автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Сопротивляемость деформированию и разрушению высокопрочных металлических материалов для крепежных деталей атомных энергетических установок

оа

____________На правах рукописи

11 Ш

ГОРЫНИН Владимир Игоревич

СОПРОТИВЛЯЕМОСТЬ ДЕФОРМИРОВАНИЮ И РАЗРУШЕНИЮ ВЫСОКОПРОЧНЫХ МЕТАППИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ КРЕПЕЖНЫХ ДЕТАЛЕЙ АТОМНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК.

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ГОРЫНИН Владимир Игоревич

СОПРОТИВПЯЕМОСТЬ ДЕФОРМИРОВАНИЮ И РАЗРУШЕНИЮ ВЫСОКОПРОЧНЫХ МЕТАППИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ КРЕПЕЖНЫХ ДЕТАЛЕЙ АТОМНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК.

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов

Работа выполнена в Научно —производственном объединении пс исследованию и проектированию энергетического оборудования им, И.И.Ползунова (НПО ЦКТИ)

Научный консультант:

академик Санкт-Петербургской инженерной академии, доктор технических наук, профессор А.А.Чижик

Официальные оппоненты:

член—корреспондент Российской академии наук, доктор технических наук, профессор Н.А.Махутов

академик Российской академии инженерных наук, доктор технических наук, профессор А.М.Паршин

доктор технических наук Ю.Л.Легостаев

Ведущая организация — ЦКБ "Рубин" (г.Санкт-Петербург)

Защита состоится " 24 " ^елсл^^Я, 1995г. в_<Г_ч. На заседании диссертационного совета Д 063.38.08 при Санкт-Петербургском Государственном Техническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул.Политехническая, д.29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан ^ "__1995г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направить по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул.Политехническая, д.29.

Ученый секретарь диссертационного; совета,

доктор технических наук ' Г.С.Казакевич

Сдано в набор 16.10.95 г. Подп. в печать 18.10.95 г. Заказ №129

Объем 2 неч. листа Тираж 100 экз. Гарнитура Балтика Бесплатно

Брошюра сверстана и отпечатана в типографии ЦНИИ КМ "Прометей"

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Требования повышенной эезопасности, надежности и долговечности атомных энергетических установок (АЭУ] с обеспечением высоких технико — экономических зоказателей графиков электрических и тепловых нагрузок являются доминирующими при выборе конструкций, материалов и разработке технических требований к изготовлению оборудования атомных эеакторов (АР) на тепловых и быстрых нейтронах для стационарных электростанций и ледокольного флота. Таким условиям в наибольшей :тепени удовлетворяют легководные водо —водяные энергетические реакторы корпусного типа (ВВЭР) и реакторы с натриевым теплоносителем бакового типа (БН). Повышение единичной мощности \Р неизбежно приводит к увеличению его габаритов, весовых гарактеристик, рабочего давления, а следовательно к увеличению толщины стенки корпуса, интенсификации дозового нейтронного эблучения и коррозионного воздействия, а также при жестком регламентировании габаритов фланцев с изменением их конструкции \ геометрических параметров крепежа и его соединений по условиям транспортирования АР, к повышению нагрузки на крепежные детали.

Эти проблемы в значительной мере освещены в исследованиях эаботоспособности реакторных металлических материалов российских /ченых Н.Н.Давиденкова, И.В.Горынина, АП.Гусенкова, Ю.И.Звездина,

3.А.Игнатова, Г.П.Карзова, В.П.Когаева, Н.А.Махутова, ААНазарова, \.М.Паршина, Ю.Н.Работнова, И.АРазова, В.В.Рыбина, С.В.Серенсена,

4.Б. Фридмана, А.А.Чижика, Р.М.Шнейдеровича, С.С.Шуракова, З.Д.Ярошевича и др., зарубежных — Бюккнера, Вундта, Екобори, Ирвина, Куистра, Лэнджера, Никольса, Панасюка, Париса, Патона, Теллини, Писаренко, Сиха, Сноу и др.

Вместе с тем несмотря на значительные достижения некоторые троблемы работоспособности элементов АЭУ с АР на тепловых и Зыстрых нейтронах нуждаются в теоретическом развитии и экспериментальном подтверждении сопротивляемости деформированию и разрушению металлических материалов реакторного оборудования. Так, для высоконагруженных крепежных деталей и их

соединений оборудования АЭУ из — за отсутствия в России и за рубежог поверочных методов расчета на хрупкую прочность нет достаточш обоснованных технических требований по сопротивляемости хрупком; разрушению к металлу крепежных деталей с учетом конструкцш резьбового соединения, геометрии резьбы к условий нестационарного нагружения. Кроме того, отсутствует взаимосвязь между сопротивляемостью металла крепежных деталей и их соединеню малоцикловой усталости (МЦУ) и хрупкому разрушению по критерия! вязкости разрушения и критической температуры хрупкости. Эп обстоятельства определяют необходимость повышения работоспособности металла, крепежных деталей и их резьбовых соединенш по критериям малоцикловой усталости и хрупкой прочности за сче' введения регламентированного температурного запаса по критическо! температуре хрупкости (КТХ), оптимизации термической обработи применяемых высокопрочных металлических материалов и геометрю резьбы, а также разработки нового поколения — полифункциональны: крепежных материалов с высокими, комби —нированными по структур! металла и крепежной детали, прочностными и пластическими характеристиками. Поэтому исследование сопротивляемости металл« крепежных деталей и их соединений деформированию и разрушении и оценка концентрации деформаций в резьбе металла крепежа I различной склонностью к хрупкости, выбираемой как допуск на переход из пластического в хрупкое состояние, является проблемой безусловн* актуальной.

Работа является результатом систематических исследований 1 этом направлении, проводимых в НПО ЦКТИ им. И.И.Ползунова ] соответствии с планами научных работ института и решениям] соответствующих министерств, ведомств и комитетов.

Цель и задачи исследования. Исследование сопротивляемосп деформированию и разрушению высокопрочных металлически: материалов для крепежных деталей и их резьбовых соединений пр) нестационарном нагружении с учетом напряженного состояния температуры, коррозии и радиационного облучения. Разработка расчетно —экспериментальных методов оценки работоспособносп металла крепежных деталей и их резьбовых соединений по критерия? мало цикловой усталостной и хрупкой прочности на основе структурны диаграмм сопротивляемости хрупкому разрушению, закономерностей упругопластического деформирования резьбового соединенш крепежных деталей, металл которых с различной склонностью ] хрупкости, и линейной механики разрушения (АМР).

В диссертации решаются следующие задачи:

— получение и систематизация экспериментальных данных по исследованию взаимосвязи между пределом МЦУ крепежа и его соединений из высокопрочных крепежных сталей марок 25Х1МФ и 38ХНЭМФА для оборудования АР ВВЭР и температурным запасом вязкости по КТХ металла крепежных деталей;

— комплексная экспериментальная оценка влияния таких факторов, как температурный запас по КТХ металла крепежных шпилек и гаек, номинальный диаметр резьбы, шаг и радиус впадины резьбы, длина свинчивания и конструкция резьбового соединения на сопротивляемость металла крепежных деталей из высокопрочных сталей 25Х1МФ и 38ХНЭМФА малоцикловому усталостному разрушению;

— экспериментальные исследования влияния таких факторов, как материал защитного покрытия, температура, время экспозиции металла крепежных деталей в коррозионной реакторной среде, содержащей борную кислоту, щелочь и хлорид натрия повышенной концентрации, на коррозионную стойкость и сопротивляемость деформированию и разрушению высокопрочных крепежных деталей и его соединений из стали Э8ХНЗМФА в условиях МЦУ;

— экспериментальные исследования служебных свойств, облученных в АР типа БН(БР —5 и БОР —60) крепежных материалов: железоникелевого дисперсионно — твердеющего сплава ХН35ВТ и хромо никелевой аустенитной стали 08Х18Н10Т с различным флюенсом нейтронного потока и разработка режимов термо—деформационной обработки этих материалов для моделирования уровней прочности и пластичности с учетом температуры эксплуатации крепежных деталей оборудования АР БН;

— проведение комплекса экспериментальных исследований по оценке влияния облученного состояния металла крепежных деталей на МЦУ резьбового соединения из модельных высокопрочных крепежных материалов ХН35ВТ и 08Х18Н10Т в интервале температур эксплуатации АР БН;

— сравнительный анализ работоспособности облученного металла крепежных деталей и их резьбовых соединений и оценка остаточного ресурса резьбового соединения применительно к условиям эксплуатации АР БН;

— применение полученных результатов для практических рекомендаций при использовании высокопрочных металлических материалов для высоконагруженных крепежных деталей и их соединений в оборудовании АЭУ.

Научная новизна. Впервые разработан и реализован на баз( комплексного подхода к оценке сопротивляемости деформирования и разрушению высокопрочных металлических материалов пр! стационарном и нестационарном режимах нагружения с учетод напряженного состояния, температуры, коррозии и облученю расчетно — экспериментальный метод повышения несущей способносп крепежных деталей и их соединений оборудования АЭУ с АР ВВЭР I БР по критериям малоцикловой усталостной и хрупкой прочности заключающийся в оптимизации геометрии резьбы, конструкцш соединения, применяемых режимов термической обработки, расчетное оценке коэффициентов запаса по трещиностойкости и допускаемы: значений КТХ металла крепежных деталей и их соединений и созданш нового поколения — полифункциональных крепежных материалов < высокими, комбинированными по структуре металла и крепежное детали, прочностными и пластическими характеристиками.

Впервые установлена экспериментальная зависимость межд^ пределом МЦУ крепежа и его соединений на базе 104 цикл дс разрушения и температурным запасом вязкости по КТХ металл; крепежных деталей, позволяющая определять работоспособност] металла крепежа в условиях МЦУ в зависимости от типа соединения геометрии резьбы и др. факторов на основе простых испытаний пс определению КТХ металла крепежных деталей.

Впервые выполнено систематическое исследование влияню геометрии резьбы, типа соединения, масштабного фактора температурного запаса по КТХ металла, материала гайки в случа< резьбового соединения со шпилькой, длины свинчивания и уровю нагруженности на МЦУ крепежных деталей и их соединений и: высокопрочных металлических материалов.

Предложен и апробирован метод расчета концентрацш деформаций в резьбе крепежных деталей с учетом перераспределенш нагрузки по виткам при МЦУ соединений из материалов с различным! циклическими свойствами.

Показано, что основными параметрами оптимизации конструкций крепежных деталей и их соединений по критериям МЦУ \ хрупкой прочности являются на стадии зарождения разрушения -шаг и радиус впадины резьбы, на стадии развития разрушения — ша1 резьбы. Основными параметрами оптимизации структуры являютс? скорость охлаждения при закалке и температурно — временные параметры отпуска, которым принадлежит ведущая роль в обеспечение высокой сопротивляемости металла крепежных деталей и их соединений хрупкому разрушению.

