока АЭС        105
    2.5.1. Материал крепежа и методика испытаний       105
    2.5.2. Работоспособность анкера тяжного с резьбой упорнойусиленной45°                               107
    2.5.3. Анализ прочности анкерно-тяжного соединения гильза-гайка с отклонениями по геометрии резьбы   113
        2.5.3.1. Допускаемые напряжения               114
        2.5.3.2. Расчет резьбы на смятие              114

Глава 3
КОЭФФИЦИЕНТЫ КОНЦЕНТРАЦИИ И ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ В РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЯХ КРЕПЕЖНЫХ
ДЕТАЛЕЙ                                               118
3.1. Инженерный метод расчета коэффициентов концентрации напряжений                                            118
3.2. Коэффициенты интенсивности напряжений            131
3.3. Экспериментальная оценка расчетных значений упругого коэффициента концентрации напряжений и коэффициента интенсивностинапряжений                                138

Глава 4
СОПРОТИВЛЕНИЕ ХРУПКОМУ И ВЯЗКОМУ РАЗРУШЕНИЮ
ВЫСОКОПРОЧНЫХ КРЕПЕЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ                     147
4.1. Химический состав и механические свойства отечественных и зарубежных крепежных сталей           147
4.2. Влияние структуры на сопротивление крепежных сталей хрупкомуразрушению                                    149
    4.2.1. Влияние температуры нагрева под закалку    149
    4.2.2. Скорость охлаждения при закалке            150
    4.2.3. Температурно-временные параметры отпуска   151
    4.2.4. Совместное влияние химического состава

6

      и структуры на сопротивление Cr-Ni-Mo-V стали хрупкому разрушению                                         153
   4.3. Крепежные стали различного уровня легирования и
   структурно-механического состояния 38ХН3МФА и 25Х1МФ 156
      4.3.1. Химический состав и служебные свойства      156
      4.3.2. Моделирование структуры при закалке малых заготовок в различных охлаждающих средах           161
      4.3.3. Термокинетические диаграммы и кривые охлаждения 164
   4.4. Экспериментальные методы оценки сопротивляемости крепежных сталей хрупкому разрушению                   167
      4.4.1. Метод испытания падающим грузом              168
      4.4.2. Метод испытания на ударную вязкость          170
      4.4.3. Выбор и обоснование критерия оценки хладостойкости высокопрочных крепежных сталей       171
   4.5. Выбор критериев и оценкатрещиностойкости высокопрочных крепежных сталей                         174
      4.5.1. Диаграмма предельного состояния для тел
      с трещинами                                        174
      4.5.2. Влияние различных факторов на трещиностойкость крепежных сталей при отрыве и продольном сдвиге    178
         4.5.2.1. Трещиностойкость при отрыве            178
         4.5.2.2. Влияние различных факторов натрещино-стойкость крепежных сталей при продольном сдвиге 183
   4.6. Структурные диаграммы сопротивляемости высокопрочных крепежных сталей 25Х1МФ и 38ХН3МФА хрупким разрушениям 188
   4.7. Расчетная оценкатрещиностойкости резьбовых соединений 194
      4.7.1. Обоснование выборакрепежного материала и геометрии резьбы                                  194
      4.7.2. Расчет допустимых значений критической температуры хрупкости                                           199
   4.8. Оценка допустимых значений критической температуры хрупкости с учетом уровня дефектности резьбового соединения и ударного образца                                     202

   Глава 5
   СОПРОТИВЛЯЕМОСТЬ ЦИКЛИЧЕСКОМУ ДЕФОРМИРОВАНИЮ И РАЗРУШЕНИЮ ВЫСОКОПРОЧНЫХ КРЕПЕЖНЫХ ДЕТАЛЕЙ И ИХ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ                             207
   5.1. Методика испытания резьбовых соединений           207

