Классы прочности стали и категория качества по хладостойкости

Выход из строя резьбовых соединений при чрезмерной затяжке может произойти из-за разрушения стержня болта или из-за срыва резьбы гайки и/или болта.

Болт или винт в сборе с гайкой соответствующего класса предназначены для создания соединений, которые можно затянуть до установленного значения пробной нагрузки болта без срыва резьбы. Пробная нагрузка обычно составляет 85-95% от предела текучести и определяется как максимальное растягивающее усилие, которое можно приложить к болту и которое не приведет к его пластической деформации.

Значение крутящего момента для конкретного размера болта зависит от:

1. Материала и класса прочности болта.
2. Материала соединяемых деталей (сталь, цветной металл или пластик).
3. Наличия или отсутствия антикоррозийного покрытия у винта.
4. Является ли крепеж сухим или в смазке.
5. Длины резьбы.

Таблицы ниже даны только для ознакомления, так как приведенные в них значения являются приблизительными. Из-за множества факторов, влияющих на соотношение крутящего момента и натяжения, единственный способ определить правильный крутящий момент — это провести эксперименты в реальных условиях соединения и сборки.

Таблица 1. Моменты затяжки – винт (болт) без покрытия (черный), коэффициент трения 0,14.

Крупная резьба

Мелкая резьба

Таблица 2. Моменты затяжки – винт электролитически оцинкованный, коэффициент трения 0,125.

Крупная резьба

Мелкая резьба

Определение момента затяжки

Динамометрическим ключом

Подбор этого инструмента должен осуществляться так, чтобы затяжной момент на крепежном элементе был на 20-30% меньше, нежели значение максимального момента на используемом ключе. Если попытаться превысить допустимый лимит, то инструмент может легко сломаться.

Затяжное усилие и марка материала должны присутствовать на каждом изделии, способы расшифровки маркировки описаны выше.

Чтобы выполнить вторичную протяжку болтов, следует придерживаться следующих рекомендаций:

1. Точно знать значение необходимого затяжного усилия.
2. Выполняя контрольную проверку затяжки, необходимо выставлять усилие и проверять по кругу каждый крепежный элемент.
3. Запрещается пользоваться динамометрическим ключом как обычным, его не стоит использовать для закрутки деталей, гаек и болтов, чтобы получить лишь примерное усилие. Его стоит использовать для выполнения контрольной протяжки.
4. У динамометрического ключа должен быть запас для измерения момента усилия.

Что происходит при затягивании болта?

Прилагаемый к гайке крутящий момент, заставляет ее скользить вверх по наклонной плоскости резьбы. При этом уменьшается расстояние между опорными поверхностями болта и гайки. Этот размер представляет собой длину захвата болтового соединения.

При дальнейшей затяжке на болт действует нагрузка на растяжение. Его материал, чаще всего сталь, сопротивляется этому этому растяжению и создает усилие зажима на скрепляемых компонентах. Точно так же материалы подложки сопротивляются сжатию, чтобы сбалансировать давление зажима. Создаваемое напряжение называется предварительным натягом крепежа

.

Конструктивные соединения, относящиеся к категории ответственных, требуют затяжки до определенного крутящего момента для обеспечения правильного предварительного натяга.

• Правильно затянутый болт
  немного растягивается, но не выходит за область своей упругой деформации. Находясь под постоянным напряжением, он сохраняет усилие затяжки и проявляет устойчивость к усталостному разрушению.
• Чрезмерно затянутый болт
  растягивается за границы упругого удлинения, что приводит к его необратимой пластической деформации и последующему разрушению.
• Недостаточно затянутый болт
  допускает незначительный зазор между соединяемыми заготовками, который будет увеличиваться после постоянной динамической нагрузки или других рабочих нагрузок. Зазор в соединении означает отсутствие предварительного натяжения, что неизбежно приведет к разрушению соединения.

Таким образом, момент затяжки — это оптимальный крутящий момент, приложенный к гайке, чтобы болт мог надежно удерживать нагрузку, не деформируясь и не ломаясь. Единица измерения в системе СИ: Н·м (Ньютон-метр).

Момент силы предварительной затяжки резьбового соединения является расчетным значением и составляет 75-80% от величины пробной нагрузки. Последняя же служит в качестве контрольного показателя, который винт должен выдержать в ходе испытаний. Если вы превысите значение пробной нагрузки при затягивании, вы рискуете вывести из строя крепежный элемент.

Расчет нагрузки на болт

Маркировка головки болта обычно содержит следующие данные:
— клеймо завода изготовителя (JX, THE, L, WT, и т.п.); — класс прочности; — стрелка «против часовой стрелки» (если левая резьба).

Первая цифра обозначает номинальное временное сопротивление (предел прочности на разрыв): 1/100 Мпа (1/100 Н/мм2; ~1/10 кг/мм2). Пример: (класс прочности 9.8) 9*10=900 Мпа (900 Н/мм2; 91,71 кг/мм2).

Вторая цифра обозначает процентное отношение предела текучести к временному сопротивлению (пределу прочности на разрыв): 1/10%. Пример: (класс прочности 9.8) 9*8=720 Мпа (720 Н/мм2; 73,37 кг/мм2).

Значение предела текучести — это максимально допустимая рабочая нагрузка болта, при превышении которой происходит невосстанавливаемая деформация. При расчётах нагрузки используют 1/2 или 1/3 от предела текучести, с двукратным или трёхкратным запасом прочности соответсвенно.

По действующей международной классификации к высокопрочным болтам относятся изделия, временное сопротивление которых больше или равно 800 Мпа (800 Н/мм2; 81,52 кг/мм2). Соответсвенно начиная с 8.8 для болтов и 8 для гаек.

