Таблица прочности металлов по классу прочности

Обновлено: 18.05.2024

Высокопрочные болты, винты и шпильки при небольших габаритах способны обеспечить разъемное соединение, не уступающее по прочности сварному и превосходящее заклепочное. Интенсивно эксплуатируемая техника или массивные строительные металлоконструкции требуют применения именно высокопрочного крепежа. Стремление снизить расходы и использовать в ответственных узлах крепления низкопрочные детали может привести к быстрому разрушению конструкций или выходу из строя механизмов.

Перед внедрением высокопрочного крепежа в той или иной проект проектировщики производят точный расчет болтовых соединений с учетом силовой нагрузки на метизы и их прочностных характеристик. К сожалению, в отечественной промышленности объем использования высокопрочных крепежных изделий меньше, чем в развитых зарубежных странах. Это связано с отсутствием достаточной информации о преимуществах и эффективности их применения, а также технической литературы и справочных данных для их практического использования.

Создание долговечной выносливой техники также невозможно без особо прочного крепежа. К сожалению, но факт, что наши автомобили часто не выдерживают даже гарантийного срока эксплуатации из-за крепежных деталей низкой прочности, чего не скажешь об автомобильном парке немецкого, японского, французского, американского производства. Но ситуация в нашей стране постепенно налаживается не только за счет импорта высокопрочного крепежа, но и из-за того, что многие отечественные метизные заводы налаживают его выпуск по российским и европейским стандартам.

В чем отличие высокопрочного крепежа от обычного?

Главное отличие от метизов общего назначения заключается в особых физико-механических свойствах высокопрочного крепежа, которые дают ему возможность воспринимать более тяжелую нагрузку. К примеру, болт высокого класса прочности 12.9 разорвется при нагрузке 1200 Н/мм², а аналогичный по диаметру низкого класса 4.8 – при 420 Н/мм², то есть при нагрузке в 2.7 раза меньшей.

Высокопрочный винт ISO 7380-1 класса прочности 10.9

Помимо колоссальной стойкости к повышенным нагрузкам, крепеж высокого класса прочности дает еще целый ряд преимуществ:

Снижение металлоемкости изделий и конструкций, при одновременном сохранении надежности крепежных узлов. Это достигается путем использования меньших по размеру винтов, но рассчитанных на более высокие нагрузки.
Использование шпилек меньшего диаметра влечет за собой уменьшение диаметра монтажных отверстий и, как следствие, повышение прочности металлоконструкций, фланцевых соединений. Кроме того, замена обычных метизов на более прочные позволяет сократить количество точек крепления, снизив тем самым затраты на крепеж.
Возможность применения в различных климатических условиях. Высокопрочные болты северного исполнения могут эксплуатироваться в условиях сурового климата до -60°С (маркировка «ХЛ») или средних холодных температур до -40°С (маркировка «У»).
Способность воспринимать постоянные, переменные и особые нагрузки (подвижные, вибрационные, динамические, сейсмические).
Возможность применения в конструкциях, эксплуатируемых в слабо-, средне-, сильноагрессивных средах с использованием защитных металлических или лакокрасочных покрытий.
Создание сдвигоустойчивых соединений. В обычном болтовом соединении при нагрузке на сдвиг происходит смещение соединяемых элементов, равное величине зазора между шпилькой и стенкой отверстия. Высокопрочный болткомплект позволяет стянуть элементы с большим усилием, благодаря чему между ними возникает трение, исключающее сдвиг. Такое соединение называется фрикционным.

Преимущества перед сварочным соединением:

Соединения на болтах снижают трудоемкость монтажа, позволяют вести сборку силами рабочих невысокой квалификации, автоматизировать, механизировать сборочный процесс.
Применение высокопрочных болтовых соединений при монтаже металлоконструкций позволяет использовать элементы из трудносвариваемых сталей повышенной прочности.
Возможность визуального контроля целостности монтажного соединения на болтах, тогда как в сварных швах могут быть скрытые дефекты.

Преимущества перед заклепочным соединением:

Сегодня при возведении металлоконструкций на смену заклепкам пришли высокопрочные болткомплекты, которые более выносливы переменным нагрузкам за счет равномерного распределения напряжения по сечению болтового соединения. К тому же в отличие от заклепок они могут быть легко заменены в случае износа, дают возможность сборки/разборки конструкции, могут использоваться многократно, что облегчают ремонт оборудования.

Высокие классы прочности и их расшифровка

Согласно международной классификации резьбовых метизов, к высокопрочным болтам, винтам, шпилькам относятся изделия, имеющие цифровую маркировку классов прочности 8.8, 9.8, 10.9, 12.9, а к сверхпрочным – 14.9. Это важнейшая из характеристик, которая обязательно учитывается в любом проекте. Чем выше эти значения, тем прочнее, выносливее, качественнее и соответственно дороже метиз.

Первая цифра указывает на предельную нагрузку на растяжение, при которой крепеж разорвется. Эта величина называется пределом прочности на разрыв, определяется как одна сотая от номинального временного сопротивления, выражается в МПа или Н/мм².

Например, для болта 10.9 она равняется: 10 / 0,01 = 1000 МПа (Н/мм²).

Вторая цифра говорит нам о напряжении, при котором крепеж необратимо деформируется при изгибе, а называется этот параметр – предел текучести. Определяется умножением первой цифры на вторую и на 10.

Например, для того же болта 10.9 он равен: 10х9х10 = 900 МПа (Н/мм²).

При расчете соединения для заданной нагрузки значение предела текучести умножают на коэффициент 1/2 или 1/3 для обеспечения 2-х или 3-кратного прочностного запаса.