7

 5.2. Влияние температурного запаса по критической температуре хрупкости металла крепежа на сопротивляемость резьбового
соединениямалоцикловойусталости                        211
 5.3. Влияние материала гайки на прочность резьбового соединения при малоцикловом нагружении                 215
 5.4. Влияние масштабного фактора на сопротивляемость резьбового соединения «шпилька - гайка» малоцикловой усталости                                             219
5.5. Влияние конструкции резьбового соединения        225
 5.6. Влияние геометрии резьбы крепежных деталей на малоцикловую усталость соединения                     227
5.7. Влияние длины свинчивания крепежных деталей      235
 5.8. Эмпирическое уравнение кривой усталости и диаграмма циклической прочности высокопрочных крепежных деталей с учетом малоциклового усталостного нагружения резьбового соединения                                             236
 5.9. Инженерный метод оценки концентрации деформаций в резьбе крепежных деталей при малоцикловом усталостном нагружении                                            242
    5.9.1. ОпределениепараметраК(т)                   242
    5.9.2. Расчетная оценка малоцикловой усталости резьбовых соединений                                        250

Глава 6
 ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ РАДИАЦИОННО-УПРОЧНЕННЫХ КРЕПЕЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ РЕАКТОРОВ НА БЫСТРЫХ
НЕЙТРОНАХ                                              265
 6.1. Механические свойства крепежных материалов ХН35ВТ и08Х18Н10Т                                            266
    6.1.1. Исходное состояние                         266
    6.1.2. Облученное состояние                       270
    6.1.3. Моделирование облученного состояния        273
 6.2. Оценка остаточного ресурсарадиационно-упрочненного металла крепежных деталей с учетом условий нагружения 282
 6.3. Расчетно-экспериментальная оценкаконцентрации деформаций металла крепежных деталей с различным радиационным упрочнением при малоцикловом усталостном нагружении резьбового соединения                       289

8

   Глава 7
   КОРРОЗИОННАЯ МАЛОЦИКЛОВАЯ УСТАЛОСТЬ РЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕНИЯ КРЕПЕЖНЫХ ДЕТАЛЕЙ С ЗАЩИТНЫМИ
   ПОКРЫТИЯМИ                                                296
   7.1. Коррозионная повреждаемость крепежных деталей        296
   7.2. Металлические аморфно-микрокристаллические покрытия, методы их получения и использования                       298
   7.3. Материалы и коррозионная стойкость исследуемых покрытий                                                  306
   7.4. Адгезионно-когезионная прочность аморфномикрокристаллических никельфосфорных покрытий             311
   7.5. Малоцикловая усталость крепежных деталей с антикоррозионными покрытиями                              317
   7.6. Коррозионно-усталостная прочность крепежных материалов после упрочнения (ионная имплантация покрытий из нитридов титана)                                                   322
      7.6.1. Усталостная прочность крепежной стали 18Х11МНФБ (ЭП291) без покрытий и с покрытиями Ti/TiN и TiAIZrMo/ TiAlZrMo-N                                         326
         7.6.1.1. Методикаиспытаний                      326
         7.6.1.2. Результаты испытаний                   327
      7.6.2. Коррозионно-усталостная прочность стали ЭП291 с покрытиями Ti/TiN и TiAlZrMo/( TiAlZrMo)-N после стояночной коррозии в1% растворе NaCl                  330
      7.6.3. Коррозионно-усталостная прочность стали ЭП291
      с покрытиями Ti / TiN и Ti Al Zr Mo/(Ti Al Zr Mo) - N после испытаний в паровой среде при температурах
      470 и 560°С соответственно                         332
         7.6.3.1 Методикаиспытаний                       332
         7.6.3.2 Результаты испытаний                    334
         7.6.3.3 Результаты металлографии образцов с покрытиями после испытаний на усталостную прочность        336

   Глава 8
   ВЫСОКОПРОЧНЫЕ ТИТАНОВЫЕ КРЕПЕЖНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 346
   8.1. Кратковременные механические свойстваметалла
   титановых сплавов марки ВТ-16 и типа Ti-Al-Mo-Zr-Nb       348
   8.2. Релаксационная стойкость крепежных титановых сплавов 352
      8.2.1 .Кольцевойобразец                                352

