Методы испытания стали

На любом металлургическом заводе обязательно проводят испытания стали, так как от качества продукции зависит надежность металлических конструкций. Создают разные сплавы, которые эксплуатируются в различных средах. Они должны соответствовать существующим в России строгим нормам и стандартам. Ключевое внимание уделяют таким качествам стали, как твердость, упругость и пластичность. Кроме того дается оценка технических, физических и химических параметров. Мы подробно расскажем, какие методы испытания стали используют и для чего они нужны. 

Механические методы контроля и тестирования

Различные марки цветных металлов, черных и нержавеющих сталей применяются во всех отраслях промышленности. Из них создают детали и механизмы для автотранспорта, самолетов, кораблей и ракет, делают трубопроводы для перекачки любых жидкостей, станки и аппараты, режущие и другие инструменты. Металлы востребованы в строительной отрасли. 

Все конструкции работают в разных условиях и под различными нагрузками. Поэтому, в первую очередь, они должны обладать хорошими механическими свойствами, противостоять разрушающим внешним нагрузкам. Чтобы быть уверенным, что материал пригоден для создания конкретного изделия, проводят механические испытания металла на растяжение, сжатие, твердость, вязкость, кручение, ударный изгиб, глубокую вытяжку, усталость и другие специфические исследования.  

Испытания на растяжение

Растяжение – это исследование, позволяющее оценить, какие усилия способен выдерживать материал на разрыв и на сколько удлиняется образец без разрушения.

Метод хорошо себя зарекомендовал при испытании углеродистых сталей. Если необходимо протестировать листовой материал, то берут стандартный образец любой формы, закрепляют его в зажимах разрывной машины. Далее образец растягивают под постоянно увеличивающейся нагрузкой. Перед разрывом на заготовке появляется узкое место, его называют шейкой. Диаграмму растяжения записывает прибор на машине. В результате получается график, по которому можно определить зависимость между нагрузкой и удлинением. При испытании на растяжение также оценивают пределы прочности на разрыв, текучести и пластичности. 

Пример результата испытания: сопротивление на разрыв нержавеющей стали марки  
AISI 316 – 520 Н/мм и коэффициент удлинения – 45%. 

Испытания на твердость

Параметр твердости говорит о том, насколько материал может сопротивляться локальной деформации. 

Для испытания не обязательно использовать образец, как для проверки на растяжение, можно делать тест уже на готовую деталь. Самым распространенным методом является вдавливание стального шарика или алмазного конуса. В зависимости от технологий усилие может создаваться электромагнитом, пружинным динамометром или прессом. 

Существует 4 типа измерения вдавливанием:

• По Бринеллю. На испытуемый материал под определенным давлением вдавливают металлический шарик, диаметр которого зависит от толщины образца. Шарик оставляет след (лунку). Именно по этому отпечатку при помощи специальной лупы с делениями и определяют параметр твердости. Маркировка по Бринеллю – например, НВ 40. Числовой показатель и говорит о твердости материала. Метод не подходит для тонкого металла, так как шарик при вдавливании должен деформировать весь объем металла. Наилучшие результаты дают исследования сталей, толщина которых составляет от 10мм и более, например, нержавеющей плиты.  
• По Роквеллу. Тестирование проводят аналогично испытанию по Бринеллю, только вместо шарика берут алмазный конус с углом 120 градусов. Параметр твердости маркируется HRC с числовым значением. Существует поверхностный твердомер Роквелла, который прилагает меньшее усилие на испытуемый образец. Он удобен для исследования тонкостенных изделий, например, нержавеющих труб, полос или проволоки.  
• По Виккерсу. Вместо конуса используют алмазную четырехгранную пирамиду. Метод подходит для определения твердости азотированных материалов и тонких листовых изделий. Обозначается HV и числом твердости. 
• Тест на микротвердость. Это установление твердости в микроскопически малых объемах, например, твердости в структурных составляющих сплава или поверхностного слоя изделия после химической обработки, тонких листов и фольги. Под микроскопом ищут участок, где будет проводить вдавливание алмазной пирамидки под щадящей нагрузкой. Благодаря тому, что отпечаток имеет микроскопические размеры, можно измерить микротвердость даже отдельных зерен структуры металла. 

