钢结构的螺栓基础知识.docx
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钢结构的螺栓基础知识
8.5螺栓基础知识
紧固件
业界称之“工业之米”,其对于工业,相当于粮食对于人类。
紧固件分为标准件和异型件两大类。
一个国家的紧固件发展水平可以直接反映该国工业化程度。
其中,德国标准为国际公认的高标准,国际标准(ISO标准)中99.9%采用的是照搬德标,而我国紧固件标准的建立基础是国际标准。
标准件指由相关政府部门规定其属性并通过发布的使用的。
如国标,德标,美标,日标等。
异型件指根据工程需要按图纸加工的一些链接件。
如地脚螺栓,拉条等。
紧固件主要构成:
专业术语
1.规 格:
即形状大小。
通常包括直径和长度。
螺栓、螺钉、螺柱(常见紧固件)表述方式如下(例):
M20*70“M”表示“米”制螺纹(即国家标准螺纹);
数字“20”代表螺栓直径;
数字“70”代表螺栓长度。
均以毫米(mm)计算,且螺栓、螺钉长度不含头部尺寸,螺柱则通常表示全长或有效长度(GB/T898/899通常表示的长度不含栽入部分,详见五金手册)。
M30*2*280称为细扣螺栓,中间2表示螺纹经
螺母常见表述方式如下:
(例)
M20同螺栓,“M”表示米制螺纹(即国家标准螺纹),数字“20”则表示内螺纹中径,与相同直径的螺栓配套使用。
垫圈的表述方式:
2.执行标准:
其具体规定了标准件的形状、光滑度,硬度指标力学性能等标准,有的标准对材质,工艺也有明确的规定,其函盖了某种标准件的绝大部分信息。
(有国标、非标美标 日标德标欧标ISO国际标准)
3.材 质:
就是原材料的化学成分,分为普碳钢、中碳钢、合金钢等。
4.级 别:
特指螺栓的强度。
5.力学性能:
又说机械性能,包括硬度,屈服度,伸长率,断面率等
6.表面处理:
指给紧固件表面做特殊处理以达到防腐蚀或美观的效果。
发黑,镀锌等。
螺栓
螺栓的种类有:
6.六角螺栓:
栓头为六角形;包括钢结构用大六角螺栓和普通外六角。
普通外六角螺栓,执行标准有GB/T5780/1/2/3(国标5780/2为半牙螺栓,5781/3为全牙螺栓)
5780/1为4.8S一下,通常称为普通螺栓,国标螺栓或普栓等;
5782/3泛指8.8级以上(10.9级12.9级)的高强螺栓,栓头略厚。
钢结构用大六角螺栓,常用直径型号为(M12目前国内没有生产)M16M20M22M24M27M30为10.9S级。
“S”代表钢结构专用栓。
注:
同级别的六角螺栓和大六角螺栓的区别在于,栓头厚度及最短弦长标准不同,大六角栓头部要厚较大,即栓头相对较大。
同为M20的六角螺栓最短弦长比较如下
六角弦长30 大六角弦长为34
2.地脚螺栓:
如图1-1
图1-1
国家地脚螺栓(9字形),执行标准GB/T799-1988,如下图:
L型地脚螺栓 执行JB/ZQ4364标准即为直角,国标规定L底长为直径的4倍(一般按客户要求做)。
术语说满外长、中线长。
T型地脚螺栓,等腰梯形栓头,栓头需要大型设备热打才能成型,如图1-2.
