Eine Schraubenfestigkeitsklasse oder Güteklasse kennzeichnet definierte mechanische Eigenschaften; sie legt jedoch nicht die zulässige Betriebsbelastung der gesamten Verbindung fest. Gängige Sechskantschrauben nach SAE J429 tragen bei Grade 5 drei Radialstriche und bei Grade 8 sechs Radialstriche. Metrische Schrauben sind häufig mit Zahlen wie 8.8, 10.9 oder 12.9 gekennzeichnet.

Beim Ersatz einer Schraube sind Festigkeitsklasse, Gewinde und Oberflächenbeschaffenheit gemeinsam zu prüfen. Eine Schraube kann zwar in die Bohrung passen und dennoch für die Verbindung ungeeignet sein. Kopfkennzeichnungen helfen bei der Identifikation des Festigkeitssystems; Farbe und Kopfform tun dies nicht.

Zur Abgrenzung der Verbindungselement-Familien siehe unseren Leitfaden zu Schraube und Bolzen. Dieser Beitrag konzentriert sich auf Festigkeitsanforderungen und Kennzeichnung.

Wie gängige Kopfkennzeichnungen von SAE-Sechskantschrauben zu erkennen sind

Bei diesen gängigen SAE-Sechskantkopfausführungen ergibt die Anzahl der Radialstriche der Festigkeitsklasse plus zwei die Grade-Kennzeichnung. Die Herstellerkennung ist separat zu lesen. Ist die Markierung durch Korrosion oder Beschädigung unleserlich, ist die Festigkeitsklasse anhand nachvollziehbarer Unterlagen zu verifizieren statt zu raten.

Grade, Festigkeitsklasse und Werkstoff sind unterschiedliche Spezifikationen

SAE J429 gilt für festgelegte Verbindungselemente aus Stahl in Zollabmessungen. ISO 898-1 gilt für festgelegte metrische Schrauben, Schraubenbolzen und Stiftschrauben aus Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl. Festigkeitsklasse, Werkstoff, Beschichtung und Produktgeometrie sind getrennte Bestandteile einer vollständigen Spezifikation für Verbindungselemente.

SAE-Schrauben-Festigkeitstabelle: Grade 2, 5 und 8

Die folgenden Werte sind in ksi angegeben (1 ksi = 1.000 psi). Diese Übersicht umfasst ausgewählte SAE-J429-Grade und Durchmesserbereiche.

*Für Grade-2-Durchmesser von 1/4 bis 3/4 in gelten die höheren Werte für Schrauben und Schraubenbolzen mit einer Länge von 6 in oder weniger sowie für Stiftschrauben aller Längen. Längere Schrauben und Schraubenbolzen unterliegen den niedrigeren mechanischen Anforderungen von Grade 1: 33 ksi Prüfspannung, 36 ksi Mindeststreckgrenze und 60 ksi Mindestzugfestigkeit.

Quelle: SAE J429_201405, Tabelle 1, ausgewählte mechanische Anforderungen. Die oben genannten Bedingungen zu Durchmesser und Länge für Grade 2 sind Teil der Zusammenfassung; andere Grade, Prüfungen und Anforderungen sind nicht enthalten.

Grade 5 und 8 schreiben wärmebehandelte Verbindungselemente vor. Die Anforderungen an Werkstoff und Fertigung ergeben sich aus SAE J429; eine reine Bezeichnung der Stahllegierung genügt nicht als Nachweis der Grade-Konformität.

LILY führt Stahlschrauben mit Sechskantkopf der Grade 5 und Sechskantschrauben aus Stahl der Festigkeitsklasse 8 separat zu bewerten. Vergleichen Sie dabei sowohl die geforderte Spezifikation als auch Durchmesser und Länge.

Festigkeitsübersicht für metrische Schrauben: 8.8, 10.9 und 12.9

Die folgenden Werte sind in MPa angegeben (1 MPa = 1 N/mm²). Die ISO 898-1:2013 umfasst Regelgewinde M1.6–M39 sowie festgelegte Feingewindekombinationen von M8 × 1 bis M39 × 3. Für die dargestellten Klassen bezeichnet Rp0.2 die Spannung bei 0,2 % bleibender Dehnung. Sie unterscheidet sich von der Spannung, die beim Prüfkraftversuch zugrunde gelegt wird.