Марки сталей и особенности изготовления крепежа высокой прочности

Крепежные изделия классов от 8.8 до 14.9, включая болты для автомобильной промышленности, производятся из конструкционных среднеуглеродистых сталей, легированных упрочняющими добавками. Эксплуатационные свойства крепежа определяются двумя факторами:

Самые популярные марки: 35, 40, 40Х Селект, 38ХА, 30ХГСА, 35ХГСА, 40ХН2МА, 38ХГНМ. Реже используют слаболегированные борсодержащие стали марок 12Г1Р, 20Г2Р, 30-35Г1Р. Стали, легированные бором, обладают благоприятным сочетанием прочностных и пластических свойств, но из-за некоторых технологических трудностей при их выплавке, их внедрение в метизное производство сдерживается.

Исходное сырье поступает на производство в виде стержней или проволоки. Болты формируют методом холодной штамповки под давлением на высадочных автоматах, затем на них наносят резьбу на накатных автоматах. Для придания готовым изделиям высоких прочностных характеристик, эксплуатационной надежности и устранения хрупкости их подвергают термическому упрочнению путем нагревания в закалочной печи и последующему отпуску (охлаждению).

Таблица 1. Марки сталей, рекомендованные для изготовления болтов, винтов, шпилек высоких классов прочности.

Класс прочности	8.8	10.9	12.9
Марка стали	Ст.35, Ст.35Х, Ст.38ХА, Ст.40Х, Ст.20Г2Р	Ст.35Х, Ст.38ХА, Ст.45Г, Ст.40Г2, СТ.40Х, Ст.40Х Селект Ст.30ХГСА, Ст.35ХГСА	Ст.30ХГСА, Ст.35ХГСА, Ст.40ХНМА
Марка стали	Ст.35, Ст.35Х, Ст.38ХА, Ст.40Х, Ст.20Г2Р		Ст.30ХГСА, Ст.35ХГСА, Ст.40ХНМА	Граница прочности, МПа	800. 830	1000. 1040	1200. 1220
Граница текучести, МПа	640. 660	900. 940	1080. 1100
Твердость по Бринеллю, НВ	242. 318	304. 361	366. 414

Стандарты ГОСТ и DIN на высокопрочный крепеж

Сегодня “высокопрочка” поступает на рынок от отечественных, европейских и азиатских производителей. И если качество китайского крепежа вызывает недоверие у потребителей, то российский и европейский продукт пользуется большим спросом. Во многих зарубежных нормативах DIN, EN прописано использование болткомплектов (болт, гайка, шайба в сборе) от одного производителя. В наших документах нет таких правил. Нет в них и требований по виду защитного покрытия, тогда как европейские метизы оцинковываются, как правило, горячим методом.

Таблица 2. Стандарты на высокопрочный крепеж в России и Европе.

Национальные стандарты РФ	Европейские стандарты
ГОСТ Р 52643-2006 Общие технические условия	DIN EN 14399-1:2006 Общие требования
ГОСТ Р 52644-2006 (ИСО 7411:1987) Болты	DIN EN 14399-2:2006 Проверка пригодности к предварительным натяжениям
ГОСТ Р 52644-2006 (ИСО 7411:1987) Болты		ГОСТ Р 52645-2006 (ИСО 4775:1984) Гайки	DIN EN 14399-4:2006 Гарнитуры из болтов и гаек. Система HV
ГОСТ Р 52646-2006 (ИСО 7415:1984) Шайбы	DIN EN 14399-5:2006 Шайбы
DIN EN 14399-6:2006 Шайбы с фаской

Основные виды высокопрочных болтов, винтов и шпилек, используемые в России строительными компаниями и машиностроительными предприятиями:

Перечисленные стандарты распространяются на шестигранные болты высокой прочности (БВП), разработанные для использования при монтаже строительных металлоконструкций из стали, а также в мостостроении и тяжелом машиностроении для создания высоконагруженных соединений. Размерный ряд ограничен диаметрами М16 – М48. Выпускаются в климатическом исполнении «У» и «ХЛ»

ГОСТ 7798, ГОСТ 7805, DIN 933, DIN 931, ISO 4014, ISO 4017

Стандарты на БВП с нормальной шестигранной головкой, полной и неполной резьбой, используемые для скрепления деталей и элементов конструкций в автомобилестроении, других производственных и строительных областях. Имеют широкий диапазон диаметров от М3 до М64. Выпускаются без покрытия или оцинкованными разными способами (гальваническим, термодиффузионным, горячим). Аналоги с мелкой резьбой – DIN 960, DIN 961.

По данным стандартам изготавливаются винты с внутренним шестигранником и головкой в форме цилиндра, которые используются в самых разных отраслях промышленности. Винты DIN, ISO имеют более длинный перечень размеров, выпускаются только в высоких классах прочности 8.8, 10.9, 12.9, тогда как ГОСТ допускает их изготовление и низких классов, но ограниченного диаметра от М3 до М36.

Настоящие стандарты описывают требования к откидным винтам (болтам) с ушком и метрической резьбой диаметром от М5 до М36, которые применяются в станочных приспособлениях, в качестве детали соединения в машиностроении или совместно со строительными анкерами с внутренней резьбой.

Данные стандарты регламентируют размеры, длину, шаг и тип резьбы резьбовых шпилек (штанг). К высокопрочным относят шпильки с границей прочности 800…1200 Нм. Они имеют фиксированную длину 1000 или 2000 мм, диаметр от М4 до М48. Применяются в машиностроении, строительной отрасли, при монтаже кабельно-трубных эстакад.

Все вышеперечисленные метизы изготавливаются в черном исполнении (под покраску) и оцинкованном различными способами.

