Классы прочности крепежа: болты, винты, шпильки и гайки

Что означают два числа в классе

Класс прочности болта, винта или шпильки из углеродистой или легированной стали записывают двумя числами через точку. Первое, умноженное на 100, даёт номинальную прочность на разрыв в МПа. Второе, умноженное на 10, показывает, сколько процентов от этой прочности составляет предел текучести.

У класса 8.8 прочность на разрыв 8 × 100 = 800 МПа, а предел текучести 800 × 0,8 = 640 МПа. У 10.9 это 1000 и 900 МПа, у 5.8 — 500 и 400 МПа. Тот же результат даёт произведение чисел: 8 × 8 × 10 = 640.

Предел текучести — это напряжение, после которого болт уже не возвращается к исходной длине. Для классов до 6.8 это физический предел текучести, а для 8.8 и выше, где чёткой площадки текучести нет, берут условный предел Rp0,2: напряжение, оставляющее остаточное удлинение 0,2 %.

Крепёж класса 8.8 и выше делают из стали, закалённой и отпущенной. Поэтому болты 5.8 и 8.8 одинаковы по форме, а по металлу разные. Класс — свойство изделия, а не марка стали проката, и эти две шкалы нельзя смешивать.

Классы болтов, винтов и шпилек в цифрах

Номинальные значения в таблице — это расшифровка класса, минимальные — те, ниже которых прочность крепежа из партии опуститься не может.

Для классов до 6.8 в колонке Re / Rp0,2 стоит физический предел текучести Re, для 8.8 и выше — условный предел Rp0,2. Класс 9.8 стандарт ограничивает малыми диаметрами (до М16), его минимальные значения берут из текста стандарта. Минимальные значения в проекте сверяют с действующей редакцией стандарта.

Что эти числа говорят о поведении болта

Есть две закономерности. Отношение предела текучести к прочности растёт от 0,6 у класса 4.6 до 0,9 у 10.9 и 12.9: высокопрочный болт работает ближе к своему пределу и меньше «предупреждает» перед разрывом. Это видно и по относительному удлинению после разрыва на образцах: 22 % у 4.6, 12 % у 8.8 и лишь 8–9 % у 10.9 и 12.9.

Гайки: класс и пара к болту

У гайки класс записывают одним числом: 5, 6, 8, 10, 12. Умноженное на 100, оно примерно равно напряжению пробной нагрузки в МПа. Гайку делают прочнее стержня, чтобы при перегрузке рвался болт, а не срывалась резьба.

Пару подбирают по первому числу класса болта. В ДБН В.2.6-198 это записано прямо: гайки класса 5 к болтам 5.6 и 5.8, класса 8 к 8.8, класса 10 к 10.9. Если болт работает только на срез, норма допускает гайку на ступень ниже (4, 6 и 8 соответственно). Для остальных классов действует тот же принцип.

Гайка более высокого, более низкого и низкого класса

Гайка более высокого класса, чем нужно, ничего не портит, хотя болт от неё прочнее не становится. Гайка более низкого класса разрушает узел, потому что её резьба срывается первой. Отдельно стоят низкие гайки классов 04 и 05 (контргайки): они рассчитаны на меньшую нагрузку и не заменяют основную гайку.

Маркировка: что видно на головке и гайке

Класс и изготовитель должны быть обозначены на самом крепеже, а не только на коробке.

• на шестигранной головке болта есть знак изготовителя и класс, например 8.8; знак расположен на верхней плоскости головки или сбоку, у винтов с внутренним шестигранником — на головке;
• шпильки больших диаметров маркируют на торце или на гладком участке, потому что головки у них нет;
• на гайках класс — число на торце или грани (8, 10); у малых гаек применяют условный знак вроде «часов», который расшифровывает стандарт;
• левую резьбу обозначают стрелкой на головке болта и выемками на гранях гайки;
• горячеоцинкованные гайки с резьбой, нарезанной с припуском, имеют после класса букву Z или X, а болты с уменьшенной резьбой — букву U (подробнее в разделе о покрытиях);
• нержавеющий крепёж несёт марку стали и класс через дефис: A2-70, A4-80;
• болт без знака изготовителя, с расплывчатыми или криво выбитыми цифрами вызывает сомнение: цифры 8.8 можно нанести и на головку из обычной стали. Без документа такой крепёж в несущий узел не ставят.

Какой класс для какого узла

В несущих узлах класс болтов не выбирают на глаз: его, диаметр и количество болтов даёт расчёт. ДБН В.2.6-198 называет допустимые классы (5.6, 5.8, 8.8, 10.9, 12.9 в зависимости от того, работает ли болт на растяжение или срез и рассчитывают ли узел на выносливость) и приводит для них характеристические значения: прочность 500, 500, 800, 1000 и 1200 МПа, предел текучести 300, 400, 640, 900 и 1080 МПа (таблица Д.4). Ниже только общая логика выбора.