Quelle: ISO 898-1:2013, Tabelle 3, ausgewählte Eigenschaften. Dabei steht d für den Nenndurchmesser des Gewindes. Die Anforderungen für 8.8 ändern sich oberhalb von 16 mm; maßgeblich sind zudem die festgelegten Durchmesser-Steigungs-Kombinationen und die Belastbarkeit des Produkts.

Einige Flachkopf- und Senkverbindungselemente weisen eine reduzierte Belastbarkeit auf, da ihre Kopfform die Festigkeit begrenzt. Die Festigkeitsklasse des Werkstoffs allein bestimmt die Zugfestigkeit dieser Produkte nicht.

Was die beiden Zahlen bedeuten

Bei der Bezeichnung 8.8 ergibt 8 × 100 eine nominale Zugfestigkeit von 800 MPa. Die zweite 8 steht für ein nominales Verhältnis von Streckgrenze zu Zugfestigkeit von 0,8, also 640 MPa. Diese Bezeichnungsregel erklärt die Kennzeichnung; die tatsächlichen Annahmekriterien ergeben sich aus den Tabellen der Norm.

Bei 10.9 ergeben sich aus der Bezeichnung nominale Werte von 1,000 MPa und 900 MPa. Die oben aufgeführten tabellierten Mindestwerte für Zugfestigkeit und 0,2 %-Dehngrenze betragen 1,040 MPa und 940 MPa. Ersetzen Sie diese tabellierten Mindestwerte nicht durch die vereinfachte nominale Berechnung.

Im metrischen Einkauf vergleichen Sie Sechskantschrauben der Festigkeitsklasse 8.8 und Sechskantschrauben der Festigkeitsklasse 10.9 die vollständige Gewinde- und Produktspezifikation der Zeichnung.

Grade 5 gegenüber Grade 8: Festigkeit innerhalb desselben Systems vergleichen

Für Durchmesser von 1/4 bis 1 in beträgt die Mindestzugfestigkeit bei Grade 8 150 ksi, gegenüber 120 ksi bei Grade 5 — ein Plus von 25 %. Verglichen werden hierbei die festgelegten Mindestwerte der Zugfestigkeit, nicht die zulässigen Gebrauchslasten montierter Verbindungen.

Eine höherfeste Ersatzschraube verbessert die Verbindung nicht automatisch. Mutter, Gewindebohrung, Unterlegscheibe oder Spannmaterial können die Leistungsfähigkeit bestimmen. Ermüdung, Scherung, Biegung und Korrosion sind gesondert zu bewerten, und das Anzugsverfahren muss auf die gesamte Baugruppe abgestimmt sein.

Ist SAE Grade 8 dasselbe wie die metrische Festigkeitsklasse 8.8?

Nein. SAE Grade 8 und die metrische Festigkeitsklasse 8.8 verwenden unterschiedliche Bezeichnungssysteme. Grade 8 weist eine Mindestzugfestigkeit von 150 ksi bzw. rund 1.034 MPa auf. Die Klasse 8.8 hat innerhalb des dargestellten Bereichs bis 16 mm eine Mindestzugfestigkeit von 800 MPa beziehungsweise oberhalb von 16 mm 830 MPa.

Grade 5 und Klasse 8.8 liegen hinsichtlich der Festigkeit grob in einem ähnlichen Bereich; auch Grade 8 und Klasse 10.9 weisen nahe beieinanderliegende Mindestzugfestigkeiten auf. Diese Vergleiche dienen lediglich der Orientierung. Sie sind keine Austausch-Spezifikationen: Zoll- und metrische Gewinde sowie die Montageanforderungen unterscheiden sich weiterhin.

Prüfspannung, Streckgrenze und Zugfestigkeit: Welcher Kennwert ist maßgeblich?

  • Prüfspannung (Sp) ist die Spannung, die zur Berechnung der festgelegten Prüfbelastung verwendet wird. Beim Prüfbelastungstest muss das Verbindungselement das im Standard festgelegte Akzeptanzkriterium für die bleibende Dehnung erfüllen.

  • Streckgrenze und 0,2-%-Dehngrenze (Rp0,2) beschreiben festgelegte Verformungsgrenzen. Rp0,2 ist die Spannung, die einer bleibenden Dehnung von 0,2 % entspricht; sie ist nicht mit Sp identisch.

  • Zugfestigkeit (Rm) ist die maximale Zuglast im maßgeblichen Prüfverfahren geteilt durch die relevante ursprüngliche Querschnittsfläche. Für das nachfolgende Beispiel zur Gewindebelastung ist die Nenndehnspannungsquerschnittsfläche zu verwenden.

