Granica plastyczności vs wytrzymałość na rozciąganie w śrubach: co rządzi wstępnym naprężeniem, co zerwaniem

Która liczba jest granicą projektową, a która granicą zerwania

Norma gatunku nie daje jednej wytrzymałości; daje dwie, na różnych poziomach. Dla klas ISO 898-1 nominalne Rm wynosi 800, 1000 i 1200 MPa dla 8.8, 10.9 i 12.9, a nominalne Rp0.2 — 640, 900 i 1080 MPa dla tych samych trzech klas ^{20, 24}. Wartości minimalne mają tę samą kolejność: 8.8 to 800 MPa rozciągania przy 640 MPa granicy plastyczności, 10.9 to 1040 przy 940, a 12.9 to 1220 przy 1100 ²⁰. Ta luka to sedno sprawy. Rp0.2 oznacza punkt, w którym śruba zaczyna deformować się trwale, i jest więc sufitem dla wszystkiego, co robisz ze śrubą podczas dokręcania — wstępne naprężenie żyje poniżej. Rm oznacza naprężenie, przy którym śruba faktycznie pęka, i jest więc granicą obciążenia, które połączenie może przenieść w eksploatacji ^{20, 24}. Wymiarowanie połączenia wyłącznie po Rm to wymiarowanie normalnej eksploatacji na złej liczbie: śruba popłynie na długo przed osiągnięciem wartości projektowej. Jedno zastrzeżenie, zanim użyjesz którejkolwiek z tych liczb. Kolumny wartości nominalnych i minimalnych to nie to samo, i projekt, który cytuje "1000 MPa" dla śruby 10.9, cytuje wartość nominalną, podczas gdy norma gwarantuje 1040 MPa minimalnie ^{20, 24}. Ustal, której kolumny używa Twoje obliczenie, i zaznacz to na rysunku.

Porównywać gatunki po pełnym zbiorze właściwości, nie po samej wytrzymałości

Czytanie tabeli w dół pokazuje kompromis. Każdy stopień klasy kupuje około 200 MPa rozciągania i 300 MPa granicy plastyczności, a oddaje minimalne wydłużenie i przewężenie ²⁰. Wydłużenie spada z 12% przy 8.8 do 8% przy 12.9, a przewężenie z 52% do 44% ²⁰. Te dwie liczby opisują, jak bardzo śruba rozciąga się i przewęża przed zerwaniem — rezerwę, która pozwala połączeniu redystrybuować obciążenie zamiast pękać. Śruba 12.9 jest mocniejsza i mniej wybaczająca, i norma mówi to w tej samej tabeli, która podaje jej wytrzymałość ²⁰.

Ustalić cel wstępnego naprężenia, gdy moment to w większości tarcie

Wstępne naprężenie trzyma połączenie w całości — i jest jedyną wielkością, której nie odczytasz z tabeli gatunku. Powód jest mechaniczny: gdy śruba schodzi po helisie gwintu, ruch obrotowy staje się liniowym rozciągnięciem, ale większość przyłożonego momentu jest zużywana na pokonanie tarcia, a nie na rozciąganie śruby. Jeden z rozbiorów zapisuje tylko około 10% momentu wejściowego na wstępne naprężenie, przy czym około 50% pochłania tarcie pod łbem, a około 40% tarcie w gwincie ¹³. Ten podział tłumaczy, dlaczego ten sam moment daje różne wstępne naprężenia na dwóch nominalnie identycznych połączeniach. Zmienisz smar — zmienia się tarcie, a wraz z nim przesuwa się wstępne naprężenie; smar o niskim tarciu redukuje moment potrzebny do tej samej wartości naprężenia ¹³. Tam gdzie siła skręcająca jest wyspecyfikowana, współczynnik tarcia staje się parametrem sterowanym, a nie przypadkiem wykończenia powierzchni. Badanie moment-naprężenie według ISO 16047 mierzy współczynnik K, z typowym celem µ = 0.12-0.18 dla układów smarowanych ¹⁴. Traktuj więc cel wstępnego naprężenia jako problem momentu sterowanego tarciem. Zapytaj dostawcę, jaki współczynnik tarcia zakłada podany moment i czy został on zwalidowany na rzeczywistym połączeniu, a nie na ogólnej tabeli.