В результате комплекса экспериментальных исследований материалов защитных покрытий, температура и время экспозиции крепежных деталей в коррозионной реакторной среде с борным регулированием на коррозионную стойкость и сопротивляемость крепежа и его соединений из стали 38ХНЭМФА МЦУ показано, что хромовое и аморфно —микрокристаллическое никель—фосфорное покрытие обеспечивают максимальный ресурс. Также установлено, что влияние коррозионного фактора на сопротивляемость резьбового соединения шпилька —гайка М8х1,25 из стали 38ХНЭМФА сопоставимо с влиянием масштабного фактора при МЦУ соединения на воздухе и гем самым практически адекватно смещению КТХ металла в область отрицательных значений температурного запаса вязкости при минимальной температуре эксплуатации.

Впервые выполнены комплексные исследования механических характеристик кратковременного растяжения облученных в АР БН крепежных материалов: ХН35ВТ и 08Х18Н10Т при различном флюенсе нейтронного потока и их моделируемых с учетом дозовой нагрузки аналогов, а также сопротивляемости МЦУ крепежных деталей и их соединений в интервале температур 20 —500°С. При этом было установлено, что минимальная несущая способность резьбового соединения крепежных деталей из моделируемых облучение с различной дозой материалов имела место при флюенсе нейтронного потока 3,7-1022 нейтр/см2 практически независимо от температуры испытания в следствие упрочнения и повышения склонности и хрупкости металла шпилек из сплава ХН35ВТ.

Развита и апробирована расчетно — экспериментальная методика оценки концентрации деформации в резьбе крепежных деталей, металл которых имеет большие различия по прочности и пластичности, при МЦУ резьбового соединения с учетом дозовой нагрузки при нейтронном облучении для циклически упрочняющихся материалов.

Практическая значимость и реализация результатов.

Экспериментально обосновано введение КТХ металла в качестве подтверждаемой характеристики при изготовлении крепежных деталей из высокопрочных сталей с повышенными требованиями к сопротивляемости МЦУ и хрупкому разрушению. Предложен уточненный критерий оценки КТХ по 50% волокна в изломе образцов 11 гипа по ГОСТ 9454—78 при регламенте ударной вязкости 59 дж/см2 и обоснован температурный запас по КТХ. С помощью критериев ЛМР и исследований сопротивляемости вязким и хрупким разрушениям при стационарном и нестационарном режимах нагружения обосновано

отсутствие необходимости определения и контроля КТХ для металле гаек сжатия. Определены основные направления оптимизации геометрии резьбы с целью повышения сопротивляемости МЦУ ъ хрупкому разрушению крепежных деталей и их соединений и: высокопрочных сталей для оборудования АР ВВЭР. Разработань структурные диаграммы хрупкой прочности, позволяющие осуществлять оптимизацию термической обработки металла крепежныэ деталей для повышения сопротивляемости малоцикловым усталостны?, и хрупким разрушениям резьбовых соединений диаметром до 170мл из стали 38ХНЭМФА и соединений до 140мм из стали 25X1МФ Расчетно — экспериментальная методика определения коэффициенте! запаса по трещиностойкости и допустимых значений КТХ металле крепежных деталей применяется в энергомашиностроении (РТМ 24.020.15—86) и нефтехимическом машиностроении (НПС "Леннефтехим", ПО "Ставропольполимер") при обосновании норм пс КТХ металла крепежных деталей, а также использовалась ВТИ и ПС "Ижорский завод" в работах по повышению и обоснованию несущей способности высокопрочных крепежных деталей и их резьбовых соединений применительно к оборудованию АР ВВЭР.

Результаты исследований работоспособности крепежных материалов ХН35ВТ и 08Х18Н10Т и расчетно — экспериментальной оценки концентрации деформаций в резьбе крепежных деталей, металл которых упрочнялся с учетом дозовой нагрузки при облучении флюенсом быстрых нейтронов, при МЦУ соединений использовались ЦНИИ КМ "Прометей" и Шевченковской АЭС при оценке остаточного ресурса крепежных деталей и их соединений для оборудования АР БН, выработавшего расчетный ресурс, и назначения регламента рабочих параметров для продления ресурса эксплуатации.

Результаты диссертации реализованы при разработке ГОСТ 23304 — 78 "Болты, шпильки, гайки и шайбы для фланцевых соединений атомных энергетических установок", обосновании и согласовании технического решения N 8002.143—82 по вопросу КТХ материалов крепежных изделий АЭУ, разработке РТМ 24.020.15—86 "Металлы турбин атомных электростанций". Определение КТХ следует производить по проценту волокнистой составляющей в изломе ударного образца типа 11 (ГОСТ 9454—78) при регламенте ударной вязкости не менее 59 дж/см2, являющейся более стабильной по отношению к критерию ударной вязкости характеристикой сопротивления металла крепежных деталей хрупкому разрушению.

На этой основе была разработана новая методика оценки допустимых значений КТХ, используемая ПО "Ижорский завод" при

проектировании реакторных крепежных деталей и их соединений с учетом оптимизации состава, включая рафинирующие метеллургические технологии, термической обработки и граничных условий применения материала в конструкции соединения при стационарных и нестационарных режима нагружения. Результаты испытаний большого количества крепежных деталей и их резьбовых соединений диаметром М12, М20, М22, М27, М52 и Ml 10 позволили дополнить данные НПО ЦКТИ по натурным соединениям М170 главного разъема корпуса АР ВВЭР и уточнить увеличение ресурса эксплуатации в соответствии с "Нормами расчета на прочность оборудования и трубопроводов АЭУ".

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на VII и VIII научно — технических конференциях молодых специалистов и аспирантов НПО ЦКТИ (Ленинград, 1978 и 1981г.г); II научно —технической конференции молодых специалистов ПО "Ижорский завод" (Ленинград—Колпино, 1979г.); I Всесоюзной научно—технической конференции "Прогрессивные методы повышения прочностных характеристик крепежных соединений, обеспечивающих надежную работу изделий машиностроения " (Уфа, 1981г.); II научно— технической конференции "Совершенствование эксплуатации и ремонта судов" (Калининград, 1981г.); I Республиканской конференции по повышению надежности и долговечности машин и сооружений (Киев, 1982); IV Всесоюзном симпозиуме "Малоцикловая усталость—механика разрушения, живучесть и материалоемкость конструкций (Краснодар, 1983); I семинаре "Радиационная повреждаемость и работоспособность материалов ядерных энергетических установок" (Псков, 1984); И совещании по типовой микроскопии "Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур" (Москва, 1984); V всесоюзном симпозиуме "Малоцикловая усталость —критерии разрушения и структуры материалов" (Волгоград, 1987); II и III международном совещании специалистов по вопросам эксплуатации парогенераторов АЭС с блоками ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 по линии ИНТЕРАТОМЭНЕРГО (Берлин, 1990; Загреб, 1991); XI международном коллоквиуме "Механическая усталость металлов (Киев, 1991); I международной научно — практической конференции (Ленинград, 1991); 11 международной конференции "Строительная механика в реакторной технологии" (Токио, 1991), и 12 - (Штутгарт, 1993).

Диссертационная работа обсуждалась на заседании научно-технического совета НПО ЦКТИ им. И.И.Ползунова.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 1 монография и 40 печатных статей, в том числе в журналах "Металловедение и термическая обработка металлов", "Проблемы прочности", "Физико-химическая механика материалов", "Вестник машиностроения", "Тяжелое машиностроение", "Судостроительная промышленность. Сер.Материаловедение:Металловедение, Металлургия", получено 5 авторских свидетельств и 2 патента, выпущено 15 отчетов по НИР (в том числе 8 самостоятельно).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав и выводов; содержит в общем объеме .^страниц, в число которых входит:Й?страниц машинописного текста,рисунков на .^страницах, .М таблиц и список литературы из -^наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность работы, изложены цель и задачи работы и сформулированы основные результаты работы с точки зрения их научной новизны и практической значимости развития расчетно— экспериментальных методов оценки сопротивляемости металла высоконагруженных крепежных деталей и их соединений оборудования АЭУ деформированию и разрушению с учетом напряженного состояния коррозии и облучения по критериям малоцикловой усталостной и хрупкой прочности, отмечена важность работ по оптимизации режимов термической обработки применяемых высокопрочных сталей и параметров геометрии резьбы и конструкции соединения с целью обеспечения допустимых значений коэффициентов запаса по трещиностойкости, КТХ и необходимых температурные запасов по КТХ, а также разработке нового поколения — полифун — кциональных крепежных материалов с высокими, комбинированным» по структуре металла и крепежной детали, прочностными и пластическими характеристиками.

В первой главе содержится анализ состояния вопроса, выяв — ление степени его изученности, обоснование основных зада*; исследований, а также оценка характерных особенностей развита* реакторостроения в России и за рубежом, работы крепежных деталей и их соединений, включая соединения главного разъема корпуса АГ ВВЭР и соединения АР БН, технических требований к металл} крепежных деталей. Приведен также анализ литературы по вопроса»

применяемых в нашей стране и за рубежом (в основном США, Япония, Франция и Германия) высокопрочных металлических материалов для крепежных деталей и подходов к оценке несущей способности крепежа и его соединений в условиях МЦУ и хрупкого разрушения, отмечена недостаточность использования косвенных критериев сопротивляемости хрупким разрушениям (монокритериальный подход по значениям ударной вязкости, ограничение верхних значений предела текучести и т.д.) для оценки работоспособности высоконагруженных соединений АЭУ и необходимость разработки расчегно— экспериментальных методов оценки надежности и долговечности таких соединений с использованием температурных критериев безопасности и упруго — пластического деформирования.

Температурные критерии безопасности были впервые обоснованы трудами Н.Н.Давиденкова и А.Ф.Иоффе и нашли широкое развитие в работах В.А.Винокурова, Ф.Ф.Витмана, Л.А.Гликмана, И.В.Горынина, АП.Гуляева, Ю.И.Звездина, В.С.Ивановой, В.А.Игнатова, Г.П.Карзова, Ю.Л.Легостаева, В.А.Малышевского, Н.А.Махутова, П.О.Пашкова, В.П.Рабиновича, И.А.Разова, С.В.Серенсена, О.Г.Соколова, А.В.Степанова, В.А.Степанова, Я.Б.Фридмана, П.Д.Хинского, А.А.Чижика, Е.М.Шевандина, С.С.Шуракова, Зута, Кихара, Немеца, Орована, Пеллини, Робертсона и др. Разработанные ими критерии оценки сопротивляемости хрупкому разрушению успешно применяются для изготовления ответственных изделий различного назначения из сталей низкой и средней прочности. Однако для оценки работоспособности крепежных деталей и их соединений из сталей повышенной прочности эти критерии требуют дополнительного обоснования с использованием силовых критериев ЛМР и деформационных критериев МЦУ.