锚板型地脚螺栓:
图1-2
3.钢结构用扭剪型螺栓连接副(扭剪螺栓):
直径分为M16、M20、M22、M24、M27、M30规格;与大六角螺栓同样应用于钢结构连接,相比之下扭剪螺栓具有施工快、一致性好等优点。
4.马车螺栓:
常见型号在M12一下;圆顶棱身栓头
螺母
地脚螺母常用GB41标准 注:
相比双头螺栓上配母GB6170较厚,略显粗糙。
双头螺母常用GB6170标准。
6.GB41螺母:
(具体尺寸见紧固件手册)
较GB6170粗糙、略厚,外形无差别,价格稍低,常用于地脚螺栓上。
2.GB6170螺母:
(具体尺寸见紧固件手册)
新国标,较为精致。
通常国标螺母:
对边长=1.5倍直径;厚度=0.5倍直径
3.开槽螺母:
比较厚,一端有数个凹槽,常与销轴配套使用。
4.锁紧螺母:
侧内圈向外凸起,与垫圈紧密衔接,密闭性好;垫圈分为尼龙橡胶圈和金属圈,有耐高温需求的工程采用金属垫圈。
可以防震,起到放松动锁紧作用。
5.六角法兰螺母:
无需垫片含摩擦面,例如,自行车轴上的螺母。
6.碟形螺母
如图2-1
7.圆形螺母 图2-1
8.盖母
9.扣紧母:
单牙母,常用于电力塔项目。
垫片 垫片
GB97标准型,又分1/2/3种规格,1-3产品粗超度逐步降低。
GB96为大宽边平垫
弹垫
GB93 国家标准会对断口高度值有明确范围。
圆柱头焊钉
焊钉,用于钢结构与混凝土的紧固链接,具有抗震作用,使用螺柱焊接时与瓷环配套使用!
通常用在高层结构建筑楼层板和桥梁结构上。
螺钉
螺钉,常见的为半圆头自功螺钉,不都是尖头。
又分为:
1.内六角螺钉:
如:
自行车车把手中间
2.沉头螺钉:
最具代表性的十字、一字螺钉
螺钉一般是属于小型号紧固件,一般为M3M4型号,常用在家具,家电上。
(双头)螺柱
6.GB901:
(两端螺纹)等长双头螺柱
A型:
粗杆,材料中轴直径相当于或略大于螺纹外径
图:
B型双头 图:
A型双头
B型:
细杆,材料中轴直径相当于或略小于螺纹中经。
2.GB898/9:
通常用于机械设备上,一般客户所说长度不含“栽入部分长度”。
标准
HG标准(化工标准):
HG20613(欧洲体系)、HG20634(美洲体系)、
SH3404(石化标准)、GB/T9125(国标管法兰紧固件)
化工部标准,一般为合金钢,耐高温,耐低温,耐腐蚀性强。
紧固件相关标准参数
6.紧固件强度指标:
3.6级 4.6级 9.8级(不常用标准),常用标准4.8级 5.6级 6.8级 8.8级 10.9级(10.9S级)12.9级。
①“4”指性能等级,即抗拉等级为4,即每平方毫米抗拉强度为400MPa;
“.8”为屈服比值,即0.8;
屈服强度=抗拉强度*屈服比值;
②8.8级以下统称为普通螺栓
③含8.8级以上为高强螺栓,一般需要热处理才能达到强硬度和韧度的要求。
8.8级螺栓,直径为M24一下可以采用热淬透性略差的碳钢像45#、35#制作,而M24以上规格则必须采用淬透性较好的合金钢,像40Cr、35CrMo等。
10.9级以上只能采用合金钢像35VB、20MnTiB等
热处理:
是将金属产品放在热处理设备内,进行加热(淬火)、冷却、保温(回火)等流程,通过改变表面或内部的组织结构,来控制其产品性能的一种工艺。
,
注:
螺栓的淬火温度一般为800度,回火温度一般在500~600度之间。
热处理回火时间越短,材料硬度越好,韧脆度越差。
热处理,通常用冷却液或油(没有固定的沸点)来冷却,不用水是为了避免瞬间温度变化过大而引起产品断伤或断裂。
美标8级标准相当与国标10级标准。
④10.9级和10.9S级的区别:
后者为钢结构专用螺栓(S代表钢结构专用),同样的级别后者对性能的限制更多,要求更高,如固定材质,系数范围等。
