Сталь является незаменимым материалом и находит применение в самых разных отраслях. Для правильного выбора марки стали необходимо оценить её химический состав и механические свойства.
В этой статье сравниваются и рассматриваются распространённые методы испытаний сталей, а также даются рекомендации по интерпретации полученных результатов.
Существует более 3500 марок стали, поэтому инженеры полагаются на точные испытания материалов для определения, какой материал подходит для конкретного проекта. Химический состав многое говорит о свойствах стали, однако для подтверждения её твёрдости, прочности и качества требуется проведение испытаний.
Перед тем как перейти к основным испытаниям материалов, важно ознакомиться с некоторыми терминами и ключевыми словами.
Образец — это испытательный кусок, который либо вырезается из основной пластины, либо изготавливается тем же способом ковки. Он производится так, чтобы максимально точно отражать структуру основной пластины и использоваться для испытаний.
Существуют два основных типа образцов: поперечный и продольный. Поперечный образец (TCVN) вырезается поперёк направления прокатки пластины, а продольный (LCVN) — вдоль этого направления.
Продольные образцы (LCVN) обычно имеют более высокие пределы текучести и разрыва, чем поперечные (TCVN), поскольку идут вдоль волокон стали. Конструкторы часто учитывают результаты испытаний обоих типов образцов при выборе материала.
Ламинация — это дефект в стали (или другом металлическом сплаве), который может снизить её структурные характеристики. Ламинации могут возникнуть из-за попадания посторонних веществ, задержки газов в процессе прокатки или образования складок и слоёв.
Сталь формируется в виде слитка, который затем прокатывается до нужных размеров и толщины. Если в слитке присутствуют дефекты или инородные включения, они распространяются по мере прокатки материала.
Для некоторых марок стали допускается определённый уровень ламинаций, однако превышение порога может привести к риску разрушения материала.
Сертификат завода-изготовителя (МТР) — это документ, содержащий информацию о составе и происхождении материала, а также результаты его испытаний. Это основной документ, подтверждающий качество стали и информирующий инженеров о её составе и эксплуатационных характеристиках.
Чаще всего МТР предоставляются при каждой покупке стали, но если их нет, их можно запросить у поставщика.
В МТР обязательно указываются результаты испытаний на прочность и химический состав, при необходимости — показатели вязкости, качества и твёрдости.
Предел текучести, прочность на разрыв и процент удлинения определяются в ходе одного из самых распространённых и важных испытаний. Это испытание показывает максимальную нагрузку, которую может выдержать материал до разрушения.
Предел текучести — это момент, когда под действием нагрузки материал необратимо меняет форму. Например, предел текучести книжной полки наступает тогда, когда от веса книг полка прогибается и не возвращается к исходной форме после их снятия.
Прочность на разрыв — это сила, при которой материал ломается или разрушается. В приведённом примере это та нагрузка (масса книг, умноженная на ускорение свободного падения), при которой полка переламывается.
Показатели текучести и разрыва обычно выражают в фунтах на квадратный дюйм (psi) или тысячах фунтов на квадратный дюйм (ksi).
Удлинение — это способность материала изгибаться или растягиваться относительно его исходной длины. Этот показатель вычисляется как процентное различие между началом пластической деформации (предел текучести) и разрывом (разрушение материала).
Удлинение часто используют для оценки пластичности: чем выше этот показатель, тем более пластичен материал.
Ниже приведены показатели текучести, разрыва и удлинения для двух распространённых марок стали: A572-50 — высокопрочная низколегированная конструкционная сталь и A36 — обычная конструкционная сталь. Из данных видно, что A572-50 выдерживает большую нагрузку, но A36 обладает большей пластичностью.
| Точка прочности | Ответ 36 | Номер A572-50 |
|---|---|---|
| Предел текучести (psi) | 36 000 | 50 000 |
| Предел прочности при растяжении (psi) | 58 000–80 000 | 65 000 |
| Относительное удлинение % (200 мм) | 20% | 18% |
Как уже упоминалось, ламинации могут возникать в процессе производства стали. Ультразвуковой контроль (UT) выявляет ламинации внутри стального материала с помощью высокочастотных звуковых волн. Это неразрушающий метод испытания, который проводится непосредственно на материале, а не на образцах.
Во время UT-зонд посылает звуковую волну в материал. Когда волна встречает преграду (например, воздушную полость), она отражается обратно к зонду. Ультразвуковой преобразователь преобразует эти волны в электрические сигналы, данные которых отображаются на экране прибора.
Ультразвуковой контроль отличается высокой точностью — от +/-0,025 мм до +/-0,001 мм. Этот метод даёт инженерам важную информацию о качестве материала, обеспечивая его безопасное и надёжное применение в будущем.
Способность материала поглощать энергию или выдерживать удар при определённой температуре определяется с помощью испытания по Шарпи (Charpy V-Notch Test). Этот метод назван в честь Жоржа Шарпи, который стандартизировал испытания на ударную вязкость.
Хрупкие материалы способны выдерживать меньшие удары до разрушения, а низкие температуры повышают их хрупкость. Испытание Шарпи помогает инженерам выбрать подходящую марку стали для проектов, связанных с эксплуатацией в холодном климате.
В испытании используется небольшой кусок тестируемого материала с V-образным надрезом. На образец обрушивается тяжёлый маятниковый молот, который либо сгибает, либо ломает его. Поглощённая энергия измеряется и фиксируется.
Испытание проводится и сертифицируется при различных температурах, что отражается в заводском сертификате.
Твёрдость — это способность материала противостоять истиранию и трению. Это свойство отличается от прочности (способности выдерживать нагрузки без разрушения) и вязкости (способности сопротивляться разрушению под действием сил).
Например, алмаз очень сложно поцарапать (высокая твёрдость), но его легко разбить (низкая вязкость).
Испытание твёрдости по Бринеллю, разработанное Юханом Августом Бринеллем, проводится с помощью стального индентора и определённой нагрузки, создающей вмятину на материале. Число твёрдости по Бринеллю (BHN) рассчитывается по размеру полученной вмятины и служит стандартной единицей измерения твёрдости.
Сталь, устойчивая к истиранию, имеет BHN выше 300, тогда как обычная сталь A36 — всего 133.
Твёрдость важна для применения, где требуется устойчивость к износу, а не только прочность или вязкость. Примеры таких областей: решётки, бронежилеты, ковши, ленточные транспортеры.
Для каждого применения не требуется проведение всех рассмотренных в статье испытаний. Понимание различий между методами контроля и их назначением позволяет инженерам принимать грамотные решения при выборе материалов для своих проектов.
