附 錄 A
(提示的附錄)
螺栓連接的承載能力
(ISO/TC 2技術(shù)委員會(huì)有關(guān)螺母強(qiáng)度和螺母設(shè)計(jì)的注釋)
推廣采用螺栓和螺釘性能等級(jí)的ISO建議(ISO/R 898：1968)之后，關(guān)于螺母性能等級(jí)的ISO建議(ISO/R 898—2)已于1969年公布。這些ISO建議為螺栓、螺釘和螺母的性能等級(jí)提出了一套新的標(biāo)記制度和標(biāo)志的技術(shù)要求，以及一對(duì)螺栓-螺母組合件承載能力的清晰的論點(diǎn)。
a)螺栓和螺釘?shù)臉?biāo)記代號(hào)表示：
最小抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比。例如：性能等級(jí)8.8
第1部分?jǐn)?shù)字(8.8中的“8”)=最小抗拉強(qiáng)度(N/mm2)的1/100；
第2部分?jǐn)?shù)字(8.8中的“8”)=屈強(qiáng)比(0.8)的10倍。
這兩個(gè)數(shù)字的乘積(8×8=64)=最小屈服應(yīng)力(N/ mm2)的1/10。
b)螺母的標(biāo)記代號(hào)表示：
標(biāo)記的數(shù)等于與螺母相配的螺栓或螺釘?shù)淖钚】估瓘?qiáng)度(N/mm2)的1/100。該螺栓或螺釘與螺母相配時(shí)，承受的載荷能達(dá)到最小屈服應(yīng)力。
例如：8.8級(jí)螺栓或螺釘與8級(jí)螺母相配：
其承載能力可達(dá)到螺栓或螺釘?shù)淖钚∏?yīng)力。
隨著ISO建議的發(fā)布，這套性能等級(jí)制度已在世界范圍內(nèi)廣泛推廣，實(shí)踐證明是成功的。
1973年ISO/TC2的SCI分委員會(huì)，在搜集實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上著手修訂ISO建議，并計(jì)劃轉(zhuǎn)為ISO標(biāo)準(zhǔn)。1974年發(fā)布了螺栓和螺釘性能等級(jí)的草案ISO/DIS 898—1。其中，有些修改與補(bǔ)充，但性能等級(jí)制度的原則未予改變。這一草案又進(jìn)行了一次修改，第二次修訂草案于1977年提出并被ISO絕大多數(shù)成員團(tuán)體所接受。對(duì)螺栓和螺釘性能等級(jí)草案全面修訂后，在ISO/TC 2的SCI分委員會(huì)內(nèi)，形成有關(guān)專家所滿意的最終決議，現(xiàn)在ISO也同意這一決議，將來，更大范圍涉及到技術(shù)要求的實(shí)質(zhì)是修訂ISO建議ISO/R898—2，并將其轉(zhuǎn)為螺母性能等級(jí)的ISO標(biāo)準(zhǔn)。
經(jīng)驗(yàn)表明，用公稱高度為0.8D的螺母規(guī)定連接件性能等級(jí)的概念，簡單明了，但在實(shí)踐中確實(shí)產(chǎn)生一些困難。首先，采用最經(jīng)濟(jì)的材料和工藝，往往很難或不可能達(dá)到規(guī)定的螺母性能，例如，細(xì)牙螺警和某些規(guī)格的粗牙螺紋。即使符合性能要求，也未必能保證在擰緊過程中組合件不發(fā)生螺紋脫扣。以前認(rèn)為螺母的保證載荷等于螺栓的最小極限強(qiáng)度即可滿足設(shè)計(jì)要求。然而，屈服點(diǎn)擰緊法和螺母與螺栓螺紋相互作用的新觀點(diǎn)的出現(xiàn)，都要求重新設(shè)計(jì)螺母，以保證更好地防止內(nèi)、外螺紋脫扣。
例如，螺紋規(guī)格等于、小于M16的8.8級(jí)螺栓，其抗拉強(qiáng)度為800～965 N/mm2 (后者由最大硬度確定)，屈強(qiáng)比為80%，屈服強(qiáng)度則為640～772 N/ mm2。如采用屈服點(diǎn)擰緊法，顯然擰緊應(yīng)力將接近保證應(yīng)力。此外，最新研究表明，用淬硬芯棒比用相應(yīng)性能等級(jí)的螺栓測試螺母所得到的脫扣強(qiáng)度要高。例如，用45 HRC的芯棒對(duì)8級(jí)螺母進(jìn)行試驗(yàn)，比用尺寸與芯棒相似的8.8級(jí)螺栓進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果約高出10%。