Предел текучести vs предел прочности у болтов: что определяет предварительную затяжку, что — разрыв

Какое число является расчетной границей, а какое — границей разрыва

Норма на класс дает не одну прочность, а две, на разных уровнях. Для классов ISO 898-1 номинальное Rm составляет 800, 1000 и 1200 МПа для 8.8, 10.9 и 12.9, а номинальное Rp0.2 — 640, 900 и 1080 МПа для тех же трех классов ^{20, 24}. Минимальные значения следуют в том же порядке: 8.8 — 800 МПа на растяжение против 640 МПа текучести, 10.9 — 1040 против 940, 12.9 — 1220 против 1100 ²⁰. Этот зазор — суть вопроса. Rp0.2 отмечает, где болт начинает необратимо деформироваться, и является потолком для всего, что вы делаете с болтом при затяжке — предварительная затяжка живет ниже него. Rm отмечает напряжение, при котором болт действительно разрушается, и является границей нагрузки, которую соединение способно нести в эксплуатации ^{20, 24}. Размерить соединение только по Rm — значит размерить нормальную эксплуатацию по неверному числу: болт потечет задолго до достижения расчетной величины. Одно предостережение, прежде чем пользоваться любой из двух цифр. Колонки номинальных и минимальных значений — не одно и то же число, и расчет, приводящий "1000 МПа" для болта 10.9, приводит номинал, тогда как стандарт гарантирует минимум 1040 МПа ^{20, 24}. Определите, какую колонку использует ваш расчет, и укажите это на чертеже.

Сравнивать классы по полному набору свойств, а не только по прочности на растяжение

Чтение таблицы сверху вниз показывает компромисс. Каждый шаг по классу покупает примерно 200 МПа прочности и 300 МПа текучести и отдает минимальное удлинение и сужение ²⁰. Удлинение падает с 12% у 8.8 до 8% у 12.9, сужение — с 52% до 44% ²⁰. Эти два числа описывают, насколько болт тянется и шейкует перед разрывом — резерв, который позволяет соединению перераспределять нагрузку вместо растрескивания. Болт 12.9 прочнее и менее снисходителен, и стандарт говорит об этом в той же таблице, где дает его прочность ²⁰.

Задать цель затяжки, когда момент — это в основном трение

Соединение держит предварительная затяжка, и это единственная величина, которую нельзя прочитать из таблицы класса. Причина механическая: когда болт спускается по винтовой линии резьбы, вращение превращается в линейное растяжение, но большая часть приложенного момента тратится на преодоление трения, а не на растяжение болта. Одна из раскладок относит к затяжке лишь около 10% входного момента, при этом около 50% поглощает трение под головкой и около 40% — трение в резьбе ¹³. Это распределение объясняет, почему один и тот же момент дает разную затяжку на двух номинально одинаковых соединениях. Смените смазку — изменится трение, и затяжка сдвинется вместе с ним; низкотрикционная смазка снижает момент, нужный для той же затяжки ¹³. Там, где сила зажима задана, коэффициент трения становится управляемым параметром, а не случайностью отделки поверхности. Испытание момент-натяжение по ISO 16047 измеряет K-фактор, с типовой целью µ = 0.12-0.18 для смазанных систем ¹⁴. Поэтому относитесь к цели затяжки как к трением управляемой моментной задаче. Спросите поставщика, какой коэффициент трения предполагает указанный момент и был ли он валидирован на реальном соединении, а не по общей таблице.

Выбрать расчетную базу для затяжки и для предельной нагрузки

Нужны две отдельные проверки, потому что затяжка и разрыв ограничены разными значениями. Затяжка должна оставаться ниже текучести, значит Rp0.2 — число, которое ею управляет; предельная нагрузка, которую соединение может нести, ограничена Rm ^{20, 24}. Взять запас прочности от неверного значения — типичная ошибка: коэффициент, приложенный к Rm, выглядит щедро, пока болт уже течет. Один из широко гуляющих методов задает затяжку как прочность на растяжение, деленную на коэффициент запаса 2-3, что для болта 800 МПа при коэффициенте 2 дает 400 МПа ⁷. Это метод растягивающего напряжения одного производителя. И стоит знать, что он конфликтует с фрикционным подходом предыдущего раздела: он выводит затяжку из Rm, тогда как моментные данные говорят, что фактически полученная затяжка определяется трением ^{7, 13}. Они невзаимозаменяемы, и источники их не примиряют. Что можно сделать — держать базы явными. Укажите, является ли ваша цифра затяжки долей текучести, долей пробной нагрузки или делением прочности на растяжение, и укажите, какое значение использует ваша проверка по предельной нагрузке. Если спецификация заказчика называет правило затяжки, действует оно; здешние источники правила по умолчанию не устанавливают.