9

    8.2.2 . Резьбовое соединение                     362
8.3. Трещиностойкость титановых сплавов ВТ-16 и типа Ti-Al-Mo-Zr-Nb                                       368
8.4. Влияние геометрии резьбы                        372
8.5. Расчетно-экспериментальная оценкамалоцикловой долговечности                                        379
8.6. Влияние температуры испытаний                   381
8.7. Влияние коррозионной паровой среды              384
8.8. Проектирование и изготовление титанового крепежа с учетом его усталостной прочности                   386
Глава 9
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЮ И РАЗРУШЕНИЮ ВЫСОКОПРОЧНЫХ КРЕПЕЖНЫХ ДЕТАЛЕЙ 389
9.1 .Основныенаправления                             389
9.2 . Перспективное направление                      403
    9.2.1. Метод трансформации карбидно-цементитной фазы - фактор повышения сопротивляемости хрупкому разрушению крепежных сталей                      405
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ                      410
ЛИТЕРАТУРА                                           411
SUMMARY                                              428

10

  TABLE OF CONTENTS


   FOREWORD                                                      16

   INTRODUCTION                                                  19

   Chapter 1
   MATERIALS FOR THREADED FITTINGS IN PUBLIC MACHINE
   BUILDING AND NUCLEAR POWER ENGINEERING                         28
   1.1. Operating conditions for threaded fittings in public machine building and nuclear power engineering                         30
       1.1.1 .Fastenersfor WWER                                   31
       1.1.2. Fasteners for fast neutron reactors                35
       1.1.2. Material specifications for fasteners’ material    38
   1.2. Fasteners for national and foreign NPP                   43
       1.2.1. Materials for bolts and studs                      43
       1.2.2. Materials for nuts and washers                     52
       1.2.2. Materials for reactor vessels                      57
          1.2.2.1. Materials for reactor vessels of WWER         57
          1.2.2.2. Materials for fast neutron reactors vessels   61
          1.2.2.2. Steels and alloys of low activation           62
   1.2. Prospects oftitanium fasteners                           67

   Chapter 2
   STATIC STRENGTH OF THE THREADED FITTINGS                      75
   2.1. Strength evaluation methods                              75
       2.1.1. Types of fasteners’ destruction                    76
       2.1.2. The strength of the bar studs (bolts)              78
   2.2. The effect of the screwing length on the static strength
   of the threaded fasteners made of38KhN3MFA and 25Kh1MF steels 82
   2.2. Tests on static stretching ofthe M170 threaded connection 92
       2.2.1. Theschemeofloading                                  92
       2.2.2. Determination of strain                             93
       2.2.2. Processing of measurement results                   95
   2.4. TeststoM170threadscuts                                   100
       2.4.1 .Loadingconditions                                  100
       2.4.2 . Results of experiments and its analysis           101
   2.5. Calculation and experimental evaluation for the strength of sleeve-nut threadedjoints destined for pretensioning system for
   protective shell ofNPP power unit                             105

11

     2.5.1.  Fasteners’ materials and test methods                105
     2.5.2. The efficiency of the threaded reinforced anchor     107
     2.5.3. Strength analysis of sleeve-nut threadedjoints with geometricdeviation                                          113
         2.5.3.1. Permissible voltage                            114
         2.5.3.2. Collapse pressure calculation                  114

Chapter 3
CONCENTRATION AND STRESS INTENSITY COEFFICIENTS IN THREADED JOINTS                                                  118
3.1. Engineering calculating method ofthe coefficients of stressconcentration.                                             118
3.2. Stress intensity coefficient                                131
3.3. Experimental calculation of elastic stress concentration and stress intensitycoefficients                                            138

