Контрольная нагрузка против минимальной разрушающей нагрузки: различие двух ключевых показателей прочности крепежа
Итоговое резюме
Контрольная нагрузка и минимальная разрушающая нагрузка — обе показывают «годен» в протоколе, но нацелены на совершенно разные виды отказа: одна страхует от остаточной деформации, другая — от излома при растяжении. В статье на методах испытаний и применимых объектах объясняется существенное различие между этими двумя показателями и даётся чёткий вывод о том, какой из них применять к гайкам в отличие от болтов.
Содержание
- Два показателя часто путают
- Минимальная разрушающая нагрузка: рассчитывается, а не измеряется
- Контрольная нагрузка: проверяется испытанием, с акцентом на остаточную деформацию
- Контрольная нагрузка — основной критерий для гаек
- Две ловушки при испытании контрольной нагрузкой
- Заключение: для болтов смотрят на разрушающую нагрузку, для гаек — на контрольную
Два показателя часто путают
В протоколах контроля крепежа контрольная нагрузка и минимальная разрушающая нагрузка часто появляются вместе со схожими значениями, и их легко принять за «одно и то же». Но отказы, от которых они страхуют, совершенно различны:
- Минимальная разрушающая нагрузка страхует от излома при растяжении— это минимальная нагрузка, которую резьбовой крепёж должен выдержать, не сломавшись.
- Контрольная нагрузка страхует от остаточной деформации— это нагрузка, которая после приложения и снятия не должна вызвать остаточного удлинения сверх заданной величины.
Одно — «не сломаться», другое — «не деформироваться остаточно». Это различие имеет огромный вес в реальной технике: гайка, прошедшая прочность на растяжение, вполне может превысить предел удлинения при контрольной нагрузке, и последнее является прямой причиной потери предварительной затяжки.
Минимальная разрушающая нагрузка: рассчитывается, а не измеряется
Формула минимальной разрушающей нагрузки Fm,min очень проста:
Fm,min = Rm,min × As
Rm,min: нижний предел прочности на растяжение, заданный для класса прочности (МПа)
As: площадь сечения резьбы по напряжению (мм²)
Площадь сечения резьбы по напряжению As не является ни площадью по внутреннему диаметру, ни площадью по наружному диаметру, а представляет собой эквивалентную площадь , задаваемую стандартом:
As = π/4 × [(d2 + d3) / 2]²
d2: средний диаметр; d3: внутренний диаметр (с учётом влияния радиуса впадики)
Используется среднее среднего и внутреннего диаметров, потому что срез резьбы происходит как по внутреннему диаметру (излом при растяжении), так и связан со сдвиговой несущей способностью по среднему диаметру; реальная поверхность излома — неправильная кривая поверхность между ними. Только нагрузка, рассчитанная по этой эквивалентной площади, совпадает с результатами испытаний.
Для распространённых размеров As и соответствующие нагрузки можно посмотреть напрямую:
| Размер резьбы | As (мм²) | Класс 8.8 Fm,min (кН) | Класс 10.9 Fm,min (кН) | Класс 12.9 Fm,min (кН) |
|---|---|---|---|---|
| M6 | 20.1 | 16.1 | 20.9 | 24.5 |
| M8 | 36.6 | 29.3 | 38.1 | 44.7 |
| M10 | 58.0 | 46.4 | 60.3 | 70.8 |
| M12 | 84.3 | 67.4 | 87.7 | 102.9 |
| M16 | 157 | 125.6 | 163.3 | 191.5 |
| M20 | 245 | 196.0 | 254.8 | 298.9 |
Контрольная нагрузка: проверяется испытанием, с акцентом на остаточную деформацию
Испытание контрольной нагрузкой проводится приложением заданной нагрузки к крепежу, выдержкой 10–15 с, затем разгрузкой и измерением изменения длины до и после.
