Cấp bền bu lông là ký hiệu hai số dạng X.Y, như 4.6, 8.8, 10.9 hay 12.9, dập trên đầu bu lông theo ISO 898-1 để cho biết giới hạn bền kéo và giới hạn chảy của thép. Bu lông 8.8 cỡ đến M16 có giới hạn bền kéo tối thiểu 800 MPa và giới hạn chảy tối thiểu 640 MPa.
Ký hiệu này nằm trên đầu bu lông lục giác; cỡ đầu và cỡ cờ lê tra ở bảng kích thước bu lông lục giác. Bài này giải thích cách đọc cấp bền bu lông, bảng giá trị theo ISO 898-1:2013, tải thử, cấp bền đai ốc, bu lông inox A2-70, A4-80 và cách chọn cấp cho từng mối ghép.
Cách đọc cấp bền bu lông X.Y theo ISO 898-1
Số đứng trước dấu chấm nhân với 100 cho giới hạn bền kéo danh nghĩa Rm (MPa). Tích hai số nhân với 10 cho giới hạn chảy danh nghĩa. Với cấp 8.8: Rm = 8 × 100 = 800 MPa, giới hạn chảy = 8 × 8 × 10 = 640 MPa, tức bằng 0,8 lần Rm.
Giá trị dùng để nghiệm thu là giá trị tối thiểu trong ISO 898-1:2013. Cấp 8.8 có Rm tối thiểu 800 MPa với d ≤ 16 mm và 830 MPa với d > 16 mm; giới hạn chảy tối thiểu tương ứng là 640 và 660 MPa.
Từ cấp 8.8 trở lên, tiêu chuẩn dùng giới hạn chảy quy ước Rp0,2 (độ biến dạng dư 0,2 %) vì thép tôi và ram không có điểm chảy rõ. Cấp bền bu lông 4.6 và 5.6 có điểm chảy rõ nên dùng ReL. Với 4.8, 5.8 và 6.8, ISO 898-1:2013 dùng ứng suất Rpf đo trên bu lông nguyên chiếc, và tiêu chuẩn ghi giá trị Rpf min của ba cấp này là đang nghiên cứu.
Bảng cấp bền bu lông thép carbon theo ISO 898-1:2013
Bảng dưới gộp giá trị tối thiểu của cấp bền bu lông từ 4.6 đến 12.9, kèm độ cứng và vật liệu thường dùng.
| Cấp bền | Rm min (MPa) | ReL, Rp0,2 hoặc Rpf min (MPa) | Độ cứng HV (tham khảo) | Vật liệu và xử lý |
|---|---|---|---|---|
| 4.6 | 400 | 240 | 120–220 | Thép carbon thấp hoặc trung bình, không tôi |
| 4.8 | 420 | 340 | 130–220 | Thép carbon thấp, tạo hình nguội |
| 5.6 | 500 | 300 | 155–220 | Thép carbon trung bình, không tôi |
| 5.8 | 520 | 420 | 160–220 | Thép carbon thấp, tạo hình nguội |
| 6.8 | 600 | 480 | 190–250 | Thép carbon trung bình, tạo hình nguội |
| 8.8 (d ≤ 16 mm) | 800 | 640 | 250–320 | Thép carbon trung bình hoặc hợp kim, tôi và ram |
| 8.8 (d > 16 mm) | 830 | 660 | 255–335 | Như trên |
| 9.8 (d ≤ 16 mm) | 900 | 720 | 290–360 | Thép carbon trung bình hoặc hợp kim, tôi và ram |
| 10.9 | 1040 | 940 | 320–380 | Thép carbon trung bình hoặc hợp kim, tôi và ram |
| 12.9 | 1220 | 1100 | 385–435 | Thép hợp kim, tôi và ram |
Độ cứng HV chỉ để tham khảo và kiểm tra nhanh tại xưởng; nghiệm thu chính thức dựa vào thử kéo. Cấp 9.8 ít gặp và chỉ áp dụng cho d ≤ 16 mm.
