Giới hạn chảy vs cường độ kéo của bu lông: cái nào chi phối lực siết trước, cái nào chi phối đứt gãy

Số nào là giới hạn thiết kế và số nào là giới hạn đứt gãy

Tiêu chuẩn cấp không cho bạn một cường độ; nó cho hai, ở hai mức khác nhau. Với các cấp ISO 898-1, Rm danh định là 800, 1000 và 1200 MPa cho 8.8, 10.9 và 12.9, trong khi Rp0.2 danh định là 640, 900 và 1080 MPa cho cùng ba cấp đó ^{20, 24}. Giá trị tối thiểu theo cùng trật tự: 8.8 là 800 MPa kéo đối với 640 MPa chảy, 10.9 là 1040 đối 940, và 12.9 là 1220 đối 1100 ²⁰. Khoảng cách này chính là vấn đề. Rp0.2 đánh dấu điểm bu lông bắt đầu biến dạng vĩnh viễn, nên là trần cho mọi việc bạn làm lên bu lông khi siết — lực siết trước sống dưới nó. Rm đánh dấu ứng suất mà bu lông thực sự gãy, nên là giới hạn của tải trọng mối ghép chịu được trong sử dụng ^{20, 24}. Định cỡ mối ghép chỉ theo Rm là định cỡ sử dụng bình thường theo số sai: bu lông sẽ chảy lâu trước khi đạt giá trị thiết kế. Một lưu ý trước khi dùng số nào trong hai số. Cột danh định và cột tối thiểu không phải cùng một con số, và một thiết kế nêu "1000 MPa" cho bu lông 10.9 đang nêu giá trị danh định trong khi tiêu chuẩn bảo đảm tối thiểu 1040 MPa ^{20, 24}. Quyết định cột nào tính toán của bạn dùng và ghi rõ trên bản vẽ.

So sánh cấp theo toàn bộ tập tính chất, không chỉ cường độ kéo

Đọc bảng từ trên xuống cho thấy sự đánh đổi. Mỗi bậc cấp mua khoảng 200 MPa kéo và 300 MPa chảy, và trả bằng độ giãn dài tối thiểu cùng độ thắt co ²⁰. Độ giãn dài rơi từ 12% ở 8.8 xuống 8% ở 12.9, và độ thắt co từ 52% xuống 44% ²⁰. Hai số này mô tả bu lông kéo giãn và thắt cổ chừng nào trước khi gãy — phần dự trữ cho phép mối ghép tái phân bổ tải trọng thay vì nứt. Bu lông 12.9 mạnh hơn và ít khoan dung hơn, và tiêu chuẩn nói vậy ngay trong bảng cho cường độ của nó ²⁰.

Đặt mục tiêu lực siết trước khi mô-men chủ yếu là ma sát

Lực siết trước là thứ giữ mối ghép, và là đại lượng duy nhất bạn không đọc được từ bảng cấp. Lý do là cơ học: khi bu lông đi xuống trục xoắn ren, chuyển động quay biến thành sự kéo dài tuyến tính, nhưng phần lớn mô-men áp vào được tiêu để thắng ma sát, không phải để kéo giãn bu lông. Một bảng phân rã chỉ ghi khoảng 10% mô-men đầu vào vào lực siết trước, với khoảng 50% bị ma sát dưới đầu tiêu thụ và khoảng 40% là ma sát ren ¹³. Sự phân chia này giải thích vì sao cùng một mô-men cho các lực siết trước khác nhau ở hai mối ghép danh định như nhau. Thay chất bôi trơn là thay ma sát, và lực siết trước dịch chuyển theo — chất bôi trơn ít ma sát giảm mô-men cần cho cùng một lực siết trước ¹³. Nơi lực kẹp được đặc tả, hệ số ma sát trở thành tham số được kiểm soát chứ không phải sự ngẫu nhiên của hoàn thiện bề mặt. Thử nghiệm mô-men-lực theo ISO 16047 đo hệ số K, với mục tiêu điển hình µ = 0.12-0.18 cho hệ bôi trơn ¹⁴. Vậy hãy coi mục tiêu lực siết trước là bài toán mô-men bị ma sát chi phối. Hỏi nhà cung cấp mô-men đã nêu giả định hệ số ma sát nào và có được xác minh trên mối ghép thực chứ không phải bảng chung không.