二.常用的硬度指标包括HRC洛氏指标和HB布氏硬度。
常用维氏硬度HV表示垫片硬度;而测量螺栓通常采用洛氏硬度表示,HRC通常表示高强度螺栓硬度。
8.8级螺栓的洛氏硬度为22~32之间,通常我们认为布氏硬度值是洛氏硬度的十倍,严格的所是略大些的。
三.伸长率即最大抗拉的伸长量与原长的比值。
如,4.8级螺栓伸长率要求在17%~18%;8.8级要求不小于13%,10.9级别要求不小于10%。
四.断面率即拉断螺栓瞬间的截面面积所占原来截面的比值,一般不小于48%。
紧固件材质
常用的螺栓材质Q235-B 45# 35# 40Cr 35CrMo 20MnTiB 35VB 42CrMo Q345-B
Cr
Mo
Mn
Ti
V
B
铬
钼
锰
钛
钒
硼
注:
“45”为碳含量指标,即碳含量0.45%
“Q”代指屈服强度,“235”为屈服值,即235Mpa;因此其相当于4.6级=400*0.6=240Mpa
材质的演变:
随着铸造钢材技术的发展,紧固件原材料性能也越来越高,例
35#—ML35K 45#—ML45K其可塑性更好,满足冷墩成型要求。
焊钉材质的为ML.15、ML.15Al
ML.15为含碳量为0.15%的冷镦钢,与Q235材质基本无差别,但ML.15材质含有害元素P、S较少,钢的纯度高,具有冷镦性能强,可塑性良好等特点。
能更好的避免在生产过程中,冷镦开裂的现象。
注:
我们一般用ML15材质做焊钉,其含碳量就是0.15%。
常用地脚螺栓材质:
Q235 45# Q345(16Mn)
Q345(16Mn)是一种低合金钢,其抗冲击防震性,塑性和焊接性良好,而且耐低温性能好!
注:
我们厂所用的材质,一般指Q235-B Q345-B,后者抗拉性能和韧性较好。
Q345-A只限定了其化学成分,不保力学性能;只限定其抗拉强度下限约等于450MaP,无上限。
Q345-B即保证化学成分,又保力学性能(我们的地脚,拉条等产品符合此要求)及规定抗拉强度下限也规定了上限。
Q345-C在B基础上,耐低温,适应环境能力强,可保证-20℃冲击试验合格。
Q345-D比C适应环境能力更强,可保证-40℃冲击试验合格。
从A~D化学元素无大差别,主要是纯度差异,其性能在低温下差别明显。
国内C级原材不是很好采购,且尚无法采购小批量D级别原材,因此成本高,无法及时提供供货保障。
遇到客户有明确要求的,可建议用35CrMo代替,此材质完全可以达到CD级性能要求,市场上供应充足,价格合理。
常用螺母材质:
低碳钢ML.0.8 ML.10
中碳钢45# 35#
常用产品级别与材质的搭配
螺母级别:
4H 5H 6H 8H 10H
螺母级别与材质:
4H 用低碳钢ML0.8、ML10
5H 6H 用中碳钢45# 35#
8H 10H 用中碳钢45# 35# 35CrMo 30CrMo做热处理即可达到硬度要求。
因螺母本省中心空的,其对材料淬透性要求不高,所以通常普碳钢可以满足要求。
注:
因Q235材质含碳量较高易裂缝,所以一般不用其做螺母,但行业内常这么要求,无需在意。
国内市场没有30CrMo,因此一般用含碳量略高的35CrMo代替。
螺栓级别:
4.8级 5.6级 6.8级 8.8级 10.9级(10.9S级)12.9级。
螺栓级别与材质:
普通螺栓4.8级5.6级——采用普碳钢 常用材质Q235 45# 35#等,含碳量越高其原材越硬,抗拉强度值越大,可塑性越差。
Q235通过冷拔可提高其屈服强度至300Mpa满足5.6级要求。
高强螺栓8.8级——采用碳钢 常用材质45# 35# 40Cr 35CrMo等,需要热处理。
