Классы прочности крепежа: сводный справочник параметров

1. Как пользоваться справочником: сначала три условия

У данных по крепежу есть общая проблема. Всё это есть в стандартах, но разбросано по семи-восьми из них, поэтому при необходимости найти число приходится либо тратить полчаса на поиск, либо копировать таблицу неизвестного происхождения, которую никто не может привязать к редакции или диапазону размеров.

Настоящий справочник собирает параметры, которые чаще всего нужны на производстве, в порядке «прочность → резьба → допуск → материал → покрытие», с указанием стандарта и редакции для каждой таблицы. Перед началом следует усвоить три условия: если их понять неверно, все последующие таблицы будут прочитаны неправильно:

2. Девять классов прочности (таблица 3 ISO 898-1)

Это основа всего остального. Таблица собрана по ключевым данным таблицы 3 ISO 898-1:2013 и охватывает крупные резьбы от M1,6 до M39 и мелкие от M8×1 до M39×3. Установочные винты стандарт не рассматривает — они относятся к ISO 898-5.

Несколько моментов, которые следует запомнить при чтении:

• Класс 3.6 исключён в редакции 2009 г. Действующий перечень включает девять классов: 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.8, 8.8, 9.8, 10.9, 12.9. Если в чертеже по-прежнему указан 3.6, он ссылается на очень старый стандарт.
• Классы 4.8, 5.8 и 6.8 упрочнены наклёпом. Их прочность обусловлена наклёпом при холодной высадке без закалки и отпуска, поэтому стандарт не нормирует удлинение обработанного образца. Вместо этого оценивают удлинение полноразмерного образца A_f — 0,24d, 0,22d и 0,20d от исходной длины — вместе с пробным напряжением полноразмерного образца R_pf при остаточном удлинении 0,0048d. Прочерки в строке удлинения — не пропуск: метод оценки иной.
• Класс 9.8 часто упускают. Его минимальный предел прочности выше, чем у 8.8 (900 МПа против 830 МПа), а предел текучести заметно выше (720 МПа против 660 МПа); цифра 9 в обозначении соответствует R_p0,2,nom = 900 МПа. Он подходит для соединений, где нужна прочность без предельного отношения предела текучести к прочности, характерного для 10.9, и предъявляет несколько меньшие требования к прокаливаемости.
• У классов 8.8, 9.8 и 10.9 есть скрытое условие по сравнению с 12.9. Эти классы должны быть улучшены с температурой отпуска не ниже 425 °C. Для класса 12.9 стандарт дополнительно запрещает металлургически видимый белый слой, обогащённый фосфором, на поверхности, причём его удаление должно выполняться до термообработки.

3. Как читать обозначение класса прочности

Обозначение не произвольно. Его порождают два правила: число до точки × 100 = номинальный предел прочности R_m,nom, а число после точки ÷ 10 = номинальное отношение предела текучести к пределу прочности R_p0,2,nom / R_m,nom.

Помимо двух цифр, полная система обозначений содержит несколько дополнений, наносимых на изделие или упаковку:

• Левая резьба добавляет LH после обозначения класса, например 8.8 LH.
• Гайки обозначают одним числом — 8, 10 или 12 — без точки.
• Нержавеющая сталь обозначается совершенно иначе: группа стали плюс класс прочности, например A2-70 или A4-80; см. раздел 9.

Самый простой способ определить класс — посмотреть на маркировку головки. Стальные болты обычно несут цифры класса, выштампованные на торце головки у шестигранных головок или на боковой поверхности у головок с внутренним шестигранником. Соглашение «циферблата» позволяет различать идентификационные знаки изготовителей: символ изготовителя расположен в определённом положении на циферблате и вместе с цифрами класса образует полную идентификацию. При указании в чертеже наиболее надёжная форма — «класс плюс номер стандарта», например ISO 4017-M12×40-8.8.