所以，用淬硬芯棒測定的保證載荷恰好為800 N/ mm2的螺母，當(dāng)用實(shí)際尺寸處于最小極限的8.8級(jí)螺栓與其相配時(shí)，可以預(yù)期該螺母僅能承受應(yīng)力約為720 N/ mm2的載荷。如果擰緊應(yīng)力超過這個(gè)數(shù)值，就可能發(fā)生螺紋脫扣。特別是有人認(rèn)為，在施加扭拉載荷的情況下，螺栓的抗拉強(qiáng)度還會(huì)降低約15%，組合件的脫扣強(qiáng)度也將降低幾乎相同的數(shù)量。所以，從螺栓的機(jī)械性能來看，當(dāng)采用屈服點(diǎn)擰緊法安裝時(shí)，就可能頻繁發(fā)生螺紋脫扣。除屈服點(diǎn)擰緊法外，對(duì)某些ISO標(biāo)準(zhǔn)的修改是考慮減少發(fā)生螺紋脫扣的趨勢。提高螺栓和螺釘?shù)臋C(jī)械性能，如表A1(摘自ISO 898—1)所示，以便充分利用4.8、5.8、8.8(大于M16)、10.9和12.9級(jí)常用材料的強(qiáng)度。
此外，為了充分利用材料，這次還考慮減小某些規(guī)格六角產(chǎn)品的對(duì)邊寬度。為考慮上述變更和其他
因素的影響，ISO／TC2的SCI分委員會(huì)的一些成員團(tuán)體(加拿大、德國、新西蘭、瑞典、英國、美國)對(duì)螺栓-螺母組合件進(jìn)行了研究和大量試驗(yàn)。試驗(yàn)包括所有的產(chǎn)品規(guī)格、強(qiáng)度水平和材料。一般來說，試驗(yàn)是在典型的緊固件生產(chǎn)工藝、利用標(biāo)準(zhǔn)材料的條件下進(jìn)行的。試驗(yàn)零件都進(jìn)行了精確的尺寸測量和材料強(qiáng)度檢驗(yàn)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)分析。各研究者的研究結(jié)果，由加拿大整理匯總，并發(fā)現(xiàn)了很好的內(nèi)在聯(lián)系。由此推導(dǎo)出一系列公式，可用于預(yù)測符合ISO 68螺紋基本牙型的組合件的強(qiáng)度。這些研究結(jié)果在SCI分委員會(huì)內(nèi)和許多國家委員會(huì)進(jìn)行了充分討論。
最初，委員會(huì)忽視了改變現(xiàn)行技術(shù)要求的阻力，但試驗(yàn)結(jié)果清楚地表明，單靠改進(jìn)緊固方法和提高
機(jī)械性能等級(jí)，還不能防止組合件的脫扣。問題是螺栓和螺母兩者中的一個(gè)螺紋脫扣。正如研究結(jié)果所
示，可以斷定解決這一問題最可行的方法是：增加O.8D螺母的高度尺寸。本附錄的目的不是提供指導(dǎo)試驗(yàn)的詳細(xì)說明和改進(jìn)螺母設(shè)計(jì)的方法。如有必要，讀者可查閱1997年SAE學(xué)會(huì)報(bào)第770420號(hào)論文，
E.M.Alexander，《螺紋組合件的分析與設(shè)計(jì)》(Analysis and Design of Threaded Assemblies)。
對(duì)4～6級(jí)的螺母，根據(jù)Alexander的理論，不按ISO 898—1給出的螺栓的最大硬度250 HV(表
A1)，因?yàn)樽畲笥捕戎辉诼菟┒嘶蝾^部出現(xiàn)。所以，應(yīng)按螺栓螺紋旋合部分實(shí)際的最大硬度(表A2)進(jìn)
行計(jì)算。
類似分級(jí)給出的硬度值，早在ISO／R 898—1：1968中已有規(guī)定。
上述著作說明，有很多因素影響螺紋脫扣強(qiáng)度。包括：精度、螺距、螺母小徑的喇叭口、螺母內(nèi)倒角的大小、螺母與螺栓螺紋的強(qiáng)度搭配、旋合長度、螺母及類似的(如六角法蘭面)對(duì)邊寬度、摩擦系數(shù)、夾緊中的螺紋扣數(shù)等。在此基礎(chǔ)上對(duì)各種規(guī)格的緊固件進(jìn)行分析表明：以往用一個(gè)固定的螺母公稱高度(如0.8D)是不適當(dāng)?shù)�，而寧可�?duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的組合件設(shè)計(jì)給出一個(gè)適當(dāng)?shù)拿摽蹚?qiáng)度。按此分析給出的螺母高度，見表A3。