Chapter 4
RESISTANCE TO BRITTLE AND DUCTILE FRACTURE OF HIGH-STRENGTH FASTENING MATERIALS                                     147
4.1. Chemical composition and mechanical properties of domestic and foreign steels for fasteners                                  147
4.2. Influence of structure on resistance to brittle fracture of steels for fasteners                                                    149
     4.2.1. Effect oftemperature ofheating on quenching           149
     4.2.2. Cooling rate during quenching                        150
     4.2.3. Parameters oftemperature andtiming oftempering       151
     4.2.4. Effect of the chemical composition and structure on the resistance of Cr-Ni-Mo-V steel on brittle fracture           153
4.3. 38KhN3MFA and 25Kh1MF steels ofvarious alloying levels and structural and mechanical state                                   156
     4.3.1. Chemical composition and service properties           156
     4.3.2. Modeling the structure during quenching of billets in different cooling mediums                                 161
     4.3.3. Thermokinetic charts and curves of cooling            164
4.4. Experimental methods for evaluation of resistance of steel fasteners to brittle fracture                                     167
     4.4.1. Testing by drop weight                                168
     4.4.2. Test method for impact strength                       170
     4.4.3. Evaluation criteria for cold resistance ofhigh-strength steels for fasteners. Justification of selection             171

12

   4.5.  Criteria selection and evaluation for fracture toughness ofhigh-strength steel for fasteners                                   174
       4.5.1. Limiting diagram for the bodies with cracks                174
       4.5.2. Influence ofvarious factors on steel fracture toughness atbreakandlongitudinalshift                                       178
           4.5.2.1. Crack resistance at break                            178
           4.5.2.2. Influence ofvarious factors on the fracture toughness of steel for fasteners at longitudinal shift        183
   4.6. Structural diagrams for resistance of38KhN3MFA and 25Kh1MF steels to brittle fracture                                    188
   4.7. Fracture toughness evaluation for threadedjoints                 194
       4.7.1. Choice justification ofthe threadmaterial andits geometry 194 4.7.2. Allowable values of the critical temperature ofbrittleness 199
   4.8.  Estimation of acceptable values of the critical temperature of brittleness according to the level of defectiveness of threaded connection and impact of the sample                                   202

   Chapter 5
   RESISTANCE CYCLIC DEFORMATION AND DESTRUCTION
   OF HIGH FASTENERS AND THREADED CONNECTIONS                            207
   5.1. Methods oftesting forthreadedjoints                              207
   5.2.  The influence of critical temperature margin of fastener’s brittleness on the resistance of the threadedjoints to low-cycle fatigue                                                        211
   5.3.  The impact of the nut material on the strength of the threaded connection under the low-cycle loading                         215
   5.4.  Influence of scale factor on the resistance ofthe threaded joint “bolt-nut” to low-cycle fatigue                          219
   5.5.  Effect of structures of the threaded connection                 225
   5.6. Effect of thread geometry on the low-cycle fatigue               227
   5.7. Effect of the length of screwing                                 235
   5.8.  Empirical equation of fatigue curve and diagram of cyclic strength of fasteners with low-cycle fatigue loading of the threaded joint                                                                 236
   5.9. Engineering evaluation of the concentration of strain
   in the thread fasteners under the low-cycle loading                   242
       5.9.1. Definition of the parameter K (m)                          242
       5.9.2. Estimation oflow-cycle fatigue ofthe threaded connections                                                       250

13

Chapter 6
CYCLIC STRENGTH OF RADIATION-HARDENED FASTENING MATERIALS FOR FAST NEUTRON REACTORS                           265
6.1. Mechanical properties of fasteners’ materials KhN35VT and 08Kh18H10T                                                    266
     6.1.1. Initial state                                     266
     6.1.2. Irradiated state                                  270
     6.1.2. Modeling of irradiated state                      273
6.2. Evaluation of residual life of enhanced radiation-hardened metal fasteners subject to the conditions ofloading           282
6.3. Evaluation based on calculation and experimental results of strain concentration of fasteners’ metal with different dose of radiation hardening under the low-cycle loading of the threaded connection 289

