Hướng dẫn về Hiệu suất Bu-lông và Vít theo Tiêu chuẩn ISO 8981 và EN 208981

Hãy tưởng tượng một tòa nhà chọc trời, một phương tiện di chuyển tốc độ cao hoặc máy móc chính xác—sự ổn định và an toàn của chúng thường phụ thuộc vào những bu-lông và ốc vít có vẻ không đáng kể. Những chi tiết nhỏ này chịu lực kéo, lực cắt và thậm chí cả lực xoắn rất lớn. Làm thế nào chúng ta có thể đảm bảo chúng chịu được áp lực trong những thời điểm quan trọng và duy trì tính toàn vẹn về cấu trúc? Câu trả lời nằm ở việc hiểu biết thấu đáo về các đặc tính cơ học của chúng và lựa chọn phù hợp.

Bài viết này cung cấp hướng dẫn toàn diện về các đặc tính cơ học của bu-lông và ốc vít thép theo tiêu chuẩn ISO 898-1 và EN 20898-1, cung cấp cho các kỹ sư và nhà thiết kế một tài liệu tham khảo nhanh để đưa ra các quyết định sáng suốt trong quá trình thiết kế, sản xuất và bảo trì.

ISO 898-1 và EN 20898-1 là các tiêu chuẩn được quốc tế công nhận, quy định các đặc tính cơ học của bu-lông, ốc vít và đinh tán thép. Các tiêu chuẩn này xác định các yêu cầu về độ bền kéo, giới hạn chảy, độ cứng, ứng suất giới hạn và độ giãn dài sau khi đứt cho các cấp độ bền khác nhau. Việc hiểu các thông số này cho phép các chuyên gia lựa chọn các chi tiết liên kết phù hợp cho các ứng dụng cụ thể, đảm bảo các kết nối đáng tin cậy và an toàn.

Cấp độ bền đóng vai trò là "chứng minh thư" cho bu-lông và ốc vít, cho biết rõ ràng các đặc tính về hiệu suất cơ học của chúng. Các cấp độ bền phổ biến bao gồm 3.6, 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.8, 8.8, 10.9 và 12.9. Những con số này mang những ý nghĩa cụ thể:

• Số đầu tiên: Biểu thị 1/100 độ bền kéo (Rm) của chi tiết liên kết. Ví dụ, bu-lông cấp 8.8 có độ bền kéo là 800 MPa.
• Số thứ hai: Cho biết tỷ lệ giữa giới hạn chảy (Rel hoặc Rp0.2) và độ bền kéo (Rm) nhân với 10. Đối với bu-lông cấp 8.8, tỷ lệ này là 0.8, có nghĩa là giới hạn chảy là 640 MPa.

Những con số này cung cấp cái nhìn nhanh chóng về các đặc tính độ bền cơ bản của chi tiết liên kết, đóng vai trò là tài liệu tham khảo có giá trị trong quá trình lựa chọn.

Ngoài các cấp độ bền, một số đặc tính cơ học quan trọng cần được hiểu:

• Độ bền kéo (Rm): Ứng suất tối đa mà vật liệu có thể chịu được trong quá trình kéo. Độ bền kéo cao hơn có nghĩa là khả năng chống đứt gãy cao hơn dưới lực căng.
• Giới hạn chảy (Rel hoặc Rp0.2): Ứng suất mà tại đó vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo. Giới hạn chảy cao hơn cho thấy khả năng chống biến dạng vĩnh viễn tốt hơn.
• Độ cứng Vickers (HV): Đo khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ. Độ cứng cao hơn cải thiện khả năng chống mài mòn và độ bền nén.
• Độ cứng Brinell (HB): Tương tự như độ cứng Vickers nhưng sử dụng các phương pháp thử nghiệm khác nhau.
• Độ cứng Rockwell (HR): Một phép đo độ cứng khác với các thang đo khác nhau (ví dụ: HRC, HRB) dựa trên các biến thể của đầu đo và tải trọng.
• Độ cứng bề mặt (HV 0.3): Đo độ cứng bề mặt, thường được sử dụng để đánh giá hiệu quả xử lý bề mặt.
• Ứng suất giới hạn (Sp): Ứng suất tối đa mà một chi tiết liên kết có thể chịu được trong các điều kiện thử nghiệm được chỉ định, thường được sử dụng để đánh giá hiệu suất mỏi.
• Độ giãn dài sau khi đứt (A5): Tỷ lệ tăng chiều dài sau khi đứt so với chiều dài ban đầu. Giá trị cao hơn cho thấy độ dẻo tốt hơn và khả năng thích ứng với biến dạng.

