Hướng dẫn toàn diện về cấp độ bền bulong: Khái niệm, bảng tra và ứng dụng

Bulong (hay bu lông, bu lông đai ốc) là chi tiết cơ khí dạng thanh ren, được sử dụng rộng rãi trong liên kết, lắp ghép các chi tiết trong cơ khí chế tạo, xây dựng, kết cấu thép, cầu đường, thiết bị công nghiệp, ô tô, hàng không và nhiều lĩnh vực khác. Độ tin cậy của mối ghép bulong phụ thuộc vào nhiều yếu tố như vật liệu chế tạo, cấp độ bền, phương pháp siết chặt, điều kiện làm việc và môi trường sử dụng.

Trong đó, cấp độ bền của bulong là chỉ tiêu quan trọng nhất, phản ánh khả năng chịu lực kéo, lực cắt và độ dẻo của bulong. Việc lựa chọn cấp bền phù hợp giúp đảm bảo độ an toàn, tăng tuổi thọ công trình và tối ưu chi phí. Cẩm nang này cung cấp thông tin chi tiết về khái niệm cấp độ bền, bảng tra cơ tính, ứng dụng thực tế và các lưu ý khi chọn bulong.

Khái niệm cấp độ bền bulong

Cấp độ bền của bulong được ký hiệu bằng hai số, ví dụ 4.6, 8.8, 10.9, 12.9, theo tiêu chuẩn TCVN 1916:1995 (tương đương ISO 898-1:1992). Các số này mang ý nghĩa:

• Số thứ nhất (x): Biểu thị 1/100 của giới hạn bền kéo tối thiểu (Rm, tính bằng MPa).
• Số thứ hai (y): Biểu thị 1/10 của tỷ số giữa giới hạn chảy tối thiểu (ReL) và giới hạn bền kéo tối thiểu (Rm).

Ví dụ:

Bulong cấp 8.8:

• Giới hạn bền kéo tối thiểu: 8 × 100 = 800 MPa.
• Giới hạn chảy tối thiểu: 8 × 100 × 0.8 = 640 MPa.

Bulong cấp 10.9:

• Giới hạn bền kéo tối thiểu: 10 × 100 = 1000 MPa.
• Giới hạn chảy tối thiểu: 1000 × 0.9 = 900 MPa.

Cấp bền càng cao, bulong càng chịu được tải trọng lớn, nhưng yêu cầu vật liệu, xử lý nhiệt và công nghệ sản xuất cũng khắt khe hơn.

Ví dụ: Bulong cấp 8.8 M20 dùng trong kết cấu thép nhà xưởng, chịu lực kéo 800 MPa và lực cắt cao.

Phân loại cấp bền bulong

Theo TCVN 1916:1995 (tương đương ISO 898-1), bulong được chia thành các nhóm cấp bền:

• Cấp bền thấp – trung bình: 4.6, 4.8, 5.6, 5.8. Dùng trong liên kết thông thường, không yêu cầu chịu tải trọng lớn.
• Cấp bền cao: 8.8, 9.8. Dùng trong kết cấu thép, cơ khí chế tạo, ô tô, cầu đường.
• Cấp bền siêu cao: 10.9, 12.9. Dùng trong mối ghép chịu tải trọng nặng, máy móc công nghiệp, công trình yêu cầu an toàn đặc biệt.

Đối với bulong kết cấu thép, các tiêu chuẩn như TCVN 1917, ASTM A325, và ASTM A490 quy định riêng cho bulong cường độ cao.

Lời khuyên: Chọn cấp bền phù hợp với tải trọng và môi trường sử dụng để tránh lãng phí hoặc rủi ro kỹ thuật.