Chapter 7
CORROSIVE LOW-CYCLE FATIGUE OF THE THREADED
JOINTS WITH PROTECTIVE COATINGS                               296
7.1. Corrosion damageability of fasteners                     296
7.2. Metal amorphous-microcrystalline coatings, methods fortheir preparation and use                                           298
7.3. Materials and corrosion resistance of the coatings        306
7.4. Adhesion-cohesive strength of amorphous-microcrystalline
Ni-P coatings                                                  311
7.5. Low-cycle fatigue of fasteners with anticorrosive coating 317 7.6. Corrosion fatigue strength of fasteners’ materials after hardening (ion implantation of titanium nitride coatings                 322
     7.6.1. Fatigue strength ofuncoated 18Kh11MNFB (EP291)
     steels and with Ti / TiN and TiAlZrMo / TiAlZrMo-N coatings 326
     7.6.1.1. Test methodology                                 326
     7.6.1.2. Test results                                     327
     7.6.2. Corrosion fatigue strength ofEP291 steel with Ti / TiN and TiAlZrMo / (TiAlZrMo)N coatings after stand-by corrosion in a 1% NaCl solution                                     330
     7.6.3. Corrosion fatigue strength ofEP291steel with Ti / TiN and Ti Al Zr Mo / (Ti Al Zr Mo)N coatings after testing in the vapor medium at temperatures 470 and 560°C, respectively                                             332
         7.6.3.1. Test methodology                            332
         7.6.3.2. Test results                                334

14

          7.6.3.3. Metallographic results of samples with coatings after fatigue test                                   336
   Chapter 8
   HIGH-STRENGTH TITANIUM FASTENERS                            346
   8.1. Short-term mechanical properties of titanium alloys
   ofBT-16 type, and Ti-Al-Mo-Zr-Nb-type                       348
   8.2. Relaxation resistance of titanium alloys for fasteners 352
      8.2.1 .Ringsample                                        352
      8.2.2  . Threadedjoint                                   362
   8.3. Fracture toughness oftitanium alloys ofBT-16 type, and Ti-Al-Mo-Zr-Nb-type                                     368
   8.4. Effect of thread geometry                              372
   8.5. Evaluation based on calculation and experimental results oflow-cycledurability                                       379
   8.6. Influence of test temperature                          381
   8.7. Effect of the corrosion vapor medium                   384
   8.8. Design and manufacture of titanium fasteners, given its
   fatigue strength                                            386
   Chapter 9
   HOW TO IMPROVE RESISTANCE TO DEFORMATION
   AND FRACTURE OF HIGH-STRENGTH FASTENERS                     389
   9.1. Main directions                                        389
   9.2. Perspectives                                           403
      9.2.1. The method oftransformation of carbide-cementite phase as a factor in increasing resistance to brittle fracture of fasteners’ steel                                      405
   REFERENCES                                                  411
   SUMMARY                                                     428

15

ПРЕДИСЛОВИЕ


     Высоконагруженные резьбовые соединения крепежных деталей из высокопрочных сталей часто являются ответственными узлами, от которых зависит прочность и надежность всей машины или конструкции (стяжные болты роторов и шпильки крепления крышки к корпусу цилиндра высокого давления турбомашин, силовые шпильки и шатунные болты поршневых машин, фланцевые резьбовые соединения главного разъема корпуса сосудов высокого давления и разъемов коллекторов парогенераторов АЭУ и т. д.). Для обеспечения надежности резьбовых и фланцевых соединений целесообразно использовать современные методы их проектирования с учетом применяемых крепежных материалов и соответственно прочностного обоснования. Это позволяет на стадии проектирования не только учесть распределение усилий и напряжений в зонах концентрации, но и проанализировать запасы прочности, позволяющие в конечном итоге создать надежную конструкцию соединения, изготавливаемую из высокопрочных крепежных материалов.
     В книге представлены конструктивно-технологические аспекты проектирования, изготовления и испытаний натурных и модельных резьбовых и фланцевых соединений из высокопрочных крепежных материалов с учетом их влияния на работоспособность и надежность. При этом большое внимание при оценке напряженного состояния в резьбе уделено распределению нагрузки по виткам резьбового соединения. Рассмотрены пути конструктивного и технологического совершенствования резьбовых соединений, обеспечивающие уменьшение влияния на крепежные материалы перераспределения нагрузки по виткам резьбы в направлении накопления упругопластической деформации и повышения степени равномерности распределения при повторных затягах соединения, включая снижение концентрации напряжений в резьбе.
     Разрушения резьбовых соединений, особенно при переменных нагрузках в условиях малоцикловой усталости, как правило,