4. Площадь сечения A_s и минимальная разрушающая нагрузка

Любой расчёт прочности начинается с одной величины — номинальной площади сечения резьбы A_s. Это не площадь круга по наружному диаметру, а эквивалентная площадь, вычисляемая по шагу и внутреннему диаметру и примерно на 20–25 % меньшая площади по номинальному диаметру. Зная A_s, минимальную разрушающую нагрузку получают одной строкой:

Площади сечения для распространённых крупных резьб и минимальная разрушающая нагрузка для четырёх наиболее используемых классов, округлённая до сотен ньютонов:

Два предостережения:

• Для класса 8.8 при размере свыше 16 мм R_m,min составляет 830 МПа, а не 800 МПа. В приведённом столбце 8.8 использовано 800 МПа, поэтому значения консервативны; для крупных размеров фактическое значение несколько выше.
• Для деталей горячего цинкования значения должны быть снижены. Для крепёжных изделий горячего цинкования с допуском резьбы 6az по ISO 965-4 минимальная разрушающая нагрузка снижается согласно ISO 10684. Приведённая таблица к ним неприменима.

5. Пробная нагрузка гаек и сочетание классов

Гайки испытывают не на предел прочности, а на пробную нагрузку: при заданном пробном напряжении гайка не должна ни сорвать резьбу, ни разрушиться. Цель — обеспечить разрыв болта раньше срыва резьбы гайки, чтобы отказ был предсказуем.

Два правила, которые стоит запомнить:

• Гайка может быть выше класса болта, но никогда ниже. Если она ниже, характер отказа меняется с разрыва болта на срыв резьбы — внезапный и часто захватывающий всю длину резьбы, без предупреждения.
• Для низких гаек применяют пониженное пробное напряжение. Гайки с номинальной высотой от 0,5d до 0,8d имеют собственные систему обозначений и пробное напряжение, например класс 04 при 380 МПа и класс 05 при 500 МПа. К ним нельзя применять значения для гайки нормальной высоты; они пригодны только для лёгких нагрузок или стеснённого пространства.

6. Твёрдость: три шкалы, которые несопоставимы

Для крепёжных изделий применяют три шкалы твёрдости: Виккерс HV во всём диапазоне, Бринелль HBW для более мягких материалов и Роквелл HRB или HRC — HRB для мягких, HRC для твёрдых. ISO 18265 приводит переводы, но прямо указывает, что они действительны только для углеродистой, низколегированной и литой стали в горячедеформированном или термообработанном состоянии; высоколегированные и наклёпанные стали, включая классы 6.8, A2 и A4, существенно отклоняются.

Составлено по зависимостям ISO 18265 и округлено; столбец прочности приведён только для справки и не используется для заключения.

Практический вывод: ISO 898-1 устанавливает пределы HV для каждого класса и приводит соответствующие диапазоны HRB или HRC. При приёмке предпочтительна HV, поскольку она охватывает наибольший диапазон. При использовании HRB или HRC следует убедиться, что деталь попадает в разумный диапазон этой шкалы: класс 12.9 нельзя измерять по HRB. Стандарт также ограничивает превышение твёрдости поверхности над твёрдостью сердцевины, измеряемое как разность в HV0,3; именно так выявляют цементацию и обезуглероживание.

7. Предельные размеры резьбы и классы допусков

Для наружных резьб обычно применяют класс допуска 6g, ранее обозначавшийся 6h; для внутренних — 6H. Приведённые ниже наружный и средний диаметры являются предельными размерами наружной резьбы и могут непосредственно использоваться в чертеже или при контроле согласно ISO 965-1 и -2.

Покрытие расходует допуск. Гальваническое покрытие имеет толщину, и резьба, изготовленная по верхней границе поля 6g, после покрытия может не собраться; напротив, чрезмерно толстое покрытие может намертво заклинить внутреннюю резьбу. Поэтому ISO 4042 требует смещать основное отклонение до нанесения покрытия в соответствии с толщиной покрытия, как рассмотрено в разделе 12. Величину припуска перед покрытием следует указывать в чертеже в виде кода покрытия, а распределение припуска по стандарту выполняет поставщик. Если это не указано, при возникновении проблем в производстве ответственность разграничить невозможно.