Усилие затяжки высокопрочных болтов

При установке БВП следует учитывать характер монтажного соединения: сдвигоустойчивое (фрикционное) или с несущими болтами. В первом случае соединение затягивается до требуемой (проектной) величины динамометрическими ключами для обеспечения сил трения между соединяемыми элементами. Момент затяжки – это усилие, приложенное к гайке или головке винта и создающее в теле метиза контролируемое усилие натяжения. Расчетные значения момента закручивания и усилия предварительной затяжки болтов сведены в специальные справочные таблицы.

Таблица 3. Нормы затяжки болтов (коэффициент трения 0,14)

Диаметр резьбы, мм	Шаг резьбы, Р	Площадь сечения As, мм	Усилие предварительной затяжки Q, кН			Крутящий момент Мкр, кН
Диаметр резьбы, мм	Шаг резьбы, Р	Площадь сечения As, мм	8.8	10.9	12.9	8.8	10.9	12.9
М4	0,7	8,78	4,3	6,3	7,4	3,3	4,8	5,6
М5	0,8	14,2	7	10,3	12	6,5	9,5	11,2
М6	1	20,1	9,9	14,5	17	11,3	16,5	19,3
М8	1,25	36,6	8,1	26,6	31,1	27,3	40,1	46,9
М10	1,5	58	28,8	42,2	49,4	54	79	93
М12	1,75	84,3	41,9	61,5	72	93	137	160
М14	2	115	57,5	84,4	98,8	148	218	155
М16	2	157	78,8	115,7	135,4	230	338	395
М18	2,5	193	99	141	165	329	469	549
М20	2,5	245	127	181	212	464	661	773
М22	2,5	303	158	225	264	634	904	1057
М24	3	353	183	260	305	798	1136	1329
М27	3	459	240	342	400	1176	1674	1959
М30	3,5	561	292	416	487	1597	2274	2662
М33	3,5	694	363	517	605	2161	3078	3601
М36	4	817	427	608	711	2778	3957	4631
М39	4	976	512	729	853	3597	5123	5994

Где и как маркируется прочность на изделии?

Маркировка высокопрочных болтов

Требования к обозначению прочности болтов, винтов, шпилек прописаны в ГОСТ 1759.0-87 (для диаметров до 48 мм) и ГОСТ 18126-94 (для диаметров от 48 мм). Знаки маркировки хорошо читаются на метизах, поэтому потребитель может легко определить класс прочности крепежа, с которым имеет дело.

Болты с шестигранными головками, винты с цилиндрическими головками под внутренний шестигранник и резьбовые шпильки маркируются по прочности цифровым кодом 8.8, 10.9, 12.9, 14.9 (с разделительной точкой или без нее), а шестигранные гайки – 9, 10, 12, 14. Это нестираемые выпуклые или углубленные клейма, нанесенные на головку болтов сбоку или сверху.

Маркировка классов прочности на крепеже малых диаметров может выполняться по системе циферблата.

Таблица 4. Циферблатная маркировка прочности болтов

Классы прочности шпилек отображаются, как правило, на их торцевой поверхности. Если шпилька имеет неполную резьбу, то цифровой код может быть нанесен на ее гладкую часть. Для шпилек также может применяться маркировка цветом (желтый для класса 8.8, белый для 10.9) или условными обозначением, нанесенным на торец:

Маркировка высокопрочных шпилек

Критерии выбора высокопрочного крепежа

Тип, размер и класс прочности крепежных изделий должен соответствовать проектной документации.
Замену одних деталей крепления на другие вправе производить только специалист после проведения соответствующих нормативных расчетов.
Крепежные изделия должны быть равны или превышать по прочности материал конструкции.
Несущая способность БВП должна соответствовать поставленной задаче, а антикоррозийная защита соответствовать эксплуатационным условиям.
Необходимо учитывать совместимость металла конструкции и метиза во избежание гальванической коррозии.
Не стоит покупать высокопрочные метизы у поставщиков с сомнительной репутацией.
Перед покупкой желательно провести визуальный контроль для выявления возможных дефектов.

Высокопрочные болты, винты и шпильки – это особый вид метизов, на которые возлагается большая ответственность за надежность и долговечность автомобилей, станков, грузоподъемной техники, мостов, эстакад, портовых сооружений, спортивных арен, других масштабных строительных объектов. Компания «Крепком» сотрудничает только с ответственными производителями, на предприятиях которых исследуется состав поступающего сырья, а каждая партия готового крепежа проходит испытания, установленные действующими стандартами. Кроме того, в собственной лаборатории «Крепком» осуществляется входной контроль поступающей продукции на соответствие стандартным прочностным показателям.

Таблица прочности металлов по классу прочности

Обозначения, класс прочности и расчет нагрузок для болтов

На головке болта должна быть нанесена следующая маркировка:
- клеймо завода изготовителя (JX, THE, L, WT, и др.);
- класс прочности;
- правая резьба не маркируется, если резьба левая - маркируется стрелкой против часовой стрелки.
Винты отличаются от болтов отсутствием маркировки.

Для изделий из углеродистой стали, класс прочности обозначают двумя цифрами через точку.
Пример: 4.6, 8.8, 10.9, 12.9.

Первая цифра обозначает 1/100 номинальной величины предела прочности на разрыв, измеренную в МПа. В случае 8.8 первая 8 обозначает 8 х 100 = 800 МПа = 800 Н/мм2 = 80 кгс/ мм2
Вторая цифра - это отношение предела текучести к пределу прочности, умноженному на 10. Из пары цифр можно узнать предел текучести материала 8 х 8 х 10 = 640 Н/мм2.
Значение предела текучести имеет важное практическое значение, поскольку это и есть максимальная рабочая нагрузка болта.