Für ein Verbindungselement der Klasse 8.8 mit M10 × 1.5, das die volle festgelegte Zuglast aufnehmen kann, beträgt die Nenndehnspannungsquerschnittsfläche 58.0 mm². Bei einer Mindestzugfestigkeit von 800 MPa ergibt sich 58.0 × 800 = 46,400 N beziehungsweise 46.4 kN. Dies ist eine Berechnung der Mindestzuglast und keine zulässige Betriebsbelastung oder Empfehlung für das Anziehdrehmoment.

Nichtrostende und hochfeste Strukturbolzen benötigen eine eigene Kennzeichnung

A2-70 und A4-80 sind Bezeichnungen für nichtrostende Verbindungselemente im System nach ISO 3506 und keine Festigkeitsklassen nach ISO 898-1. Ebenso verwenden ASTM-Strukturbolzen ihre jeweils festgelegten Gütekennzeichnungen und Montageanforderungen. Eine Identifizierung nach dem SAE-Radiallinien-System ist dafür nicht geeignet.

Für Anwendungen mit nichtrostenden oder strukturellen Verbindungselementen ist strikt nach der geforderten Spezifikation zu bestellen. Eine ähnliche Zugfestigkeit belegt weder eine gleichwertige Korrosionsbeständigkeit noch Zähigkeit oder Montagekompatibilität.

Eine praxisgerechte Prüfliste für Ersatz und Beschaffung

  • Erfassen Sie die vollständige Gewindebezeichnung, die Länge, die Kopfform und den geforderten Produktstandard.

  • Geben Sie die Güte oder Festigkeitsklasse getrennt von Werkstoff und Beschichtung an.

  • Stimmen Sie die geforderten Spezifikationen für Mutter und Scheibe ab; gehen Sie nicht davon aus, dass Bolzen- und Mutternkennzeichnungen denselben Regeln folgen.

  • Prüfen Sie die Anforderungen an Temperatur, Korrosionsbeständigkeit und Wiederverwendung in der Anlagendokumentation.

  • Fordern Sie die erforderlichen Konformitätsdokumente und die Chargenidentifikation an, wenn Rückverfolgbarkeit Teil der Beschaffungsanforderung ist.

Weitere verwandte Verbindungselement-Kategorien finden Sie in unserem Befestigungs- und Verbindungselemente.

ISO 898-1:2013 bewertet mechanische und physikalische Eigenschaften bei Prüftemperaturen von 10 °C bis 35 °C. Diese Werte sind keine uneingeschränkten Einsatztemperaturangaben. Zum Anwendungsbereich und zu den Ausschlüssen siehe die offizielle Zusammenfassung zu ISO 898-1:2013.

Um einen Ersatz zu prüfen, kontaktieren Sie uns mit der Zeichnung, aussagekräftigen Fotos der Kopfkennzeichnungen sowie der erforderlichen Festigkeitsklasse, Gewindeausführung und Oberflächenbeschaffenheit.

Häufig gestellte Fragen

Dürfen in einer Baugruppe unterschiedliche Schraubenfestigkeitsklassen kombiniert werden?

Halten Sie sich an die in der Baugruppe vorgegebene Befestigungselemente-Spezifikation. Für unterschiedliche Positionen können verschiedene Festigkeitsklassen vorgegeben sein; an gleichwertigen Positionen dürfen Sie Festigkeitsklassen jedoch nicht ohne Freigabe des verantwortlichen Ingenieurs ersetzen oder mischen. Gleiche Durchmesser allein belegen keine Kompatibilität mit dem Anziehverfahren.

Kann eine Härteprüfung allein die Festigkeitsklasse einer Schraube bestimmen?

Nein. Härtebereiche können sich zwischen Festigkeitsklassen überschneiden, und die Härte allein weist nicht alle geforderten Eigenschaften nach. Der Nachweis der Konformität erfolgt anhand der in der maßgeblichen Norm geforderten Prüfungen und Unterlagen.

Muss ein Zertifikat die genaue Legierungszusammensetzung ausweisen?

Das hängt von der Bestellung und der maßgeblichen Spezifikation ab. Eine Konformitätsbescheinigung bestätigt die Übereinstimmung; ein Werkstoff- oder Prüfzeugnis kann die geforderten Prüfergebnisse enthalten. Fordern Sie Ergebnisse zur chemischen Zusammensetzung und die Losrückverfolgbarkeit ausdrücklich an, wenn diese verlangt werden.