Вопросы ЛМР и трещиностойкости освещены в теоретических и прикладных работах российских ученых Г.И.Баренблатта, И.А.Биргера, А.П.Гуляева, Г.С.Васильченко, Б.А.Дроздовского, Г.П.Карзова, Б.З.Марголина, Н.А.Махутова, Е.М.Морозова, В.В.Новожилова, В.З.Партона, Г.П.Черепанова, А.А.Чижика и др., зарубежных ученых Андрейкива, Брауна, Бюккнера, Вейбулла, Гриффитса, Дагдейла, Ирвина, Каназава, Касаткина, Красовского, Макклинтока, Нейбера, Панасюка, Париса, Екобори, Писаренко, Райса, Сиха, Сроули, Формэна, Хирониса, Уильямса, Уэллса, Эрдогана, Яремы и др. Эти работы указывают на возможность эффективного приложения методов и критериев ЛМР как для прямых расчетов на хрупкую прочность элементов конструкций, содержащих дефекты типа трещины, так и для оценки допустимых значений КТХ по регламентированному

уровню вязкости разрушения и температуры эксплуатации. Однако использование этих методов применительно к крепежным деталям 1 их резьбовым соединениям требует оценки теоретических значенш" коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) в его рабочих витка? с учетом особенностей распределения нагрузки по виткам резьбы дм конкретной конструкции соединения. Использование известны} соотношений Г.П.Черепанова, Бюккнера, Вундта, Ирвина, Г.П.Карзова Париса, Сиха, В.И.Смирнова, Харриса и др. для случая кольцевой трещины в цилиндрическом стержне при растяжении и изгибе не отражает специфики работы болтов и шпилек в составе резьбовогс соединения. Соотношения, полученные А.А.Чижиком для случае винтовой трещины, требуют учета особенностей перегрузки рабочт витков резьбы в конструкции соединений АЭУ, включая главный разъев корпуса АР ВВЭР.

Теоретические и экспериментальные аспекты МЦУ и опреде — ления концентрации деформаций в зонах концентрации напряжений элементов конструкций сосудов высокого давления, транспортные систем и летательных аппаратов рассмотрены в работах российские ученых Ю.Ф.Баландина, И.А.Биргера, Д.А.Гохфельда, А.П.Гусенкова В.С.Ивановой, Г.П.Карзова, И.В.Кудрявцева, В.П.Когаева

B.В.Ларионова, А.Ф.Малыгина, Н.А.Махутова, В.В.Москвитина

A.А.Попова, М.П.Розанова, А.Н.Романова, О.Г.Рыбакиной, В.В.Рыбина

C.В.Серенсена, Б.Т.Тимофеева, В.М.Филатова, Г.Н.Филимонова Ю.Д.Хесина, Р.М.Шнейдеровича, В.М.Шура и др. зарубежных ученых — Веллингера, Дауниса, Коффина, Лэнджера, Морроу, Мэнсона, Стрижало, Таира, Трощенко, Труфякова и др. Однако для практически?! расчетов концентрации деформаций в резьбе крепежных деталей при МЦУ соединений необходимо разработать уточненный метод, учитывающий как поле деформаций в опасных сечениях шпильки и гайки растяжения, так и перераспределение нагрузки по виткам резьбы в процессе МЦУ. Несмотря на достижения оценки напряженно — деформированного состояния в резьбе крепежных деталей и их соединений благодаря исследованиям И.А.Биргера, Г.Б.Иосилевича,

B.А.Кагана, Р.Р.Мавлютова, Маруямы, Нейбера, Нисида, Отаки, Сэйко, Фесслера, Хейвуда и Хетени до настоящего времени отсутствуют расчетные и экспериментальные оценки сопротивляемости деформированию крепежных деталей при МЦУ резьбового соединения, позволяющие оптимизировать геометрию резьбы и конструкцию соединения.

Очевидно, что для решения задач повышения работоспособности крепежных деталей и их соединений путем оптимизации конструкции

и режимов термической обработки металла реакторного крепежа необходим комплексный подход с использованием расчетно — экспериментальных методов повышения надежности и долговечности по критериям малоцикловой усталостной и хрупкой прочности. Такая постановка задачи, осуществленная в настоящей диссертации, позволила впервые оценить допустимые значения КТХ на основе структурных диаграмм, критериев AMP и МЦУ и установить взаимо — связь между ними в сочетании с влиянием большого числа факторов, а также разработать практические рекомендации по повышению несущей способности крепежных деталей в условиях МЦУ и стационарного нагружения резьбового соединения. В связи с этим в настоящей диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

1. Относительное моделирование процессов закалки и отпуска металла шпилек главного разъема корпуса АР ВВЭР—1000 на малых образцах с использованием аналитических методов НПО ЦКТИ оценки температурных полей в поковках крепежных деталей при закалке и параметрических методов Холломона—Ларсена — Миллера для выбора температурно — временных параметров отпуска.

2. Комплексное исследование влияния структуры и химического состава на сопротивляемость высокопрочных металлических материалов хрупкому разрушению с целью обоснования критерия оценки КТХ для сталей перлитного класса с пределом текучести до 1125 МПа (115 кгс/мм2) и разработки структурных диаграмм хрупкой прочности металла для оптимизации термической обработки заготовок крепежных деталей.

3. Комплексное исследование металла крепежных деталей и их резьбовых соединений из сталей 25Х1МФ и 38ХНЭМФА на МЦУ при отнулевом цикле мягкого (относительно соединения) нагружения с целью выявления влияния величины температурного запаса по КТХ, геометрии резьбы: шаг, радиус закругления впадины, угол профиля, номинальный диаметр, длина свинчивания и тип соединения крепежных деталей, прочность материала гайки. Разработка инженерного метода оценки концентрации деформаций в резьбе крепежных деталей при МЦУ соединения на основе деформационных критериев разрушения и перераспределения нагрузки по виткам резьбы.

4. Анализ коэффициентов концентрации и интенсивности напряжений в резьбе для оценки хрупкой прочности крепежных деталей и их соединений методами ЛМР и их экспериментальное подтверждение. Обоснование норм по КТХ металла шпилек главного разъема корпуса АР ВВЭР по критериям ЛМР с учетом особенностей конструкции резьбового соединения.

5. Комплексное исследование влияния антикоррозионны; покрытий основного металла крепежных деталей на основе кристаллического алюминия и хрома и аморфно — микрокристаллическое никель—фосфорного сплава на коррозионную стойкость и МЦ"5 резьбового соединения в срезе протечек реакторного теплоносителя содержащего при доупаривании под коркой отложений концентрированные агрессивные рассолы с повышенным содержанием щелочи, кислоты и солей натрия.

6. Комплексное исследование влияния высокодозногс нейтронного облучения на служебные свойства и МЦУ металле крепежных деталей и их соединений из аустенитной хромоникелево! стали и железоникелевого дисперсионно—твердеющего сплава с учетои температуры эксплуатации и моделируемого по типу радиационногс упрочнения и охрупчивания состояния высокопрочных крепежньп материалов применительно к условиям эксплуатации оборудования А1 БН.

7. Разработка и реализация на основе решения рядг вышеприведенных задач комплексного подхода и оценке сопротивляемости деформированию и разрушению высокопрочные металлических материалов при стационарном и нестационарно!, режимах нагружения с учетом напряженного состояния, температуры коррозии и облучения расчетно — экспериментального методе повышения несущей способности крепежных деталей и их соединение обрудования АЭУ с АР ВВЭР и БН по критериям малоцикловог усталостной и хрупкой прочности, позволяющего оптимизации геометрии резьбы, конструкции соединения, применяемых режимо! термической обработки и расчетную оценку коэффициентов запасе по трещиностойкости и допускаемых значений КТХ металла крепежныэ деталей и их соединений и создание нового поколения — полифун — кциональных крепежных материалов с высокими прочностными заданными пластическими характеристиками.

Во второй главе проведен теоретический анализ упругю коэффициентов концентраций напряжений (УККН) в резьбе крепежньо деталей и их соединений и предложен инженерный метод и> определения в зависимости от геометрии резьбы и конструкции соединения, а также метод оценки КИН применительно к условиям нагружения оборудования АЭУ с АР ВВЭР и БН.

Метрический профиль резьбы, применяемый при изготовлении крепежных деталей (болт, шпилька, гайка, гнездо корпуса) имеет незначительные углы подъема винтовой линии в зависимости от

отношения Д/Р, где Д, Р — номинальный диаметр и шаг резьбы соответственно. Это обстоятельство дает возможность использования УККН в винтовых стержнях, полученных А.А.Чижиком, для расчетов УККН и КИН в крепежных деталях и их соединениях с введением корректирующих поправок на дополнительный изгиб при однозаходной резьбе, на неравномерность распределения нагрузки по виткам резьбы, на смещение площадки максимальных напряжений относительно профиля витка резьбы, на разгружающее влияние соседних витков и угла профиля резьбы. Эти поправки, вычисленные по данным расчетно — экспериментальных работ И.А.Биргера, Г.Б.Иосилевича, Р.Р.Мавлютова, К.Маруямы, Р.Х.Мустаева, Г.Нейбера, Нисиды, Х.Отаки, М.Сэйко, Фесслера, Джобсона, Кенни, Паттерсона, Н.И.Пригоровского, А.В.Фомина, М.Хетени, Р.Хейвуда, А.И.Якушева и др., позволяют оценить фактический уровень УККН в рабочих и свободных витках резьбы крепежных деталей и их соединений по соотношениям для цилиндрических стержней с винтовыми надрезами малого шага, а затем путем предельного перехода р-> о определить и КИН в резьбе.

Было установлено, что большинство расчетных и экспериментальных УККН в рабочих и свободных витках резьбы метрического профиля для соединений шпилька — гайка и шпилька — корпус не более, чем на ±15% отличаются от полученных в диссертации. Указанные границы разброса, по —видимому, и определяют достоверность приводимых в работе коэффициентов концентрации деформаций и КИН в резьбе крепежных деталей и их соединений при стационарном и нестационарном режимах нагружения оборудования АЭУ.

