Под усталостью материала понимают его склонность к разрушению после определённого количества циклов нагружения (изгибов, изломов, сжатий-растяжений и пр.). В целом, стойкость крепёжного изделия зависит от вида материала, условий его работы (прежде всего, температуры), формы и особенностей конструкции, а также характера приложения нагрузки. С этой точки зрения самым опасным является случай симметричного нагружения – когда крепёж подвергается одинаковой по величине, но противоположно направленной нагрузке.
Наглядный пример симметричного нагружения: можно быстрее сломать алюминиевую проволоку, если до конца сгибать её в одну сторону, а затем полностью выгибать в другую. Таким же образом ведёт себя и крепёжное изделие – если работает в условиях знакопеременных нагрузок. Но рассмотрим всё по порядку…
Почему устаёт «железяка»?
Биологический термин «усталость» применяется в материаловедение из-за схожести проявления «симптомов» – ведь при усталости организм временно теряет работоспособность (пока не отдохнёт). А вот материалы, увы, «отдохнуть» не могут: – в процессе работы под действием внешней нагрузки микроструктура любого материала (в нашей статье мы преимущественно имеем в виду металлы) подвергается деформации. При этом отдельные элементы кристаллической решётки не восстанавливаются – даже после снятия нагрузки (этот процесс аналогичен пластической деформации). Накопление подобных дефектов при длительной работе изделия под нагрузкой ведёт к появлению макроэффектов – трещин. Поэтому с течением времени материал неизбежно разрушается!
Понятие выносливости
Свойство материалов, противоположное усталости, получило название выносливость. Она характеризует способность материала сопротивляться знакопеременным нагрузкам на протяжении определённого времени. Выносливость (то есть количество циклов, которое способен воспринять материал без разрушения), как было сказано выше, сильно зависит от характера нагружения, температуры и вида материала. Чем он прочнее, тем больше будет и его выносливость. Именно поэтому существует понятие «усталостной прочности» (см. ниже).
Динамическая нагрузка на материал характеризуется амплитудой внешней (результирующей) силы и характером её воздействия. При наиболее жёстком режиме – симметричной нагрузке – количество циклов до разрушения (то есть фактически – выносливость) будет минимальным. Если же снизить амплитуду, или изменить характер воздействия на более «мягкий» (к примеру, симметричную нагрузку на пульсирующую), выносливость того же образца значительно возрастёт. Именно для этого при проектировании изделий внимательно подходят к вопросу размещения точек крепежа (с целью убрать их из зоны интенсивной нагрузки) и уравновешиванию агрегатов.
Вид материала оказывает решающее влияние на выносливость. Чем выше его прочность, тем, соответственно, больше и выносливость. Именно поэтому для производства металлических крепёжных изделий применяют качественную углеродистую сталь (инструментальную, или легированную). А также используют термообработку металла – чаще всего отпуск (поскольку закалка делает тонкие части крепежа слишком хрупкими). Как ни странно, противокоррозионное покрытие также добавляет металлу выносливости: защитный слой цинка или хрома создаёт поверхностное напряжение, сжимая крепёжное изделие, которое чаще всего имеет цилиндрическую форму. Такой «преднатяг» способствует перераспределению внутренних напряжений и повышает прочность металла – эффект аналогичен ковке.
Предел усталостной прочности крепежа
Усталостная прочность крепёжных изделий определяется в процессе испытаний. При этом установлено, что наиболее опасным участком для усталостного разрушения к примеру, болтового соединения, является область первого витка резьбы вблизи опорной поверхности гайки. Напротив, витки резьбы возле болтовой головки оказываются самыми выносливыми элементами.
Замечено, что зона разрушения крепежа в результате усталости металла практически не подвергается деформации (не «выглядит» опасной). Также отсутствуют внешние признаки усталости – лишь незначительные, практически незаметные трещины. А затем материал крепежа вдруг «ни с того ни с сего» трескается из-за накопленных внутренних дефектов. После возникновения макротрещины разрушение наступает очень быстро. Именно этим опасна усталость крепёжных изделий – её невозможно диагностировать пока не наступит фактическое разрушение!
Замечено также, что амплитуда динамической нагрузки, вызывающая усталостные трещины в материале крепежа, оказывается раз в 20 ниже предельной статической нагрузки! Это обязательно следует учитывать при выборе крепежа: высокий предел прочности – это статическая характеристика. Но в случае работы крепежа при динамической нагрузки необходим дополнительный задел прочности, раз в 10-20 раз превышающий статическую!
В процессе экспериментов значение предела выносливости крепежа оценивают по величине амплитуды переменной нагрузки. Ряд идентичных испытательных образцов подвергаются одинаковому нагружению – до их физического разрушения. Получающаяся зависимость между напряжением и числом циклов нагружения и будет кривой усталостной прочности изделия. А наибольшее переменное напряжение, которое выдерживает образец при заданном числе циклов без разрушения – его пределом выносливости.
Следует отметить, что этот предел справедлив лишь при определённых условиях конкретных испытаний, которые с некоторой достоверностью моделируют реальные условия работы крепежа. Современная аппаратура и методика испытаний предсказывают реальное поведение с надёжностью 0,5, что следует признать хорошим показателем. По этим данным выносливость крепёжных изделий составляет:
- для резьбовых стальных изделий – 5•106, 5•107 циклов;
- для алюминиевого и титанового крепежа – 107-108 циклов.
*Для большей надёжности лучше принимать во внимание меньшие цифры. Нельзя забывать, что предел выносливости сильно зависит от температуры, при которой работает крепёж. Если это значение сильно отличается от экспериментальных условий, эмпирические данные уже не могут надёжно предсказывать поведение крепежа в реальных условиях!
Меры повышения выносливости
Совершенно очевидно, что допускать разрушение крепёжных изделий нельзя ни в каком случае! Именно поэтому для повышения усталостной прочности принимают все возможные меры. В том числе:
- рационализация конструкции (увеличение радиуса скруглений, переходов между отдельными участками поверхности крепёжного изделия – с целью устранения концентраторов напряжений);
- выбор материала с повышенной прочностью (высокоуглеродистых или легированных сталей, титана);
- упрочнение поверхности (закалка в сочетании с отпуском, азотирование, гальваническое антикоррозионное покрытие металла);
- обеспечение постоянной затяжки резьбового крепежа в процессе работы (почти 100% гарантию от ослабления предварительной затяжки дают стопорные клиновые шайбы);
- тщательный контроль момента затяжки соединений (в случае, когда величина момента задана производителем);
- защита поверхности крепежа от внешнего воздействия (полезна для повышения и коррозионной, и усталостной прочности);
- рациональный выбор типа крепёжных изделий – тщательная оценка необходимой несущей способности крепежа;
- грамотный монтаж – исключение вибраций, слабины крепежа в рабочем состоянии (к примеру, анкерный болт не должен «болтаться» при установке в пористую поверхность бетона или кирпича, содержащую «буровую муку»);
- учёт класса пожаростойкости объекта или конструкции (что накладывает дополнительную строгость на выбор типа крепежа повышенной стойкости).
В целом, выносливость крепёжных изделий является не менее важной характеристикой, чем прочность. Последняя может служить показателем «живучести» крепежа только при работе конструкции (или конкретного крепежа) при статической нагрузке. При значительных переменных нагрузках предел прочности крепёжных изделий уже не может служить гарантом такой же стойкости к усталостному разрушению – её следует оценивать независимо!