可以看出，螺母有兩種型式，2型約比1型高10%。1型高度主要適用于性能等級(jí)4、5、6、8、10和12(最大到M16)級(jí)，而2型尺寸則主要適用于性能等級(jí)8、9和12。2型螺母主要為9.8級(jí)螺栓和螺釘提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)的冷成型螺母，也為12.9級(jí)螺栓和螺釘提供了具有良好韌性的熱處理螺母。兩種型式的螺母預(yù)期的適用范圍見表5。由表5可見，增加螺母型式并不意味著成倍增加螺母品種。
1型和2型螺母的重疊，僅有兩種情況。對(duì)于1型：小于、等于M16的8級(jí)螺母，允許不淬火和回火
(冷成型、低碳)；大于M16的8級(jí)螺母必須淬火并回火。此時(shí)，就有可能使用不淬火和回火的、較厚的
2型螺母代替1型螺母，這是綜合分析的經(jīng)濟(jì)問題。對(duì)于12級(jí)：規(guī)格大于M16的使用1型螺母不合適。
由于要求保證載荷，而需要提高螺母硬度，結(jié)果削弱了韌性。從實(shí)用觀點(diǎn)出發(fā)，是需要韌性的。因此，在這種情況下，需要使用較厚的、淬火并回火的2型螺母。如有必要與可能，限制使用規(guī)格大于M16的螺母，則對(duì)12級(jí)螺母不發(fā)生1型與2型重疊。
螺母的尺寸根據(jù)組合件的強(qiáng)度指標(biāo)確定以后，再用限定螺紋尺寸的淬硬芯棒測定這些螺母的保證
載荷。結(jié)果，同一性能等級(jí)的螺母，其保證應(yīng)力不是一個(gè)常數(shù)，隨規(guī)格而變化。表5給出的是修訂后的保證應(yīng)力和硬度值。性能等級(jí)為04和05(以前的06)級(jí)降低承載能力的六角薄螺母，也在表5中給出。對(duì)這些螺母的設(shè)計(jì)，沒有考慮脫扣強(qiáng)度，而是簡單地按固定的O.6D規(guī)定高度。
表5按機(jī)械用緊固件常用的6H標(biāo)準(zhǔn)公差給出保證應(yīng)力。當(dāng)用于較大公差或間隙時(shí)，這些應(yīng)力應(yīng)按
表1給出的系數(shù)進(jìn)行修正。
表5及表1僅適用于粗牙螺紋，對(duì)細(xì)牙螺紋的螺母，見ISO 898—6(GB／T 3098.4)。
表1給出的載荷，是按本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小硬度為45 HRC和螺紋公差5 h 6 g(大徑為6 g下限的
1／4處)的試驗(yàn)芯棒給出的。
ISO 898—1和ISO 898—2(GB／T 3098.1和GB／T 3098.2)機(jī)械性能標(biāo)準(zhǔn)，ISO 4014～4018
(GB／T 5780～5784)六角頭螺栓標(biāo)準(zhǔn)和ISO 4032～4036(GB／T 6170、GB／T 6175、GB／T 41、
GB／T 6172和GB／T 6174)六角螺母標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布。這些標(biāo)準(zhǔn)反映了機(jī)械性能的修訂、螺母高度尺寸以
及對(duì)邊寬度的修改(M10、M12、M14和M22的對(duì)邊寬度分別由17、19、22和32 mm，改為16、18、21和34 mm)，這些正是ISO/TC 2所建議的。
IS0 898的本部分對(duì)有滿負(fù)載能力的螺母的性能等級(jí)說明如下：
當(dāng)指定了性能等級(jí)的螺栓或螺釘，用符合表2規(guī)定的相應(yīng)性能等級(jí)的螺母與其配套時(shí)，該組合件預(yù)
期達(dá)到的承載能力為：當(dāng)螺栓或螺釘?shù)念A(yù)緊力等于螺栓的保證載荷或屈服載荷時(shí)，螺紋不會(huì)脫扣。此外，
考慮到安裝時(shí)超擰不可避免，因此對(duì)規(guī)格小于等于M39和性能等級(jí)小于等于12級(jí)，以及螺紋公差為