Примеры текучести материала

Примером может послужить обычная кухонная вилка. Изогнув её в одном направлении, можно получить совершенно другой предмет, значит нарушилась ее текучесть, что привело к деформации. Материал при этом только деформировался, но не сломался, что свидетельствует о большой степени упругости стали. Вывод: максимальная прочность намного выше текучести.

Другое кухонное оборудование, например нож, сломается при попытках изменить его форму. Вывод: у ножа одинаковая сила текучести и прочности, такое изделие можно назвать хрупким, несмотря на то, что оно изготовлено из стали.

Аналогичным практическим примером может послужить вкручивание гайки: сам болт увеличивает длину только после определенного действия над ним. При неблагоприятном исходе эксперимента может состояться срыв резьбы на креплении.

Можно просмотреть тематический ролик, который покажет способ испытания болтов.

Процент удлинения — это среднестатистический показатель, который демонстрирует длину деформированной детали еще до начало поломки. Образно, можно называть такого рода болты гибкими, имея ввиду именно способность к удлинению.

Техническая терминология на этот счет довольно простая: относительное удлинение — это не что иное, как процент увеличения образца по сравнению с первоначальным размером.

Еще одно преимущество предварительного натяга

При первом взгляде на болтовой узел создается впечатление, что резьбовой крепеж сам несет все нагрузки, действующие извне в процессе эксплуатации. Но это не так. Когда к предварительно нагруженному соединению, прикладывается внешняя нагрузка, болт воспринимает неполное ее действие, а обычно только небольшую ее часть. Когда же рабочая нагрузка прикладывается к крепежному узлу, который не был предварительно нагружен, вся величина нагрузки ложится только на болт, что повышает вероятность его отказа.

Но это правило работает только в том случае, когда дополнительные внешние нагрузки не превышают предварительную нагрузку болтов, в противном случае нагрузка на резьбовой крепеж возрастает.

Твердость материала

Твёрдость по Бринеллю – это характеристика, которая позволяет определить твёрдость материала.

Крепежи из нержавеющий стали тоже оснащены специальной маркировкой на верхушке крепления.

Вид стали А2 или А4 и предел прочности — 50, 70, 80, примеры: А2-70, А4-80. На крепления, которые имеют четко выраженную резьбу, наноситься цветная маркировка для A2 – зеленым цветом, для A4 – красным. Значение для предела текучести не указывается.

Например, значение 70 – самое стандартное и демонстрирует максимальную прочность крепежа из нержавеющей стали.

Максимальная текучесть для нержавеющих метизов, часто лишь справочное значение.

Текучесть в данном случае будет составлять 250 Н/мм2 для A2-70 и около 300 Н/мм2 для A4-80.

Приблизительное увеличение при этом будет не больше чем 40%. Иными словами, данный вид стали отменно меняет форму перед тем, как произойдёт непоправимая деформация.

Старые отечественные методы измерения по ГОСТ-у не позволяли уделить должное внимание максимально допустимым нагрузкам на болты, поэтому выпускаемые метизы были значительно ниже по качеству относительно современных.

Пример, чтобы максимально точно рассчитать нагрузку на материал, используя классификацию прочности:

Роль сил трения и смазки в соединении

Для определения затягивающего усилия используются несколько специальных методов расчета, учитывающих не только класс прочности и диаметр резьбы винта, но и влияние гальванических покрытий, специальных смазочных материалов или эффект твердых и гладких сопрягаемых поверхностей и т. д.

Следует иметь в виду, что табличные данные являются грубым расчетом, не учитывающим сколько в реальных условиях сборки будет потеряно крутящего момента из-за трения.

При сухой сборке и грубых поверхностях приблизительно 90% приложенного крутящего момента приходится на преодоление сил трения: 50% на опорную поверхность гайки и 40 % между сопрягаемыми витками резьбы. Таким образом, для создания напряжения используется всего порядка 10% усилия затяжки.

Но выход найден! — Уменьшить трение за счет смазки. При смазанной резьбе потребуется на 15-25% меньший крутящий момент для достижения того же напряжения, кроме того, это снизит вероятность поломки крепежного изделия во время установки и продлит срок его службы. Производители смазочных материалов обычно указывают значение коэффициента трения крепежа, который обеспечивает смазка.

Также можно использовать болты с заданным коэффициентом трения, например, с цинковым покрытием, которое снижает сопротивление при завинчивании.

Как пользоваться таблицей

Зная проектные значения разрушающей нагрузки, воздействующей на крепеж и соединительный узел в целом, можно легко подобрать нужные вариации типоразмеров болтов. Например, для показателя разрушающей нагрузки в 32 Кн существует несколько подходящих точек пересечения строк и столбцов:

• 35,3 Кн – болт М7 класса прочности 12.9;
• 32,9 Кн – болт М8 класса прочности 9.8;
• 34,8 Кн – болт М10 класса прочности 6.8;
• 33,7 Кн – болт М12 класса прочности 4.6.

Все болтовые стержни с резьбой от М14 уже справляются с заданной нагрузкой независимо от класса прочности. Таким образом, если речь идет о компактном соединении с ограниченным местом под монтаж болтового крепежа, необходимо подбирать метизы повышенного класса прочности с меньшим диаметром, а возможно, и длиной. В противном случае можно задействовать более массивные болты обычной прочности.

Таблица «Разрушающие нагрузки для болтов» может применяться и в обратном порядке, если возникла необходимость уточнить эксплуатационные возможности болтов в наличие. Для этого используется информация в сопроводительной документации к крепежу или маркировка класса прочности на головке болтов и фактический диаметр резьбы стержня.