Покрытия крепежа и горячее цинкование высокопрочного

Чёрный крепёж без покрытия во влажной среде ржавеет быстро, поэтому на улице его защищают. Покрытие подбирают по среде и по классу: для высокопрочных болтов важно ещё и то, вносит ли способ нанесения водород в сталь.

В таблице основные варианты, без привязки к производителям. Это общие различия: фактический срок защиты определяют условия эксплуатации и стандарт на конкретное покрытие.

Вопрос цинкования крепежа уточняйте под конкретное изделие: класс, диаметр и нужную защиту задаёт проект.

Горячее цинкование болтов: что меняется в резьбе

Горячее цинкование даёт слой свыше 40 мкм, и обычная резьба с таким слоем не соберётся. Поэтому комплект делают так, чтобы резьбу учли заранее. Есть два способа, и смешивать их нельзя. В первом болт остаётся с обычной резьбой, а гайку нарезают с припуском уже после цинкования; такие гайки имеют после класса букву Z или X. Во втором болт изготавливают с уменьшенной резьбой ещё до цинкования (обозначение U), а гайку нарезают после него по обычному допуску.

Гайка с припуском на болте с уменьшенной резьбой даёт высокий риск срыва резьбы. Повторно нарезать резьбу в гайке стандарт не допускает, а проверить резьбу оцинкованного болта, сняв покрытие и измерив её, нельзя: часть стали растворяет сам процесс цинкования.

Стандарт на горячеоцинкованный крепёж охватывает резьбы от М8 до М64 с крупным шагом. Меньшие диаметры и шаги менее 1,25 мм цинковать горячим способом не рекомендуется. Опоры и металлоконструкции мы цинкуем горячим способом в собственной ванне; о резьбе под цинкование см. проектирование под цинкование, о толщине покрытия — толщина цинкового покрытия, о способах — горячее, гальваническое или холодное цинкование.

Классы 8.8, 10.9 и 12.9 и горячее цинкование

Классы 8.8 и ниже цинкуют горячим способом в обычном порядке, с учётом резьбы. Класс 10.9 стандарт на горячеоцинкованный крепёж включает, но с условиями. Класс 12.9 в него не входит: для болтов, винтов и шпилек область действия заканчивается на 10.9, для гаек — на классе 12.

Причина — водород. При очистке кислотой он поглощается сталью и не всегда полностью выходит в цинковой ванне, а это может привести к хрупкому разрушению: болт ломается под нагрузкой через часы или дни после затяжки. Чем выше прочность и твёрдость, тем риск больше. В нашей статье о проектировании под цинкование сказано, что стали с пределом текучести свыше 650 МПа более склонны к растрескиванию; 8.8 стоит на этой границе (640–660 МПа), а 10.9 и 12.9 лежат значительно выше (900–1100 МПа).

По ISO 10684:2004; обычная ванна работает при 455–480 °C, высокотемпературная — при 530–560 °C. Украинскую редакцию этого стандарта по поиску подтвердить не удалось.

Высокопрочные комплекты для предварительного натяжения

Для болтов с контролируемым натяжением есть отдельные стандарты на комплекты (болт, гайка, шайба из одной партии): ДСТУ EN 14399, системы HR и HV. В европейской практике такие комплекты класса 10.9 цинкуют горячим способом, а кислотное травление заменяют механической очисткой. Поэтому их берут готовыми, с документами изготовителя комплекта, а не отдают болты на цинкование вместе с конструкцией.

ДБН предупреждает: расчётные сопротивления болтов 8.8 и 10.9 даны для болтов без покрытия, например без цинкования. Если в проекте нужны оцинкованные болты, класс и способ защиты указывает проект; иногда проще взять болт более низкого класса большего диаметра, но это решение проектировщика.

Нержавейка: A2-70 и A4-80

Нержавеющие болты обозначают иначе: буква, цифра и число через дефис. Буква A означает аустенитную сталь (из неё делают большинство нержавеющего крепежа), цифра после неё — группу по составу, число после дефиса — одну десятую минимальной прочности на разрыв в МПа. То есть 70 — это 700 МПа, а 80 — 800 МПа.

A2 — сталь с хромом и никелем, A4 — та же, но с молибденом. Число 70 или 80 говорит о прочности, а не о стойкости к коррозии: A2-80 и A4-80 одинаково прочны. Разница в среде. Молибден делает A4 стойче к хлоридам (море, противогололёдные реагенты), а A2 рядом с солью быстро темнеет.

