Прочность болтов таблица: Обозначения, класс прочности и расчет нагрузок для болтов. Справочник ROSTFREI. Петербург +7(812)297-73-38 ПРОТЕХ

Содержание

Прочность болтов

Одной из особенностей резьбовых деталей являются достаточно высокие коэффициенты, характеризующие концентрацию напряжений. В связи с чем, следует проявлять определенную осторожность при выборе материала для изготовления шпилек и болтов и исходить в первую очередь необходимо из результатов соответствующих испытаний. Высокая концентрация напряжений обусловила широкое применение для изготовления соединений подвергающихся динамической нагрузке легированных сталей, главным преимуществом которых является достаточно высокий предел текучести (в сравнении с углеродистыми сталями) и большая степень прочности при необходимой степени пластичности, что дает возможность получить нужную величину напряжения затяжки.
Таблица 1

Значение σ

_ап для болтов из стали 40ХН2МА при различной термической обработке в зависимости от механических характеристик материала

Твердость HRC	σ_в, МПа	σ_в, %	σ_ап, МПа
27,0…28,9	1000	12	130
33,8…36,7	1270	10	180
40,6…42,5	1540	8	210
50,3…52,2	2000	6	240

В тоже время повышение конструкционной прочности самого болта неизбежно влечет за собой увеличение сопротивления усталости всего соединения. Так, в табл. 1 приведены данные, которые показывают зависимость амплитуды цикла от прочности материала, из которого выполнен болт при σ_m = 250 МПа; H = 0,8d. В данном случае для изготовления болтов использовалась сталь 40ХН2МА, также болты имеют накатанную резьбу М12х 1,5. Гайки выполнены из стали 45.

Рис. 1.

Кривая, характеризующая предел выносливости соединения в зависимости от прочности болтов, выполненных из стали 30ХГСА

В тоже время экспериментальным путем было установлено, что повышение твердости материала влечет за собой увеличение прочности. При проведении испытаний были использованы болты, выполненные из стали 30ХГСА с резьбой нарезного типа М10, использовались гайки, выполненные из стали 45 высотой 0,8d, при этом радиус впадины резьбы был различным, рис. 1.

Накатка резьбы в значительной степени способствует увеличению предела выносливости при использовании высокопрочных сталей, но в этом случае существуют определенные трудности, связанные с недостаточными прочностными характеристиками резьбонакатного инструмента при твердости материала превышающей 38HRСа.

При использовании болтов, степень твердости которых превышает 38HRСа нужно использовать переходы от головки к стержню и переходы при выходе резьбы отличающиеся большей степенью плавности, что связано с частым разрушением болтов именно в этих местах. Стоит заметить, что получение достаточно больших значений таких параметров как σ_в и σ_т не всегда целесообразно. Так, при использовании стали 45 и ее закалке, при температуре в 850 °С с последующим отпуском при температуре в 200 °С значение σв достигнет величины в 1600-1800 МПа, а σт будет равным 135-1600 МПа. Однако величина относительного удлинения в этом случае не превысит и 3%. Естественно материал, обладающий такой пластичностью в машиностроении, использован быть не может. Если температуру отпуска увеличить до 600 °С, то σ_в будет равно 850-900 МПа, σт составит 650-750 МПа, величина относительного удлинения будет равной 14%.
Таблица 2

Значение σ

_ап для соединений с накатанной резьбой М10 в зависимости от радиуса впадины и среднего напряжения

Материалы	R/P	σ_ап, МПа, при σ_m/σ_ɣ
Материалы	R/P	0,2	0,4	0,7	0,9
Сталь 38ХА (σ_в=1150 МПа)	0 0,12 0,20 0,30 0,40	— 165 185 — 150	95 110 125 110 100	55 75 85 95 100	— 75 85 — 100
Сталь (σ_в=1150 МПа)	0,12 0,20	155 185	60 95	40 60	— —

Работы Г. Майера и Р. А. Уолкера показывают, что в некоторых случаях увеличение предела твердости и прочности ведет к снижению предела выносливости соединений с резьбой, термообработка которых происходила после изготовления резьбы. Вызвано это тем, что верхние слои обезуглероживаются. При этом если резьба была накатана на заготовках предварительно прошедших термообработку, уменьшение предела выносливости не наблюдается.