Поясним значения некоторых терминов:
Предел прочности на разрыв - величина нагрузки, при превышении которой происходит разрушение - "наибольшее разрушающее напряжение".

Предел текучести - величина нагрузки, при превышении которой наступает невосстанавливаемая деформация или изгиб. Например, попробуйте согнуть "от руки" обычную стальную вилку или кусок металлической проволоки. Как только она начнет деформироваться, это будет означать, что вы превысили предел текучести ee материала или предел упругости при изгибе. Поскольку вилка не сломалась, а только погнулась, то предел ее прочности больше предела текучести. Напротив, нож скорей всего сломается при определенном усилии. Его предел прочности равен пределу текучести. В этом случае говорят, что ножи "хрупкие".

Японские самурайские мечи - пример классического сочетания материалов с различными характеристиками прочности. Некоторые их виды снаружи сделаны из твердой закаленной стали, а внутри выполнены из упругой, позволяющей мечу не ломаться при боковых изгибающих нагрузках. Такое строение называется "кобу-си" или, иначе, "пол-кулака", то есть "горсть" и при соответствующей длине катаны является очень эффективным решением для боевого клинка.

Другой практический пример: закручиваем гайку, болт удлиняется и после некоторого усилия начинает "течь" - мы превысили предел текучести. В худшем случае может произойти срыв резьбы на болте или гайке. Тогда говорят - резьба "срезалась".

Вот тут есть небольшой ролик с испытанием болтов на разрыв, наглядно демонстрирующий протекающие процессы.

Процент удлинения - это средняя величина удлинения деформируемой детали до её поломки или разрыва. В бытовом плане некоторые виды некачественных болтов называют "пластилиновыми" подразумевая именно термин процент удлинения. Технический термин - "относительное удлинение" показывает относительное (в процентах) приращение длины образца после разрыва к его первоначальной длине.

Твёрдость по Бринеллю - величина, характеризующая твeрдость материала.
Твердость - способность металла противостоять проникновению в него другого, более твердого тела. Метод Бpиннеля применяется для измерения твердости сырых или слабо закалённых металлов.

Для крепежа из нержавеющей стали также наносится маркировка на головке болта. Класс стали - А2 или А4 и предел прочности - 50, 70, 80, например: А2-70, А4-80.
На шпильки с резьбой наносится цветовая маркировка с торца: для A2 – зеленым цветом, для A4 – красным . Значение для предела текучести не указывается.
Пример: Для A4-80 Предел прочности = 80 х 10 = 800 Н/мм2.

Значение 70 – является стандартным пределом прочности нержавеющего крепежа и принимается в расчет пока явно не указано 50 или 80.

Предел текучести для нержавеющих болтов и гаек является справочным значением и составляет около 250 Н/мм2 для A2-70 и около 300 Н/мм2 для A4-80. Относительное удлинение при этом составляет около 40%, т.е. нержавейка хорошо “тянется” после превышения предела текучести, прежде чем наступит необратимая деформация. В сравнении с углеродистыми сталями относительное удлинение для ST-8.8 составляет 12%, а для ST-4.6 соответственно 25%

Отечественный ГОСТ 1759.4-87 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ не уделяет внимания вообще расчету нагрузок для нержавеющего крепежа, а также не указывает явно, какой размер резьбы d, d2 или d3 принимается в расчет. В результате сравнения значений из ГОСТа и таблицы размеров метрической резьбы из справочника фирмы FABORY , становится ясно, что это d2 – pitch diameter.

При расчетах болтового соединения для заданной нагрузки используют коэффициент 1/2, а лучше 1/3 от предела текучести. Иногда его называют Коэффициентом запаса, соответственно два или три.

Примеры расчета нагрузки по классу прочности материала и резьбе:
Болт М12 с классом прочности 8.8 имеет размер d2 = 10,7мм и расчетную площадь сечения 89,87мм2.
Тогда максимальная нагрузка составит: ОКРУГЛ( (8*8*10)*89,87 ;0) = 57520 Ньютон, а расчетная рабочая нагрузка - 57520 х 0,5 / 10 = приблизительно 2,87 тонны.

Для болта M12 из нержавеющей стали A2-70 та же расчетная рабочая нагрузка не должна превышать половину значения предела текучести и составит 250 x 89,87 / 20 = приблизительно 1,12 тонны, а для M12 A4-80 – 1,34 тонны.

Сравнительная таблица расчетных * данных нагрузок **
для болтов из углеродистой и из нержавеющей стали.

* Указаны приблизительные значения рабочей нагрузки, как 1/20 от максимальной в Ньютонах
с округлением до 10 в меньшую сторону.
** Расчетные данные рабочих нагрузок приведены в ознакомительных целях и не являются официальными данными.

В сокращенном виде этот материал изложен на последней странице крепежного каталога.

Дополнительные таблицы, сделанные еще перед выходом статьи в 2008 году и добавленные 21.09.2011 спустя почти четыре года. Добавлены сведения для нержавейки A2-50 и высокопрочных ST-10.9. Коэффициент запаса равен двум. Можно перестраховаться и смело делить на тридцать нагрузку в Ньютонах. Кстати, на такелаже именно так и делают, только делят нагрузку на сорок, т.е. принимают запас равным четырем.

Удельная прочность металлов: таблица. Механические свойства металлов

Использовать металлы в повседневной жизни начали еще вначале развития человечества. Медь – это первый их представитель. Она доступна в природе и прекрасно обрабатывается. При археологических раскопках часто находят изготовленные из нее предметы домашнего обихода и разные изделия.