Ý nghĩa các thông số cơ tính

Các thông số cơ tính chính của bulong bao gồm:

• Rm (Tensile Strength – Giới hạn bền kéo): Ứng suất lớn nhất bulong chịu được trước khi đứt gãy.
• ReL hoặc Rp0.2 (Yield Strength – Giới hạn chảy): Ứng suất tại đó bulong bắt đầu biến dạng dẻo vĩnh viễn.
• A (Elongation – Độ giãn dài tương đối): Thể hiện khả năng dẻo của bulong, quan trọng trong ứng dụng chịu tải động.
• Stress Area (As – Diện tích chịu lực): Diện tích ren hữu hiệu, cơ sở để tính toán lực kéo cho phép.

Những thông số này được kiểm tra nghiêm ngặt qua các bài thử nghiệm cơ tính (kéo, nén, cắt) để đảm bảo bulong đáp ứng tiêu chuẩn.

Bảng tra cấp bền bulong hệ mét (TCVN 1916:1995 / ISO 898-1)

Ghi chú: Bulong cấp 8.8 trở lên được xếp vào nhóm bulong cường độ cao, phù hợp cho kết cấu thép, liên kết chịu tải trọng động hoặc nặng.

Ví dụ: Bulong cấp 10.9 M16 dùng trong cầu thép, chịu lực kéo 1000 MPa và lực cắt lớn.

Cách nhận biết cấp bền bulong hệ inch

Trong hệ inch, cấp bền bulong được ký hiệu bằng Grade và nhận biết qua các vạch trên đầu bulong:

• Không vạch: Grade 2 (bền thấp, tương đương 4.6–5.6 hệ mét).
• 3 vạch: Grade 5 (trung bình, tương đương 8.8 hệ mét).
• 6 vạch: Grade 8 (cao, tương đương 10.9 hệ mét).
• ASTM A325, A490: Ký hiệu chữ in nổi, dùng cho kết cấu thép cường độ cao (tương đương 8.8–12.9 hệ mét).

So sánh:

• Grade 2 ≈ Cấp 4.6–5.6.
• Grade 5 ≈ Cấp 8.8.
• Grade 8 ≈ Cấp 10.9.
• ASTM A490 ≈ Cấp 12.9.

Bảng tra tính chất cơ học bulong hệ inch (J429)

Ghi chú: Cấp 2 áp dụng cho bulong dài ≤ 6 inch. Bulong dài hơn áp dụng tiêu chuẩn Cấp 1.

Yêu cầu hóa học bulong hệ inch (J429)

Ứng dụng thực tế của các cấp bền bulong

1. Bulong cấp 4.6–5.6

Vật liệu: Thép cacbon thường, ít hoặc không qua xử lý nhiệt.

Ứng dụng: Kết cấu nhẹ, đồ nội thất, liên kết không chịu lực cao (lan can, khung thép nhỏ).

Ví dụ: Bulong 4.6 M12 dùng trong lắp ghép khung thép nhà kho nhỏ.

2. Bulong cấp 8.8

Vật liệu: Thép hợp kim trung cacbon, qua tôi ram.

Ứng dụng: Kết cấu thép nhà xưởng, cầu thép, tháp viễn thông, khung giàn.

Đặc điểm: Cân bằng giữa độ bền và độ dẻo, phổ biến nhất trong bulong cường độ cao.

Ví dụ: Bulong 8.8 M20 dùng trong khung nhà xưởng công nghiệp.

3. Bulong cấp 10.9

Vật liệu: Thép hợp kim cường độ cao, qua xử lý nhiệt nghiêm ngặt.

Ứng dụng: Cơ khí chính xác, ô tô, máy công nghiệp, cầu đường, công trình trọng điểm.

Ví dụ: Bulong 10.9 M16 dùng trong kết cấu cầu thép.

4. Bulong cấp 12.9

Vật liệu: Thép hợp kim đặc biệt, xử lý nhiệt cao cấp.

Ứng dụng: Máy móc công nghiệp nặng, hàng không, quốc phòng, liên kết chịu tải động lớn.

Lưu ý: Ít dùng trong xây dựng dân dụng do giá thành cao.

Ví dụ: Bulong 12.9 M12 dùng trong động cơ máy bay.