Bảng sau đây trình bày chi tiết các đặc tính cơ học cho các cấp độ bền bu-lông và ốc vít thép khác nhau, bao gồm độ bền kéo, giới hạn chảy, độ cứng, ứng suất giới hạn và độ giãn dài sau khi đứt. Lưu ý rằng đối với một số cấp (ví dụ: 3.6), các đặc tính khác nhau giữa các đường kính ≤16mm và >16mm.

Ngoài các đặc tính kéo, khả năng chống xoắn cũng quan trọng không kém. Mô-men xoắn phá hủy đề cập đến mô-men xoắn tối thiểu cần thiết để gây ra hỏng hóc do xoắn trong một chi tiết liên kết. Điều này trở nên đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng liên quan đến tải trọng xoay hoặc rung.

ISO 898-7 và DIN 267 pt25 quy định các phương pháp thử nghiệm và yêu cầu về mô-men xoắn phá hủy của bu-lông và ốc vít. Bảng sau đây cho thấy các giá trị mô-men xoắn phá hủy tối thiểu cho các kích thước ren và cấp độ bền khác nhau.

Việc lựa chọn bu-lông và ốc vít phù hợp đòi hỏi phải đánh giá cẩn thận nhiều yếu tố:

1. Ứng dụng: Các tình huống khác nhau đòi hỏi các đặc tính hiệu suất khác nhau. Môi trường rung động cao đòi hỏi khả năng chống mỏi vượt trội, trong khi các ứng dụng nhiệt độ cao cần vật liệu chịu nhiệt.
2. Loại tải trọng: Xác định xem các chi tiết liên kết sẽ chủ yếu chịu tải trọng kéo, cắt, uốn hoặc xoắn, sau đó chọn cho phù hợp.
3. Vật liệu đang được nối: Thành phần của vật liệu được kết nối (thép, nhôm, nhựa, v.v.) ảnh hưởng đến vật liệu chi tiết liên kết và lựa chọn xử lý bề mặt.
4. Điều kiện môi trường: Độ ẩm, nhiệt độ và các yếu tố ăn mòn quyết định mức độ chống ăn mòn cần thiết.
5. Phương pháp lắp đặt: Các yêu cầu về tải trước và kỹ thuật siết chặt ảnh hưởng đến việc lựa chọn kích thước và hình dạng.

Hãy xem xét một kết nối cấu trúc thép yêu cầu độ bền kéo cao trong điều kiện ẩm ướt. Một bu-lông cường độ cao cấp 8.8 với lớp mạ kẽm sẽ phù hợp:

1. Xác định tải trọng: Tính toán tải trọng kéo tối đa thông qua phân tích cấu trúc.
2. Chọn đường kính: Chọn đường kính dựa trên tải trọng và độ bền kéo, áp dụng các hệ số an toàn thích hợp.
3. Chọn vật liệu/cấp: Chọn thép cường độ cao cấp 8.8.
4. Xử lý bề mặt: Chỉ định mạ kẽm để chống ăn mòn.
5. Xác định chiều dài: Tính toán dựa trên độ dày vật liệu và các yêu cầu siết chặt.

Mặc dù nhỏ, bu-lông và ốc vít đóng vai trò to lớn trong sự an toàn về cấu trúc và độ tin cậy của thiết bị. Việc lựa chọn và ứng dụng phù hợp, được hướng dẫn bởi các tiêu chuẩn như ISO 898-1 và EN 20898-1, đảm bảo hiệu suất tối ưu. Bằng cách hiểu các đặc tính cơ học và đánh giá cẩn thận các yêu cầu ứng dụng, các kỹ sư có thể đưa ra các quyết định sáng suốt để duy trì tính toàn vẹn về cấu trúc trong vô số ngành công nghiệp.