Покупает ли более высокий класс усталостный ресурс

Усталость — то место, где шаг по классу перестает окупаться. Предел выносливости болтов из легированной стали с накатанной резьбой сообщается на уровне примерно 7-12% прочности на растяжение, при коэффициенте концентрации напряжений у дна резьбы Kt = 3.5-4.5 ¹⁷. Это цифра из руководства, а не нормируемое значение, но направление ясно: напряжение, которое болт терпит в циклической эксплуатации, — малая доля числа на головке. Форма резьбы двигает усталостный ресурс сильнее класса. Накатанная резьба, по сообщениям, дает примерно в 2-3 раза больший усталостный ресурс, чем нарезанная: накатка наклепывает дно резьбы на холодную и оставляет его в сжимающих остаточных напряжениях ¹⁷. Помогает и затяжка, другим путем: более высокое среднее напряжение от затяжки снижает амплитуду переменного напряжения, которую видит болт. Циклическая нагрузка делится с зажатыми деталями вместо того, чтобы нагружать сам болт ¹⁷. Более высокие классы вдобавок становятся чувствительнее к надрезам по мере упрочнения — это играет против усталости, а не за нее ²⁴. Если ваше соединение критично по усталости, правильные вопросы — о способе производства резьбы и контроле затяжки, а не о том, превосходит ли 12.9 десятую девятку.

Исключить верхние классы в водородной или коррозионной службе

В насыщенной водородом среде используемое напряжение — доля текучести, и эта доля сжимается с ростом класса. Пороговое напряжение сообщается как 60-85% текучести для класса 10.9 против 40-65% для класса 12.9 при тех же водородных условиях ⁹. Более прочный класс имеет, значит, меньшее безопасное окно — противоположность тому, что подсказывает таблица прочности. Сообщаемый механизм — твердость: класс 10.9 лежит в 32-39 HRC, в описываемой как переходная зона восприимчивости, тогда как класс 12.9 тверже и терпит меньше внутреннего водорода до зарождения трещины ⁹. Класс 12.9 описывается также как более чувствительный к надрезам, коррозионному растрескиванию под напряжением и водородному охрупчиванию, что ограничивает его особыми конструкциями ²⁴. Класс 14.9 идет еще дальше — он вне области действия ISO 898-1, которая заканчивается на 12.9, и гальваника ему обычно запрещена, оставляя только неэлектролитические покрытия ²⁷. Для соединения, подверженного водороду, практический ход — проверить, вынесет ли нагрузку болт 10.9 большего диаметра, прежде чем браться за 12.9. Этот обмен подается как стратегия снижения риска тем источником, который его предлагает, а не как нормативное требование ⁹.

Что должно показать свидетельство, прежде чем вы примете котировку

Расчет опирается на минимальные значения, значит документация должна показывать минимальные значения. Пробная нагрузка, предел текучести и предел прочности — отдельные нормативные величины, и не всякий стандарт задает все три — SAE J429, например, опускает текучесть в пользу пробной нагрузки ¹¹. Если ваш расчет использует Rp0.2, свидетельство, сообщающее только пробную нагрузку, его не верифицирует.

• Подтвердить, что свидетельство сообщает минимальные Rm и минимальное Rp0.2 для класса, а не номинальные значения.
• Проверить, по какому стандарту выдано свидетельство и задает ли этот стандарт текучесть вообще.
• Для высокопрочного крепежа, подверженного водороду, требовать испытание длительной нагрузкой на уровне 75% прочности на разрушение с надрезом или пробной нагрузки не менее 200 часов без допущенных отказов.
• Где соединение критично, запросить коэффициент охрупчивания из ступенчатого возрастающего нагружения — выше 0.60 для общего применения, выше 0.75 для критических применений.
• Для службы при высокой температуре или в коррозии спросить, какую потерю затяжки поставщик ожидает за межсервисный интервал и какой интервал осмотров рекомендует.

Где источники расходятся

Два разногласия затрагивают расчетную базу, и ни одно не разрешено источниками этого набора. Первое — как вообще следует выводить затяжку; второе — номинальны или минимальны числа, по которым вы проектируете.

Часто задаваемые вопросы

Связанные страницы

• Что на самом деле кодируют классы прочности болтов 8.8, 10.9 и 12.9 — и когда высокая прочность перестаёт быть правильным выбором
• Маркировка головок болтов: что утверждают риски, цифры и буквы — и как проверить класс прочности до приёмки партии
• Пробная нагрузка vs предел текучести и временное сопротивление растяжению при выборе болтов: что устанавливает корпус источников
• Выбор класса прочности болтов: ISO 898-1 8.8/10.9/12.9 против ASTM A307 и A325
• Водородное охрупчивание высокопрочных болтов: какие классы прочности требуют мер защиты, какие покрытия и режимы термовыдержки допустимы и что требовать до запроса коммерческого предложения