Wybrać podstawę projektową dla wstępnego naprężenia i dla obciążenia granicznego

Potrzebujesz dwóch oddzielnych sprawdzeń, bo wstępne naprężenie i zerwanie są ograniczane przez różne wartości. Wstępne naprężenie musi pozostać poniżej granicy plastyczności, więc Rp0.2 jest liczbą, która nią rządzi; obciążenie graniczne, które połączenie może przenieść, jest ograniczone przez Rm ^{20, 24}. Przyjęcie współczynnika bezpieczeństwa względem złej wartości to typowy błąd — współczynnik przyłożony do Rm wygląda hojnie, podczas gdy śruba już płynie. Jedna z szeroko krążących metod ustala wstępne naprężenie jako wytrzymałość na rozciąganie podzieloną przez współczynnik bezpieczeństwa 2-3, co dla śruby 800 MPa przy współczynniku 2 daje 400 MPa ⁷. To metoda naprężenia rozciągającego jednego producenta. I warto wiedzieć, że pozostaje w konflikcie z podejściem tarciowym z poprzedniej sekcji: wywodzi wstępne naprężenie z Rm, podczas gdy dowody dotyczące momentu mówią, że faktycznie uzyskane naprężenie wyznacza tarcie ^{7, 13}. Nie są zamienne, a źródła ich nie godzą. Co możesz zrobić, to utrzymać podstawy wprost. Określ, czy Twoja wartość wstępnego naprężenia to udział granicy plastyczności, udział obciążenia kontrolnego, czy dzielenie przez wytrzymałość na rozciąganie, i określ, której wartości używa Twoje sprawdzenie na obciążenie graniczne. Jeśli specyfikacja klienta nazywa regułę wstępnego naprężenia, ta reguła rządzi; źródła tutaj nie ustanawiają domyślnej.

Czy wyższy gatunek kupuje trwałość zmęczeniową

Zmęczenie to miejsce, w którym stopień klasy przestaje się opłacać. Granica zmęczenia dla śrub ze stali stopowych z gwintem walcowanym jest raportowana na około 7-12% wytrzymałości na rozciąganie, przy współczynniku koncentracji naprężeń u dna gwintu Kt = 3.5-4.5 ¹⁷. To liczba z poradnika, a nie wartość narzucona normą, ale kierunek jest jasny: naprężenie, które śruba toleruje w obciążeniu cyklicznym, to mały ułamek liczby na łbie. Kształt gwintu przesuwa trwałość zmęczeniową bardziej niż klasa. Gwinty walcowane dają według raportów około 2-3 razy większą trwałość zmęczeniową niż gwinty cięte, bo walcowanie zgnębia na zimno dno gwintu i pozostawia je w szczątkowych naprężeniach ściskających ¹⁷. Wstępne naprężenie też pomaga, inną drogą: wyższe naprężenie średnie z wstępnego naprężenia redukuje amplitudę naprężeń zmiennych, którą widzi śruba. Obciążenie cykliczne jest wtedy dzielone z dokręconymi częściami zamiast cyklicznie obciążać śrubę ¹⁷. Wyższe klasy stają się ponadto bardziej wrażliwe na karby w miarę twardnienia, co działa przeciwko zmęczeniu, a nie za nim ²⁴. Jeśli Twoje połączenie jest krytyczne zmęczeniowo, właściwe pytania dotyczą trasy produkcji gwintu i kontroli wstępnego naprężenia, a nie tego, czy 12.9 bije 10.9.