6H的螺母的幾何尺寸和機(jī)械性能設(shè)計(jì)為具有較高的脫扣強(qiáng)度(甚至在最不利的最小實(shí)體條件下，也要
比螺栓斷裂強(qiáng)度至少高出10%)。這樣，當(dāng)超擰時(shí)，可以警告使用者，安裝方法不當(dāng)。
某些使用標(biāo)準(zhǔn)者，當(dāng)然不能參與詳細(xì)的研究工作，希望本注釋能幫助理解有關(guān)難題。
表A1 螺栓和螺釘?shù)男阅艿燃?jí)
|
性能等級(jí) |
3.6 |
4.6 |
4.8 |
5.6 |
5.8 |
6.8 |
8.8 |
9.8 |
10.9 |
12.9 |
|
≤M16 |
>M16 |
|
抗拉強(qiáng)度σb
N/mm2 |
公稱 |
300 |
400 |
400 |
500 |
500 |
600 |
800 |
800 |
900 |
1 000 |
1 200 |
|
min |
330 |
400 |
420 |
500 |
520 |
600 |
800 |
830 |
900 |
1 040 |
1 220 |
|
維氏硬度 max |
250 HV |
250 HV |
250 HV |
250 HV |
250 HV |
250 HV |
320 HV |
335 HV |
360 HV |
380 HV |
435 HV |
表A2 螺栓螺紋旋合部分實(shí)際的最大硬度
|
性 能 等 級(jí) |
最 大 硬 度 |
|
3.6
4.6；4.8
5.6；5.8
6.8 |
158 HV
180 HV
220 HV
250 HV |
表A3 六角螺母的高度
|
螺紋規(guī)格
D |
對(duì)邊寬度
s
mm |
螺母高度m，mm |
|
1型 |
2型 |
|
min |
max |
m/D |
min |
max |
m/D |
|
M5 |
8 |
4.4 |
4.7 |
O.94 |
4.8 |
5.1 |
1.02 |
|
M6 |
10 |
4.9 |
5.2 |
O.87 |
5.4 |
5.7 |
O.95 |
|
M7 |
11 |
6.14 |
6.50 |
O.93 |
6.84 |
7.20 |
1.03 |
|
M8 |
13 |
6.44 |
6.80 |
O.85 |
7.14 |
7.50 |
O.94 |
|
M10 |
16 |
8.04 |
8.40 |
O.84 |
8.94 |
9.30 |
O.93 |
|
M12 |
18 |
10.37 |
10.80 |
O.90 |
11.57 |
12.OO |
1.OO |
|
M14 |
21 |
12.1 |
12.8 |
O.91 |
13.4 |
14.1 |
1.01 |
|
M16 |
24 |
14.1 |
14.8 |
O.92 |
15.7 |
16.4 |
1.02 |
|
M18 |
27 |
15.1 |
15.8 |
O.88 |
16.9 |
17.6 |
O.98 |
|
M20 |
30 |
16.9 |
18.O |
O.90 |
19.O |
20.3 |
1.02 |
|
M22 |
34 |
18.1 |
19.4 |
O.88 |
20.5 |
21.8 |
O.93 |
表A3(完)
|
螺紋規(guī)格
D |
對(duì)邊寬度
s
mm |
螺母高度m，mm |
|
1型 |
2型 |
|
min |
max |
m/D |
min |
max |
m/D |
|
M24 |
36 |
20.2 |
21.5 |
O．90 |
22.6 |
23.9 |
1．OO |
|
M27 |
41 |
22.5 |
23.8 |
O．88 |
25.4 |
26.7 |
O．99 |
|
M30 |
46 |
24.3 |
25.6 |
O．85 |
27.3 |
28.6 |
0.95 |
|
M33 |
50 |
27.4 |
28.7 |
O．87 |
30.9 |
32.5 |
O．98 |
|
M36 |
55 |
29.4 |
31．O |
O．86 |
33.1 |
34.7 |
O．96 |
|
M39 |
60 |
31.8 |
33.4 |
0.86 |
35.9 |
37.5 |
O．96 |