В процессе развития человек обучался объединять разные металлы, производя сплавы большей прочности. Из них делали орудия труда, а позже использовали для изготовления оружия. Опыты продолжаются и в наше время, создаются сплавы с удельной прочностью металлов, пригодные для возведения современных конструкций.

Виды нагрузок

К механическим свойствам металлов и сплавов относятся такие, которые способны оказывать сопротивление действию на них внешних сил или нагрузок. Они могут быть самыми разнообразными и по своему воздействию различают:

статические, которые неспешно возрастают от нулевого значения до максимума, а затем остаются постоянными или незначительно меняются;
динамические – возникают вследствие удара и действуют короткий промежуток.

Виды деформации

Деформация – это видоизменение конфигурации твердого тела под воздействием прилагаемых к нему нагрузок (внешних сил). Деформации, после которых материал возвращается в прежнюю форму и сохраняет первоначальные размеры, считают упругими, в противном случае (форма изменилась, материал удлинился) – пластическими или остаточными. Существует несколько видов деформации:

Сжатие. Уменьшается объем тела в результате действия на него сдавливающих сил. Такую деформацию испытывают фундаменты котлов и машин.
Растяжение. Увеличивается длина тела, когда к его концам прилагаются силы, направление которых совпадает с его осью. Растяжению подвергаются тросы, приводные ремни.
Сдвиг или срез. В этом случае силы направлены навстречу друг другу и при определенных условиях наступает срез. Примером служат заклепки и болты стяжки.
Кручение. Пара сил, противоположно направленных, действует на закрепленное одним концом тело (валы двигателей и станков).
Изгиб. Изменение кривизны тела при воздействии внешних сил. Такое действие характерно для балок, стрел подъемных кранов, железнодорожных рельсов.

Определение прочности металла

Одно из основных требований, которое предъявляют к металлу, применяемому для производства металлических конструкций и деталей, является прочность. Для ее определения берется образец металла и растягивается на испытательной машине. Эталон становится тоньше, площадь поперечного сечения уменьшается с одновременным увеличением его длины. В определенный момент образец начинает растягиваться лишь в одном месте, образуя «шейку». А через некоторое время происходит разрыв в области самого тонкого места. Так ведут себя исключительно вязкие металлы, хрупкие: твердая сталь и чугун растягиваются незначительно и у них не образуется шейка.

Нагрузка на образец определяется специальным прибором, который носит название силоизмеритель, он вмонтирован в испытательную машину. Для вычисления основной характеристики металла, называемой пределом прочности материала, надо максимальную нагрузку, выдержанную образцом до разрыва, разделить на величину площади поперечного сечения до растяжения. Эта величина необходима конструктору для того, чтобы определиться с размерами изготовляемой детали, и технологу назначить режимы обработки.

Самые прочные металлы в мире

К высокопрочным металлам можно отнести следующие:

Титан. Он обладает такими свойствами:

высокой удельной прочностью;
стойкостью к повышенным температурам;
низкой плотностью;
стойкостью к коррозии;
механической и химической выносливостью.

Титан находит применение в медицине, военной промышленности, кораблестроении, авиации.

Уран. Самый известный и прочный металл в мире, является слабым радиоактивным материалом. Встречается в природе в чистом виде и в соединениях. Он относится к тяжелым металлам, гибкий, ковкий и относительно пластичный. Широко используется в производственных сферах.
Вольфрам. Расчет прочности металла показывает, что это самый прочный и тугоплавкий металл, не поддающийся химическому воздействию. Хорошо куется, его можно вытянуть в тонкую нить. Используется для нити накаливания.
Рений. Тугоплавкий, имеет высокую плотность и твердость. Очень прочный, не подвержен перепадам температуры. Находит применение в электронике и технике.
Осмий. Твердый металл, тугоплавкий, стойкий к механическим повреждениям и агрессивным средам. Применяют в медицине, используют для ракетной техники, электронной аппаратуры.
Иридий. В природе в свободном виде встречается редко, чаще – в соединениях с осмием. Механической обработке поддается плохо, имеет высокую стойкость к химическим веществам и прочность. Сплавы с металлом: титаном, хромом, вольфрамом, используют для изготовления ювелирных изделий.
Бериллий. Высокотоксичный металл с относительной плотностью, имеющий светло-серый цвет. Находит применение в черной металлургии, атомной энергетике, лазерной и аэрокосмической технике. Имеет высокую твердость и используется для легирования сплавов.
Хром. Очень твердый металл с высокой прочностью, бело-голубого цвета, обладает стойкостью к щелочам и кислотам. Прочность металла и сплавов позволяют их использовать для изготовления медицинского и химического оборудования, а также для металлорежущих инструментов.

Тантал. Металл серебристого цвета, имеет высокую твердость, прочность, обладает тугоплавкостью и стойкостью к коррозии, пластичен, легко обрабатывается. Находит применение при создании ядерных реакторов, в металлургии и химической промышленности.
Рутений. Принадлежит к металлам платиновой группы. Обладает высокой прочностью, твердостью, тугоплавкостью, химической стойкостью. Из него изготовляют контакты, электроды, острые наконечники.

Как определяют свойства металлов?

Для испытания металлов на прочность применяют химические, физические и технологические методы. Твердость определяет, как сопротивляются материалы деформациям. Стойкий металл имеет большую прочность и детали, изготовленные из него, меньше снашиваются. Для определения твердости вдавливают шарик, алмазный конус или пирамидку в металл. Значение твердости устанавливают по диаметру отпечатка или по глубине вдавливания предмета. Более крепкий металл меньше деформируется, и глубина отпечатка будет меньше.