16

 связаны с влиянием концентрации напряжений во впадинах первых рабочих витков резьбы, которая в сочетании с повышенной неравномерностью распределения нагрузки по виткам может определять работоспособность металла крепежа. Работоспособность в значительной степени зависит от уровня сопротивляемости металла хрупкому разрушению, характеризуемого величиной температурного запаса по критической температуре хрупкости. Этим вышеуказанным вопросам в книге уделено особое внимание и соответственно приведены методы оценки «хрупкой» и циклической прочности резьбовых соединений крепежных деталей, металл которых имеет различную сопротивляемость хрупкому разрушению. В связи с этим также изложены методы и результаты оценки допустимых значений критической температуры хрупкости, не имеющие аналогов в практике исследований влияния структурно-механического состояния металла крепежа на его работоспособность и соответствующих оценок «хрупкой» прочности резьбового соединения, содержащий расчетный дефект типа трещины, кратный шагу резьбы. Совершенствование технологии изготовления крепежных материалов и деталей из них для различных конструкций соединения привело к тому, что область, связанная с применением, включая прочностное и экспериментальное обоснование работоспособности, резьбовых соединений в общем машиностроении, стала почти самостоятельной отраслью машиностроительной промышленности и науки. Это также характеризуется ростом активной работы в области международной стандартизации крепежных изделий, появилось много стандартов ISO (международная организация стандартизации) в части конструкции, размеров с допусками, применяемых материалов и требований к ним, дефектов поверхности, покрытий различного назначения, системы менеджмента и обеспечения качества, контрольно-измерительного оборудования, инструментов ит.д.и т. п.
      Производство крепежных изделий требует знаний при использовании полуфабрикатов различного происхождения (поковки, круглый прокат и т. д.), применении режимов термической обработки

17

для заготовок и крепежных деталей, а также технологий нанесения защитных коррозионно-стойких покрытий заданной толщины для обеспечения свинчиваемости. Кроме того, оно требует высокой квалификации конструкторов, включая специалистов по расчету прочности, испытаниям металла резьбовых соединений и экспертизе особенностей разрушения (зона и вид излома), а также по неразрушающему контролю крепежа.
    Настоящая книга имеет целью помочь широкому кругу научных работников, инженеров и специалистов в области резьбовых соединений и высокопрочных крепежных материалов, рассматривая традиционные и новые методы, отсутствующие в научно-технической литературе и необходимые для предотвращения разрушения крепежных деталей вследствие усталости, коррозии, ползучести и хрупкого излома.

18

ВВЕДЕНИЕ


     Развитие общего машиностроения в возрастающей степени связано с применением крепежа и его материалов для современных машин и конструкций, позволяющих гарантированно повысить работоспособность резьбовых соединений с обеспечением их надежности при относительно низких затратах на изготовление и монтаж.
     Отечественная и зарубежная научно-техническая литература практически не содержит системной информации по подходам и оценкам работоспособности крепежных материалов в условиях статических и циклических нагрузок и сопротивляемости хрупкому разрушению применительно к особенностям эксплуатации резьбовых соединений. Вместе с тем практика машиностроения с каждым годом характеризуется ростом технических требований к качеству крепежных деталей и материалов для них. Что соответствует общей тенденции развития техники, когда механические свойства материалов, обеспечивающие работоспособность изделий, становятся все более приоритетными.
     В настоящее время интерес представляет создание и совершенствование крепежных материалов и технологий производства работоспособных крепежных деталей, используемых в составе нагруженных резьбовых соединений с заданным сроком службы для обеспечения потребностей современного машиностроения, тепловой и атомной энергетики, строительных металлоконструкций, нефтегазохимической промышленности, судостроения и других отраслей техники.
     Повышение уровня служебных характеристик резьбовых соединений крепежных деталей может быть осуществлено, как показывает мировой опыт, применением совершенствуемых крепежных материалов (в основном низколегированных среднеуглеродистых сталей), способных воспринимать более высокие статические нагрузки, лучше противостоять циклическим воздействиям и обладать релаксационной стойкостью, а также живучестью при образовании и подрастании дефектов типа трещин в первых рабочих и наиболее нагруженных витках резьбы соединения. В первую

