+7 (499) 372-77-77
(многоканальный)

Пн-Пт: 09:00 - 17:00
Сб-Вс: Выходной

+7 (495) 980-89-22 /23/24/25
(офис в Житнево)

Пн-Пт: 08:00 - 16:30
Сб-Вс: Выходной

Механические свойства крепежа



На настоящее время ни одна отрасль промышленности и сфера строительства не обходится без, пусть даже опосредованного, использования крепежных деталей. Данное явление предполагает, что эти изделия будут работать в условиях, отличающихся, иногда, кардинальным образом. Но, к сожалению, универсальный материал еще не изобретен. Поэтому к выбору крепежа нужно подходить со всей тщательностью. При этом особого внимания требуют такие характеристики, как устойчивость к нагрузкам вибрационного характера и к воздействию коррозии, прочность и ряд других. Они являются основой для определения механических свойств крепежных элементов. Рассмотрим самые важные из них более подробно.

Предельная прочность при нагрузке на растяжение/разрыв

Термин «предельная прочность на разрыв» обозначает максимальное значение механической силы, которая при воздействии на растяжение на некий объект, не вызывает начало его физического разрушения. Это – важнейшая характеристика стандартного метиза. Определение ее значения и сейчас выполняется эмпирически, то есть экспериментальным путем.

Испытания на растяжение проводятся на машинах, которые так и называются – «разрывные». Они оснащены захватами для передачи силового воздействия.

apparar.jpg

В качестве испытуемых объектов выступают стандартные образцы, имеющие определенную форму: они могут быть плоскими либо цилиндрическими. Такая унификация обеспечивает возможность сопоставления результатов испытаний, проведенных в разных лабораториях.

Теперь немного цифр. Предел прочности на растяжение/разрыв стержневых метизов (обозначим литерой «λ»), выполненных из сталей конструкционных нелегированных, колеблется в диапазоне 392 МПа ≤ λ ≤ 569 МПа. У крепежа, выполненного из сталей качественных углеродистых конструкционных, этот показатель выглядит так:

Упругая деформация

Данная характеристика отображает соответствие таких свойств материала, как предел прочности и предел его текучести. Фактически, указывает диапазон силового воздействия на резьбовой крепеж стрежневого вида, при котором остаточная деформация не фиксируется. Проще говоря, после того, как нагрузка будет снята, деталь вернет свою исходную форму.

Не следует путать упругую деформацию с деформацией пластической. Последняя – это когда после прекращения воздействия внешней нагрузки форма крепежного элемента не восстановится.

deformaciya.jpg

Явление «упругая деформация» продолжается не сколь угодно долго. После достижения определенного предела начинается деформация пластическая.

Модуль упругости (обозначим «β») у крепежных деталей, выполненных из различных металлов, представлен ниже.

Прочность при сдвиге

Данная характеристика определяет уровень максимальной нагрузки, воздействующей на крепежный элемент – шпильку, винт любого вида, а также на болт – под углом 90° к его продольной оси, до того, как резьбовой стержень детали переломится. Внешнюю силу, действующую в одной перпендикулярной плоскости, принято считать, как один сдвиг. Двойная сдвигающая нагрузка, происходящая в двух плоскостях, может повлечь разрезание стержня на 3 части.

Важным параметром, определяющим прочность крепежной детали на сдвиг, является площадь ее поперечного сечения. Очевидно, что меньшее значение этого показателя обусловливает снижение прочностных характеристик, например, винта при воздействии нагрузки такого вида.

Устойчивость крепежа к сдвигу (другое общепринятое название – нагрузка на срез) зависит также от материала его изготовления. Значение этого показателя для некоторых сталей углеродистых качественных приведены в таблице.

Сталь марки

Допустимые напряжения на сдвиг, МПа

Термообработка

*

**

***

65Г

95

125

185

У

80

105

145

H

50Г

75

105

165

B

70

90

130

H

40Г

65

85

120

H

30Г

75

100

140

B

60

90

110

H

20Г

60

80

115

B

50

65

90

H

50

95

125

185

У

65

85

125

H

45

80

105

145

У

65

85

125

H

40

80

100

140

У

60

80

115

H

35

70

90

130

У

55

75

110

H

30

65

85

120

У

55

65

100

H

25

60

80

110

У

50

65

90

H

20

45

60

85

H

15

40

50

75

H

10

35

45

65

H

В таблице приняты такие обозначения:

«*» – знакопеременная нагрузка;

«**» –пульсационная нагрузка, типа «максимум – ноль», а затем «ноль – максимум»:

«***» – нагрузка статическая;

«У» – улучшение;

«B» – закалка с финишным охлаждением в воде:

«H» – нормализация.

Усталость материала

Явление усталостной прочности проявляется во внезапном разрушении крепежной детали, когда та подвергается нагрузкам, значительно меньшим по сравнению с ее прочностными качествами. Наблюдается оно, когда внешнее воздействие носит циклический характер. Таким образом, усталостная прочность отображает количество максимальных напряжений, которые крепежный элемент способен выдержать до момента своего разрушения.

Предел выносливости метизов определяется по результатам проведенных испытаний, с определенной степенью достоверности моделирующих их реальные условия эксплуатации. Усредненные показатели выглядят следующим образом:

В целом, можно сделать такой вывод: оценку устойчивости к усталостному разрушению нужно проводить независимо от определения уровня прочности. При больших переменных нагрузках предельное значение последнего показателя не может выступать в качестве гаранта целостности крепежа.

ustalost materiala.jpg

Устойчивость к крутящим нагрузкам

Выражается данная характеристика метизов в единицах момента силы, вызывающей их вращательное движение. Для легированных сталей, из которых изготавливаются крепежные детали, численное значение этого параметра указано в таблице. Литерой

Сталь марки

Допустимый уровень напряжений, MПa

Термообработка

***

**

*

ШХ15

90

110

150

О

50ХФА

170

220

340

М

38Х210

115

150

200

М

30XГCA

30XГC

160

85

200

110

210

150

У

О

12ХН3А

140

175

240

У

12ХН2

115

145

200

М

40ХН

110

140

190

Н

35ХМ

145

185

260

М

30ХМ

115

155

240

М

18ХГТ

100

125

175

Н

38ХС

140

175

240

У

33ХС

130

165

230

М

75

100

140

Н

45Г2

100

125

175

Н

40Г2

95

120

165

Н

35Г2

90

115

150

Н

50Х

90

120

160

Н

45Х

135

175

240

У

90

115

155

Н

40Х

115

150

200

У

90

115

150

Н

20Х

100

130

180

У

75

100

140

Н

10ХСД

80

100

140

     ------------

09Г2С

70

90

125

     ------------

10Г2

60

75

105

Н

Возникают крутящие нагрузки на стержень крепежного изделия в момент затяжки резьбы. Их продуцирует сила трения между входящими в соприкосновение витками на болте и в отверстии гайки.

Момент напряжения кручения рассчитывается по формуле

Ε=T/Ар, где

Т = ½ Fзат.×d2×tg(φ + ω);

Аp = (π×d13):16;

φ – угол подъема резьбового витка винтовой нити;

ω – приведенный угол трения резьбового соединения.

Литерами d2 и d1 обозначены, соответственно, средний и внутренний диаметр резьбы болта, как это показано на рисунке.

diametr.jpg

Чтобы не разрушить резьбу, прикладывая вращающую нагрузку, превышающую значение этого параметра, указанного в паспорте на используемый стрежневой крепеж, рекомендуется затягивать соединение посредством динамометрического ключа.

Твердость

Твердость – это характеристика крепежа, которая тесно связана с его классом прочности. Она отображает способность материала, в нашем случае метиза, оказывать сопротивление проникновению в его тело инородного объекта в момент физического вдавливания. Наибольшее распространение по определению твердости получили метод Бринелля (по площади оставленного следа/отпечатка) и метод Роквелла (значимый параметр –глубина вдавливания наконечника идентора). Метод Викерса применяется только для тонких образцов.

tverdost.jpg

В основе метода Бринелля (рис. «а») лежит внедрение стального шарика под нагрузкой в плоскую поверхность. Значение параметра «твердость» (принято обозначать литерами НВ) вычисляется по формуле

                                                           НВ = Рн/Sо, где

Рн – величина приложенной нагрузки;

Sо – площадь полусферы отпечатка.

Метод Роквелла (рис. «б») тоже основан на вдавливании идентора. Однако в качестве такового может выступать не только твердосплавной шарик, но и алмазный конус. Твердость исследуемого объекта (в данном случае обозначается НR) определяется глубиной оставленного следа/отпечатка. Всего существует 54 градации данной характеристики.

Определение твердости по методу Викерса (рис. «в») предусматривает вдавливание в исследуемую поверхность 4-гранной алмазной пирамиды. В ходе испытания отпечаток замеряется (в миллиметрах) с точностью до 3-го знака после запятой с помощью микроскопа. Это устройство является одним из элементов прибора Викерса.

Для конкретики приведем твердость некоторых сталей, установленную по методу Бринелля.

Марка стали

Прокат отпущенный либо отожженный

Прокат нормализованный

Сталь, подверженная контролируемой процедуре прокатки, либо без термообработки

Твердость по НВ, не больше

Диаметр следа (отпечатка), не меньше, мм

Твердость по НВ, не больше

Диаметр следа (отпечатка), не меньше, мм

Твердость по НВ, не больше

Диаметр следа (отпечатка),  не меньше, мм

50Г

217

4,10

255

3,80

225

3,80

40Г

207

4,20

229

4,0

229

4,0

30Г

187

4,40

217

4,10

217

4,10

20Г

179

4,50

197

4,30

197

4,30

15Г

163

4,70

163

4,70

163

4,70

70

229

4,0

269

3,70

269

3,70

65

255

3,80

255

3,8

60

55

217

4,10

50

207

4,2

241

3,90

241

3,90

45

197

4,3

229

4,0

229

4,0

40

187

4,4

217

4,10

217

4,10

35

207

4,20

207

4,20

30

179

4,5

179

4,50

179

4,50

25

170

4,6

170

4,60

170

4,60

20, 20пc, 20кп

156

4,8

*

*

*

*

15, 15пc, 15кп

143

5,0

*

*

*

*

10, 10пc, 10кп

137

5,1

*

*

*

*

08, 08пc, 08кп

131

5,2

*

*

*

*

Символ «*» означает, что проведение контроля твердости преследует цель сбора данных. А полученные цифры вносятся в документ, свидетельствующий об уровне качества сплава.

Ударная вязкость

Термин «вязкость» обозначает способность металла поглощать механическую энергию при постепенном возрастании степени пластической деформации, в результате которой крепежная деталь может быть разрушена. Определяется эта характеристика по нормам ГОСТа 9454-78 на образцах с надрезом U-образной конфигурации. В таблице приведены ее численные значения для некоторых конструкционных сталей, подверженных закалке с последующим отпуском.

Сталь марки

Ударная вязкость КСU,кДж/м. кв.

Величина относительного сужения, %

Величина относительного удлинения, %

03Н12Х5М3ТЮЛ

294

35

8

03Н12Х5М3ТЛ

491

45

30Х3С3ГМЛ

196

15

4

27Х5ГСМЛ

392

20

5

25Х2ГНФМЛ

392

25

12Х7ГЗСЛ

589

40

9

23ХГС2МФЛ

392

24

6

12ДХН1МФЛ

294

20

10

12ДН2ФЛ

392

25

12

13ХНДФТЛ

        -------------

        -------------

        -------------

08ГДНФЛ

        -------------

        -------------

        -------------

20ДХЛ

392

30

12

35НГМЛ

25

35ХГСЛ

20

10

30ХНМЛ

35ХМЛ

25

12

20ГНМФЛ

589

30

14

20ХМФЛ

        -------------

        -------------

        -------------

20ХМЛ

        -------------

        -------------

        -------------

40ХЛ

392

25

12

32ХО6Л

491

20

10

45ФЛ

294

12

Литеры КС – это общепринятое обозначение ударной вязкости. А следующая за ними буква указывает на вид используемого при испытаниях концентратора. В нашем случае он U-образный. Допускается также использовать эти приспособления Т- и С-образной конфигурации.

Заключение

На механические характеристики крепежных деталей влияет не только свойства материала изготовления, но и факт нанесения на их поверхность определенного покрытия. Например, фосфатное напыление, проникая в микроскопические поры металла, препятствует возникновению расслоений и образованию сколов. А цинковое покрытие отлично переносит температурные перепады, которые оказывают негативное влияние на обычный металл. Данное явление обеспечивает сохранение механической прочности рабочей поверхностью метиза. Причем даже при экстремальных температурах.



 

comments powered by Disqus