А вот образцы на растяжение испытываются на разрывных машинах с плавно нарастающей при растягивании нагрузкой. Эталон может иметь в сечении круг или квадрат. Для проверки металла противостоять нагрузкам ударного характера проводят испытания на удар. В середине специально изготовленного образца делают надрез и устанавливают его напротив ударного устройства. Разрушение должно происходить там, где слабое место. При испытании металлов на прочность структуру материала исследуют рентгеновскими лучами, ультразвуком и при помощи мощных микроскопов, а также используют травление химическими веществами.

К технологическим относятся самые простые виды испытаний на разрушение, пластичность, ковку, сварку. Испытание на выдавливание дает возможность определить, способен ли листовой материал подвергаться холодной штамповке. С помощью шарика в металле выдавливают лунку, пока не появится первая трещина. Глубина ямки до появления разрушения и будет характеризовать пластичность материала. Испытание на изгиб дает возможность определить способность листового материала принимать нужную форму. Это испытание используют для оценки качества швов при сварке. Для оценки качества проволоки используется проба на перегиб. Трубы испытывают на расплющивание и изгиб.

Механические свойства металлов и сплавов

Прочность. Она заключается в способности материала оказывать сопротивление разрушению под воздействием сил извне. Вид прочности зависит от того, как действуют внешние силы. Ее разделяют на: сжатие, растяжение, кручение, изгиб, ползучесть, усталость.
Пластичность. Это способность металлов и их сплавов под воздействием нагрузки менять форму, не подвергаясь разрушению, и сохранять ее после окончания воздействия. Пластичность материала из металла определяют при его растяжении. Чем больше происходит удлинение, при одновременном уменьшении сечения, тем пластичнее металл. Материалы, обладающие хорошей пластичностью, прекрасно обрабатываются давлением: ковке, прессованию. Пластичность характеризуют двумя величинами: относительное сужение и удлинение.
Твердость. Такое качество металла заключается в способности оказывать сопротивление проникновению в него инородного тела, имеющего более значительную твердость, и не получить при этом остаточных деформаций. Износоустойчивость и прочность – это основные характеристики металлов и сплавов, которые тесно связаны с твердостью. Материалы с такими свойствами находят применение для изготовления инструментов, применяемых для обработки металлов: резцы, напильники, сверла, метчики. Нередко по твердости материала определяют его износоустойчивость. Так твердые стали при эксплуатации изнашиваются меньше, чем более мягкие сорта.
Ударная вязкость. Особенность сплавов и металлов сопротивляться влиянию нагрузок, сопровождающихся ударом. Это одна из важных характеристик материала, из которого изготовлены детали, испытывающие ударную нагрузку, во время работы машины: оси колес, коленчатые валы.
Усталость. Это состояние металла, который находится под постоянным воздействием нагрузок. Усталость металлического материала происходит постепенно и может закончиться разрушением изделия. Способность металлов оказывать сопротивление разрушению от усталости называют выносливостью. Это свойство находится в зависимости от природы сплава или металла, состояния поверхности, характера обработки, условий работы.

Классы прочности и их обозначения

Нормативными документами по механическим свойствам крепежных изделий введено понятие класс прочности металла и установлена система обозначения. Каждый класс прочности обозначается двумя цифрами, между которыми ставится точка. Первое число означает предел прочности, уменьшенный в 100 раз. Например, класс прочности 5.6 означат, что предел прочности будет 500. Второе число увеличено в 10 раз – это отношение предела текучести к временному сопротивлению, выраженному в процентах (500х0,6=300), т. е. 30 % составляет минимальный предел текучести от предела прочности на растяжение. Все изделия, используемые для крепежа, классифицируются по назначению применения, форме, используемому материалу, классу прочности и покрытию. По назначению использования они бывают:

Лемешные. Их используются для сельскохозяйственных машин.
Мебельные. Применяются в строительстве и мебельном производстве.
Дорожные. Ими крепят металлоконструкции.
Машиностроительные. Применяют в машиностроительной промышленности и приборостроении.

Механические свойства крепежных изделий зависят от стали, из которой они изготовлены и качества обработки.

Удельная прочность

Удельная прочность материала (формула ниже) характеризуется отношением предела прочности к плотности металла. Эта величина показывает прочность конструкции при данной его массе. Наибольшую важность она представляет для таких отраслей, как авиастроение, ракетостроение и производство космических аппаратов.

По величине удельной прочности сплавы из титана самые прочные из всех применяемых технических материалов. Титановые сплавы вдвое превышают удельную прочность металлов, относящихся к легированным сталям. Они не поддаются коррозии на воздухе, в кислотной и щелочной среде, не боятся морской воды и обладают хорошей теплоустойчивостью. При высоких температурах их прочность выше, чем у сплавов с магнием и алюминием. Благодаря этим свойствам их применение, как конструкционного материала, все время увеличивается и находит широкое использование в машиностроении. Недостаток титановых сплавов заключается в их низкой обрабатываемости резанием. Это связано с физическими и химическими свойствами материала и особой структурой сплавов.

Использование пластичности и прочности металлов

Очень важными свойствами металла являются пластичность и прочность. Эти свойства находятся в прямой зависимости друг от друга. Они не позволяют металлу изменять форму и препятствуют макроскопическому разрушению при воздействии на него внешних и внутренних сил.