В случае, если для изготовления болтов и шпилек были использованы стали марок C8ХА, 40ХН2МА, 18Х2Н4ВА отпуск проходит при значении температуры в 500-550 °С, что позволяет получить значение σв равным 1100-1200 МПа. Стоит отметить, что улучшение характеристик пластичности после достаточно высокого отпуска в дальнейшем положительно сказывается на работе соединения в условиях дополнительных нагрузок на изгиб, а также в условиях динамических перегрузок.

В тоже время кроме выше обозначенных марок некоторые отрасли машиностроения используют болты и шпильки, выполненные из сталей аустенитного и аустенитно-мартенситного классов, которые к тому же являются еще и коррозионно-стойкими. К примеру, это могут быть стали марок 12Х18Н10Т, 14Х17Н2, 07Х16Н6, 1Х15Н4АМЗ-Ш и некоторые другие.

Два последних варианта сталей являются наиболее перспективными. После их закалки на воздухе до температуры, при которой происходит растворение карбидов, обе марки стали имеют полностью аустенитную структуру. В последующем сталь подвергается обработке холодом при температуре в минус 70 °С в течение двух часов. Или в течение четырех часов, при температуре в минус 50 °С. В результате чего происходит упрочнение стали и ее мартенситное превращение.

В тоже время, указанные стали отличает их высокая сопротивляемость коррозии, вязкость и достаточная пластичность при высоких значения прочности. Так, для стали марки 07Х16Н6 σ_в равно 1250 МПа, а для стали марки 1Х15Н4АМЗ-Ш σ_в равно 1450 МПа. К тому же еще одной особенностью этих сталей является их малая чувствительность к воздействию концентраторов напряжений, что важно в случае динамического нагружения всего соединения.

Как показали результаты работы Я. Потака при использовании в соединениях болтов, выполненных из стали марок 07X16Н6 и 14Х17Н2 σ_ап равно 135 и 95 МПа соответственно, при резьбе М8.

Рис. 2.

Кривые усталости для резьбовых соединений, выполненных из сплава ВТ9

Для последних нескольких лет характерным явлением стало использование болтов, выполненных из сплавов титана. В сравнении со сталью данные сплавы обладают более высоким пределом выносливости при условии одинаковой прочности на гладких образцах. Вместе с тем пластичность таких сплавов достаточно мала и ее значение не превышает величины в 12%, что в сочетании с высокой чувствительностью материала к образованию концентраций напряжений и качеству верхнего слоя зачастую приводит к снижению значения сопротивления усталости всего соединения.

Кроме этого, авторы исследовали влияние на предел выносливости соединений резьбового типа выполненных из стали ВТ9 конструктивных факторов. Испытания проводились с использованием шпилек и гаек, имеющих различный профиль своей резьбы М10*0,75, M10*l, М10*1,25 и М10.

Для нарезания резьбы на одной партии шпилек использовался токарно-винторезный станок. Резцы этого станка имели пластины, выполненные из достаточно твердого сплава марки ВК8, и были заточены с использованием оптико-шлифовального станка. Для контроля профиля резьбы использовался инструментальный микроскоп. При этом шероховатость поверхности резьбы находилась в пределах 1,25-2,50 мкм. Для другой партии шпилек использовался резьбовой станок GWR = 80, диаметр роликов которого составлял 1700 мм и выполнены они были из стали Х12Ф1. Максимальная радиальная подача на оборот при накатывании резьбы составляла 0,075 мм/об. Для смазки и охлаждения использовалась такая жидкость, как сульфофрезол.

При накатывании и нарезании резьбы допуск точности соответствовал 4-й степени.

Для проведения испытаний на усталость применялись резонансные машины с частотой 90-95 Гц при среднем значении напряжений σ_т = (0,2 . .. 0,7) σт (по резьбовой части) и базе 107 циклов. Для контроля напряжения использовался тензометрический способ.

В табл. 2 представлены результаты исследований зависимости σ_ап от радиуса впадины и шага резьбы. Рис. 2 отображает распространенные кривые усталости характерные для резьбовых соединений при резьбе М10*1,25.