Phương pháp tính toán lực siết và khả năng chịu tải

Để đảm bảo bulong hoạt động đúng với cấp bền thiết kế, cần tính toán lực siết (Preload) phù hợp.

Lực siết cho phép (Fv):

Trong đó:

• Fv: Lực siết cho phép (N).
• ReL: Giới hạn chảy của bulong (MPa).
• As: Diện tích chịu lực của ren (mm²).

Momen siết (T):

Trong đó:

• T: Momen siết (N.m).
• K: Hệ số ma sát (thường 0.2–0.25).
• d: Đường kính danh nghĩa của bulong (mm).

Lưu ý: Siết quá lỏng gây mất ổn định mối nối, siết quá chặt gây tuôn ren hoặc đứt bulong. Sử dụng cờ lê lực (Torque Wrench) để kiểm soát lực siết.

Ví dụ: Bulong 8.8 M16 (ReL = 640 MPa, As ≈ 157 mm²) có lực siết tối đa Fv ≈ 0.7 × 640 × 157 ≈ 70,336 N.

Quy định trong TCVN và so sánh với tiêu chuẩn quốc tế

1. Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN)

• TCVN 1916:1995: Bulong, vít, thanh ren – Cơ tính.
• TCVN 1917:1995: Bulong cường độ cao cho kết cấu thép.
• TCVN 5739:1993: Bulong, vít, ốc – Yêu cầu kỹ thuật.

2. Tiêu chuẩn quốc tế

• ISO 898-1: Mechanical properties of fasteners made of carbon steel and alloy steel.
• DIN 931, DIN 933: Bulong lục giác.
• ASTM A325, A490: Bulong kết cấu thép cường độ cao.

TCVN được xây dựng dựa trên ISO và DIN, đảm bảo bulong theo TCVN dễ dàng quy đổi sang tiêu chuẩn quốc tế.

Lựa chọn cấp bền bulong trong thực tế

Khi lựa chọn bulong, cần xem xét các yếu tố:

1. Tải trọng tác dụng: Tĩnh (trọng lượng cố định) hay động (rung động, va đập).
2. Môi trường làm việc: Trong nhà, ngoài trời, môi trường ăn mòn (nước biển, hóa chất).
3. Yêu cầu an toàn: Công trình trọng điểm cần bulong cấp 8.8 trở lên.
4. Chi phí: Bulong cấp bền cao có giá thành lớn, chỉ dùng khi cần thiết.

Gợi ý sử dụng:

• Công trình dân dụng: Bulong cấp 4.6–5.6.
• Kết cấu thép công nghiệp: Bulong cấp 8.8.
• Cầu đường, ô tô, thiết bị nặng: Bulong cấp 10.9–12.9.

Lời khuyên: Kiểm tra CO, CQ, MTC từ nhà cung cấp để đảm bảo bulong đúng cấp bền và tiêu chuẩn.

Đơn vị cung ứng bulong uy tín

TÔN THÉP MẠNH TIẾN PHÁT là nhà cung cấp bulong hàng đầu tại Việt Nam, đáp ứng mọi yêu cầu từ công trình dân dụng đến công nghiệp nặng, ô tô, hàng không.

• Sản phẩm: Bulong cấp 4.6, 5.6, 8.8, 10.9, 12.9; Grade 2, 5, 8; ASTM A325, A490. Đa dạng hệ mét và hệ inch.
• Dịch vụ gia công: Bulong neo móng, U-bolt, cùm U, ty ren, ecu theo bản vẽ, mạ kẽm nhúng nóng, xi mạ điện phân.
• Chất lượng: Đáp ứng TCVN, ISO, DIN, ASTM. Cung cấp CO, CQ, MTC đầy đủ.
• Hỗ trợ: Tư vấn kỹ thuật, báo giá cạnh tranh, giao hàng nhanh toàn quốc.

Ví dụ: TÔN THÉP MẠNH TIẾN PHÁT cung cấp bulong 8.8 M20 và ty ren 10.9 M16 cho dự án cầu thép tại Hà Nội, kèm mạ kẽm nhúng nóng.