Металлы, обладающие высокой пластичностью, под воздействием нагрузки разрушаются постепенно. Вначале у них появляется изгиб и только затем он начинает постепенно разрушаться. Пластичные металлы легко меняют форму, поэтому их широко используют для изготовления кузовов автомобилей. Прочность и пластичность металлов зависит от того, как направлены приложенные к нему силы и в каком направлении проводилась прокатка при изготовлении материала. Установлено, что при прокатке кристаллы металла удлиняются в ее направлении больше, чем в поперечной направленности. У листовой стали прочность и пластичность значительно больше в направлении прокатки. В поперечном же направлении прочность уменьшается на 30 %, а пластичность на 50 %, по толщине листа эти показатели еще ниже. Например, появление излома на стальном листе при сваривании можно объяснить параллельностью оси шва и направления прокатки. По пластичности и прочности материала устанавливают возможность его использования для изготовления различных деталей машин, сооружений, инструментов, приборов.

Нормативное и расчетное сопротивление металла

Одним из основных параметров, которые характеризуют сопротивление металлов воздействиям силы, является нормативное сопротивление. Оно устанавливается по нормам проектирования. Расчетное сопротивление получается в результате деления нормативного на соответствующий коэффициент надежности по данному материалу. В некоторых случаях учитывают еще и коэффициент условий работы конструкций. В вычислениях, имеющих практическое значение, в основном используют расчетное сопротивление металла.

Пути повышения прочности металла

Существует несколько способов повышения прочности металлов и сплавов:

Создание сплавов и металлов, имеющих бездефектную структуру. Имеются разработки по изготовлению нитевидных кристаллов (усов) в несколько десятков раз превышающих прочность обыкновенных металлов.
Получение объемного и поверхностного наклепа искусственным путем. При обработке металла давлением (ковка, волочение, прокатка, прессование) образуется объемный наклеп, а накатка и дробеструйная обработка дает поверхностный наклеп.
Создание легированного металла, используя элементы из таблицы Менделеева.
Очищение металла, от имеющихся в нем примесей. В результате этого улучшаются его механические свойства, распространение трещин значительно уменьшается.
Устранение с поверхности деталей шероховатости.

Интересные факты

Сплавы из титана, удельный вес которых превышает алюминиевые примерно на 70 %, прочнее их в 4 раза, поэтому, по удельной прочности сплавы, содержащие титан, выгоднее использовать для самолетостроения.
Многие алюминиевые сплавы превышают удельную прочность сталей, содержащих углерод. Сплавы из алюминия имеют высокую пластичность, коррозийную стойкость, прекрасно обрабатываются давлением и резанием.
У пластмасс удельная прочность выше, чем у металлов. Но из-за недостаточной жесткости, механической прочности, старения, повышенной хрупкости и малой термостойкости ограничены в применении слоистые пластики, текстолиты и гетинаксы, особенно в крупногабаритных конструкциях.
Установлено, что по выносливости к коррозии и удельной прочности, металлы черные, цветные и многие их сплавы уступают стеклопластикам.

Механические свойства металлов являются важнейшим фактором использования их в практических нуждах. Проектируя какую-то конструкцию, деталь или машину и подбирая материал, обязательно рассматривают все механические свойства, которыми он обладает.

Классы прочности стали и категория качества по хладостойкости

В целях унификации применяемые в строительных металлоконструкциях стали по гарантированным значениям предела текучести и временного сопротивления разрыву разделены на семь основных уровней (классов) прочности

Сталь класса С 225 (от > 225 МПа) условно принято называть сталью нормальной прочности, трех следующих классов (от >285 >325 >390 МПа) - сталью повышенной прочности и остальных трех классов (от >440 > 590 >735 МПа) - сталью высокой прочности.

Таблица классов прочности и группы качества по хладостойкости проката строительных сталей

Обычно первому классу прочности соответствует прокат углеродистой стали обыкновенного качества в горячекатаном состоянии, последующим классам прочности от второго до пятого - прокат низколегированной стали в горячекатаном или нормализованном состоянии, шестому и седьмому классам прочности - прокат экономно легированной стали, поставляемой, как правило, в термоулучшенном состоянии. Однако возможно также получение проката второго и третьего классов путем термического и термомеханического упрочнения или контролируемой прокатки.

Наряду с требованием гарантированной прочности к строительным сталям предъявляется требование гарантированного сопротивления хрупкому разрушению (хладостойкости). Оно регламентируется показателями ударной вязкости при отрицательной температуре и при температуре плюс 20 °С после механического старения. Все строительные стали по хладостойкости условно можно разделить на три группы:

I - без гарантированной хладостойкости;
II - с гарантированной хладостойкостью для металлоконструкций, эксплуатируемых в обычных температурных условиях (расчетная температура не ниже минус 40 °С);
III - с гарантированной хладостойкостью, но для конструкций, эксплуатируемых при расчетной температуре ниже минус 40 °С («северное исполнение»).

В таблице приведена температура испытаний, при которой должна быть гарантирована ударная вязкость стали каждой группы качества по хладостойкости. Указанным группам соответствуют определенные марки стали и категории качества, предусмотренные стандартами на сталь. Так, по ГОСТ 27772-88* группе I соответствует сталь С235, группе II - стали С255 и С285, стали С345 и С375 категории 1 и 3, сталь С590, группе III - стали С345 и С375 категории 2 и 4, сталь С590К.

Все температуры испытаний в таблице (как и в ГОСТ 27772-88*) указаны для условий определения ударной вязкости KCU на стандартных образцах с полукруглым надрезом (радиус 1 мм) типа I по ГОСТ 9454-78*, вырезаемых из листов и широкой полосы в направлении поперек направления прокатки, а из фасонных профилей и сортовой стали - вдоль направления прокатки. Вместе с тем в последнее время остро ставится вопрос о переходе при аттестации стали к более жестким условиям определения ударной вязкости KCV на образцах с острым треугольным надрезом (радиус 0,25 мм) типа II по ГОСТ 9454-78*. Использование этих образцов соответствует международной практике.