Для крепежных деталей и их резьбовых соединений, подвер — гаемых предварительной вытяжке или термозатягу при отсутствии напряжений кручения с номинальными диаметрами метрической резьбы MIO — М200 по ГОСТ 9150 — 81 справедливы следующие соотношения для определения УККН в резьбе рабочих витков крепежных деталей и их соединений:

анр=1 + аад (анс-1) (i)

где: анс= 1+0,65 Vp/p — УККН в свободных от соединения витках резьбы; Р и S — шаг и радиус закругления впадины; ОС. — коэффициент неравномерности распределения напряжений для i—го рабочего витка резьбы; ОСд численный коэффициент, зависящий от жесткости напряженного состояния в резьбе при изменении утла подъема

винтовой линии или отношения Д/Р. Для крепежных деталей и их| соединений и затяге по технологии предварительной вытяжки для1 фиксации стержня шпильки, и что глубина трещины ^ в крепежной детали и ее соединении, приводящая к хрупкому разрушению, не превышает шага резьбы, получим следующие соотношения для вычисления КИН:

К = и-т/Г-(стр+аи)-а ;КШ=Р-К1 (2)

Р=Р/тгс11

где: СГр и СТа — напряжения растяжения и изгиба соответственно;

(11 — внутренний диаметр резьбы.

Достоверность соотношения (2) оценивалась двумя путями: расчетным и экспериментальным. В первом случае были выполнены расчеты для случая шпилек главного разъема корпуса АР ВВЭР диаметром М170 и шага однозаходной резьбы Р = 6,0 мм по методикам АБТМ, Ирвина, Париса и Сиха, Харриса, Любана, Вундта и Бюккнера для случая кольцевой трещины промежуточной глубины. Было установлено, что зависимости, полученные в диссертации, имели удовлетворительное соответствие значениям КИН вышеприведенных авторов, рассчитанных в функции от номинального диаметра резьбы. Причем наибольшее соответствие было достигнуто для методик Бюккнера, Харриса и Ирвина. Во втором случае оценка достоверности проводилась путем испытаний моделей соединений шпилька — гайка и шпилька — корпус из органического стекла. Диаметр резьбы М12 с шагами 05; 1,00; 1,25 и 1,75 мм и М14 и М16 с шагами резьбы 2,0 и 3,5 мм соответсвенно. На моделях определялись значения параметра вязкости разрушения К1с , который сравнивали с величиной К1с, полученной на образцах с кольцевым надрезом. Как показали результаты испытаний — отклонение в вязкости разрушения моделей шпилек составила ±14%. Эти эксперименты подтвердили возможность применения соотношения (2) в инженерных расчетах на прочность.

Полученные соотношения (1) и (2) свидетельствуют о возможности повышения сопротивляемости деформированию и разрушению высокопрочных крепежных деталей и их соединений по критериям малоцикловой усталостной и хрупкой прочности за счет оптимизации геометрии резьбы и конструкции соединения. Так, повышения сопротивляемости хрупкому разрушению можно достичь,

уменьшая шаг и увеличивая угол профиля резьбы. Так, при одном и том же номинальном диаметре и напряжении затяга переход шага 6,0 на меньший — 4,0 мм снижает КИН на 20 — 25%. Для весьма хрупких материалов роста несущей способности соединения можно добиться путем уменьшения высоты профиля резьбы (на 22 — 24% меньше нормальной с учетом радиуса закругления впадины по данным Н.Хирониса для сверхлегких бериллиевых болтов), при этом КИН снижается на 25—30%.

В третьей главе приведены результаты анализа иерархии критериев и исследований сопротивляемости хрупким и вязким разрушениям металла высокопрочных крепежных деталей и их соединений из хромоникельмолибденованадиевой стали, а также данные по разработанным в диссертации методам расчетно — экспериментальной оценки коэффициентов запаса трещиностойкости и допустимых значений КТХ.

Основными исследуемыми материалами были стали 38ХНЭМФА и 25X1МФ, химические свойства которых удовлетворяли требованиям ГОСТ 4543-71 и ГОСТ 20072-74 соответственно. Термическая обработка заготовок для изготовления образцов и крепежных деталей выполнялась на различные уровни прочности и пластичности в соответствии с требованиями действующей нормативно —технической документации.

Важнейшим требованием при выборе материалов и их режимов термической обработки было обеспечение различных температурных запасов по КТХ металла крепежа, для оценки влияния этого фактора на МЦУ резьбового соединения крепежных деталей. Этого удалось добиться путем варьирования марок стали и уровня их прочностных характеристик.

В результате для испытаний крепежа и его соединений на МЦУ при нормальной температуре были отобраны заготовки из стали 25X1 МФ с отрицательным температурным запасом по КТХ, отвечающей 50% волокна в изломе ударного образца 11 типа (ГОСТ 9454 —78) при регламенте ударной вязкости 59 дж/см2, а для стали 38ХНЭМФА со значительным положительным температурным запасом по отношению к указанной КТХ.

С целью выявления роли структуры на сопротивляемость хрупким и вязким разрушениям высокопрочных крепежных сталей, построения структурных диаграмм хрупкой прочности, а также для выработки практических рекомендаций для шпилек главного разъема корпуса АР ВВЭР проводилось математическое моделирование процесса

закалки в воду и масло поковок исследуемых сталей диаметром 200 мм с использованием методов программного обеспечения НПО ЦКТИ, разработанными Плехановым В. А иУлизко Э.П. Охлаждение лабораторных заготовок осуществлялось по расчетным кривым охлаждения натурных поковок крепежных деталей, отвечающим поверхности и центру при закалке в воду и масло. При этом проводилось моделирование структуры сталей 38ХНЭМФА и 25X1МФ в процессе их закалки с разными скоростями охлаждения. Для моделирования структуры в зависимости от химического состава были построены термокинети — ческие диаграммы распада аустенита в сталях 38ХНЭМФА и 25X1 МФ.

Для исследования сопротивляемости хрупким разрушениям металла шпилек из сталей 38ХНЭМФА и 25X1 МФ были проведены испытания на ударный изгиб образцов 11 типа, опыты по останову трещины при испытаниях свободно падающим грузом образцов типа Пеллини. При этом оценивались КТХ по следующим методикам: а) ГОСТ 23304—78; б) по критерию 50% волокна в изломе образца при КСУ > 59 дж/см2; в) по температуре нулевой пластичности.

Анализ полученных данных указывает на целесообразность применения методики по критерию 50% волокна в изломе образца при КСУ > 59 дж/см2 для сталей с пределом текучести свыше 686МПа (70 кгс/мм2). Эти данные подтверждаются результатами стандартизации технических требований к металлу крепежных деталей АР США, Японии, Франции, Германии и др. В связи с этим все последующие результаты и рекомендации работы относятся именно к этому критерию оценки КТХ металла высокопрочных крепежных деталей и их соединений.

Поскольку поле напряжений в кончике трещины у впадины резьбы крепежных деталей характеризуется двумя КИН К1 и Кш, была построена предельная диаграмма трещиностойкости в координатах К/К1с — Кш/К1Пс для высокопрочных крепежных сталей 25X1 МФ и 38ХНЭМФА.

При этом использовалась методика А.А.Чижика испытания образцов с наклонной боковой трещиной. Анализ предельной диаграммы трещиностойкости показал, что величины допускаемых значений КИН следует определять по параметрам трещиностойкости К1с или КШс, а коэффициент запаса прочности п из соотношения:

п = (п^2 + пш-2)-0,5 (3)

где: П1 и Пш — коэффициенты запаса прочности по механизмам отрыва и продольного сдвига соответственно.

Собственные данные и анализ данных по трещиностойкости металла высокопрочных крепежных деталей АР США, Япония, Германия, Англия, Франция и др. позволил построить зависимость между Klc высокопрочных крепежных сталей и температурным запасом по КТХ ЛТ = Т — Тк, где Тк — КТХ по величине 50% волокна в изломе ударных образцов 11 типа по ГОСТ 9454 — 78 при KCV > 59 дж/см2. Эта зависимость позволяет на основании КИН для крепежных соединений, полученных в диссертации, проводить поверочные расчеты на хрупкую прочность крепежных деталей и их соединений по силовым критериям ЛМР или обосновывать выбор допускаемых значений КТХ.

При поверочных расчетах на хрупкую прочность можно использовать эмпирические соотношения, полученные для хромо — никельмолибдено ванадиевых и хромолибденованадиевых сталей, в частности, для сталей 38ХНЭМФА и 25X1МФ

Kic = 4,27 + 33,5ехр [0,0112 (Т-Тк )] Мпа • м0'5 (4) Кшс = 25 д , Мпа ■ ма5 (5)

где: Т — температура затяжки шпилек; С70^ — предел текучести; Д — номинальный диаметр резьбы крепежных деталей; выражение для К... справедливо для номинальных диаметров резьбы в пределах 10-200 мм.

Поверочный расчет на хрупкую прочность шпилек Ml70 главного размера корпуса АР ВВЭР—100 полностью подтвердил обоснование выбора марки высокопрочной стали 38ХНЭМФА для крепежных деталей и их резьбовых соединений, для которых коэффициенты запаса по хрупкой прочности для уровня напряжений

(0,45 — 0,55)СТВ и размера дефекта, равного шагу резьбы, составляют не менее 3,7. Для аналогичного крепежа и его соединений из стали 25X1 МФ такие запасы практически для полного перечня расчетных режимов эксплуатации могли бы составлять менее двух, что недопустимо.

При этом следует отметить, что эти данные получены для стали 25Х1МФ с пределом текучести 850 — 950 МПа, когда как сталь 38ХНЭМФА имела 900—1150 МПа. Показано, что переход на шаг 4,0 мм повышает запасы по хрупкой прочности не менее, чем на 20 — 25%. Применение более мелких шагов резьбы для крепежных деталей должно быть обосновано расчетами и испытаниями резьбового соединения на цепной срез.

Выбор допустимых значений КТХ для крепежных деталей и их резьбовых соединений из высокопрочных сталей 25Х1МФ и 38ХНЭМФА осуществляется по КИН, полученным в диссертации, из соотношения

тк= Т +403-89,29 1п (К^ ■ 11-4,27) , °С (6)

С целью обеспечения в металле крепежных деталей и их резьбовых соединений полученных значений КТХ применительно к заданной конструктором категории прочности осуществляется оптимизация режимов технической обработки за счет регламентирования скорости охлаждения при закалке и температурно — временных параметров отпуска. Для реализации такой оптимизации I диссертации для сталей 25X1МФ и 38ХНЭМФА построены структурные диаграммы хрупкой прочности, позволяющие выбор скорости охлаждения при закалке и температурно — временных параметре! отпуска при заданных значениях прочностных характеристик и уровня КТХ.

