• Главная
• Статьи
• Крепеж
• Механические свойства крепежа

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.

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:

• Ст.45: λ= 600 МПа;

• Ст.20: λ= 419 МПа;

• Ст.10: λ= 330 МПа.

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.

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.

• Из легированной стали – β = (2,1…2,2)×10⁵MПa.

• Из стали углеродистой – β = (2,0…2,1)×10⁵MПa.

• Из алюминия – β = 0,69×10⁵MПa.

• Из меди – β = 1,1×10⁵MПa.
  

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.

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:

• крепеж, произведенный из титана (Ti) и алюминия (Al) выдерживает 10⁷-10⁸ циклических нагрузок;

• стальные резьбовые детали не разрушаются при воздействии 5×10⁶-5×10⁶ нагрузок циклического характера.

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.

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

• «О» обозначен «Отжиг»;

• «М» – процедура закалки, предполагающая финишное охлаждение в масле.

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/А_р, где

Т = ½ F_зат.×d₂×tg(φ + ω^’);

А_p = (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.

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.

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 = Р_н/S_о, где

Р_н – величина приложенной нагрузки;

S_о – 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.

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.

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.