Chọn cơ sở thiết kế cho lực siết trước và cho tải trọng giới hạn

Bạn cần hai kiểm tra tách biệt, vì lực siết trước và đứt gãy bị giới hạn bởi các giá trị khác nhau. Lực siết trước phải nằm dưới giới hạn chảy, nên Rp0.2 là số chi phối nó; tải trọng giới hạn mối ghép mang được bị giới hạn bởi Rm ^{20, 24}. Lấy hệ số an toàn so với giá trị sai là lỗi thường gặp — hệ số áp lên Rm trông hào phóng trong khi bu lông đang chảy rồi. Một phương pháp lưu truyền rộng rãi đặt lực siết trước bằng cường độ kéo chia cho hệ số an toàn 2-3, cho 400 MPa với bu lông 800 MPa ở hệ số 2 ⁷. Đó là phương pháp ứng suất kéo của một nhà sản xuất. Và đáng biết là nó xung đột với cách tiếp cận ma sát ở mục trước: nó suy ra lực siết trước từ Rm, trong khi dẫn chứng mô-men nói lực siết trước thực thu được do ma sát quyết định ^{7, 13}. Hai cái không hoán đổi cho nhau và các nguồn không hòa giải. Điều bạn có thể làm là giữ các cơ sở minh bạch. Nêu rõ giá trị lực siết trước của bạn là một phần của giới hạn chảy, một phần của tải trọng thử, hay phép chia cường độ kéo; và nêu rõ kiểm tra tải trọng giới hạn dùng giá trị nào. Nếu đặc tả của khách nêu quy tắc lực siết trước, quy tắc đó chi phối; các nguồn ở đây không thiết lập quy tắc mặc định.

Cấp cao hơn có mua thêm tuổi mỏi không

Mỏi là nơi bậc cấp ngừng sinh lời. Giới hạn mỏi của bu lông thép hợp kim ren cán được báo cáo ở khoảng 7-12% cường độ kéo, với hệ số tập trung ứng suất đáy ren Kt = 3.5-4.5 ¹⁷. Đây là số theo cấp hướng dẫn chứ không phải giá trị tiêu chuẩn bắt buộc, nhưng hướng thì rõ: ứng suất bu lông chịu được trong sử dụng chu kỳ chỉ là phân số nhỏ của số khắc trên đầu. Hình dạng ren dịch chuyển tuổi mỏi nhiều hơn cấp. Ren cán được báo cáo cho khoảng 2-3 lần tuổi mỏi so với ren cắt, vì cán gia công nguội đáy ren và để lại ứng suất dư nén ¹⁷. Lực siết trước cũng giúp, bằng con đường khác: ứng suất trung bình cao hơn nhờ siết trước giảm biên độ ứng suất đập mà bu lông nhìn thấy. Tải chu kỳ được chia với các chi tiết bị kẹp thay vì bu lông phải chịu chu kỳ ¹⁷. Các cấp cao hơn còn nhạy cảm hơn với khía khi cứng lên, điều này bất lợi cho mỏi chứ không có lợi ²⁴. Nếu mối ghép của bạn là mỏi-tới hạn, câu hỏi đáng đặt là về lộ trình sản xuất ren và kiểm soát lực siết trước, chứ không phải 12.9 có thắng 10.9 không.