Рассмотрим пример подобной оптимизации термической обработки. Пусть для крепежной детали —шпильки М170хЕ (сомножитель —шаг резьбы) из стали 25X1 МФ с КП784 требуется обеспечить необходимую сопротивляемость хрупким разрушениям I условиях затяга при нормальной температуре и уровне напряжений

С7ном = (0,45 —0,55)Сд . Из соотношений (2) и (6) при коэффициенте запаса по хрупкой прочности 2,0 имеем следующее требование * допускаемому значению вязкости разрушения

К1С = К1 ' П (7)

Из соотношений (6,7) определяем, что допустимое значение КТХ для крепежных деталей и их резьбового соединения типа шпилька— гайка должно быть не выше — 20°С. Из структурных диаграмм хрупкой прочности по заданной расчетом КТХ для стали 25X1 МФ с КП78' определяем, что скорость охлаждения металла поковки шпильки должнг быть не менее 350°С/мин, что отвечает закалке в воду.

Аналогичные расчеты для других случаев представлены в табл. 1 Видно, что снижение шага может приводить к повышению допустимы* значений КТХ крепежных деталей и их соединений из высокопрочны? сталей.

Таблица 1

(О

Шаг резьбы, мм Скорость охлаждения при закалке, Уохл. °С/мин Предел текучести СТМ МПа

Допускаемое значение Допускаемо значение не свыше

[К1С1 МПа • М0'5 ГУ °с 25X1МФ 38ХНЭМФА 25X1 МФ ЗВХНЗМФА

8,0 151,6 -40 300 50-100 686 1150

450 >100 784 1200

6,0 135 -20 180 Н е 686 1080

350 Р е г 784 784

120 л а м е 686 686

4,0 112,6 0 200 784 784

450 н т и 882 882

70 р У 686 686

3,0 98,7 + 10 180 т 784 784

400 с я 882 882

¥> а £8

Проведены исследования в части уточнения консервативных подходов к оценке прочности, когда относительная глубина дефекта типа трещины, составляющей 7 — 8% брутто—диаметра крепежной детали, и глубина дефекта типа V—образного надреза, составляющей 10% брутто — сечения ударного образца с остальными параметрами надреза и площадью нетто — сечения 80мм2 в соответствии с ГОСТ 9454 — 78 для образца 11 типа. Было показано, что смещения значений допустимой КТХ составляло примерно 50°С в сторону ее положительных значений. Развитие уточненной оценки допускаемых значений КТХ в зависимости от технического состояния металла крепежа и геометрии резьбы соединения позволяет предъявлять при жестком регламенте эксплуатации более обоснованные требования к работоспособности крепежных деталей и их резьбовых соединений из высокопрочных сталей.

В четвертой главе приведены результаты комплексного исследования влияния большой группы различных факторов на сопротивляемость металла высокопрочных крепежных деталей и их резьбовых соединений МЦУ.

Исследования МЦУ резьбовых соединений различной конструкции проводились на крепежных деталях с номинальными диаметрами метрической резьбы 12, 20, 22, 27, 52 и 110 мм, воспроизводивших особенности конструкций соединений шпилька — гайка и шпилька—корпус оборудования АЭУ. Испытания крепежных деталей и их соединений проводились в условиях низкочастотного мягкого нагружения при отнулевом цикле на машинах УМЭ—10ТМ, МУП-50, МУП-100, Шенк-400 и Сигма-2 при нормальной температуре. Контроль геометрии резьбы осуществлялся на инструментальном микроскопе УИМ —23. При оценке достоверности расчетно — экспериментальных методов оценки ресурса при малоцикловом нагружении металла крепежных деталей и их резьбовых соединений использовались данные аттестационных испытаний гладких образцов из стали 38ХНЭМФА и 25X1 МФ и литературные данные.

Впервые в результате комплекса экспериментальных исследований хрупкой и малоцикловой усталостной прочности высокопрочных крепежных сталей установлена зависимость между пределом МЦУ металла крепежных резьбовых соединений на базе 104 цикл до разрушения и температурным запасом вязкости по КТХ металла крепежных деталей из высокопрочной стали. Она позволяет без трудоемких и сложных опытов на МЦУ на основе простых и производительных испытаний по оценке КТХ металла крепежа

определять предел МЦУ крепежных деталей в зависимости от типа соединения, геометрии резьбы, а также таких внешних факторов, как среда, температура и др.

Впервые показано, что повышение сопротивляемости металла высокопрочных крепежных деталей МЦУ за счет оптимизации геометрии резьбы, типа соединения и др. факторов, снижающих концентрацию напряжений и деформаций в резьбе, возможно лишь при условии наличия положительного температурного запаса вязкости по КТХ металла шпилек.

Для металла гаек сжатия нет необходимости установления ограничений по КТХ. Так, показано, что повышения работоспособности соединения при МЦУ возможно за счет применения высокопрочных гаек из стали З8ХНЗМФА, КП1175 или стали ЭП631, КП1765. Вместе с тем установлена, что применение гаек с низким модулем упругости из титанового сплава ТС5, КП784 (Е = 1,2 • 105 МПа) практически не повышает сопротивляемости МЦУ шпилек по сравнению с равнопрочным вариантом из стали Э8ХНЗМФА, КП882. Это указывает на интенсивное перераспределение нагрузок по виткам резьбы шпилек из стали З8ХНЗМФА в процессе малоциклового нагружения соединения с гайкой повышенной прочности, что целесообразно учитывать в соответствующих расчетно —экспериментальных моделях. Следует отметить, что сопротивляемость МЦУ соединения шпилька (сталь 38ХНЭМФА, КП882) - гайка (сталь 15Х2НМФА, КП588) находится также на уровне равнопрочного соединения из стали 38ХНЭМФА.

Проведен комплекс исследований влияния масштабного фактора на сопротивляемость МЦУ соединения шпилька — гайка из стали 38ХНЭМФА, КП882 с номинальными диаметрами 12, 20, 22, 27, 52 (совместно с В.А.Каганом) и 110 мм (совместно с В.В.Ожигиным). При анализе результатов рассматривались также данные В.АКизимы и В.В.Ожигина по МЦУ шпилек М170 для главного разъема корпуса АР ВВЭР— 1000 производства ПО "Ижорские заводы". Показано, что на базе 104 циклов до разрушения при переходе от соединения М12 к соединению М170 снижение максимальных напряжений в отнулевом цикле не превышает 25—30%. Важно отметить, что интенсивное влияние масштабного фактора проявляется для соединений с номинальным диаметром М48 —М52, а далее при увеличении диаметра резьбы снижения сопротивляемости МЦУ практически не велико и может не учитываться при инженерных расчетах на прочность, если имеет место наличие положительного температурного запаса по КТХ металла.

Исследовано влияние на сопротивляемость МЦУ крепежных шпилек из стали 38ХНЭМФА типа соединения. Показано, что на базе

104 цикл до разрушения сопротивляемость крепежа МЦУ по максимальным напряжениям в нетто — сечении соединения шпилька —гнездо корпуса на 20 — 25% выше, чем соединения шпилька — гайка. Такое различие обусловлено меньшей неравномерностью распределения

нагрузки по виткам по критерию (X. для соединений шпилька—гнездо корпуса, чем для соединений шпилька — гайка.

Установлено положительное влияние уменьшение шага и увеличения радиуса закругления впадины резьбы на сопротивляемость МЦУ крепежа и его соединений из высокопрочной стали. Так, увеличение максимальных напряжений цикла в нетто — сечении резьбы на базе 104 цикл составляет для шпилек: М12 на 25 — 30% и 20 — 22% при уменьшении шага с 1,75 до 0,5 и 1,0 мм соответственно; М22 на 10—12% при уменьшении шага с 2,5 до 1,5 мм, М110 на 6—8% при изменении шага с 6,0 до 4,0 мм. Снижение положительного эффекта уменьшения шага резьбы на сопротивляемость крепежа и его соединений МЦУ с увеличением диаметра резьбы обусловлено:

а) уменьшением температурного запаса вязкости по КТХ металла шпилек;

б) повышением "жесткости" напряженно—деформированного состояния в резьбе шпилек больших диаметров из —за уменьшения утла подъема винтовой линии (увеличения отношения Д/Р).

Экспериментально показано, что целесообразно изготовление крепежных деталей из высокопрочных сталей с закругленной впадиной резьбы для увеличения сопротивляемости соединений МЦУ. В случае метрических резьб больших диаметров (более 52 мм) следует применять увеличенные радиусы закругления впадины (0,15 — 0,20) Р.

В результате экспериментальных исследований работоспособности крепежа установлено, что для высокопрочных соединений следует применять длину свинчивания не менее Н/Д= 1,0, где Н — высота гайки сжатия или длина резьбового участка гнезда корпуса, Д — диаметр резьбы, как это предусмотрено, например, требованиями ГОСТ 9064 — 75 для крепежных гаек сжатия фланцевых соединений энергетического машиностроения с температурой среды от 0 до 650°С, ГОСТ 15523-70 (Н/Д=1,2) и ГОСТ 15525-70 (Н/Д=1,5]. Уменьшение длины свинчивания до 0,6—0,8 согласно общемашиностроительным ГОСТ 5916—70 и 5915—70 на крепежные шестигранные гайки приводит к снижению сопротивляемости МЦУ крепежных шпилек в соединениях с нормальным шагом.

Для резьб М170 с точностью ±25% возможно построение обобщенной кривой циклической прочности, позволяющая

осуществлять (при отсутствии опытных данных) оценку ресурса крепежных деталей при мягком нагружении резьбовых соединений из высокопрочной стали. При этом применяется следующее соотношение

N =NB / (аном/св)^5 , NB=io° (8)

Приведены результаты исследований сталей 25X1МФ и Э8ХНЗМФА при МЦУ соединений с учетом двухстадийности процесса разрушения (до момента образования трещины и на стадии ее роста. Было установлено, что с уменьшением амплитуды нагрузки в шпильке уменьшается остаточная долговечность (живучесть) резьбового

соединения. Так, для отношения СТном/Св=0,9 и 0,5 отношение числа циклов до разрушения к числу циклов до зарождения трещины составили 5 и 3 соответственно. В случае перехода к многоцикловой усталости — (1,3—1,6)

Для расчетно — экспериментальной оценки МЦУ крепежных деталей необходимы данные о напряженно —деформированном состоянии в зонах концентрации витков резьбы с учетом перераспределения нагрузки по виткам соединения. В связи с этим при разработке метода оценки МЦУ был реализован комбинированный подход с использованием с одной стороны аппроксимированного варианта расчета по Н.А.Махутову, предусматривающего применение интерполяционной зависимости Г.Нейбера для упругого коэффициента концентрации напряжений и упругопластических коэффициентов концентрации напряжений и деформаций и с другой стороны, разработанный в ЦКТИ метод оценки перераспределения нагрузок по виткам резьбы в условиях упрутопластического деформирования со степенным законом упрочнения. Учет перераспределения нагрузок по виткам резьбы осуществлялся путем использования безразмерных функций и корректирующих коэффициентов в величину приведенного

УККН (Хс в первом витке резьбы, определяемого из соотношения

<*« = [анс + К(т)Кр-аяс)]'Р(то)- (9)

где: (X , 0Сн —УККН в свободных и в первых витках резьбы; К(т) — коэффициент уменьшения УККН в первом витке резьбы за счет перераспределения нагрузки по виткам. К(т) определялся из

решения краевой задачи теории и пластичности со степенным упрочнением по методике ЦКТИ и изменяется в пределах от 0 до 1,0 в зависимости от Ш'(к) — показателя упрочнения, вычисляемого при степенной аппроксимации диаграмм упруго — пластического деформирования, Р(то) = Цу)-((Тп) •!:(£) — безразмерные функции, зависящие от коэффициента Пуассона, объемности напряженного состояния и соотношения пределов текучести (прочности) материалов шпильки и гайки соответственно. Для рассматриваемых в диссертации

расчетных режимов нагружения Г(СТп) = 1,0; ^у) =0,79 при условии, что а =СТ /а <1,0; для а >1,0 «у) = 0,76.

