Выбор материала для крепежа
Не существует ни одного материала, который подходил бы для любых условий. Выбор правильного материала из широчайшего спектра материалов может оказаться непростой задачей. Особое внимание необходимо уделить прочности, рабочей температуре, коррозии, вибрационной устойчивости, усталости и многим другим переменным. Тем не менее, с некоторым пониманием сути и базовыми знаниями могут быть сделаны продуманные выводы о применении того или иного материала, отвечающего поставленным задачам.
Механические свойства
Большинство крепежных изделий предназначены для крепления деталей между собой или передаче определенного усилия при внешней приложенной нагрузке на присоединяемую деталь. Если прочность крепления является единственной задачей, то, как правило, нет необходимости выходить за рамки углеродистой стали. 90% всех крепежных изделий (метизов) изготавливается именно из этой стали. В целом, с учетом стоимости сырья, метизы из высоколегированных и цветных металлов и сплавов следует рассматривать только тогда, когда требуются определенные параметры применения таких изделий.
Предел прочности на разрыв
Пожалуй, основным требованием к стандартному метрическому крепежу (с резьбовыми соединениями) является прочность таких изделий на разрыв. Прочность на разрыв характеризуется величиной, при которой при приложении максимальной нагрузки на растяжение изделия, происходит его разрушение. Такую величину принято выражать в МПа. Так, например, маркировка болта «8.8» показывает, что прочность на разрыв данного изделия составляет 800 МПа, т.е., проще говоря, чтобы это понять, необходимо первую цифру в маркировке умножить на 100.
Для этих резьбовых соединений значительное внимание должно быть уделено определению области максимального растяжения, так как в стандартном метрическом крепеже разрыв происходит именно в резьбовом сегменте по причине уменьшенной площади сечения основного тела изделия.
Пластическая деформация
Пластическая деформация крепежного изделия – это ничто иное как отношение предела текучести материала к пределу прочности изделия, при маркировке (вторая цифра) выраженное в процентах, деленных на 10. Под пластической деформацией понимают используемый диапазон силы для многих стандартных крепежных изделий (болтов, винтов, шпилек), при котором, по определению, при применении растягивающей нагрузки, крепление должно оставаться без остаточной деформации. Другими словами, болт возвращается к своей первоначальной форме, как только снимается нагрузка.
Сталь обладает определенной эластичностью, когда она вытянута. Если нагрузка, находящаяся в пределах упругой области, снята, то крепежное изделие всегда будет возвращаться к своей первоначальной форме. Если же приложенная нагрузка выше предела текучести материала и находится в пластической области, то изделие не сможет вернуться к своей первоначальной форме, даже если нагрузка будет снята.
Предел прочности при сдвиге
Прочность на сдвиг определяется как максимальная нагрузка, которая может воздействовать на крепежное изделие – болт, винт, шпильку - до перелома, при применении под прямым углом к оси изделия. Нагрузки, происходящие в одной поперечной плоскости, принято считать одним сдвигом. Двойной сдвиг происходит в двух плоскостях, где изделие может быть разрезано на три части.
Для большинства стандартного метрического крепежа прочность на сдвиг не является обязательной характеристикой, хотя такой крепеж может быть широко использован в сдвиговых конструкциях. Хотя тестирование заклепок на сдвиг хорошо стандартизированные процедуры, тестирование техники резьбовых соединений не так хорошо продуманы.
Для определения прочности на сдвиг крепежного изделия важным показателем является площадь поперечного сечения тела изделия. Так как прочность на сдвиг напрямую связана с чистой площадью сечения, меньшая площадь приводит к снижению прочности болта на сдвиг.
При отсутствии требования прочности на сдвиг применяются углеродистые стали с твердостью до 40 HRC, с 60% от их предела прочности на растяжение. Этого достаточно для подходящего запаса прочности.
Усталостная прочность
При постоянных циклических нагрузках на крепежные изделия может произойти внезапное разрушение изделия, даже если нагрузка значительно ниже прочности материала. Причина этого – в усталости металла. Усталостной прочностью крепежного изделия характеризуется количество максимальных напряжений (циклов), при котором крепеж (болт, винт, шпилька и т.д.) может выдержать до своего разрушения.
Прочность при кручении (Коэффициент закручивания)
Крутильная сила нагрузки на крепежное изделие обычно выражается в единицах крутящего момента, при котором крепление остается стабильным и не происходит перпендикулярного среза по оси изделия.
Другие механические свойства
Твердость
Твердость является мерой способности материала сопротивляться истиранию и вдавливанию. Для углеродистых сталей обычно применяется измерение твердости по Бринеллю и Роквеллу. Данные тестирования используются для оценки прочностных свойств крепежа.
Ударная вязкость
Вязкость определяется как способность материала к поглощению удара или ударной нагрузки. Как правило, данное требование применяется к крепежным изделиям, использующимся при низких температурах или с большим перепадом температур. Пример – Ст.40Х, использующаяся при изготовлении высокопрочного крепежа, эксплуатирующегося в холодных климатических условиях и/или использующегося при высотном и ответственном строительстве с применением металлических конструкций.