Твердость измеряют еще по Шару, Моосу, Бугольди, Польди и другим методикам. Каждый конкретный метод имеет свою точность и узкую сферу применения. 

Пример результата испытания: твердость нержавеющей стали AISI 321 – 163 НВ по Бринеллю.

Испытание на ударную вязкость

Ударная вязкость – это возможность материала впитывать и поглощать кинетическую энергию в процессе деформации при механическом воздействии. Такое влияние может привести к неупругим пластическим деформациям или к разрушению. Свинец или алюминий легко переносят импульсную нагрузку, поглощая приложенную энергию за счет перемещения частиц внутри металла. А чугун не имеет таких свойств и фактически вся энергия уходит на образование внутренних дефектов. 

Стандартные исследования производят при комнатной температуре. Однако стоит знать, что резко отрицательные температуры снижают ударную прочность. Например, при морозе в 20 градусов и ниже массивная рельса легко колется с помощью зубила и молотка.  

Для оценки склонности металла к хрупкому разрушению применяют метод с использованием маятникового копра. Это позволяет точно контролировать энергию воздействия. 

Суть исследования. Мы хотим расколотить кирпич. Укладываем его краями на 2 твердые тяжелые подставки и ударяем посередине молотком. Похожий принцип используют и для испытания металлов. Изготавливают брусок размером 10х10х55 мм. В нем посередине делают поперечное углубление на половину толщины в форме буквы «U», «V», «Y». Брусок укладывают на массивную опору, которая удерживает края образца в неподвижном положении. После этого со стороны, противоположной углублению, наносят удар круглой гирей. Гиря является элементом маятника, где точка удара – это нижнее положение. В зависимости от массы гири и от того, на какой угол будет отведен ударный инструмент, легко посчитать количество энергии в момент воздействия на образец. 

Это один из первых классических способов. Используют и другие, где энергия удара отмеряется при помощи сжатия пружины или электрического магнита. 

Пример результата испытания: ударная вязкость у нержавеющей стали марки AISI 431–180 Дж/см2.

Испытание на глубокую вытяжку

Глубокая вытяжка – это исследование, позволяющее определить, насколько можно растянуть листовой металл. 

Метод применяется для листового металла и показывает пригодность материала штамповке с большой степенью деформации. Образец зажимают между двумя круглыми поверхностями со стандартным отверстием. Получается зафиксированный по радиусу лист. Затем образец продавливают шаром с диаметром чуть меньшим, чем отверстие. По глубине проникновения шара без появления признаков разрушения оценивают характеристики материала. 

Пример результата испытания: производители оценивают материал, как хороший или очень хороший. Конкретный параметр получают в привязке к технологическому процессу. 

Испытание на усталостную устойчивость

Усталостная устойчивость – это параметр, показывающий способность материала выдерживать множественные разновекторные нагрузки. 

В процессе эксплуатации детали часто подвергаются многократным циклам изменяющихся напряжений. Например, пружинный рессор автомобиля испытывает циклическую нагрузку. Такие же неравномерные усилия прикладываются к крепежным узлам подвески. Чтобы оценить устойчивость материала к таким воздействиям, на стенде искусственно создают подобные условия. 

Испытание может выглядеть так. Образец зажимают в тиски и к свободному концу прикладывают разнонаправленные усилия, которые значительно ниже порога разрушения. После определенного количества циклов воздействия обязательно происходит нарушение целостности образца. Оценка усталостной прочности происходит по тому, насколько быстро произошло разрушение. 

Все металлы имеют очень разные параметры по этому признаку. Например, аустенитные виды устойчивы к многоразовым и вибрационным нагрузкам. А ферритные марки, например, нержавеющие стали AISI 304 и AISI 201 хорошо выдерживают статические нагрузки, но быстрее разрушаются от вибраций. 

Пример результата испытания: усталостная устойчивость нержавеющей марки AISI 310 – 240 N\mm2. 

Испытание на сжатие

Сжатие – это показатель, характеризующий поведение материала под давлением. 

Способ позволяет определить при каком давлении металл начнет деформироваться или разрушаться. Для этого образец в виде кубика с заранее заданными размерами помещают под пресс и наблюдают, какое давление необходимо для деформации или разрушения. 

Пример результата испытания: параметр на сжатие у нержавеющей стали марки AISI 420 – 315 МПа. 