Нержавеющий крепёж не закаляют, поэтому A2-70 по прочности на разрыв (700 МПа) уступает классу 8.8 (800 МПа), а предел текучести у него существенно ниже. Заменять 8.8 на A2-70 без пересчёта нельзя. Ещё два практических момента: резьба нержавеющих болтов склонна к задиранию при затяжке, поэтому её смазывают и не накручивают гайку на больших оборотах, а в паре с углеродистой сталью во влажной среде коррозия сосредоточивается на углеродистой детали рядом с нержавеющей.

Контроль и сертификат

Класс подтверждают не только цифры на головке. К партии должен быть документ изготовителя: сертификат или паспорт с номером партии, обозначением изделия, классом прочности и ссылкой на стандарт. На входе сверяют, что маркировка на каждом болте совпадает с документом, а не на каждом десятом.

Если партия вызывает сомнение (нет знака изготовителя, цифры нанесены неровно, цена заметно ниже рыночной), её отдают в лабораторию. Испытания на растяжение и измерение твёрдости показывают фактический класс. Для ответственных узлов требования к документам и входному контролю задаёт проект.

Где чаще всего ошибаются

• болт 8.8 с гайкой класса 5: резьба гайки срывается раньше, и нагрузка, которую выдержал бы болт, до него не доходит; держит, по сути, гайка;
• класс и марка стали: С245 или С345 — это сталь профилей, плит и наших закладных, а 5.8 или 8.8 — класс крепежа. Фраза «болт из стали С345» класс не задаёт; о марках стали см. выбор марки стали;
• замена класса «потому что нет в наличии»: диаметр и количество болтов в проекте подобраны под конкретный класс, и 5.8 вместо 8.8 с той же резьбой узел не удержит без пересчёта;
• цинкование болта и гайки «как обычных»: гайка, нарезанная до цинкования, на оцинкованный болт не накрутится, а гайка с припуском на болте с уменьшенной резьбой сорвётся. Комплект берут по одному способу;
• сварка крепежа: приварить гайку или болт к пластине, чтобы не раскручивался, хочется часто. У классов 8.8 и выше нагрев меняет структуру закалённой стали, и рядом со швом металл размягчается или крошится. От раскручивания есть контргайка, стопорная шайба и другие стопоры; приварка — решение проектировщика;
• перетяжка: болт, затянутый за предел текучести, остаточно растягивается, и рассчитывать на него уже нельзя. Нужный момент зависит от диаметра, класса, смазки и покрытия, поэтому его задаёт проект, а не ощущение ключа.

Что указать в чертеже и запросе

В чертежах КМ и КМД крепёж выносят в спецификацию отдельно от проката, а класс болта и гайки записывают вместе с диаметром, длиной и покрытием. Пара болт + гайка должна быть названа прямо, а не «болт М20». Если узел смешанный (часть соединений на болтах, часть сварная), это тоже обозначают.

Мы изготавливаем металлоконструкции по чертежам заказчика и разрабатываем чертежи КМ и КМД: проектирование КМ и КМД, изготовление металлоконструкций. Монтаж выполняет партнёрская строительная компания. Размеры и массу болтов, гаек и шайб смотрите в сортаменте крепежа, другие профили — в справочнике металлопроката. Анкерные болты для опор и мачт разобраны в статье «Анкерные болты для опор и мачт», закладные — в статье о фундаментных закладных.

Нормативы и действительность

Свойства болтов, винтов и шпилек по классам прочности изложены в ДСТУ EN ISO 898-1:2022 «Механические свойства крепёжных изделий из углеродистой и легированной стали. Часть 1. Болты, винты и шпильки с установленными классами прочности. Крупная резьба и резьба с мелким шагом» (действующий, начало действия 31.12.2023). Выбор классов и пар болт + гайка в несущих стальных конструкциях выполняют по ДБН В.2.6-198:2014 «Стальные конструкции. Нормы проектирования» (разделы 6 и 7, таблицы Д.3 и Д.4).

Горячее цинкование металлоконструкций описывает ДСТУ EN ISO 1461:2024, которым мы руководствуемся (см. статью о толщине покрытия). Высокопрочные болтовые комплекты для предварительного натяжения — ДСТУ EN 14399-1:2019 (общие требования), ДСТУ EN 14399-3:2024 и ДСТУ EN 14399-4:2024 (системы HR и HV). Горячее цинкование крепежа центробежным способом описывает международный стандарт ISO 10684:2004 (действительность подтверждена в 2021 г., готовится второе издание), гальванические покрытия крепежа — ISO 4042:2022.

Гайки и нержавеющий крепёж описывают международные стандарты ISO 898-2:2022 и ISO 3506-1:2020 (болты, винты, шпильки), ISO 3506-2:2020 (гайки). Какой действующий ДСТУ воспроизводит ISO 10684, ISO 4042, ISO 898-2 и ISO 3506, сверяют перед ссылкой в проектной документации. Числа в этой статье приведены для ориентировки, в проекте пользуются действующим текстом стандартов.