直径小于22的产品可以使用45#、35#材质;直径超过24的产品可采用淬火性能较好的40Cr材质。
高强螺栓10.9级及以上级别——采用合金钢 常用材质40Cr 35CrMo 20MnTiB 35VB等,增加不同金属元素可提高原材在抗拉强度、淬透性、环境适应力等方面的性能。
35CrMo材质具有高静力强度;淬透性好;耐高温、低温等优点适应环境能力较强。
20MnTiB和35VB材质为当前钢结构螺栓指定材质,直径在24以下的钢结构螺栓严格要求采用20MnTiB材质。
钢结构螺栓直径为27、30时一般采用35VB材质。
高强螺栓12.9S:
常用材质35CrMo、42CrMo。
地脚螺栓材质与级别:
4S:
采用Q235材质,一般可以满足4.6S要求,但不到4.8S要求。
4~5S:
采用Q345(16Mn)可以满足5.6S要求,一般不能调质到8级。
6S:
采用45#本身具有每平方毫米600MaP的抗拉强度,相当于6级
8S:
小直径(M36以下)的采用45#通过热处理调质可达到8.8S要求
大直径(M36以上)的可采用渗透性更好的40Cr材料调质达到8.8S要求
10S:
小直径(M36以下)的40Cr可通过热处理调质可达到10.9S要求
大直径(M36以上)的可采用渗透性更好的35CrMo材料调质达到10.9S要求
注:
冷拔拉细可以增强材料的硬度和韧性,提高材质质量。
碳含量越多材料越硬,容易脆断,因此低碳钢的韧性使其能调质到高级别。
碳、磷是主要的有害元素,其含量上国家有严格的标准限制。
螺栓、螺母、垫圈的性能等级和推荐材料表,若客户需要也可使用其他材质,但需在合同中注明。
类别
性能等级
推荐材料
标准编号
适用规格
螺栓
10.9S
20MnTiBML20MnTiB
GB/T3077GB/T6478
M16、M20、M22、M24
35VB35CrMo
GB/T3077
M27、M30
螺母
10H
45#、35#、ML.35
GB/T699、GB/T6479
皆可用
垫片
——
45#、35#
GB/T699
手册上常用的标准件代号:
标准件
螺栓
螺母
平垫
弹垫
10.9S
8.8S
4.8S
双头
GB/T41-2000GB/T6170
GB6175
GB6176
…
GB/T97-2002
GB96
GB95
…
GB/T93-1987
执行标准
GB/T1228-2006
GB/T5782/3-2000
GB/T5780/1-2007
GB/T901-1988
标准件
大六角连接副
扭剪型连接副
焊钉
地脚螺栓
GB/T-1231
GB/T-3632
GB/T10433-2002
国标
L型
T型
执行标准
GB/T799-1988
JB/ZQ4362-97
JB/ZQ4362-97
紧固件的表面处理
表面处理步骤
成品——经过酸洗、中和处理或喷沙——除油除锈——钝化——表面处理(电镀热镀)
酸洗:
是用酸溶液除去成品表面的油、锈,通常需要中和反映。
喷沙:
即用高速微小沙粒冲洗陈品表面,以达到出油除锈的效果。
其避开了使用酸液对产品质量的伤害,通常在达克罗处理时使用。
钝化:
在产品表面生成一种非常薄的、致密的、覆盖性能良好的、牢固地吸附在金属表面上的钝化膜。
通常是氧化金属的化合物。
它起着防腐蚀的作用。
1.发黑,又叫法蓝(兰)处理,即加碱处理,NaOH、NaHNO3,客户无明确要求必做发黑处理,有效的掩盖由于热处理造成的产品表面不足,因此,主要用于需要热处理的高强紧固件。
2.电镀锌:
就是置换反应,镀锌厚度一般产品直径越大厚度越大。
国家规定镀锌厚度如表所示,实际镀锌厚度为3~5um左右。
可选银白、蓝白和彩锌。
镀彩锌:
有黄、黑(很少)、军绿色等。