П НОМ Т ' ' ™ п I \ 1 '

Расчет амплитуд местных деформаций ва проводился по формуле

е = а • К / 2Е (Ю)

а вой 8 , 1 '

где: (Тном = 4Рном/яс1о2; Е — модуль нормальной упругости;

К — коэффициент концентрации деформации. Определение К осуществлялось по известной интерполяционной зависимости Г.Нейбера:

К=а//Ко (П)

где: Кс= ат/Са; ат= [а0ДЕ-0¿.ютЧа^р]1'»-*»

Разработанный метод расчета концентрации деформаций в резьбе крепежных деталей при МЦУ соединения апробировался для высокопрочных сталей с различными циклическими свойствами: циклически стабильной — 25Х1МФ, разупрочняющейся — 38ХНЭМФА и упрочняющейся — 12Х18Н10Т. В случае МЦУ соединений из последней разрушение шпилек происходило по первому свободному витку резьбы. В связи с этим расчет проводился по УККН в свободной части резьбы, определенным в настоящей работе.

Результаты опытов и расчетов показали, что при использовании соотношений УККН в рабочих витках резьбы, полученных в диссертации, наилучшее соответствие теории и эксперимента обеспечивает применение интерполяционной зависимости Г.Нейбера. При использовании формул Н.А.Махутова следует пользоваться минимальными значениями УККН, полученными Г.Б.Иосилевичем.

Было также установлено, что все факторы, включая температурный запас вязкости по КТХ металла, понижающие концентрацию напряжений (деформаций) в резьбе крепежных деталей из высокопрочной стали повышают сопротивляемость резьбового соединения МЦУ, что полностью подтвердило результаты прямых экспериментов на крепежных деталях с различной геометрией резьбы из высоко — прочных металлических материалов с различной склонностью к хрупкости.

В пятой главе приведены результаты исследований коррозионной стойкости материалов защитных покрытий и МЦУ крепежных деталей в водной среде теплоносителя, содержащей борную кислоту, щелочь и хлориды натрия, которые при накоплении на поверхности шпилек, испарения влаги и доупаривании образуют высоко — концентрированные агрессивные рассолы. При этом исследовались материалы защитных покрытий на основе алюминия, получаемых методом алитирования; алюминия и хрома — методом ионно — плазменного напыления; никеля с 12 — 13% фосфора—аморфизатора — методом химического осаждения (металлизации).

Наиболее низкая коррозионная стойкость среди исследуемых покрытий была получена у алитированного и алюминированного — разрушение происходило в течение 100 час. испытаний. Причиной быстрого снижения защитной способности покрытий явилась низкая стойкость алюминия в растворах, содержащих концентрированные щелочи. Хромовые покрытия имели нарушение сплошности после 700 час. испытаний.

Коррозионная стойкость аморфно —микрокристалического никель —фосфорного покрытия оценивалась после термообработки на воздухе и в среде инертного газа —аргона. Нарушения сплошности имели место через 500 и 3500 час. соответственно. Средняя скорость коррозии составила при этом 0,045 и 0,004 г/м2-ч соответственно. Тепловые выдержки никель —фосфорных покрытий вызывают их структурные превращения, связанные с перестройкой аморфной структуры в направлении ее упорядочения и выделения термодинамически устойчивых кристаллических фаз, например, типа №3Р, №2Р5 при сохранении аморфности матрицы. Эти процессы приводят к повышению микротвердости покрытий до уровня 9000— 10000 МПа в зависимости от содержания фосфора.

Исследования МЦУ соединения проводились на крепежных деталях диаметром М27 и М8. В первом случае изучалось влияние технологии нанесения покрытия, во —втором — ресурс защитной

способности покрытий в синтетической реакторной среде. Было установлено, что технология нанесения антикоррозионного покрытия оказывала незначительное влияние лишь в случае алитирования высокопрочной стали на ее сопротивляемость МЦУ для соединения шпилька — гайка.

При испытаниях сопротивляемости коррозионной МЦУ резьбового соединения М8*1,25 использовалась машина ИП —4МУ. При этом крепежные детали устанавливались в ампулу, заполненную коррозионной средой с температурой 200°С и нагружались пульсирующим отнулевым циклом с частотой 0,01 сек-1. При исследованиях было установлено, что в результате предварительной выдержки в коррозионной среде в течение 1500 час. предел МЦУ на базе 104 цикл до разрушения снижался на 20% по сравнению с долговечностью на воздухе. Снижение предела МЦУ стали 38ХНЭМФА в модельной реакторной среде по сравнению с таковым на воздухе составило 20, 25 и 40% для никель—фосфорного, хромового и алюминиевого покрытий соответственно. Испытания резьбового соединения без покрытий и с покрытиями без предварительной коррозионной выдержки, как в модельной реакторной среде, так и на воздухе, показали близкую долговечность.

Следует отметить, что снижение предела МЦУ соединения М8х1,25 в коррозионной среде соответствует долговечности таковых с номинальными диаметрами М100 — М170 на воздухе по данным четвертой главы, что указывает на адекватность влияния среды отрицательному влиянию масштабного фактора на МЦУ резьбового соединения. Однако эти факторы не суммируются при циклическом нагружении резьбового соединения в среде. При наличии коррозионно-стойкого покрытия крепежных деталей МЦУ соединения в среде будет адекватна таковой на воздухе с учетом типоразмера крепежа. При разрушении покрытия крепежа следует учитывать эффект инверсии масштаба соединения, что должно учитываться в инженерных расчетах на прочность.

В шестой главе выполнен комплекс расчетно — экспериментальных исследований влияния нейтронного облучения и температуры на работоспособность крепежных деталей из железоникелевого дисперсионно — твердеющего сплава ХН35ВТ для шпилек и хромоникелевой аустенитной стали 08Х18Н10Т для гаек при малоцикловом нагружении резьбового соединения оборудования АР БН.

В связи со сложностью оценки радиационного ресурса металла крепежных деталей его исследование применительно к более сложному

в части оценки напряженно—деформированного состояния объекту, как резьбовое соединение, выполнялось на основе решения двух задач.

Решение первой задачи связано с моделированием радиационного упрочнения и охрупчивания крепежных материалов путем упрочняющей металл обработки, заключающейся в высокотемпера — турной аустенизации, наклепе и старении.

Решение второй задачи связано с непосредственной расчетно— экспериментальной оценкой работоспособности металла крепежа из ХН35ВТ и 08Х18Н10Т в различном состоянии (исходное и модельное с различным уровнем упрочнения и охрупчивания с учетом дозовой нагрузки при нейтронном облучении) при малоцикловом усталостном нагружении и сопротивляемости деформированию и разрушению резьбового соединения шпилька—гайка в интервале температур 20 — 500°С.

При этом моделировались дозовые нагрузки, максимальные значения которых имеют место при эксплуатации оборудования АР БН (табл.2)

Таблица 2

№ п/п Марка крепежного материала Рф. нетр/см2 т обл.' °с Тип АР БН

1. ХН35ВТ 5,7-1021 450-500 БР-5

2. ХН35ВТ 3,7-1022 390-400 БОР-60

3. 08Х18Н10Т 4-1022 500-590 БР-10

4. 08Х18Н10Т (6,3-6,6)-1022 370-390 БОР-60

Было установлено, что нейтронное облучение металла крепежных деталей изменяет сопротивляемость деформированию и разрушению резьбового соединения М10х1,5 при низкочастотном нагружении. Так, уменьшение отношения пластичности после облучения по критерию удлинения к исходной до значений 0,5 — 0,6 и прирост упрочнения до значений 1,2 — 1,3 для металла моделирующего флюенс 5,7-1021 нейтр/см2 практически не снижает по сравнению с исходным состоянием металла крепежа сопротивляемость резьбового соединения МЦУ. В случае состояния металла крепежных шпилек, моделирующего облучение флюенсом 3,7.1022 нейтр/см2 и имеющего относительные значения пластичности и прочности на уровне 0,25 — 0,30 и 1,6—1,8 соответственно, долговечность резьбового соединения уменьшилась при всех температурах испытания. В наибольшей степени при 500°С. Это, очевидно обусловлено тем, что имело место значительное снижение характеристик пластичности по критерию удлинения при кратковременном растяжении, хотя нагруженность резьбового соединения из высокопрочных вследствие облучения крепежных деталей понизилась на 20 — 25%.

Результаты исследований облученных и модельных материалов крепежных деталей позволяют определение остаточного ресурса резьбового соединения АР БН с учетом величины нейтронного потока, температуры и условий нестационарного нагружения. При этом в случае

СГмах= ЗООМПа в результате нагрузок от предварительного затяга, быстрой аварийной защиты, колебаний уровня натрия и Т=500°С долговечность резьбового соединения, металл шпильки в котором находился в исходном (необлученном) состоянии, составила 220000 цикл до разрушения. В случае металла шпильки, моделирующего облученный после флюенса 3,7-1022 нейтр/см2 долговечность резьбового соединения составила 100000 цикл. Допустим, что циклическая наработка металла шпильки в соединении с гайкой сжатия составила 103 циклов. Нетрудно видеть, что в случае облученного металла шпильки остаточный ресурс резьбового соединения составит 99000 цикл до разрушения. Таким образом, долговечность облучаемого резьбового соединения, УККН которого не превышал 4,0, при температуре 500°С уменьшилась в 2,20— 2,25 раза. При температуре 350°С долговечность резьбового соединения уменьшается в меньшей степени — в 1,4—1,5 раза.