8. Отверстия под резьбу и отверстия под проход

Размер отверстия под резьбу и размер отверстия под проход болта — две величины, которые чаще всего находят в справочниках при проектировании и сборке. Следует учитывать, что размер отверстия под резьбу зависит от шага и профиля резьбы, а не от класса прочности: его нельзя выводить из класса болта.

Диаметры свёрл для распространённых крупных резьб

⚠ Эти значения относятся только к нарезанию резьбы без вставки. Если устанавливается вставка, например проволочная резьбовая, отверстие необходимо увеличить до специального значения STI и обработать специальным метчиком: для M6 × 1,0 сверло под обычную резьбу — 5,0 мм, тогда как отверстие под вставку — около 6,3 мм. Путать эти значения недопустимо.

Отверстия под проход по ISO 273

Выбор ряда зависит от точности сборки и соединяемого материала. Точный ряд применяют для точного позиционирования с контролируемым зазором; грубый подходит для сварных конструкций и окрашенных деталей, где необходимо компенсировать большие погрешности положения отверстий.

9. Крепёж из нержавеющей стали: другая система

Крепёж из нержавеющей стали нельзя подбирать по классам прочности углеродистой стали. ISO 3506 использует двухчастное обозначение: группа стали плюс класс прочности, например A2-70 или A4-80. Группа определяет семейство состава, число — уровень прочности.

Удлинение нержавеющей стали приведено для полноразмерного образца и выражено в долях d, а не измерено на обработанном образце. Это не то же самое, что значение A для углеродистой стали, и напрямую сравнивать их нельзя.

Мелкие винты из нержавеющей стали также часто принимают по минимальному разрушающему моменту M_B,min согласно ISO 3506:

Главный принцип выбора группы — среда, а не прочность. A2 и A4 различаются главным образом содержанием молибдена: в A4 он присутствует, и она заметно лучше сопротивляется хлоридному питтингу и кислотам. Для прибрежных условий, химических производств и сред с хлоридсодержащими моющими средствами следует выбирать A4, семейство 316. Если выбрать A2-70 исходя только из прочности, пятна ржавчины могут появиться уже через несколько месяцев.

10. Крепёж из цветных металлов

Алюминиевые винты применяют там, где важна масса, где необходимо избежать гальванической коррозии или где крепёж должен соответствовать соединяемому материалу. Прочность значительно ниже стальной, поэтому в расчёте необходимо использовать фактический R_p0,2 алюминия и нельзя брать стальные значения моментов.

Два предупреждения по безопасности. Высокомедные сплавы серии 2xxx, например 2017A, чувствительны к коррозионному растрескиванию под напряжением и требуют осторожности во влажных средах и средах с хлоридами. Сплавы серии 7xxx необходимо применять в перестаренном состоянии, например T73, поскольку недостаренное T6 даёт риск коррозионного растрескивания при высоких напряжениях. Модуль упругости алюминия примерно втрое ниже стального и составляет около 70 ГПа, поэтому при том же моменте он деформируется гораздо сильнее, что делает затяжку «на ощупь» особенно опасной для алюминия.

11. Пределы химического состава

Класс прочности — не только механическая характеристика; он подразумевает и набор ограничений по составу, что служит полезным подтверждением того, действительно ли партия соответствует классу 8.8. По таблице 2 ISO 898-1:

Ограничения, которые легко упустить:

• Начиная с класса 8.8 пределы P и S снижаются с 0,05/0,06 до 0,025/0,025. Обычная углеродистая конструкционная сталь часто этому не соответствует — отсюда множество «болтов класса 8.8 из обычной стали 45», не отвечающих стандарту уже по составу.
• Содержание бора ограничено 0,003 % для классов 8.8, 9.8, 10.9 и 12.9.
• У легированной стали есть определение. Она должна содержать хотя бы один из элементов: Cr 0,30 %, Ni 0,30 %, Mo 0,20 % или V 0,10 %; если добавлено несколько, суммарное содержание легирующих элементов должно составлять не менее 70 % от суммы индивидуальных минимальных содержаний.
• Класс 10.9 ограничивает низкоуглеродистые марки. Минимальная температура отпуска 425 °C исключает некоторые низкоуглеродистые легированные стали, например 20MnTiB, которые достигают класса 10.9 только при более низкой температуре отпуска.