Vì sao cấp bền bu lông từ 8.8 trở lên phải tôi và ram
Thép carbon không nhiệt luyện chỉ đạt Rm khoảng 400 đến 600 MPa, đủ cho các cấp 4.6 đến 6.8. Các cấp 4.8, 5.8, 6.8 có tỷ số chảy/bền 0,8 nhờ biến cứng nguội khi dập đầu và cán ren, đổi lại độ dẻo thấp hơn cấp .6 (cấp 4.6 yêu cầu độ giãn dài sau đứt tối thiểu 22 %).
Muốn Rm từ 800 MPa trở lên, thép phải được tôi để tạo martensite rất cứng, sau đó ram để giảm ứng suất và lấy lại độ dẻo. Nhiệt độ ram càng thấp thì thép càng cứng, càng bền và càng nhạy với nứt chậm. Đó là lý do 12.9 cứng hơn và khó xử lý bề mặt hơn 8.8.
Tải trọng thử và tải kéo đứt của bu lông 8.8 và 10.9
Tải thử (proof load) là lực kéo lớn nhất bu lông chịu được rồi dỡ ra mà không bị giãn dài vĩnh viễn: chiều dài sau khi dỡ tải phải như trước khi thử, sai số đo cho phép ±12,5 µm. Tải thử bằng As × Sp, trong đó As là diện tích chịu kéo và Sp là ứng suất thử. Phép thử này kiểm tra cấp bền bu lông trên bu lông nguyên chiếc, nên phản ánh cả ảnh hưởng của ren.
As tính từ đường kính trung bình và đường kính chân ren nên nhỏ hơn diện tích danh nghĩa: M16 có As = 157 mm², trong khi π × 16²/4 = 201 mm². Ứng suất thử Sp của 8.8 là 580 MPa (d ≤ 16 mm) và 600 MPa (d > 16 mm); của 10.9 là 830 MPa.
Ví dụ M16 cấp 8.8: tải thử = 157 × 580 = 91.060 N, khoảng 91,1 kN. Tải kéo đứt tối thiểu = 157 × 800 = 125.600 N, khoảng 125,6 kN. Ở M20 cấp 8.8, dùng Sp = 600 MPa và Rm min = 830 MPa vì d > 16 mm.
| Cỡ ren | As (mm²) | Tải thử 8.8 (kN) | Kéo đứt min 8.8 (kN) | Tải thử 10.9 (kN) | Kéo đứt min 10.9 (kN) |
|---|---|---|---|---|---|
| M10 | 58 | 33,6 | 46,4 | 48,1 | 60,3 |
| M12 | 84,3 | 48,9 | 67,4 | 70,0 | 87,7 |
| M16 | 157 | 91,1 | 125,6 | 130,3 | 163,3 |
| M20 | 245 | 147,0 | 203,4 | 203,4 | 254,8 |
Lực căng ban đầu khi siết phải thấp hơn tải thử. Giáo trình Shigley khuyến nghị lực căng khoảng 75 % tải thử cho mối ghép cần tháo lắp lại và 90 % cho mối ghép cố định; mô men siết cụ thể phụ thuộc hệ số ma sát của ren và mặt tựa.
Ký hiệu cấp bền bu lông trên đầu bu lông và đai ốc
Dấu dập trên đầu bu lông gồm mã cấp bền (8.8, 10.9, 12.9) và mã hoặc logo nhà sản xuất. Bu lông không có dấu thì không xác định được cấp bền bu lông, nên không dùng cho mối ghép chịu lực.
Ký hiệu đầy đủ M12×1,75-8.8 đọc như sau: ren hệ mét đường kính 12 mm, bước ren 1,75 mm, cấp bền 8.8. Khi đặt hàng, thêm chiều dài thân, ví dụ M12×1,75×60-8.8.