电解镀锌产品表面常附着氢离子,会影响产品力学性能,就是常说的氢脆,因此需要做趋氢处理。
目前电镀锌,内涵铬元素通常是+6价,即Cr6+溶液反应,镀锌成本在300~650元/吨。
有客户要求用环保的+3价铬,即Cr3+溶液反应,成本在650~750元/吨。
3.热侵锌:
即把成品放入经过高温融化的固体锌溶液,特定时间后捞出进行离心处理的过程。
表面颜色常见的有灰白(相对低温锌层厚)和亮白(相对高温锌层薄)两种。
即热镀锌产品表面越光,镀锌层越薄;表面呈灰色,且厚度越均匀(没有结流)则越好。
热镀锌缺点:
①高温镀锌相当于对产品二次回火,严重影响产品硬度,破坏力学性能,因此美国标准有明文规定10.9级以上栓严谨采用热处理防腐。
②锌层较厚,几何尺寸变化大,因此配螺母需要做扩孔处理。
热镀锌常用上锌量来表示:
即每平方米上锌重量为多少克。
上锌量在270g/m2以上,可以满足40um的厚度要求。
现实中镀锌前后产品每吨重量差在10~15Kg。
测量上锌层厚度一般取三个面求平均值。
上锌量与厚度转换公式:
M克/㎡除以铁的密度7850Kg/m3= Nμm
热侵会附着在螺纹里,需要做离心处理。
温度越高时间越短,上锌越薄:
温度低时间越长,上锌越厚。
机械镀锌又叫粉末镀锌,高速高温冲刷。
注:
由于镀锌厚度的影响,热度锌螺栓要对螺母做微加大处理不然拧不上。
螺母进行扩孔处理后,通常会有些框,但国家没有具体规定扩孔的标准,因此只需要保证实验载荷就算合格。
即在螺栓拉断时螺母不脱落即为合格。
工人常说的的30杠,40杠即是扩孔数值单位。
4.达克罗,分为含铬和不含铬两种,铬是一种有毒元素,生产过程污染环境含铬,即用锌铬酸盐对产品进行喷刷,只有银白色,通常需要两次涂层。
无铬,新型绿色表面处理工艺,有多种颜色,常见的有黑色,军绿色。
达克罗是由美国引进,因为其采用喷沙除油除锈,而且其要求温度是在200~300℃之间,其对产品质量无太大损伤,因此是比较理想的防锈处理方式,但达克罗有一定的环境污染。
即使无太大的质量损伤,但因为表面不够光滑,也会影响高强螺栓检测是的系数值,因此,达克罗重要的保检测一步是的皂化。
缺点是:
附着力差,怕磕碰。
皂化:
在金属表面附着一层皂化材料,主要起润滑作用.金属在拉拔的时候用到。
5.真空渗锌镀锌,热镀锌的一种,即在真空加高温双重环境下将锌的快速渗透在产品表层,形成一定厚度的锌铁合金层,业界有人将他理解成一种热处理工艺,15年以上防锈。
渗锌工件有很强的耐腐蚀性,表面硬度增高,无氢脆!
广泛应用于公、铁路建设,造船,航空,风电,水电等领域。
据说可以保证30年不锈,在我国青藏高铁上有用到。
处理方式
涂层厚度
耐腐蚀期
成本
优缺点
处理方式
常用产品
本色
2~3月
附加成本最低
产品表面粗糙
黄油处理
4.8紧固件
法蓝
3~8um
6个月
160~260元/吨
覆盖热处理后的红云,产品表面美观一致
加碱处理
8.8紧固件
电镀锌
M12以下8um,以上8~12um
1年以上
小件产品成本300-450/吨;长大件550-600/吨悬挂式镀锌
产品表面光亮;“氢脆”效应使得影响产品硬度
电解置换处理
8.8以下可做,含10.9S以上紧固件不做电镀锌
热侵锌
43~100um
8年以上
大件1200~1500/吨,小件2000-2500/吨
表面光亮:
热处理温度过高影响产品力学性能
500度融锌热侵
8.8以下可做,含10.9以上紧固件一般不做热浸锌
真空镀锌
20~120um
30年以上
大件1500~1700吨,小件2200-2700/吨
耐磨性好,不影响力学性能;表面亮度不足
真空环境下渗透
铁道扣件
及其它恶劣环境条件下
达克罗
8~12um
5~10年
与真空镀锌成本差不多
环保,耐高温,结合力好;耐磨性不好,怕磕碰
表面喷刷
钢结构
机械镀锌
30年以上
1500~1700元/吨
上锌层相对薄,且耐腐蚀
极地高铁结构
钢结构螺栓连接副
大六角连接副:
必成套,即一栓、两垫圈、一螺母。
因其属于高张力栓,靠其自身张力锁紧,故用平垫而不用弹垫,弹垫在此无助于锁紧,反会破坏其摩擦系数。
大六角检测的必要指标实验和要求:
6.楔负载实验
螺栓头下置100楔垫,在拉力实验机器上将螺栓拧在带有内螺纹的专用夹具上(大于等于d)然后进行拉力实验。
要求:
100楔垫尺寸及硬度要符合GB/T3098.1的规定。
进行实验时,拉力载荷在下表规定的范围内,断裂应发生在螺纹或螺纹与螺杆交界处。
掉头或断在螺杆上则为不合格。
注:
当螺栓长度不足只直径的三倍时,可不做楔负载实验,允许用拉力载荷试验或芯部硬度实验代替。
拉力载荷应符合下表要求:
螺纹规格d
M16
M20
M22
M24
M27
M30
公称应力截面积是As/mm2
157
245
303
353
459
561
10.9S拉力载荷(kN)
163-195
255-304
315-376
367-438
477-569
583-696
芯部硬度应符合下表要求:
性能等级
维氏硬度
洛氏硬度
最小值(min)
最大值(max)
最小值(min)
最大值(max)
10.9S
312HV30
367HV30
33HRC
39HRC
2.保证载荷实验
将螺母拧入螺纹心棒,实验时夹头的移动速度不应超过3mm/min。
对螺母施加下表规定的保证载荷,持续15s,螺母不应脱落或破裂。
当去掉载荷后,应可用手将螺母旋转出。
螺纹规格D
M16
M20
M22
M24
M27
M30
公称应力截面积是As/mm2
157
245
303
353
459
561
保证力Sp/Mpa
1040
10H保证载荷(As*Sp)/kN
163
255
315
367
477
583
3.垫片硬度实验
实验在支撑面上进行,10H垫片洛氏硬度为30HRC
4.扭矩系数实验
实验室对螺栓做配套的组合实验,扭矩系数要严格控制在0.11-0.15之间。
系数过大或过小都会导致螺栓拧不紧或超拧。
影响扭矩系数的因素:
1螺牙的精度。
注:
螺牙精度的检验主要是“通止规”。
即通规和止规,通规要求手拧至底儿无障碍,止规要求满帽丝则止,不凸不凹方是合格。
6.螺母内牙的光滑程度;
6.垫片表面的光滑度;越光扭矩系数越小,光滑度适中为好,既不能太滑也不能太粗糙。
④外因。
包括温度,湿度,运输破坏等,因此在运输时要求栓母垫分开装箱的。
HV30标准扭矩系数有效保证时间为6个月。
HV30直径*扭力系数*设计预拉力=实际扭力数
扭剪螺栓连接副:
必成套,即一栓、一垫圈、一螺母。
自身具有高胀力。
纽剪螺栓检测的必要指标实验和要求:
(技术验收)
1.楔负载实验
2.保证载荷实验
3.垫片硬度实验
试验在“支承面”上进行,执行GB/T230.1或GB/T4340.1的规定。
4.紧固轴力实验
连接副的禁固轴力试验在轴力计或测力环上进行,必成套试验,不能重复使用。
下表为禁固轴力标准:
螺纹规格
M16
M20
M22
M24
M27
M30
每批紧固轴力的
平均值/kN
公称
110
171
209
248
319
391
min
100
155
190
225
290
355
max
121
188
230
272
351
430
紧固轴力表批准差σ≦x/kN
10.0
15.5
19.0
22.5
29.0
35.5
注:
若长度达不到直径的的三倍,可不做紧固轴力实验,改用“心部硬度实验”代替。
影响紧固轴力的实验的因素