Согласно имеющимся методическим исследованиям, единый переход от норм KCU к нормам KCV, общий для всех металлоизделий, отсутствует и необходимо учитывать индивидуальные особенности, включающие в себя как вид металлопроката, так и качество стали. Все же общим для такого перехода является необходимость повышения температуры испытания, которая для металлопроката строительной стали эквивалентной хладостойкости при прочих равных условиях (то же направление вырезки образцов, та же метрологически обоснованная величина ударной вязкости 0,3 мДж/м2) составляет примерно 40 °С. Таким образом нормам KCU, при минус 40 °С и минус 70 °С будут близко соответствовать нормы KCV при 0 °С и минус 30 °С.

Под влиянием колебания содержания элементов в интервале марочного состава, неоднородности слитка и условий прокатки прочностные характеристики стали каждой марки варьируются в широких пределах. Стремление более полно использовать фактическую прочность проката в конструкциях привело к идее селективного разделения на металлургических заводах всей совокупности металлопродукции данной марки на отдельные группы прочности, отличающиеся гарантируемыми значениями предела текучести и временного сопротивления разрыву.

В нашей стране такое разделение на группы прочности осуществлено для строительных углеродистых и низколегированных марок стали первого, второго и третьего классов прочности [26] и нашло отражение в ТУ 14-1-3023-80 и ГОСТ 27772-88*. По этим нормам каждая марка углеродистой и низколегированной стали разделена на две группы прочности, причем для второй группы гарантируемые значения предела текучести и временного сопротивления на 10-40 МПа выше, чем для первой. Высокая надежность соблюдения норм прочности и пластичности (с вероятностью не ниже 95 %) обеспечивается специальными статистическими процедурами приемки и контроля. Металлопрокат, поставляемый по этим нормам, получил название сталь с гарантированным уровнем механических свойств, дифференцированным по группам прочности.

Классы прочности нержавеющего крепежа

Механические характеристики болтов, винтов, шпилек из нержавеющих сталей регламентируются ГОСТ Р ИСО 3506-1-2009. Настоящий стандарт классифицирует нержавеющие крепежные изделия по классам прочности, которые принято обозначать двумя цифрами: 50, 70, 80 и писать через дефис с маркой стали: А1-50, А2-70, А4-80. Что означают эти цифры? – это 1/10 часть от минимального предела прочности на растяжение.

Для производства нержавеющего крепежа чаще всего применяются марки стали А2 (пищевая) или А4 (кислотостойкая), обозначенные так в системе EN ISO, или их приближенные аналоги AISI 304 (12X18H10) и AISI 316 (03Х17Н14М2). Крепежные изделия из коррозионно-стойких сплавов аустенитной группы не упрочняются закаливанием в отличие от изделий из черных металлов. Их главным легирующим компонентом являются хром и никель, а также молибден (для марки А4). Процентное содержание этих и других добавок определяет степень коррозионной стойкости крепежа, максимальные рабочие нагрузки и другие свойства.

Примеры обозначения прочности крепежа из нержавейки:

А2-50 – мягкая сталь с пределом прочности на разрыв минимум 500 Н/мм² (500МПа).

А2-70 – холоднодеформированная сталь с пределом прочности на разрыв минимум 700 Н/мм² (700МПа).

А4-80 – высокопрочный сплав с пределом прочности на разрыв минимум 800 Н/мм² (800МПа).

Маркировка наносится на головку болтов (винтов) рядом с клеймом изготовителя, а шпильки маркируются на гладкой части или на торце, если шпилька полнорезьбовая. Иногда на торец шпильки наносится цветовая кодировка марки сплава (для А2 – зеленая, для А4 – красная). Если маркировка класса прочности отсутствует, то в расчет принимается среднее значение – 70.

Для сравнения механических свойств болтов из нержавеющей и углеродистой стали обратимся к таблице:

Группа стали	Углеродистые				Аустенитные А2, А4
Класс прочности	5.6	6.8	8.8	10.9	50	70	80
Предел прочности, Н/мм²	500	600	800	1040	500	700	800
Предел текучести, Н/мм²	300	480	640	940	210	450	600

Подробнее о механических свойствах крепежа из углеродистой стали в специальной статье.

Из таблицы видно, что при близких значениях временного сопротивления, предел текучести у аустенитных сплавов меньше, поэтому они больше подвержены пластической деформации. Это свойство позволяет болтам или шпилькам не ломаться при превышении допустимого момента затяжки или при боковых изгибающих нагрузках. В худшем случае превышение усилия может привести к срыву резьбы. В то время как углеродистые стали более хрупкие и запредельные нагрузки могут привести к излому резьбового крепежа.

Расчет нагрузок для нержавеющих болтов

Зная прочностные характеристики аустенитных сплавов, не трудно рассчитать максимальную нагрузку на болты по формуле. Для примера взят болт М12, А2-70.

Np0.2 = As х Rp0.2 = 84.3 х 450 = 37935 Н, где:

As – расчетная площадь сечения М12 (см. ГОСТ Р ИСО 3506 табл. А.1.)
Rp0.2 – предел текучести

Для определения расчетной рабочей нагрузки полученное значение необходимо разделить как минимум на 20: 37935 / 20 = 1896 кг, а для большей уверенности в безопасности болтокомплекта лучше разделить на 30.

Класс прочности – важнейшая характеристика нержавеющей стали, прописанная в национальном стандарте ГОСТ Р ИСО 3506-1-2009, которую следует учитывать при расчете нагрузки на болтовое или шпилечное соединение.

Сравнительная таблица прочности

Читайте также: