Wo liegt die Stärke hochfester Schrauben?

1. Hintergrund

Am 28. November 2021 hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Han Dong von der School of Materials Science and Engineering der Universität Shanghai in Zusammenarbeit mit Hebei Longfengshan Foundry Co., Ltd., Qifeng Precision Technology Co., Ltd., Zhoushan 7412 Factory , das Jiangsu Metallurgical Technology Research Institute, das Institute for Advanced Equipment Materials der Shanghai University (Zhejiang) und das Shanda New Materials (Taizhou) Institute haben erfolgreich Verbindungselemente aus ultrahochfestem Stahl entwickelt B17.8 und B19.8. Dieser Erfolg war das Ergebnis mehr als einjähriger gemeinsamer Bemühungen, bei denen ein prozessübergreifendes kollaboratives Modell der „Materialproduktion – Herstellung von Verbindungselementen – Servicebewertung“ zum Einsatz kam. Basierend auf fortschrittlichen Stahlmaterialtheorien und unter Verwendung von hochreinem Eisen, bereitgestellt von Longfengshan Foundry entwickelten sie Fertigungstechnologien für Schrauben der Güteklasse 16,8 und 19,8.

2. Was sind hochfeste Schrauben?

High-Strength Friction Grip Bolts (HSFG), allgemein bekannt als hochfeste Schrauben, werden im alltäglichen Gebrauch oft missverstanden, da die Begriffe „Reibung“ und „Vorspannung“ weggelassen werden.

Missverständnis 1: Hochfeste Schrauben sind einfach Schrauben mit einer Werkstoffgüte größer als 8,8.

Tatsächlich liegt der grundlegende Unterschied zwischen hochfesten Schrauben und gewöhnlichen Schrauben nicht in der Materialstärke, sondern in der Art und Weise, wie sie Lasten aufnehmen. Das Hauptmerkmal hochfester Schrauben ist die Anwendung einer Vorspannung, um Haftreibung zu nutzen, um Scherkräften standzuhalten. Nach britischen und amerikanischen Normen (wie BS EN 14399, ASTM A325 und ASTM A490) umfassen hochfeste Schrauben nur die Klassen 8,8 und 10,9, während normale Schrauben mehrere Klassen wie 4,6, 5,6, 8,8, 10,9 und 12,9 abdecken. Daher ist die Materialstärke allein nicht der entscheidende Faktor.

3. Vorteile hochfester Schrauben

Ein Vergleich der Zug- und Scherfestigkeit von gewöhnlichen Schrauben der Güteklasse 8,8 und hochfesten Schrauben der Güteklasse 8,8 basierend auf der Norm GB50017 zeigt, dass gewöhnliche Schrauben derselben Güte typischerweise höhere Konstruktionswerte aufweisen. Woher kommt also die „Festigkeit“ hochfester Schrauben?

Um dies zu beantworten, müssen ihre konstruktiven Arbeitsbedingungen und elastisch-plastischen Verformungseigenschaften analysiert werden:

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Gewöhnliche Schrauben: Bei Überlastung erfährt der Schaft eine plastische Verformung, die schließlich zum Scherversagen führt. Vor der Aufnahme von Scherkräften kommt es zu einem Schlupf zwischen den verbundenen Platten, woraufhin der Schaft mit den Platten in Kontakt kommt, um die Last durch Verformung aufzunehmen.

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Hochfeste Schrauben: Wenn die Haftreibung nicht ausreicht, um der Scherung standzuhalten, können die verbundenen Platten verrutschen (im Grenzzustand). Aber auch nach dem Abrutschen kann der Bolzenschaft durch seine eigene elastisch-plastische Verformung noch Scherkräfte aufnehmen.

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Missverständnis 2: Hochfeste Schrauben haben eine höhere Tragfähigkeit.

Tatsächlich sind die Zug- und Scherfestigkeit einzelner hochfester Schrauben nicht unbedingt höher als bei gewöhnlichen Schrauben. Der Vorteil liegt in ihrer Konstruktion: Die Verbindungsstelle lässt keinen Schlupf zu, was zu minimaler Verformung, hoher Steifigkeit und größeren Sicherheitsreserven führt. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sie sich besonders für hochsteife Verbindungen wie Hauptträgerverbindungen und entsprechen dem seismischen Konstruktionsprinzip „Starke Verbindungen, schwache Komponenten“.

4. Vergleich zwischen hochfesten Schrauben und gewöhnlichen Schrauben

Aufgrund unterschiedlicher Tragprinzipien unterscheiden sich die Konstruktions- und Prüfverfahren für gewöhnliche Schrauben und hochfeste Schrauben erheblich. Gewöhnliche Schrauben stellen im Allgemeinen etwas höhere mechanische Leistungsanforderungen als hochfeste Schrauben derselben Güteklasse. Allerdings müssen hochfeste Schrauben auch zusätzliche Anforderungen an die Schlagzähigkeit erfüllen.

In der Praxis können Schrauben anhand von Markierungen identifiziert werden. Beachten Sie, dass die Drehmomentberechnungen für hochfeste Schrauben zwischen britischen und amerikanischen Standards unterschiedlich sind. Im Allgemeinen kosten gewöhnliche Schrauben etwa 70 % der hochfesten Schrauben, da letztere höhere Anforderungen an die Zähigkeit (Schlagenergie) stellen.

5. So verbessern Sie die Ermüdungsfestigkeit von Schrauben

Unter komplexen Belastungsbedingungen ist Ermüdungsversagen die häufigste Versagensart für hochfeste Schrauben. Laut einer Studie aus dem Jahr 1980 mit 200 Bolzenversagen waren über 50 % auf Ermüdungsschäden zurückzuführen. Daher ist die Verbesserung der Ermüdungsbeständigkeit von entscheidender Bedeutung.

Zu den Merkmalen von Schraubenermüdungsbrüchen gehören:

1. Die maximale Spannung liegt deutlich unter der statischen Festigkeitsgrenze des Materials, sogar unterhalb der Streckgrenze.

2. Der Bruch weist spröde Eigenschaften mit geringer plastischer Verformung auf.

3. Der Bruch ist das Ergebnis angesammelter Mikroschäden.

Zu den häufigsten Fehlerorten gehören:

· Das erste Gewinde der Mutter (65 %)

· Der Übergangspunkt zwischen Gewinde und Schaft (20 %)

· Der abgerundete Übergang zwischen Schraubenkopf und Schaft (15 %)

Strategien zur Verbesserung der Dauerfestigkeit:

1. Optimieren Sie das Design, um die Stresskonzentration zu reduzieren: Verwenden Sie größere Übergangsradien, Entlastungsnuten und verstärkte Gewindekonstruktionen, um die Spannungskonzentration zu minimieren.

2. Fertigungsprozesse verbessern:

A.Wärmebehandlung: Durch die Durchführung einer Wärmebehandlung vor dem Gewindewalzen entsteht eine Restdruckspannung, die die Rissausbreitung verzögert. Es ist außerdem wichtig, eine Oberflächenentkohlung zu verhindern, die die Ermüdungsfestigkeit um etwa 20 % verringern kann.

B.Phosphatierungsbehandlung: Reduziert die Reibung beim Gewindewalzen, verbessert die Oberflächenrauheit und erhöht die Ermüdungsbeständigkeit.

3. Tragen Sie die entsprechende Vorspannung auf: Eine zunehmende Vorspannung induziert eine Restdruckspannung an den Gewindewurzeln, verbessert die Ermüdungsbeständigkeit und verringert das Risiko eines Ermüdungsversagens durch Minimierung der Verbindungslockerung.

Abschluss

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Vorteil hochfester Schrauben nicht in ihrer Eigentragfähigkeit, sondern vielmehr in ihrer hohen Steifigkeit und Ermüdungsfestigkeit an den Verbindungsstellen liegt. Dadurch eignen sie sich hervorragend für Strukturen, die eine hohe Steifigkeit und Sicherheitsmargen erfordern.