محاسبه استحکام کششی پیچ

استحکام کششی، مهم‌ترین مشخصه یک پیچ و به عبارتی بخش عمده و اصلی هر اتصال مبتنی بر پیچ و مهره است. این پارامتر تعیین می‌کند که یک پیچ تا چه میزان نیروی کششی را می‌تواند قبل از تغییر شکل دائمی یا شکست کامل تحمل کند. آشنایی کامل با این مفهوم و نحوه محاسبه آن برای مهندسان، طراحان و تکنسین‌ها امری ضروری است؛ زیرا انتخاب نادرست پیچ می‌تواند به خرابی‌های فاجعه‌بار در سازه‌ها و ماشین‌آلات منجر شود.

جدول استحکام کششی پیچ

یکی از سریع‌ترین راه‌ها برای تعیین مشخصات مکانیکی پیچ‌های فولادی، مراجعه به جدول استاندارد کلاس مقاومتی (Property Class) است. این کلاس‌ها که معمولاً به‌صورت دو عدد با یک نقطه در میان (مانند ۸.۸ یا ۱۰.۹) روی سر پیچ حک می‌شوند، اطلاعات دقیقی در مورد استحکام کششی و تنش تسلیم آن ارائه می‌دهند. عدد اول نشان‌دهنده یک‌صدم حداقل استحکام کششی نهایی بر حسب مگاپاسکال (MPa) و عدد دوم نشان‌دهنده نسبت تنش تسلیم به استحکام کششی نهایی است. در جدول زیر، مشخصات کلیدی برای رایج‌ترین کلاس‌های مقاومتی پیچ مطابق با استاندارد ISO 898-1 آورده شده است:

کلاس مقاومتی (Property Class)	حداقل استحکام کششی نهایی (Su ​یا Rm) (MPa)	حداقل تنش تسلیم (Sy ​یا ReL) (MPa)
4.6	400	240
5.8	500	400
8.8	800	640
10.9	1000	900
12.9	1200	1080

مفاهیم کلیدی در استحکام پیچ

برای استفاده صحیح از اعداد جدول بالا، باید تفاوت بین پارامترهای اصلی استحکام را به‌خوبی درک کرد. در ادامه به بررسی برخی از این مفاهیم می‌پردازیم.

• استحکام کششی نهایی

استحکام کششی نهایی که با نماد Su یا Rm نمایش داده می‌شود، حداکثر تنشی است که یک پیچ می‌تواند قبل از شروع فرایند شکست و گسیختگی تحمل کند. عبور از این نقطه به معنای شکست قطعی اتصال است. این پارامتر برای تعیین حداکثر بار قابل تحمل در شرایط استاتیک کاربرد دارد.

• تنش تسلیم

تنش تسلیم (Sy یا ReL)، مهم‌ترین پارامتر در طراحی اتصالات است. این مقدار، تنشی را مشخص می‌کند که در آن، پیچ از حالت الاستیک (قابل برگشت) وارد حالت پلاستیک (تغییر شکل دائمی) می‌شود. به عبارت دیگر، اگر نیروی وارد بر پیچ از حد تسلیم آن فراتر رود، حتی پس از برداشتن بار، پیچ دیگر به طول اولیه خود باز نخواهد گشت. تمام طراحی‌های ایمن بر این اساس استوارند که تنش کاری در پیچ همواره پایین‌تر از تنش تسلیم باقی بماند.

• سطح مقطع تنش

یک اشتباه رایج، استفاده از سطح مقطع اسمی پیچ (مبتنی بر قطر خارجی) برای محاسبات است. به دلیل وجود رزوه‌ها، قطر مؤثر پیچ کمتر از قطر اسمی آن است. سطح مقطع تنش (As) یک مقدار استاندارد و محاسبه‌شده است که میانگین قطر اصلی و قطر گام را در نظر می‌گیرد و نماینده سطح مقطع واقعی تحمل‌کننده بار در قسمت رزوه‌دار پیچ است.

فرمول و مراحل محاسبه نیروی کششی

با در اختیار داشتن مفاهیم فوق، محاسبه حداکثر نیروی کششی قابل تحمل توسط پیچ به سادگی امکان‌پذیر است.

• فرمول اصلی محاسبه

نیروی کششی قابل تحمل توسط یک پیچ از حاصل‌ضرب تنش در سطح مقطع تنش به دست می‌آید. بسته به اینکه هدف محاسبه نیروی شکست یا نیروی تسلیم باشد، از تنش متناظر استفاده می‌کنیم:

حداکثر نیروی کششی قبل از شکست (نیروی گسیختگی): Fultimate=Su×As

حداکثر نیروی کششی قبل از تغییر شکل دائمی (نیروی تسلیم): Fyield=Sy×As

در این فرمول‌ها، F نیرو بر حسب نیوتن (N)، S تنش بر حسب مگاپاسکال (MPa یا N/mm²) و As سطح مقطع تنش بر حسب میلی‌مترمربع (mm²) است.

به طور مثال، فرض کنید می‌خواهیم حداکثر نیروی کششی قبل از تغییر شکل دائمی را برای یک پیچ M10 با کلاس مقاومتی 8.8 محاسبه کنیم.

استخراج مقادیر: از جدول بالا، برای کلاس 8.8، حداقل تنش تسلیم (Sy) برابر با 640 MPa است.

یافتن سطح مقطع تنش: با مراجعه به جداول استاندارد مهندسی، سطح مقطع تنش (As) برای پیچ M10 برابر با 58.0 mm² است.

محاسبه: Fyield=640mm2N×58.0mm2=37,120N

این نتیجه به این معناست که یک پیچ M10 کلاس 8.8 می‌تواند نیرویی معادل 37,120 نیوتن (تقریباً 3.7 تن) را قبل از شروع هرگونه تغییر شکل دائمی تحمل کند. در طراحی‌ها، همواره یک ضریب اطمینان (Factor of Safety) نیز در نظر گرفته می‌شود تا تنش کاری بسیار پایین‌تر از این مقدار باشد.

عوامل مؤثر بر استحکام کششی در عمل

محاسبات تئوری یک پایه محکم فراهم می‌کنند، اما در دنیای واقعی عوامل دیگری نیز بر عملکرد پیچ تأثیرگذارند. برخی از رایج‌ترین عوامل در این مورد عبارت‌اند از:

• تأثیر دما و خستگی

افزایش دما می‌تواند به طور قابل توجهی استحکام کششی و تسلیم مواد را کاهش دهد. از سوی دیگر، بارهای دینامیک و متناوب (ارتعاش) می‌توانند منجر به پدیده خستگی شوند که در آن پیچ در تنشی بسیار پایین‌تر از استحکام نهایی خود دچار شکست می‌شود.

• اهمیت پیش‌تنیدگی

اعمال گشتاور مناسب برای سفت کردن پیچ، نیروی گیرایی اولیه‌ای به نام پیش‌تنیدگی ایجاد می‌کند. این نیرو اتصال را محکم نگه داشته و مقاومت آن را در برابر بارهای خارجی، به‌ویژه بارهای دینامیک، به‌شدت افزایش می‌دهد. یک اتصال با پیش‌تنیدگی مناسب، عمر خستگی بسیار بالاتری دارد و عملکرد قابل‌اعتمادتری از خود نشان می‌دهد.

ما در فروشگاه پیچ و مهره هرندی، به‌عنوان یک شریک فنی و مشاور در کنار شما خواهیم بود. تیم متخصص ما با درک کامل مفاهیمی چون استحکام کششی، تنش تسلیم و اهمیت کلاس‌های مقاومتی، شما را در انتخاب دقیق‌ترین و مناسب‌ترین پیچ، مهره و واشر برای کاربرد مورد نظرتان راهنمایی می‌کند. برای تأمین قطعاتی که بخش عمده پروژه‌های شما هستند، روی تخصص و کیفیت ما حساب کنید.