Wykluczyć najwyższe klasy w środowisku wodorowym lub korozyjnym

W środowisku nasyconym wodorem użyteczne naprężenie to ułamek granicy plastyczności, i ten ułamek kurczy się wraz ze wzrostem klasy. Naprężenie progowe raportuje się na 60-85% granicy plastyczności dla klasy 10.9 wobec 40-65% dla klasy 12.9 w tych samych warunkach wodorowych ⁹. Mocniejszy gatunek ma więc mniejsze bezpieczne okno — odwrotność tego, co sugeruje tabela wytrzymałości. Raportowanym mechanizmem jest twardość: klasa 10.9 mieści się w 32-39 HRC, w opisywanej jako przejściowa strefie podatności, podczas gdy klasa 12.9 jest twardsza i toleruje mniej wodoru wewnętrznego przed zainicjowaniem pęknięcia ⁹. Klasę 12.9 opisuje się też jako bardziej wrażliwą na karby, korozję naprężeniową i kruchość wodorową, co ogranicza ją do szczególnych konstrukcji ²⁴. Klasa 14.9 idzie jeszcze dalej — wypada poza zakres ISO 898-1, który kończy się na 12.9, a galwanizowanie jest dla niej typowo zakazane, pozostawiając tylko powłoki nieelektrolityczne ²⁷. Dla połączenia narażonego na wodór praktycznym ruchem jest sprawdzenie, czy śruba 10.9 o większej średnicy przeniesie obciążenie, zanim sięgniesz po 12.9. Tę wymianę przedstawia jako strategię redukcji ryzyka źródło, które ją proponuje, nie wymóg normowy ⁹.

Co certyfikat musi wykazać, zanim przyjmiesz ofertę

Projekt opiera się na wartościach minimalnych, więc dokumentacja musi wykazywać wartości minimalne. Obciążenie kontrolne, granica plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie to odrębne wartości normatywne, i nie każda norma specyfikuje wszystkie trzy — SAE J429 pomija na przykład granicę plastyczności na rzecz obciążenia kontrolnego ¹¹. Jeśli Twoje obliczenie używa Rp0.2, certyfikat raportujący wyłącznie obciążenie kontrolne go nie weryfikuje.

• Potwierdzić, że certyfikat raportuje minimalne Rm i minimalne Rp0.2 dla klasy, a nie wartości nominalne.
• Sprawdzić, wg której normy wystawiono certyfikat i czy ta norma w ogóle określa granicę plastyczności.
• Dla wysokowytrzymałościowych łączników narażonych na wodór wymagać badania obciążeniem długotrwałym na 75% wytrzymałości na zerwanie z karbem lub obciążenia kontrolnego przez co najmniej 200 godzin, bez dopuszczonych uszkodzeń.
• Gdzie połączenie jest krytyczne, zapytać o współczynnik kruchości z obciążenia schodkowego inkrementalnego — powyżej 0.60 dla ogólnego zastosowania, powyżej 0.75 dla zastosowań krytycznych.
• Dla pracy w podwyższonej temperaturze lub korozyjnej zapytać, jakiej utraty wstępnego naprężenia dostawca się spodziewa w interwale eksploatacji i jaki interwał przeglądów zaleca.

Gdzie źródła się różnią

Dwie rozbieżności dotykają podstawy projektowej, i żadna nie jest rozstrzygnięta przez źródła tego zestawu. Pierwsza dotyczy tego, jak w ogóle należy wywodzić wstępne naprężenie; druga — czy liczby, po których projektujesz, są nominalne czy minimalne.

Najczęściej zadawane pytania

Strony powiązane

• Co naprawdę kodują klasy wytrzymałości śrub 8.8, 10.9 i 12.9 — i kiedy wysoka wytrzymałość przestaje być właściwym wyborem
• Oznaczenia na łbie śrub: co obiecują linie, cyfry i litery — i jak zweryfikować klasę wytrzymałości przed przyjęciem partii
• Obciążenie dowodne a granica plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie przy doborze śrub: co rozstrzyga zestaw źródeł
• Dobór klasy śruby: ISO 898-1 8.8/10.9/12.9 w porównaniu z ASTM A307 i A325
• Kruchość wodorowa śrub wysokowytrzymałych: które klasy wymagają zabezpieczeń, jakie powłoki i wygrzewanie są akceptowalne i czego żądać przed zapytaniem ofertowym