Przewodnik po normach ISO 8981 i EN 208981 dotyczących parametrów śrub i wkrętów

Wyobraź sobie wieżowiec, szybki pojazd lub precyzyjną maszynę – ich stabilność i bezpieczeństwo często zależą od pozornie nieistotnych śrub i wkrętów. Te małe elementy złączne przenoszą ogromne siły rozciągające, ścinające, a nawet skręcające. Jak możemy zapewnić, że wytrzymają one nacisk w krytycznych momentach i zachowają integralność strukturalną? Odpowiedź tkwi w dogłębnym zrozumieniu ich właściwości mechanicznych i odpowiednim doborze.

Ten artykuł stanowi kompleksowy przewodnik po właściwościach mechanicznych śrub i wkrętów stalowych, zdefiniowanych przez normy ISO 898-1 i EN 20898-1, oferując inżynierom i projektantom szybkie odniesienie do podejmowania świadomych decyzji podczas procesów projektowania, produkcji i konserwacji.

ISO 898-1 i EN 20898-1 to międzynarodowo uznane normy, które określają właściwości mechaniczne śrub, wkrętów i szpilek stalowych. Normy te definiują wymagania dotyczące wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności, twardości, naprężenia umownego i wydłużenia po zerwaniu dla różnych klas własności. Zrozumienie tych parametrów umożliwia specjalistom wybór odpowiednich elementów złącznych do konkretnych zastosowań, zapewniając niezawodne i bezpieczne połączenia.

Klasa własności służy jako „dowód osobisty” śrub i wkrętów, wyraźnie wskazując ich charakterystyki mechaniczne. Typowe klasy własności to 3.6, 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.8, 8.8, 10.9 i 12.9. Te liczby mają specyficzne znaczenie:

• Pierwsza liczba: Reprezentuje 1/100 wytrzymałości na rozciąganie (Rm) elementu złącznego. Na przykład śruba klasy 8.8 ma wytrzymałość na rozciąganie 800 MPa.
• Druga liczba: Wskazuje stosunek granicy plastyczności (Rel lub Rp0.2) do wytrzymałości na rozciąganie (Rm) pomnożony przez 10. Dla śruby klasy 8.8 ten stosunek wynosi 0.8, co oznacza, że granica plastyczności wynosi 640 MPa.

Liczby te dają szybki wgląd w podstawowe charakterystyki wytrzymałościowe elementu złącznego, służąc jako cenne odniesienia podczas doboru.

Oprócz klas własności, zrozumienie wymaga kilku krytycznych właściwości mechanicznych:

• Wytrzymałość na rozciąganie (Rm): Maksymalne naprężenie, jakie materiał może wytrzymać podczas rozciągania. Wyższa wytrzymałość na rozciąganie oznacza większą odporność na pękanie pod wpływem rozciągania.
• Granica plastyczności (Rel lub Rp0.2): Naprężenie, przy którym materiał zaczyna się odkształcać plastycznie. Wyższa granica plastyczności wskazuje na lepszą odporność na trwałe odkształcenia.
• Twardość w skali Vickersa (HV): Mierzy odporność na miejscowe odkształcenia plastyczne. Wyższa twardość poprawia odporność na zużycie i wytrzymałość na ściskanie.
• Twardość w skali Brinella (HB): Podobna do twardości w skali Vickersa, ale wykorzystuje inne metody testowania.
• Twardość w skali Rockwella (HR): Inny pomiar twardości z różnymi skalami (np. HRC, HRB) w oparciu o różne wgłębniki i obciążenia.
• Twardość powierzchniowa (HV 0.3): Mierzy twardość powierzchni, zwykle używaną do oceny skuteczności obróbki powierzchniowej.
• Naprężenie umowne (Sp): Maksymalne naprężenie, jakie element złączny może wytrzymać w określonych warunkach testowych, często używane do oceny odporności na zmęczenie.
• Wydłużenie po zerwaniu (A5): Stosunek zwiększenia długości po zerwaniu do długości początkowej. Wyższe wartości wskazują na lepszą plastyczność i zdolność do odkształceń.

Poniższa tabela szczegółowo przedstawia właściwości mechaniczne dla różnych klas własności śrub i wkrętów stalowych, w tym wytrzymałość na rozciąganie, granicę plastyczności, twardość, naprężenie umowne i wydłużenie po zerwaniu. Należy pamiętać, że dla niektórych klas (np. 3.6) właściwości różnią się w zależności od średnicy ≤16 mm i >16 mm.

Oprócz właściwości na rozciąganie, równie istotna jest odporność na skręcanie. Moment obrotowy przy zerwaniu odnosi się do minimalnego momentu obrotowego wymaganego do spowodowania uszkodzenia elementu złącznego na skutek skręcania. Jest to szczególnie ważne w zastosowaniach obejmujących obciążenia obrotowe lub wibracyjne.

ISO 898-7 i DIN 267 cz. 25 określają metody badań i wymagania dotyczące momentu obrotowego przy zerwaniu śrub i wkrętów. Poniższa tabela przedstawia minimalne wartości momentu obrotowego przy zerwaniu dla różnych rozmiarów gwintów i klas własności.

Wybór odpowiednich śrub i wkrętów wymaga starannej oceny wielu czynników:

1. Zastosowanie: Różne scenariusze wymagają różnych charakterystyk wydajności. Środowiska o wysokich wibracjach wymagają doskonałej odporności na zmęczenie, a zastosowania w wysokich temperaturach wymagają materiałów odpornych na ciepło.
2. Rodzaj obciążenia: Zidentyfikuj, czy elementy złączne będą przede wszystkim narażone na obciążenia rozciągające, ścinające, zginające lub skręcające, a następnie wybierz odpowiednio.
3. Materiały, które mają być połączone: Skład połączonych materiałów (stal, aluminium, tworzywo sztuczne itp.) wpływa na wybór materiału elementu złącznego i obróbki powierzchniowej.
4. Warunki środowiskowe: Wilgotność, temperatura i elementy korozyjne dyktują wymagane poziomy odporności na korozję.
5. Metoda instalacji: Wymagania dotyczące obciążenia wstępnego i techniki dokręcania wpływają na wybór rozmiaru i kształtu.

Rozważ połączenie konstrukcji stalowej wymagające wysokiej wytrzymałości na rozciąganie w wilgotnych warunkach. Odpowiednia byłaby śruba o wysokiej wytrzymałości klasy 8.8 z powłoką cynkową:

1. Określ obciążenie: Oblicz maksymalne obciążenie rozciągające za pomocą analizy strukturalnej.
2. Wybierz średnicę: Wybierz średnicę na podstawie obciążenia i wytrzymałości na rozciąganie, stosując odpowiednie współczynniki bezpieczeństwa.
3. Wybierz materiał/klasę: Wybierz stal o wysokiej wytrzymałości klasy 8.8.
4. Obróbka powierzchniowa: Określ powłokę cynkową dla odporności na korozję.
5. Określ długość: Oblicz na podstawie grubości materiału i wymagań dotyczących dokręcania.

Choć małe, śruby i wkręty odgrywają monumentalną rolę w bezpieczeństwie konstrukcji i niezawodności sprzętu. Właściwy dobór i zastosowanie, oparte na normach takich jak ISO 898-1 i EN 20898-1, zapewniają optymalną wydajność. Rozumiejąc właściwości mechaniczne i starannie oceniając wymagania dotyczące zastosowania, inżynierowie mogą podejmować świadome decyzje, które podtrzymują integralność konstrukcyjną w niezliczonych branżach.