Так, была установлена закономерность, при увеличении размера впадины резьбы от изначального R=0 до последующего R=0,4Р предельная амплитуда значения σап увеличивается до значения в 200%. Если отношение R/P шага резьбы одинаково, то заметного влияния на изменения сопротивления усталости оказано не будет. Стоит отметить, что для стали марки 38ХА и сплава ВТ9 с нарезной резьбой предел выносливости имеет практически одинаковое значение. Накатывание резьбы, когда R = 0,108 Р никак не влияет на σ_ап соединения и даже может привести к снижению этого значения. С увеличением радиуса впадины до значения R = (0,2 … 0,3) Р можно добиться значительного увеличения предела выносливости при использовании титановых сплавов. В тоже время возрастание значения σ_m влечет снижение σ_ап, которое отличается своей интенсивностью, соответствующие данные приведены в табл. 2, что объясняется малой глубиной проникновения характерной для остаточных напряжений сжатия, оставшихся от накатывания резьбы из-за слабой пластичности сплавов титана.

Одним из обязательных условий надежной работы резьбовых соединений, выполненных из титановых сплавов в ответственных соединениях, является увеличение до R = (0,20 … 0,25) Р, радиуса впадины резьбы.

В целях улучшения свинчиваемости применяют стальные гайки (вместо титановых), что влечет уменьшение значения σ_ап на 10%, это обусловлено не таким равномерным распределением нагрузки, воздействующей на витки.

Классификация дюймовых болтов, таблица дюймовых резьб

Классы по стандарту SAE

Общеизвестная классификация металлических дюймовых болтов определяется по стандарту SAE (Society of Automotive Engineers), последовательностью классов от 0 до 8, исходя из вида металла из которого сделан болт и способа его производства. Самые распространённые классы идут от 2 до 8, причём 8 — это самый прочный. Числа более высокого класса почти всегда означают увеличенную силу (исключение составляют некоторые шестые классы, которые более прочнее чем седьмой класс).

Таблица дюймовых резьб:

Класс	Какие болты бывают	Минимальный предел прочности , ksi*
1	Низко- или средне- углеродистая сталь. Этот сорт является устаревшим, вместо него везде используют класс 2.	36
2	Низко- или средне- углеродистая сталь.	¼»–¾»: 57 >¾»–1½»: 36
3	Устаревший класс.
4	Среднеуглеродистая холодкатанная сталь. Применяется для гвоздей.	100
5	Среднеуглеродистая сталь, улучшенной закалки и отпуском.	¼»-1″: 92 >1″- 1½»: 81
5.1	Низко- или средне- углеродистая сталь, улучшенной закалки и отпуском.
5.2	Низкоуглеродистая мартенситная полностью успокоенная сталь, улучшенной закалки и отпуском, мелкоо зерно	92
6	Устаревший класс.
7	Среднеуглеродистая легированная сталь, улучшенной закалки и отпуском.	115
8	Среднеуглеродистая легированная сталь, улучшенной закалки и отпуском.	130
8.1	Катанная сталь для использования в повышенных температурах. Среднеуглеродистая сталь или сталь марки 1541.	130
8.2		130

*ksi=1000 psi, тысяча фунтов на квадратный дюйм.

Классы по стандарту ASTM International

Спецификация		Маркировка
A307A307	класс A
A307A307	класс B
A449A449
A325A325	тип 1
	тип 2
	тип 3
A354A354	класс BB
A354A354	класс BC
A490A490	тип 1	A490A490
	тип 2	A490A490
	тип 3	A490A490

Всегда ли лучше более высокий класс прочности?

Замена болта на более прочный может быть плохой идеей, не считая затрат.
Некоторые болты специально выбирают так, чтобы их прочность не могла бы выдержать напряжение, иначе это напряжение повредит более дорогую или важную часть оборудования. По той же самой причине, в производстве мебели производители используют клей, который слабее держит чем дерево. И когда мебель подвержена напряжению происходит разрыв клееных частей. Намного легче повторно склеить сломанный часть чем заменить полностью мебель.

Возможно, основная причина состоит в том, что те же самые процессы, которые делают крепеж тяжелым и более прочным, также делают его более склонным к поломке и коррозии.

Таблица несущей способности болтов класса 8.8

Связанные ресурсы: аппаратное обеспечение

Таблица допустимых нагрузок болтов класса 8.8

Технические данные по проектированию оборудования в метрических единицах ISO
Технические данные по проектированию аппаратных средств ANSI

См. объяснение Примечания, приведенные ниже в таблице. BS 5950-1: 2000 BS 4190: 2001

Допустимая нагрузка на болты. Обычные болты без предварительного натяга. Класс 8.8 Болты на. S355

Диаметр из Болт	Растяжение Стресс Район А _т	Напряжение Вместимость		Сдвиг Вместимость		Несущая способность в кН (минимум из P _bb и P _bs ) Конечное расстояние, равное 2 x диаметру болта Толщина в мм материала, прошедшего через
		Номинальный 0,8 А _т р _т	Точный А _т р _т	Одноместный Сдвиг	Двойной Сдвиг

мм	мм ²	кН	кН	кН	кН	5	6	7	8	9	10	12	15	20	25	30
12	84,3	37,8	47,2	31,6	63,2	33,0	39,6	46,2	52,8	59,4	66,0	79,2	99,0	132	165	198
16	157	70,3	87,9	58,9	118	44,0	52,8	61,6	70,4	79,2	88,0	106	132	176	220	264
20	245	110	137	91,9	184	55,0	66,0	77,0	88,0	99,0	110	132	165	220	275	330
22	303	136	170	114	227	60,5	72,6	84,7	96,8	109	121	145	182	242	303	363
24	353	158	198	132	265	66,0	79,2	92,4	106	119	132	158	198	264	330	396
27	459	206	257	172	344	74,3	89,1	104	119	134	149	178	223	297	371	446
30	561	251	314	210	421	82,5	99,0	116	132	149	165	198	248	330	413	495

Обычные болты без предварительного натяга

Значения, выделенные жирным шрифтом, меньше предела прочности болта на одиночный сдвиг.
Значения, выделенные курсивом, превышают удвоенную способность болта к сдвигу.
Значения подшипников указаны для отверстий со стандартным зазором.
Если используются отверстия большего размера или короткие прорези, значения подшипников следует умножить на 0,7.
Если используются длинные щелевые или почковидные отверстия, значения подшипников следует умножить на 0,5.
При необходимости необходимо уменьшить сопротивление сдвигу для больших набивок, большой длины захвата и длинных соединений.

Площадь растягивающего напряжения (A _t ) получена из стандартов

Прочность болта на растяжение определяется по формуле:

P _nom = 0,8p _t A _т Номинальная

П _t = p _t A _t Exact

Где:

p _t — прочность болта на растяжение.

Прочность болта на сдвиг определяется как

P _S = p _s A _s

где:

p _s — прочность болта на сдвиг
A _s — площадь сдвига болта.

В таблице As принято равным At .

Прочность на сдвиг, указанная в таблицах, должна быть уменьшена для больших уплотнений, больших длин захвата, почковидных пазов или длинных соединений, когда это применимо.

Сопутствующие

Технические основы проектирования и анализа резьбовых крепежных изделий — требуется премиум-членство
Расчет крутящего момента сборки по ISO 68 и ISO 724
Комбинированное удлинение резьбы и корпуса болта при предварительном натяге. Формула и калькулятор. Закручивая или поворачивая резьбу болта, мы пытаемся контролировать процесс затяжки за счет сил, приложенных к гайке, или движения гайки.
Зона напряжения винта 100 тыс.фунтов на кв. дюйм и более
Площадь напряжения болта менее 100 тысяч фунтов/кв. дюйм
Уравнение удлинения болта и калькулятор при осевом напряжении
Влияние момента на круговое распределение болтов в соединении торцевой пластины
Площадь сдвига Внутренняя и внешняя резьба Формула и расчет в соответствии с FED-STD-h38/2B
Расчет осевой силы винтовой передачи
Грузоподъемность обычных болтов на. BS449: Часть 2 Болт класса 4.6
Грузоподъемность обычных болтов на. BS449: Часть 2 Болт класса 6.8
Грузоподъемность обычных болтов на. БС449: Часть 2 Болт Класс 8.8
Грузоподъемность обычных болтов на. BS449: Часть 2 Болт класса 10.9
Грузоподъемность обычных болтов на. BS449: Часть 2 Болт класса 12.9
Калькулятор дизайна электронной таблицы Excel пер. BS: 449: для части 2 требуется действующее премиум-членство с Engineers Edge

Свойства — ASTM A325

Ниже приведены химические и механические требования согласно спецификации ASTM A325. Кроме того, вы найдете расчетные требования к механическим свойствам для каждого требуемого диаметра болта. Следует отметить, что при внедрении ASTM F3125 класса A325 механические свойства немного отличаются, как указано ниже.

A325 Тип 1 Химические свойства

Тепловой анализ	120ksi, %	150ksi, %
Углерод	0,30 – 0,52	0,30 – 0,48*
Марганец	0,60 мин	0,60 мин
Фосфор	0,035 макс.	0,035 макс.
Сера	0,040 макс.	0,040 макс.
Кремний	0,15 – 0,30	—
Бор	0,003 макс.	0,003 макс.
Медь	—	—
Никель	—	—
Хром	—	—
Молибден	—	—
*Углерод 0,35-0,53% для болтов 1-1/2” A490/150ksi

A325 Тип 3 Химические свойства

Тепловой анализ	120ksi, % Comp A	120ksi, % Comp B	120ksi, % Индекс	150ksi, % Индекс
Углерод	0,33 – 0,40	0,38 – 0,48	0,30 – 0,52	0,30 – 0,53
Марганец	0,90 – 1,20	0,70 – 0,90	0,60 мин	0,60 мин
Фосфор	0,035 макс.	0,035 макс.	0,035 макс.	0,035 макс.
Сера	0,040 макс.	0,040 макс.	0,040 макс.	0,040 макс.
Кремний	0,15 – 0,30	0,30 – 0,50
Медь	0,25 – 0,45	0,20 – 0,40	0,20 – 0,60	0,20 – 0,60
Никель	0,25 – 0,45	0,50 – 0,80	0,20 мин*	0,20 мин*
Хром	0,45 – 0,65	0,50 – 0,80	0,20 мин	0,20 мин
Молибден		0,06 макс.	0,10 мин*	0,10 мин*
Никель или молибден должны присутствовать в указанном количестве. Индекс коррозии основан на ASTM Guide G101.

A325 Механические свойства

Размер	Растяжение, тыс. фунтов/кв.дюйм	Выход, тыс.фунтов на кв. дюйм	Удлиненный. %, не менее	РА %, не менее
¹ ⁄ ₂ — 1	120 мин	92 мин	14	35
1 ¹ ⁄ ₈ — 1 ¹ ⁄ ₂	105 мин	81 мин	14	35

Механические требования к диаметру

Требования к минимальной прочности болта определенного класса указаны в фунтах на квадратный дюйм (psi) или тысячах фунтов на квадратный дюйм (ksi). Это работает при анализе того, какую марку материала следует использовать для данного применения, но это не говорит нам о фактической или предельной прочности этого материала для определенного диаметра. Ниже приведены приблизительные минимальные механические свойства, характерные для данного диаметра крепежа A325.

Диаметр	Максимальная производительность, фунты.	Предельное растяжение, фунты.
¹ ⁄ ₂ »	13 054	17 028
⁵ ⁄ ₈ »	20 792	27 120
³ ⁄ ₄ »	30 728	40 080
⁷ ⁄ ₈ »	42 504	55 440
1″	55 752	72 720
1 ¹ ⁄ ₈ »	61 803	80 115
1 ¹ ⁄ ₄ »	78 489	101 745
1 ³ ⁄ ₈ »	93 555	121 275
1 ¹ ⁄ ₂ »	104 814	147 525

Сравнение требований к механическим свойствам между A325 и F3125, марка A325

Ниже приведена таблица, в которой сравниваются требования к механическим свойствам для A325 и F3125, марка A325. Как видите, требования идентичны для диаметра 1 дюйм, но помимо этого, F3125 класса A325 имеет более высокие требования к минимальной прочности. Примечание. Согласно новой спецификации F3125, прочность одинакова для всех диаметров. Приведенные ниже значения представляют собой требования к прочности, когда A325 был отдельной спецификацией.