12. Пределы толщины покрытия и водородный порог

Более толстое покрытие не означает лучшее. ISO 4042 устанавливает верхние пределы толщины покрытия исходя из положения поля допуска резьбы, чтобы резьба собиралась после покрытия. Распространённые пределы для крупных наружных резьб в поле 6g:

Это только выдержка; фактические значения зависят от положения поля допуска и номинальной длины, поэтому перед применением следует обратиться к таблице ISO 4042. Резьбы в классах допуска f и e допускают более толстые покрытия.

Водородное охрупчивание — главная причина разрушения высокопрочных деталей с покрытием. ISO 4042 определяет его однозначно:

• Порог риска: крепёжные изделия из материала с R_m ≥ 1000 МПа, что соответствует примерно 320 HV и выше, работающие под растягивающим напряжением и подвергнутые гальваническому покрытию, подвержены риску разрушения от водородного охрупчивания.
• Снижение риска: термообработка, то есть выдержка после травления или покрытия, уменьшает риск разрушения, но не гарантирует его устранения. Для класса 10.9 и выше, при 320 HV и более, стандарт поэтому рекомендует неорганические цинковые покрытия или механическое цинкование — процессы, не выделяющие водород.
• Если покрытие неизбежно: выдержку выполняют как можно раньше после нанесения покрытия, обычно в течение четырёх часов, при 200–230 °C и ниже температуры отпуска, как правило в течение 4–24 часов.

Иными словами: для высокопрочных деталей выбирают процесс без выделения водорода, а не наносят покрытие и затем пытаются исправить положение. Это решение стадии проектирования, и производство его не спасёт.

13. Перевод единиц

14. Пять ошибок при работе со справочником

15. Источники и стандарты

• ISO 898-1:2013, Механические свойства крепёжных изделий из углеродистой и легированной стали, часть 1: болты, винты и шпильки с установленными классами прочности — крупная и мелкая резьба: механические и физические свойства девяти классов, таблица 3; материал и химический состав, таблица 2; площадь сечения и минимальная разрушающая нагрузка; пробная нагрузка; система обозначений.
• ISO 898-2, Механические свойства крепёжных изделий, часть 2: гайки с установленными классами прочности: пробная нагрузка гаек, гайки исполнений 1 и 2, пробное напряжение для низких гаек.
• ISO 3506-1 и -2, Механические свойства коррозионностойких крепёжных изделий из нержавеющей стали: группы A1–A5, классы прочности 50, 70 и 80, минимальный разрушающий момент.
• ISO 965-1, -2 и -4, Резьба метрическая ISO общего назначения — Допуски: классы допусков 6g и 6H и их предельные размеры; 6az для деталей горячего цинкования.
• ISO 4042, Крепёжные изделия — Системы гальванических покрытий: пределы толщины покрытия в зависимости от допуска резьбы, порог риска водородного охрупчивания и требования к выдержке.
• ISO 18265, Металлические материалы — Перевод значений твёрдости: сопоставление шкал Виккерса, Бринелля и Роквелла с указанием применимых материалов.
• ISO 273, Крепёжные изделия — Отверстия под проход для болтов и винтов: диаметры отверстий под проход точного H12, среднего H13 и грубого H14 рядов.
• ISO 10684, Крепёжные изделия — Покрытия горячего цинкования: корректировка минимальной разрушающей нагрузки для деталей горячего цинкования.
• ISO 898-5, Установочные винты и аналогичные резьбовые крепёжные изделия: резьбовой крепёж, исключённый из ISO 898-1.
• ISO 724 и ISO 262, Резьба метрическая ISO общего назначения — Основные размеры и Выбранные размеры для винтов, болтов и гаек: основные размеры резьбы и ряды крупных и мелких резьб.