Для гаек фланцевых соединений АР БН по условиям нагружения и режимам эксплуатации имеет место сжатие во всех расчетных сечениях изделия. Для исключения заедания в резьбовом соединении в соответствии с требованиями ГОСТ 23304 — 78 прочность гайки всегда

ниже, чем болта или шпильки. Кроме того, для уменьшения заедания подбор материалов шпильки и гайки производится с учетом величины коэффициента линейного расширения. Материал гайки должен иметь больший коэффициент линейного расширения. В случае Т=350 и 500 °С гайка из стали 08Х18Н10Т имеет величины коэффициента линейного расширения на 10— 12 и 12— 14% соответственно больше по сравнению со сплавом ХН35ВТ. Исследования влияния состояния металла гаек сжатия на МЦУ соединения при Тисп. = 500°С (моделирование флюенса величиной 6,3 —6,6-1022 нейтр/см2) показали, что этот фактор практически не оказывает влияния на сопротивляемость крепежных деталей малоцикловому усталостному разрушению. Это обстоятельство указывает на то, что металл гаек сжатия может иметь более высокую радиационную повреждаемость по сравнению со случаем металла шпилек (в настоящей работе ее превышение составляло 75—80% по данным табл.2).

Определение коэффициентов концентрации деформаций в резьбе крепежных деталей, металл которых подвергался различному термо — радиационному воздействию, при стационарном нагружении резьбового соединения осуществлялось по соотношениям, полученными в четвертой главе. Было установлено, что в случае исходного состояния металла и металла шпильки, моделирующего радиационное упрочнение сплава ХН35ВТ флюенсом 5,7-1021 нейтр/см2 расчетно — экспериментальные значения амплитуд местных деформаций в резьбе находятся в удовлетворительном соответствии с экспериментальными данными для гладких образцов по данным опытов Лава и Куистры.

Расчетно — экспериментальные значения амплитуды местной деформации в случае металла сплава ХН35ВТ, моделирующего радиационное охрупчиванио после облучения флюенсом 3,7-1022 нейтр/см2 при температуре испытания 360...500°С меньше эксперименталных для гладких образцов на 50 — 60% относительно нижней границы полосы разброса в пределах долговечностей 103...104 цикл до разрушения. Причем в наибольшей степени работоспособность резьбового соединения уменьшилась при температуре испытания 500°С, когда

металл шпилек имел минимальные значения отношения

85р / §5 =0,25-0,30.

Анализ данных расчетно —экспериментальной оценки долговечности крепежных деталей при МЦУ резьбового соединения по предложенному в диссертации методу определения коэффициентов концентрации деформаций и расчетных кривых усталости для сплава ХН35ВТ по нормам расчета на прочность оборудования и трубопроводов

атомных энергетических установок показал, что работоспособность резьбовых соединений АР БН в условиях низкочастотного циклического растяжения при Т=350...500°С при использовании металла шпилек после облучения флюенсом 3,7-1022 нейтр/см2 обеспечивается. Минимальные значения коэффициентов запаса прочности по условным местным напряжениям (местным деформациям) составили 3,5 и 3,0 для чисел циклов нагружения 104 и 5 • 104 до разрушения соответственно.

Была также установлена зависимость К£/ан от числа циклов до разрушения резьбового соединения, металл шпильки которого моделировал влияние радиационного фактора и температуры. Наименьшие значения К8/ав были получены для шпилек, металл которых подвергался облучению флюенсом 3,7-1022 нейтр/см2. Следует отметить, что температурный фактор практически не оказывал влияния на концентрацию деформаций в резьбе крепежных шпилек, металл которой подвергался максимальному облучению. Это связано с тем, что основным фактором работоспособности резьбового соединения являлась деформационная способность металла крепежных деталей, величина которой зависит от параметров дозовой нагрузки на компоненты оборудования АР БН.

В седьмой главе рассмотрены основные пути повышения сопротивляемости деформированию и разрушению высокопрочных крепежных деталей при стационарном и нестационарном режимах нагружения резьбовых соединений, излагается схема оптимизации несущей способность таких соединений с использованием структурных диаграмм хрупкой прочности, методов оценки сопротивляемости малоцикловым усталостным и хрупким разрушениям по критериям УККН, коэффициентов концентрации деформаций и интенсивности напряжений для случая трещины во впадине резьбы.

Показана, что основными путями повышения несущей способность крепежных деталей и их соединений являются снижение величины номинальных напряжений, оптимизация геометрии резьбы и конструкции соединения, оптимизация режимов термической обработки и технических требований к изготовлению крепежных деталей из высокопрочных металлических материалов на основе железа, никеля, титана и др., и разработка нового поколения полифун — кциональных высокопрочных и пластичных крепежных материалов применительно к сложным условиям эксплуатации крепежных деталей и их резьбовых соединений.

Предложено оптимизацию несущей способности крепежных деталей и их резьбовых соединений осуществлять в следующей

последовательности: на основании требований проектирования, эксплуатации и норм расчета на прочность выбираются крепежные детали, конструкция резьбового соединения и категория прочности металлических материалов, далее оптимизируется геометрия резьбы (шаг, радиус закругления впадины и угол профиля) и конструкция соединения по критериям статической, хрупкой и малоцикловой усталостной прочности, затем по выбранной геометрии резьбы и конструкции соединения осуществляется оценка допустимых значений КТХ с использованием критериев трещиностойкости, далее из структурных диаграмм хрупкой прочности определяются требования к химическому составу стали и термической обработке заготовок крепежных деталей: необходимая скорость охлаждения стали в процессе закалки и заданные температурно — временные параметры отпуска.

Анализ результатов вышеприведенных направлений повышения сопротивляемости деформированию и разрушению высокопрочных крепежных деталей позволяет предположить, что наиболее перспективным с позиций материаловедения и машиноведения является разработка нового поколения полифункциональных крепежных материалов, обладающих комплексом высоких прочностных характеристик (более, чем в случае КП882) и повышенной деформационной способностью по критериям кратковременного статического растяжения (С75, V|/j, ударной вязкости (KCV), а также малоцикловой усталостной и хрупкой прочности.

Сущность новых полифункциональных крепежных деталей и их резьбовых соединений заключается в создании высоких, комбинированных по структуре металла и крепежной детали, прочностных и пластических характеристик. При этом структура формируется типа бинарной, предполагающей повышенную пластичность металла в поверхностном слое, содержащем концентраторы напряжений и зону возмущения от нагрузки на резьбовое соединение, и высокую прочность металла крепежной детали в центре. Результаты исследований МЦУ соединений со шпильками с моно и бинарной структурой показали различие их долговечности примерно на порядок.

выводы.

1. Разработан и реализован на базе комплексного подхода к оценке сопротивляемости деформированию и разрушению высокопрочных металлических крепежных материалов при стационарном и нестационарном режимах нагружения с учетом напряженно — деформированного состояния, температуры, коррозии и облучения расчетно — экспериментальный метод повышения несущей способности крепежных деталей и их резьбовых соединений оборудования АЭУ с АР ВВЭР и БН по критериям малоцикловой усталостной и хрупкой прочности, заключающийся в оптимизации геометрии резьбы, конструкции соединения, применяемых режимов термической обработки, расчетной оценке коэффициентов запаса по трещино — стойкости и допускаемых значений КТХ металла крепежных деталей и разработке нового поколения — полифункциональных крепежных материалов с высокими, комбинированными по структуре металла и крепежной детали, прочностными и пластическими характеристиками.

2. Предложены методы оценки УККН и КИН для крепежных деталей и их резьбовых соединений применительно к условиям нагружения главного разьема корпуса АР ВВЭР и оборудования АЭУ, а также реализована экспериментальная проверка расчетных соотношений. Значения УККН и КИН в резьбе крепежных деталей и их соединений позволили разработать расчетно—экспериментальный метод оценки ресурса высокопрочного металла крепежа и его соединений при МЦУ по деформационным критериям разрушения и несущей способности при вязких и хрупких разрушениях по критериям трещиностойкости и допустимой КТХ.

3. На основе экспериментальных исследований сопротивляемости высокопрочных крепежных сталей вязкому и хрупкому разрушению получены зависимости вязкости разрушения при обобщенном отрыве К1с от величины температурного запаса по критической температуре хрупкости и при продольном сдвиге Кшс от значений предела текучести и номинального диаметра резьбы. Обоснован метод оценки допустимых значений КТХ по критерию 50% волокна в изломе образцов 11 типа по ГОСТ 9454 — 78 при условии регламентирования ударной вязкости 59 Дж/см2. Установлено, что для гаек сжатия нет необходимости определения КТХ. Обоснован метод оценки коэффициентов запаса по хрупкой прочности при комбинированном действии отрыва и продольного сдвига.

4. Построены структурные диаграммы хрупкой прочности высокопрочных крепежныхСг—Ni—Мо — Усталей, позволяющие при регламенте требований по категории прочности оптимизацию режимов закалки заготовок крепежных деталей за счет интенсификации скоростей охлаждения. Эти диаграммы совместно с методами матема — тического моделирования процесса охлаждения при закалке, разрабо — танными НПО ЦКТИ, позволяют дать практические рекомендации по обеспечению заданных значений КТХ металла крепежных деталей в широком диапазоне значений номинальных диаметров резьбы.

5. Впервые установлена экспериментальная зависимость между пределом МЦУ крепежных деталей и их резьбовых соединений на базе 104 цикл до разрушения и температурным запасом вязкости по КТХ металла крепежных деталей. Она позволяет без сложных и трудоемких опытов на усталость определять предел МЦУ металла крепежа по данным простых испытаний на ударную вязкость в зависимости от конструкции соединения, геометрии резьбы, состояния металла крепежа, а также таких внешних факторов, как среда, температура и др.

6. Проведена комплексная экспериментальная оценка влияния различных факторов на сопротивляемость металла крепежных деталей и их соединений из высокопрочных сталей 25X1МФ и 38ХНЭМФА малоцикловому усталостному деформированию и разрушению. Впервые показана, что повышение сопротивляемости МЦУ возможно лишь при наличии положительного температурного запаса по КТХ. Установлено, что при мягком отнулевом цикле нагружения резьбовых соединений возможно повышение несущей способности для шпилек М110 —М170 и более на базе 104 циклов: при снижении шага резьбы с 6,0 до 4,0 мм на 5 — 9%; при использовании резьб с закругленной впадиной (0,15 — 0,20)Р на 8—10% по отношению к резьбам с (0,08 —0,11)Р. Обосновано применение крепежа с длиной резьбового участка, обеспечивающего длину свинчивания Н/Д=1,0. Показана возможность увеличения сопротивляемости соединения МЦУ за счет применения высокопроч — ных гаек сжатия из стали типа 38ХНЭМФА с пределом текучести 1200 МПа.