Ключевой момент — предел «остаточного удлинения». GB/T 3098.1 задаёт для болтов и винтов:
когда L ≤ 8d, остаточное удлинение после разгрузки не должно превышать 12,5 µм;
когда L > 8d, оно не должно превышать 25 µм (L — длина крепежа).
Что означает 12,5 µм? Примерно одну шестую диаметра человеческого волоса. Этот предел чрезвычайно строг, именно поэтому он эффективен при отбраковке деталей, которые «проходят по прочности, но легко деформируются остаточно».
| Позиция | Минимальная разрушающая нагрузка | Контрольная нагрузка |
|---|---|---|
| Объект критерия | Разрушается ли | Превышает ли остаточное удлинение предел |
| Величина нагрузки | Равна нижнему пределу прочности материала на растяжение | Обычно в 0,8–0,9 раза от нижнего предела прочности на растяжение |
| Метод нагружения | Нагружение до излома | Нагружение и выдержка, затем разгрузка |
| Применимые детали | Болты, винты, шпильки | Болты, винты, шпильки, гайки |
| Отказ, от которого страхуют | Излом от перегрузки | Остаточная деформация, потеря предварительной затяжки |
Контрольная нагрузка — основной критерий для гаек
Для гаек стандарт (GB/T 3098.2) в основном оценивает контрольная нагрузка, а не минимальную разрушающую нагрузку.
Причина в том, что функционально гайка — это сторона, «растягиваемая болтом»; она испытывает сдвиг и сжатие витков резьбы, а не растяжение по полному сечению. Оценка гайки растягивающей нагрузкой не имеет физического смысла. Поэтому подход к контролю гаек таков —при контрольной нагрузке не должно быть срыва резьбы, трещин или избыточного остаточного удлинения.
Класс прочности гайки обычно записывается как «согласован с определённым классом болта», то есть её контрольной нагрузки достаточно, чтобы сопрягаемый болт разрушился первым, а гайка не вышла из строя. Например, гайка класса 10 согласована с болтом класса 10.9, а гайка класса 8 — с болтом класса 8.8.
Две ловушки при испытании контрольной нагрузкой
Ловушка 1: скорость нагружения
Слишком быстрое нагружение вносит динамические эффекты, делая измеренное остаточное удлинение слишком большим; слишком медленное может вызвать ползучесть, также искажая данные. Стандарт явно задаёт скорость нагружения, и различия между сторонними испытательными лабораториями часто проистекают из этого момента.
Ловушка 2: база измерения
Измерение остаточного удлинения требует измерения длины в одном и том же месте до и после приложения испытательной нагрузки, и само измерительное устройство не должно деформироваться под усилием. При реальном контроле, если используются торцевые меры и существует контактная деформация, это вносит погрешность в несколько микрометров — а допуск всего 12,5 µм, поэтому долю погрешности нельзя игнорировать.
Поэтому при выборе испытательной лаборатории уточняйте, используют ли они специальную машину для испытаний контрольной нагрузкой (с устройством измерения равной длины), а не универсальную разрывную машину, временно переоборудованную. Влияние таких различий оборудования на результат приёмки намного больше, чем ожидают многие покупатели.
Заключение: для болтов смотрят на разрушающую нагрузку, для гаек — на контрольную
Разделение труда между этими двумя показателями можно запомнить одной фразой:
- Болты, винты, шпилькиболты — минимальная разрушающая нагрузка определяет «нет излома», контрольная нагрузка определяет «нет деформации»; проверять нужно обе.
- Гайки— контрольная нагрузка является основным критерием; суть в том, чтобы резьба не срывалась и не вытягивалась.
- Эти две детали должны иметь согласованные классы прочности, чтобы болт разрушился первым, а гайка вышла из строя позже, удерживая потери на самой дешёвой сменной детали.
Понимание этого разделения естественным образом разрешает многие связанные с выбором недоумения: почему гайки не нужно проверять на прочность при растяжении, почему обе нагрузки должны присутствовать в протоколах болтов и почему согласование классов важнее цены за штучку при замене деталей в полевых условиях.
