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 : монография / 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 

ОГ
ЛАВЛЕНИЕ
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
1.1.3. Технические требования к материалу крепежных  
деталей 
 
38
1.2. Крепежные материалы отечественных и зарубежных 
атомных энергетических установок (АЭУ) 
43
1.2.1. Материал болтов и шпилек 
43
1.2.2. Материал гаек и шайб 
52
1.2.3. Материалы корпусов реакторов 
57
1.2.3.1. Корпуса РУ ВВЭР 
57
1.2.3.2. Корпуса РУ БН 
61
1.2.3.3. Малоактивируемые стали и сплавы 
62
1.2.3.4. Малоактивируемые сплавы на основе титана 
для корпусов РУ ВВЭР 
64
1.3. 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  
38ХН3МФА и 25Х1МФ 
82
2.3. Испытания на статическое растяжение резьбового 
соединения М170 
92
5

2.3.1. Схема нагружения 
92
2.3.2. Определение деформаций 
93
2.3.3. Обработка результатов измерений 
95
2.4. Испытания на цепной срез витков резьбового 
соединения М170 
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  
упорной усиленной 45ƒ 
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 
интенсивности напряжений 
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 
хрупкому разрушению 
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 25X1МФ 
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 оценка трещиностойкости 
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 на трещино- 
стойкость крепежных сталей при продольном сдвиге 
183
4.6. Структурные диаграммы сопротивляемости высокопрочных 
крепежных сталей 25X1МФ и 38ХН3МФА хрупким разрушениям 188
4.7. Расчетная оценка трещиностойкости резьбовых соединений 194
4.7.1. Обоснование выбора крепежного 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 
 соединения малоцикловой усталости 
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. Определение параметра K(m) 
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 
и 08Х18Н10Т  
266
6.1.1. Исходное состояние 
266
6.1.2. Облученное состояние 
270
6.1.3. Моделирование облученного состояния 
273
6.2. Оценка остаточного ресурса радиационно-упрочненного 
металла крепежных деталей с учетом условий нагружения 
282
6.3. Расчетно-экспериментальная оценка концентрации  
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
296
298
306
311
317
7.1. Коррозионная повреждаемость крепежных деталей 
7.2. Металлические аморфно-микрокристаллические покрытия, 
методы их получения и использования 
7.3. Материалы и коррозионная стойкость исследуемых 
покрытий 
7.4. Адгезионно-когезионная прочность аморфно- 
микрокристаллических никельфосфорных покрытий 
7.5. Малоцикловая усталость крепежных деталей с 
антикоррозионными покрытиями 
7.6. Коррозионно-усталостная прочность крепежных материалов 
 после упрочнения (ионная имплантация покрытий из нитридов 
титана) 
322
326
326
327
330
7.6.1. Усталостная прочность крепежной стали 18Х11МНФБ 
(ЭП291) без покрытий и с покрытиями Ti/TiN и TiAlZrMo/
TiAlZrMo-N 
7.6.1.1. Методика испытаний 
      7.6.1.2. Результаты испытаний 
7.6.2. Коррозионно-усталостная прочность стали ЭП291 
с покрытиями Ti/TiN и TiAlZrMo/( TiAlZrMo)-N после  
стояночной коррозии в 1  растворе NaCl 
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 560ƒС соответственно 
332
7.6.3.1 Методика испытаний 
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 свойства металла  
титановых сплавов марки ВТ-16 и типа Ti-Al-Mo-Zr-Nb 
348
8.2. Релаксационная стойкость крепежных титановых сплавов 
352
8.2.1. Кольцевой образец 
352
9

368
372
379
381
384
8.2.2. Резьбовое соединение 
8.3. Трещиностойкость титановых сплавов ВТ-16 и типа 
Ti-Al-Mo-Zr-Nb 
8.4. Влияние геометрии резьбы 
8.5. Расчетно-экспериментальная оценка малоцикловой 
долговечности 
8.6. Влияние температуры испытаний 
8.7. Влияние коррозионной паровой среды 
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. Основные направления 
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 ОБОЗНА
ЧЕНИЙ 
410
ЛИТЕРАТУРА  
411
SUMMARY 
 
428
10