7. Предложен и апробирован по результатам испытаний крепежа и его соединений М12, М20, М22, М27, М48, М52, Ml 10 и М170 на МЦУ метод оценки концентрации деформаций в резьбе с учетом перераспределения нагрузки по виткам резьбы, учитывающий циклические свойства применяемых крепежных материалов и геометрию резьбы. Метод позволяет оптимизировать выбор металлических материалов, геометрию резьбы крепежа и конструкцию резьбового соединения по данным аттестационных испытаний гладких образцов в условиях жесткого цикла нагружения.

8. Впервые проведен комплекс экспериментальных исследований влияния таких факторов, как материал защитного покрытия, температура, время экспозиции металла крепежных деталей в реакторной среде, содержащей борную кислоту, щелочь и хлорид натрия повышенной концентрации, на коррозионную стойкость и сопротивляемость деформированию и разрушению высокопрочных крепежных деталей из стали 38ХНЭМФА в условиях МЦУ. Показано, что хромовое и аморфно — микрокристаллическое никель— фосфорное покрытие, полученные ионно — плазменным напылением и химическим осаждением соответственно, обеспечивают защиту крепежных деталей в условиях воздействия высококонцентрированной среды протечек, содержащей борную кислоту, щелочь и хлорид натрия, для ресурса до 3500 час. непрерывного действия.

9. Установлено, что влияние коррозионного фактора на сопротивляемость резьбового соединения шпилька—гайка М8х1,25 из стали 38ХНЭМФА МЦУ в среде протечек 1 контура АР ВВЭР сопоставимо с влиянием масштабного фактора при МЦУ соединения на воздухе. Это указывает, что влияние среды адекватно смещению КТХ металла в область отрицательных значений температурного запаса вязкости при минимальной температуре эксплуатации и тем самым может приводить к снижению сопротивляемости металла крепежа и его соединений МЦУ.

10. Впервые выполнены исследования облученных в АР типе БН(БР —5 и БОР —60) крепежных материалов: железоникелевогс дисперсионно —твердеющего сплава ХН35ВТ и хромоникелевой аустенитной стали 08Х18Н10Т при флюенсе нейтронного потоке 5,7-1021 —6,6-Ю22 нейтр/см2. Разработаны и апробированы режимь: термической и деформационной обработки металла крепежных деталей позволившие смоделировать влияние нейтронного потока на металл у тем самым воспроизвести соответствующие уровни прочности г пластичности с учетом температуры.

11. Выполнен комплекс экспериментальных исследований пс оценке влияния облученного состояния металла крепежных деталей на МЦУ резьбового соединения из модельных высокопрочны? крепежных материалов ХН35ВТ и 08Х18Н10Т в интервале температур 20 — 500°С для оборудования АР БН. Было установлено, что минимальна* работоспособность резьбового соединения имела место при флюенсс нейтронного потока 3,7-1022 нейгр/см2 вследствие упрочнения л повышения склонности к хрупкости металла шпилек сплава ХН35В1

при условии, что 85р/85<0,25.

12. По результатам испытаний на МЦУ резьбовых соединений крепежных деталей: шпилек и гаек, металла которых имел различную прочность и пластичность был развит и апробирован метод оценки концентрации деформаций в резьбе крепежных шпилек с учетом основных закономерностей процесса повреждаемости при нейтронном облучении для циклической упрочняющихся материалов. Было установлено, что минимальная концентрация деформаций в резьбе соединения имела место при флюенсе 3,7- 10м нейтр/см2 на металл шпилек практически независимо от температуры испытания соединения.

13. Исследования гаек сжатия из стали 08Х18Н10Т, подвергнутой максимальной дозовой нагрузке 6,6-1022 нейтр/см2 показали, что их работоспособность в составе резьбового соединения практически не зависит от величины флюенса нейтронного потока в исследуемом интервале его значений и последующего упрочнения. Это связано с тем, что для гаек по условиям нагружения и режимам эксплуатации оборудования АР БН имеет место сжатие во всех расчетных сечениях изделия.

14. На основе разработанных расчетно — экспериментальных методов оценки коэффициентов запаса по трещиностойкости, допускаемых значений КТХ и концентрации деформаций с учетом перераспределения нагрузки по виткам резьбы, циклических свойств применяемых высокопрочных материалов и геометрии резьбы при малоцикловом нагружении резьбового соединения даны рекомендации по повышению несущей способности крепежных деталей и их резьбовых соединений АЭУ за счет применения высокопрочной и пластичной стали типа 38ХНЭМФА, выплавленной по рафинирующей технологии, интенсификации скорости охлаждения крепежных заготовок при закалке, оптимизации шага резьбы, длины свинчивания, применения резьб с закругленной впадиной (0,15 —0,20)Р, подтверждения при изготовлении допустимых значений КТХ по критерию 50% волокна в изломе образцов 11 типа по ГОСТ 9454 — 78, что позволяет одновременно повысить сопротивляемость деформированию и разрушению высокопрочных крепежных деталей и их резьбовых соединений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Горынин В.И. Метод и результаты оценки малоцикловой усталости моделей резьбовых соединений применительно к крепежным изделиям АЭУ - Труды ЦКТИ, 1980, вып. 177, с. 18-23.

2. Горынин В.И., Чижик A.A. Исследование малоцикловой усталости резьбовых соединений сосудов высокого давления. Материалы 1 Всесоюзной научно —технической конференции "Прогрессивные методы повышения прочности крепежных соединений", Уфа, 1981, с. 38-39.

3. Чижик A.A., Горынин В.И. Прикладные вопросы механики разрушения резьбовых соединений. Физико-химическая механика материалов, 1981, N 3, с. 77-82.

4. Горынин В.И. Влияние геометрии резьбы на надежность крепежных деталей энергетического оборудования. — Труды ЦКТИ, 1982, вып. 192, с. 98-104.

5. Горынин В.И., Кондратьев С.Ю. Оценка сопротивления фланцевого резьбового соединения хрупкому разрушению с учетом условий эксплуатации. — Передовой опыт, 1986, N 1, с. 16—19.

6. Горынин В.И., Кондратьев С.Ю. Определение концентрации напряжений в метрической резьбе. — Проблемы прочности, 1986, N 9, с. 29-31.

7. Горынин В.И., Шумилова З.А. Малоцикловая усталость высокопрочных крепежных шпилек с различной геометрией резьбы и сопротивляемостью хрупкому разрушению. — Судостроительная промышленность, серия: "Металловедение, Металлургия." 1986, вып.З., с. 14-24.

8. Горынин В.И., Филатов В.М. Концентрация деформаций в резьбе крепежных деталей при малоцикловом нагружении. Материалы 4 Всесоюзного симпозиума "Малоцикловая усталость — критерии разрушения и структура материалов", 1987, с. 59—61.

9. Горынин В.И. Вопросы повышения сопротивления малоцикловой усталости шпилек сосудов высокого давления. — Проблемы прочности, 1987, N 10, с. 40-46.

10. Горынин В.И., Шумилова З.А. Малоцикловая усталость высокопрочных крепежных гаек сжатия. Судостроительная промышленность, серия "Титан", 1987, вып. 3, с. 23 — 28.

11. Горынин В.И., Назаров АЛ, Фармаковский Б.В., Хинский А.П.

Вопросы коррозионной стойкости аморфных сплавов. Судостроительная промышленность, серия: "металловедение, металлургия", 1987, вып. 6., с. 19 — 26.

12. Горынин В.И. Предотвращение хрупких разрушений высокопрочных крепежных деталей энергетического оборудования. — ЛДНТП, Л., 1988, 23с.

13. Горынин В.И., Кондратьев С.Ю., Зотов О.Г. Сопротивляемость высокопрочной стали 38ХНЭМФА хрупкому разрушению при циклическом нагружении. Передовой опыт, 1988, N 7, с. 54 — 56.

14. Горынин В.И., Кондратьев С.Ю., Зотов О.Г. Необходимая критическая температура хрупкости — параметр оценки сопротивления хрупкому разрушению резьбового соединения. Передовой опыт, 1988, N 12, с. 58-60.

15. Горынин В.И., Чижик A.A. О коэффициенте интенсивности напряжений для крепежной метрической резьбы. Проблемы прочности, 1989, N 3, с. 40-43.

16. Горынин В.И., Фармаковский Б.В., Хинский А.П., Чижик АА

Коррозионная стойкость конструкционных аморфных сплавов. — Сб. научных трудов "Радиационная повреждаемость и работоспособность материалов ядерных энергетических установок", Л., 1989, с. 63 — 73.

17. Горынин В.И., ЧижикАА Малоцикловая усталость высокопрочных крепежных соединений с метрической резьбой. Вестник машиностроения, 1990, N 10, с. 40-43.

18. Горынин В.И., Сахаров В.М., Чижик АА. Оценка мало цикловой усталости высокопрочных крепежных соединений с учетом конструк—

тивно — технологического состояния металла резьб. Судостроительная промышленность. Серия: Материаловедение, 1990, вып. 13, с. 36—43.

19. Горынин В.И., Кондратьев С.Ю. Влияние склонности металла и хрупкости на малоцикловую усталость резьбового соединения. Доклады 11 международного коллоквиума "Механическая усталость металлов". - К.: Наукова думка, 1991, с. 101-103.

20. Горынин В.И. Критическая температура хрупкости высокопрочной стали для крепежных деталей энергетического оборудования под давлением. Проблемы прочности, 1991, N 5, с. 35 — 37.

21. Горынин В.И., Чижик АА. Выбор режима термической обработки для высоконагруженных крепежных резьбовых деталей с повышенным ресурсом. - МиТОМ, 1991, N 7, с. 38-41.

22. Gorynin V.J., Kondratiyev S.J. Reactor Thread — Joint Métal with Corrosion Résistant Coating Material Low Cycle Fatigue. SMiRTll, Transaction vol. F (August 1991), Tokyo, Japan, 1991, p. 389-394.

23. Gorynin V.J., Kondratiyev S.J., Timofeev B.T. Serviceability Estimation of fastReactor EquipmentFastener Métal SMiRT12, Transaction Vol. E (August 1993), Stutgart, Germany, 1993, p. 71-76.

24. Вердина А.Б., Горынин В.И., Назаров АА, Фармаковский Б.В., Хинский А.П. О коррозионной стойкости металлических стекол. Судостроительная промышленность. Серия — Материаловедение. Металловедение, Металлургия, 1989, вып. 12, с. 23 — 31.

25. Власов Е.В., Горбаконь А.С., Горынин В.И. Суворов С.А., Фармановский Б.В. Коррозионная стойкость и малоцикловая усталость резьбового соединения с антикоррозионным покрытием для реакторов с борированной водой. Судостроительная промышленность. Серия — Материаловедение: "Металловедение, Металлургия", 1991, вып. 18, с. 8-14.

По теме диссертации получены авторские свидетельства и патенты на изобретения.