Мы описали самые распространенные методы испытаний для изучения технических характеристик сталей. Для получения полной картины механической сопротивляемости материала используют тесты на кручение, ударный изгиб и другие исследования. 

Температурные испытания

Воздействие разных температур на металл приводит к кратковременному или структурному изменению свойств. Например, ударная вязкость материала значительно отличается при отрицательных и положительных значениях. Поэтому есть необходимость проверять прочностные характеристики сплавов при разных температурах, чтобы предвидеть, как будут себя вести изделия в таких ситуациях. Разные режимы нагрева и охлаждения металлов приводят к изменениям структуры материала. Проводится испытание образцов, которые подвергаются нагреву до высоких температур и охлаждению в разных режимах. Так создается карта эксплуатации, где прописано, какие перегревы сохраняют свойства металла, а какие недопустимы.

Химический анализ

Все стали по-разному реагируют на окружающую среду. В результате взаимодействия появляется оксидная пленка. Только малая часть металлов устойчива к химреагентам. К этой группе относят платину, золото и палладий. Остальные стали или ржавеют на всю глубину, или покрываются оксидной пленкой, предохраняющей дальнейшее окисление. 

Железо в нормальном состоянии вступает в реакцию с большинством кислот и атмосферным кислородом. Для устранения этого недостатка путем введения хрома, никеля и марганца делают нержавеющие стали. Чтобы быть уверенным в том, как поведут себя металлы в процессе эксплуатации, их подвергают испытаниям, воздействуя на них различными химическими реагентами в разных температурных режимах. Такие исследования позволили создать жаропрочные нержавеющие стали и кислотостойкие нержавеющие стали. Похожие манипуляции проводят со всеми видами сплавов, чтобы быть уверенным в коррозионных свойствах готовых изделий.  

Металлографический анализ

Те, кто работал с металлом, знают, что структура материала на изломе значительно различается у каждого образца. Это может быть крупнозернистая, волокнистая и почти неразличимая на глаз шероховатая поверхность. Кроме того, структура по составу элементов всегда неоднородна. Например, у нержавеющей стали хром и никель заполняют пространство, как бы обволакивая псевдокристаллические образования из железа и углерода. Информация по микроструктурному строению сталей помогает понять механизм коррозионной защиты и причины появления других качеств материала. Для этого проводят исследования с помощью микроскопов разной конструкции и степеней разрешения. 

Дефектоскопия

В процессе литья, прокатки, сварки и других видов металлообработки, возможно появление дефектов, которые не видно на глаз. Однако при обработке или во время эксплуатации такие нарушения внутренней структуры могут стать причиной разрушения механизмов.

Для выявления дефектов применяют несколько методов:

• Рентгеноскопия. Деталь или образец просвечивают рентгеновским излучением. Из-за короткой длины волны излучения микротрещины засвечиваются, а монолитный материал большей частью задерживает воздействие. Метод широко используется при постройке трубопроводов, ядерных и химических реакторов и других изделий с высокой степенью ответственности. 
• Магнитоскопия. Метод применим только для ферромагнетиков. На заготовку напыляют магнитный порошок. В тех местах, где нет плотного контакта между частицами, проявляется аномалия магнитного поля. 
• Проверка газоанализатором. Уже готовую конструкцию герметизируют и наполняют под давлением специальным газом. После этого сканируют поверхность газоанализатором. Если такая операция проводится с применением радона, то места дефектов можно определить детектором ионизирующего излучения. 
• Ультразвуковое тестирование. Короткие звуковые волны имеют свойство распространяться по упругим материалам равномерно. Любой дефект создает препятствие и с помощью детектора эти точки выявляются.  

Спектральный анализ

Каждый элемент таблицы Менделеева из-за разной массы ядер имеет различные резонансные частоты колебаний. Исследуя отклик сплава при воздействии облучением разной частоты, можно определить процентный состав всех химических элементов в образце. Изначально способ был возможен только с газами. Сейчас существуют спектроанализаторы, позволяющие с достаточной точностью определить поверхностный слой металла в режиме онлайн без сложных манипуляций. 

Методы испытания стали за последнее столетие очень изменились. Раньше кузнец определял примерные характеристики материала по цвету накала, рисунку побежалости и звуку. Это было скорее искусство, чем научный метод. Сейчас существуют большое количество исследований, и с каждым годом их становится больше.