Đai ốc ghi số cấp (5, 8, 10, 12) trên mặt hoặc cạnh. Một số đai ốc dùng hệ ký hiệu mặt đồng hồ thay cho chữ số, với vạch đặt ở vị trí giờ ứng với số cấp. Bu lông inox ghi mác như A2-70 hoặc A4-80 cùng mã nhà sản xuất.
Cấp bền đai ốc theo ISO 898-2 và quy tắc ghép đôi
ISO 898-2:2022 quy định các cấp đai ốc 04, 05, 5, 6, 8, 10 và 12; bản 2022 không còn cấp 9. Số cấp của đai ốc (5, 8, 10, 12) tương ứng số X của bu lông ghép cùng. Quy tắc: cấp bền đai ốc không thấp hơn X trong cấp bền bu lông ghép cùng. Cấp 04 và 05 dành cho đai ốc mỏng, không chịu được đầy đủ tải thử của bu lông.
| Cấp bền bu lông | Cấp đai ốc tối thiểu |
|---|---|
| 4.6, 4.8, 5.6, 5.8 | 5 |
| 6.8 | 6 |
| 8.8 | 8 |
| 10.9 | 10 |
| 12.9 | 12 |
Đai ốc được thiết kế để chịu tải thử của bu lông cùng cấp mà không tuột ren. Khi quá tải, bu lông đứt ở đoạn ren hoặc thân, hư hỏng dễ phát hiện. Nếu đai ốc yếu hơn, ren đai ốc bị cắt trước và mối ghép mất tải đột ngột. Đai ốc cấp cao hơn dùng được, đai ốc cấp thấp hơn thì không. Bảng kích thước và cách nhận biết đai ốc cấp 8, cấp 10 theo từng cỡ ren có trong bài các loại đai ốc.
Cấp bền bu lông inox: A2-70, A4-80 theo ISO 3506-1:2020
Cấp bền bu lông inox ghi khác thép carbon: chữ trước, số sau. Chữ A chỉ thép austenit. Số 2 là nhóm inox 304 (khoảng 18 % crom, 8 đến 10 % niken); số 4 là nhóm inox 316 có thêm 2 đến 3 % molypden. Số sau gạch ngang là Rm tối thiểu chia 10: 50, 70 và 80 ứng với 500, 700 và 800 MPa. Bản 2020 bổ sung cấp 100 (1000 MPa) cho nhóm A4, A5 và A8.
| Cấp | Rm min (MPa) | Rp0,2 min (MPa) | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| 50 (A2-50, A4-50) | 500 | 210 | Mềm, ít gặp |
| 70 (A2-70, A4-70) | 700 | 450 | Phổ biến nhất |
| 80 (A2-80, A4-80) | 800 | 600 | Biến cứng nguội mạnh, thường cỡ nhỏ và vừa |
| 100 (A4-100, A5-100, A8-100) | 1000 | 800 | Mới từ bản 2020, ít gặp trên thị trường |
A2-70 là loại phổ biến cho môi trường ẩm, thực phẩm và ngoài trời; xem thêm bu lông inox 304. Inox 316 (A4) chống clorua tốt hơn vì molypden giữ màng thụ động ổn định khi có ion Cl⁻, nên hạn chế ăn mòn rỗ trong nước biển và hóa chất.
Vì sao cấp bền bu lông inox không có 10.9
Inox austenit không tôi cứng được vì cấu trúc austenit không chuyển thành martensite khi làm nguội. Thép chỉ bền thêm nhờ biến cứng nguội (kéo, dập, cán ren), và phôi càng to càng khó biến cứng đều. Vì vậy cấp 80 và 100 chủ yếu có ở cỡ nhỏ và vừa; bu lông inox cỡ lớn cần hỏi rõ nhà sản xuất về cấp bền thực tế. Số sau gạch ngang chỉ cho biết Rm, không cho biết tỷ số chảy/bền như số Y của thép carbon: A2-70 có tỷ số 450/700, khoảng 0,64.
Bu lông cường độ cao là gì: cấp bền 8.8 trở lên
Bu lông cường độ cao thường chỉ bu lông thép tôi và ram có cấp bền bu lông từ 8.8 trở lên: 8.8, 10.9 và 12.9. Khác biệt với bu lông 4.6 và 5.6 nằm ở vật liệu và nhiệt luyện, không ở hình dạng. Trang sản phẩm bu lông cường độ cao liệt kê các loại theo cấp bền và cỡ.
Trong kết cấu thép có thêm nhóm bu lông cường độ cao chịu ma sát (HSFG). Bu lông được căng rất lớn để ép chặt các bản thép, tải truyền bằng ma sát giữa hai mặt chứ không qua thân bu lông. Tiêu chuẩn thường dùng là EN 14399 (cấp 8.8 và 10.9) và ASTM F3125 (gộp các cấp A325, A490, F1852 và F2280).
Bu lông 8.8 thông thường không thay được bu lông HSFG chỉ vì cùng cấp bền. Bộ HSFG gồm bu lông, đai ốc và vòng đệm sản xuất đồng bộ, có kiểm soát lực căng khi lắp.
Bu lông 10.9 và 12.9 siết lực rất lớn nên mặt đầu và đai ốc ép mạnh vào vòng đệm. Vòng đệm thép mềm bị lún, làm lực căng tụt dần. Với các cấp này nên dùng long đen thép tôi cứng: cấp độ cứng 300 HV theo ISO 7089 cho bu lông đến 10.9; với 12.9, độ cứng vòng đệm nên thống nhất với nhà cung cấp.
Chọn cấp bền bu lông theo ứng dụng
Chọn cấp bền bu lông theo ba yếu tố: tải thiết kế, rung động và môi trường làm việc. Cấp cao hơn chịu tải lớn hơn nhưng giá cao hơn và nhạy hơn với lỗi lắp đặt.
Cấp 4.6 và 5.6 là thép carbon thường, hợp với giá đỡ, khung, lan can và mối ghép không chịu rung hay tải lớn. Loại thông dụng là bu lông đen.
Cấp bền quyết định lực siết cho phép vì lực căng tỷ lệ với giới hạn chảy. Cùng cỡ M16, giới hạn chảy của cấp 8.8 gấp khoảng 2,7 lần 4.6 (640 so với 240 MPa). Khi đổi cấp, tra lại bảng mô men siết theo cấp bền thay vì dùng giá trị cũ.
| Cấp bền | Rm min (MPa) | Chảy min (MPa) | Dùng cho |
|---|---|---|---|
| 4.6 | 400 | 240 | Giá đỡ, khung, mối ghép nhẹ |
| 5.6 | 500 | 300 | Kết cấu nhẹ, không chịu rung |
| 8.8 | 800 | 640 | Mặt bích, máy móc, kết cấu thép thông thường |
| 10.9 | 1040 | 940 | Liên kết chịu lực cao, máy móc rung |
| 12.9 | 1220 | 1100 | Máy chính xác, bu lông lục giác chìm |
| A2-70 | 700 | 450 | Môi trường ẩm, thực phẩm, ngoài trời |
| A4-80 | 800 | 600 | Hóa chất, nước biển |
Rủi ro khi dùng cấp bền bu lông cao
Giòn hydro ở bu lông 10.9 và 12.9
Hydro nguyên tử xâm nhập thép khi tẩy axit hoặc mạ điện, khuếch tán về vùng ứng suất kéo cao như chân ren và dưới đầu bu lông. Tại đó nó gây nứt chậm: bu lông đã siết xong vẫn có thể đứt sau vài giờ đến vài ngày.