19

очередь это относится к наиболее напряженным элементам резьбового соединения - болтам, винтам и шпилькам, работающим в условиях растяжения и изгиба. Для них характерна повышенная прочность крепежных материалов, которая приемлема при условии обеспечения пластичности и, что особенно важно, сопротивляемости металла крепежа хрупкому разрушению.
    Силовые резьбовые соединения широко применяются в конструкциях многих машин, установок и сооружений. В главном разъеме реакторной установки (РУ) типа ВВЭР используется до 54 штук гаечно-корпусных шпилек диаметром М170, а в других узлах - (4^6) х10² резьбовых соединений; в конструкции легкового автомобиля до Зх10³; крупных самолетов - 10⁵ и более. При изготовлении крепежа для большинства машин и установок применяются крепежные материалы с прочностью 800^1200 МПа, для авиационных конструкций - 1400^1800 МПа и т. д. С ростом прочности склонность крепежных материалов к хрупкости повышается, а величина сравнительно малого дефекта типа трещины в резьбе, приводящего к разрушению, уменьшается, что осложняет дефектоскопию крепежных деталей, как в отдельности, так и в условиях свинченного и нагруженного резьбового соединения.
    Хотя вопросы прочности резьбовых деталей являются актуальными для современного машиностроения, но отметим, что особое внимание уделяется работам по изучению и оценке сопротивляемости деформированию и хрупкому разрушению металла высокопрочных крепежных деталей ответственных резьбовых соединений атомных энергетических установок (АЭУ). Это связано с тем, что развитие энергетики в значительной степени осуществляется за счет изготовления и эксплуатации АЭС с РУ большой единичной мощности (линейка мощности РУ от 440 до 1250 МВт) на тепловых и быстрых нейтронах преимущественно для населенных и промышленных районов страны и энерговооруженности морской техники арктического шельфа. Известно, что требования повышенной безопасности, надежности и долговечности к сосудам высокого давления (СВД) атомных реакторов для обеспечения высоких тех-

20

нико-экономических показателей графиков электрических и тепловых нагрузок являются доминирующим фактором при выборе конструкции, материалов с удовлетворительными технологическими свойствами и разработке технических требований к изготовлению оборудования АЭУ. Таким условиям в наибольшей степени удовлетворяют легководные водо-водяные энергетические реакторы корпусного типа (ВВЭР) и реакторы с натриевым теплоносителем бакового типа (БН), работающие на обогащенном и природном (обедненном, в частности, также после работы в ВВЭР) урановом топливе соответственно. Повышение единичной мощности АЭУ неизбежно приводит к увеличению ее габаритов, весовых характеристик, рабочего давления, а следовательно к увеличению толщины стенки корпуса, регламентированной в части конструкции фланцев и крепежа по условиям транспортировки сосуда высокого давления, и соответственно к приросту нагрузки на резьбовое соединение крепежных деталей.
    Работы российских ученых Н. Н. Давиденкова, И. В. Горынина, Н. П. Мельникова, Н. А. Махутова, С. В. Серенсена, Я. Б. Фридмана, С. С. Шуракова и зарубежных - Бюккнера, Вундта, Екобо-ри, Ирвина, Куистра, Лэнджера, Никольса, Париса, Пеллини, Сиха, Сноу и др. заложили основу для разработки поверочных расчетов на хрупкую и циклическую прочность металла корпусов и основных элементов конструкции АЭУ и введения требований к металлическим материалам по механическим свойствам в нормативно-техническую документацию (НТД) на изготовление и эксплуатацию этих изделий, что нашло отражение в отечественных [1], разработанных М. И. Егоровым, В. М. Филатовым и Е. Ю. Ривкиным, и зарубежных [2] нормах расчета на прочность. В настоящее время эти методы расчета являются основными при оценке прочности и долговечности элементов конструкции сосудов давления и совершенствуются по мере накопления опыта эксплуатации, развития технологий изготовления (методы выплавки, термической обработки и т.д.) и механики разрушения конструкционных металлических материалов, включая и конструирование новых типов АЭУ.

21