Loại trừ các cấp cao nhất trong môi trường hydro hoặc ăn mòn

Trong môi trường bão hòa hydro, ứng suất dùng được là một phân số của giới hạn chảy, và phân số đó thu nhỏ khi cấp tăng. Ứng suất ngưỡng được báo cáo ở 60-85% giới hạn chảy cho cấp 10.9 so với 40-65% cho cấp 12.9 trong cùng điều kiện hydro ⁹. Cấp mạnh hơn vì vậy có cửa sổ an toàn hẹp hơn — ngược với điều bảng cường độ gợi ý. Cơ chế được báo cáo là độ cứng: cấp 10.9 nằm ở 32-39 HRC, trong vùng được mô tả là chuyển tiếp về độ nhạy, còn cấp 12.9 cứng hơn và chịu ít hydro bên trong hơn trước khi khởi phát vết nứt ⁹. Cấp 12.9 còn được mô tả nhạy hơn với khía, ăn mòn ứng suất và giòn hydro, giới hạn nó ở các thiết kế cụ thể ²⁴. Cấp 14.9 đi xa hơn nữa — nằm ngoài phạm vi ISO 898-1 vốn dừng ở 12.9, và mạ điện thường bị cấm, chỉ còn lại lớp phủ không điện phân ²⁷. Với mối ghép tiếp xúc hydro, nước đi thực dụng là kiểm tra bu lông 10.9 đường kính lớn hơn có mang nổi tải hay không trước khi cầu viện 12.9. Sự đánh đổi này được nguồn đề xuất trình bày như chiến lược giảm rủi ro, chứ không phải yêu cầu tiêu chuẩn ⁹.

Chứng nhận phải thể hiện gì trước khi bạn chấp nhận báo giá

Thiết kế dựa trên giá trị tối thiểu, nên hồ sơ phải thể hiện giá trị tối thiểu. Tải trọng thử, giới hạn chảy và cường độ kéo là các giá trị tiêu chuẩn tách biệt, và không tiêu chuẩn nào cũng xác định cả ba — chẳng hạn SAE J429 bỏ giới hạn chảy để ưu tiên tải trọng thử ¹¹. Nếu tính toán của bạn dùng Rp0.2, chứng nhận chỉ báo tải trọng thử sẽ không xác minh được nó.

• Xác nhận chứng nhận báo Rm tối thiểu và Rp0.2 tối thiểu cho cấp, không phải giá trị danh định.
• Kiểm tra chứng nhận phát hành theo tiêu chuẩn nào, và tiêu chuẩn đó có xác định giới hạn chảy hay không.
• Với phụ kiện cường độ cao tiếp xúc hydro, yêu cầu thử nghiệm tải duy trì ở 75% cường độ phá hủy có khía hoặc tải trọng thử trong ít nhất 200 giờ, không chấp nhận hỏng.
• Nơi mối ghép tới hạn, hỏi tỉ lệ giòn từ nạp tải bậc tăng dần — trên 0.60 cho dùng chung, trên 0.75 cho ứng dụng tới hạn.
• Với dịch vụ nhiệt cao hoặc ăn mòn, hỏi nhà cung cấp kỳ vọng mất bao nhiêu lực siết trước trong chu kỳ phục vụ và khuyến nghị tần suất kiểm tra nào.

Nơi các nguồn không thống nhất

Hai bất đồng chạm tới cơ sở thiết kế, và không cái nào được giải quyết bởi các nguồn trong bộ này. Một là lực siết trước nên suy ra theo cách nào; hai là các số bạn thiết kế theo là danh định hay tối thiểu.

Câu hỏi thường gặp

Trang liên quan

• Cấp bền bulông 8.8, 10.9 và 12.9 thực sự mã hóa điều gì — và khi nào độ bền cao ngừng là lựa chọn đúng
• Dấu trên đầu bu lông: Những gì đường kẻ, con số và chữ cái tuyên bố — và cách xác minh cấp độ bền trước khi nhận một lô hàng
• Tải thử so với giới hạn chảy và độ bền kéo trong lựa chọn bu lông: Những gì bộ bằng chứng xác định
• Lựa chọn cấp bền bu lông: ISO 898-1 8.8/10.9/12.9 so với ASTM A307 và A325
• Giòn hóa do hydro ở bu lông cường độ cao: cấp độ nào cần biện pháp kiểm soát, lớp phủ và chế độ ủ nào chấp nhận được, và cần yêu cầu gì trước yêu cầu báo giá