Thép càng cứng càng nhạy. Cấp 12.9 (385 đến 435 HV) nhạy nhất, 10.9 ít hơn, còn 8.8 gần như không đáng kể. Bu lông 10.9 và 12.9 mạ điện cần biện pháp khử hydro theo ISO 4042, thường là nung sau mạ, và nên làm sạch bằng phun hạt thay cho tẩy axit. Nung chỉ giảm rủi ro, không loại bỏ hoàn toàn.
ISO 10684 (mạ kẽm nhúng nóng cho chi tiết lắp xiết) chỉ áp dụng cho bu lông đến cấp 10.9 và đai ốc đến cấp 12, cỡ M8 đến M64, nên bu lông 12.9 không mạ kẽm nhúng nóng. Bu lông 10.9 nhúng nóng chỉ nên dùng khi có quy trình kiểm soát, như bộ bu lông kết cấu theo EN 14399.
Không dùng lại bu lông đã siết tới chảy
Bu lông cường độ cao siết đến vùng chảy đã giãn dài vĩnh viễn. Lần siết sau cho lực căng khác thiết kế và dễ đứt. Bộ HSFG và bu lông siết theo góc thường chỉ dùng một lần.
Không thay 8.8 bằng inox A2-70 khi chưa tính lại
Giới hạn chảy của A2-70 chỉ 450 MPa, thấp hơn 640 MPa của 8.8. Với M12, lực tại điểm chảy của A2-70 là 84,3 × 450 ≈ 37,9 kN, so với 84,3 × 640 ≈ 54,0 kN của 8.8, thấp hơn khoảng 30 %. Cần tính lại hoặc tăng cỡ bu lông.
Bu lông inox còn dễ kẹt ren (galling) khi siết khô. Bôi mỡ chống kẹt và siết chậm để tránh dính ren.
Khi cần xác định cấp bền bu lông đang dùng, có thể gửi ảnh đầu bu lông hoặc mang mẫu đến Viva tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội để được hỗ trợ xác định ren và cỡ. Các bài khác về ren và bu lông nằm trong chuyên mục tài liệu ren & bu lông.
Địa chỉ: Số 20 ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội
Phụ trách kinh doanh: Miss Hoa
Câu hỏi thường gặp về cấp bền bu lông
Cấp bền bu lông 8.8 nghĩa là gì?
Cấp 8.8 có giới hạn bền kéo danh nghĩa 8 × 100 = 800 MPa và giới hạn chảy danh nghĩa 8 × 8 × 10 = 640 MPa. Theo ISO 898-1:2013, bu lông d ≤ 16 mm có Rm tối thiểu 800 MPa, d > 16 mm là 830 MPa.
Bu lông cường độ cao là gì?
Là bu lông thép tôi và ram có cấp bền bu lông 8.8, 10.9 hoặc 12.9, giới hạn chảy cao hơn 4.6 và 5.6 từ 2 lần trở lên. Trong kết cấu thép, loại chịu ma sát (HSFG) còn phải theo EN 14399 hoặc ASTM F3125 và có kiểm soát lực căng.
Ký hiệu trên đầu bu lông nghĩa là gì?
Gồm mã cấp bền bu lông, ví dụ 8.8, 10.9, 12.9, và mã hoặc logo nhà sản xuất. Bu lông inox ghi mác như A2-70 hoặc A4-80. Bu lông không có dấu thì không xác định được cấp bền.
A2-70 và A4-80 khác nhau ở điểm nào?
A2 là nhóm inox 304, A4 là nhóm inox 316 có molypden nên chống clorua và nước biển tốt hơn. Số sau là Rm tối thiểu chia 10: A2-70 có Rm 700 MPa, Rp0,2 450 MPa; A4-80 có Rm 800 MPa, Rp0,2 600 MPa.
Dùng đai ốc cấp 8 cho bu lông 10.9 được không?
Không nên. Đai ốc phải có cấp không thấp hơn X của bu lông, tức cấp 10 cho bu lông 10.9. Đai ốc cấp 8 có thể tuột ren trước khi bu lông đạt tải thiết kế.
