Не так давно я готовил доклад для очередной конференции, посвященной вопросам применения стали в строительстве. Материалы выступления были посвящены маркам, изготавливаемым по европейским стандартам, и ряду нестыковок в требованиях к их испытаниям, которые предъявляют отечественные строительные нормы и другие регламентирующие документы. Общение во время таких конференций и вне их показывает, что многим специалистам тема качественных характеристик стали весьма интересна. При этом начинающие инженеры имеют достаточно расплывчатое понимание о том, как эти самые характеристики обеспечиваются, каким образом определяются и для чего впоследствии используются.
Поэтому сегодняшней статьей я хочу начать небольшой цикл публикаций о механических испытаниях изделий из стали. В этот раз мы разберемся, что собой представляют механические свойства сплавов и какие ключевые характеристики определяются путем механических испытаний стальной продукции. А уже в следующих статьях рассмотрим наиболее популярные виды подобных исследований и их особенности в зависимости от нормативных документов, в соответствии с которыми они выполняются. Мы не будем углубляться в историю развития методов испытаний и вспоминать научные основы, заложенные Р. Гуком, И. Ньютоном, Т. Юнгом и другими уважаемыми деятелями. Перейдем сразу в практическую плоскость вопроса.
Что такое свойства стали
Свойства материалов – это набор показателей, всесторонне характеризующих данные материалы. Эти характеристики в основном определяются химическим составом, атомно-кристаллическим строением, фазово-структурным составом и другими параметрами. Свойства металлов и сплавов разделяют на четыре большие группы:
- Физические свойства (тепловые, электрические, объемные и т.д.);
- Химические свойства (химическая активность, способность взаимодействовать с другими веществами, сопротивляемость окислению и др.);
- Механические свойства (способность сопротивляться разрушению и деформации под действием внешнего нагружения);
- Технологические свойства (способность подвергаться деформации в горячем или холодном состоянии, свариваемость, обрабатываемость резанием и пр.)
Совокупность свойств металлических материалов позволяет различать их, а также объединять с другими веществами в группы по определенным признакам.
Механические свойства металлов являются одними из ключевых показателей при проектировании и конструировании деталей машин и сооружений, поскольку определяют их несущую способность, эксплуатационную стойкость и долговечность. Имея на руках данные о механических характеристиках стальной продукции, профильные специалисты могут подобрать необходимый материал в зависимости от:
- вида нагрузок (циклические, статические, динамические и т.д.), которые испытывает конечное изделие во время эксплуатации;
- способа нагружения конструкции (сжатие, растяжение, изгиб, кручение и пр.);
- температуры эксплуатации;
- агрессивности внешней среды и др.
Механические свойства часто выражают через значение напряжений, которые возникают в материале под действием внешних нагрузок. При такой оценке свойств нагрузки обычно относят к единице площади сечения, на которое они воздействуют:
S = P/F,
где S – напряжение в сечении площадью F, перпендикулярном оси, вдоль которой действует сила Р.
В реальности чаще всего сила не перпендикулярна сечению, на которое она действует. В этом случае ее следует разложить на две составляющие: нормальную (перпендикулярную площади сечения) и касательную – действующую в плоскости и вызывающую касательные напряжения.
Часть процессов при деформации и разрушении изделий определяются нормальными напряжениями (например, разрушение отрывом), а часть – касательными (разрушение срезом, пластическая деформация). Нормальные напряжения делятся на сжимающие (отрицательные) и растягивающие (положительные).
Разновидности механических испытаний стальных изделий
Широкое использование стали в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности, которые предъявляют собственный набор требований к металлопродукции, предопределило формирование большого количества видов механических испытаний. Такие исследования классифицируются по следующим основным признакам (перечень является далеко не исчерпывающим):
- По способу нагружения образца:
- Приложением постоянного напряжения (нагрузки) с измерением деформации, возникающей при нагружении;
- Деформированием с заданной скоростью и оценкой сопротивления образца этой деформации;
- По схеме напряженного или деформированного состояния (и первое, и второе бывают линейными, плоскими и объемными);
- По характеру изменения нагрузки во времени:
- Динамические, при которых нагружение образца происходит моментально, за доли секунды;
- Циклические, которым свойственно многократное изменение нагрузки по величине или направлению;
- Статические, при которых нагружение образца осуществляется медленно с плавным возрастанием от минимальной до максимальной величины;
- Специфические, условия нагружения которых отличаются от вышеуказанных (к этой группе относят, например, испытания на твердость, длительную прочность и ползучесть).
Примеры механических испытаний стали
|
Группа испытаний |
Вид механических испытаний |
Применяемое оборудование |
Определяемые характеристики |
|
Статические |
Одноосное растяжение |
Универсальная разрывная машина |
Предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение, относительное сужение |
|
Динамические |
Ударный изгиб |
Маятниковый копер |
В зависимости от стандарта и метода - работа удара (KV, KU, КТ), ударная вязкость (KCV, KCU) |
|
Специфические |
Определение твердости |
Твердомеры Роквелла, Бринелля, Виккерса и т.д. |
В зависимости от выбранного метода -твердость по Роквеллу (HRA, HRB, HRC), по Бринеллю HB, по Виккерсу HV и т.д. |
|
Циклические |
Испытание на усталость |
Машины для испытаний на усталость |
Предел выносливости, среднее значение долговечности при заданном уровне напряжения или деформации |
Механические испытания могут проводиться при разных температурах, в т.ч. отрицательных, с применением различных сред (например, с повышенным содержанием сероводорода, в камерах солевого тумана и других коррозионно-активных составов).
Выполнение механических испытаний: особенности и ошибки
Требования к условиям проведения исследований изложены в соответствующих национальных и международных стандартах. Свойства сплавов в большинстве случаев не являются постоянными и зависят от конкретных условий выполнения испытаний, начиная от размеров образцов и окружающей среды и заканчивая оборудованием, схемами нагружения и другими параметрами.
В частности, оценка качества поставленного материала клиентом должна осуществляться профильными специалистами на поверенном оборудовании по методике, соответствующей стандарту, по которому была отгружена конкретная продукция. Применение неидентичных методов исследования неизбежно приведет к нестыковке результатов.
Геометрические размеры и форма образца напрямую связаны со схемой напряженного состояния и точками приложения нагрузок. Изменение даже одного размерного параметра приводит к значительному увеличению погрешности испытания. Механическое подобие (схема и скорость нагружения) оказывает еще большее влияние на результат, поскольку в таких исследованиях крайне важно обеспечить одинаковое напряженное состояние и относительную деформацию. Внешние условия испытания также должны обеспечивать физическое подобие: существенное расхождение в температурах и составах сред приводит к ошибкам в дальнейшей интерпретации итогов механических испытаний. Немаловажную роль в точности и достоверности измерений имеет и подготовка самих образцов (способ изготовления и качество поверхности).
Также следует учитывать то, что свойства сплавов неодинаковы даже в пределах одного изделия ввиду различий в структуре по его сечению. Поэтому механические испытания обычно проводят на некотором количестве образцов с определением среднего значения того или иного параметра. Число образцов, места их отбора, методика проведения исследования и оценки показателей также оговариваются соответствующей нормативно-технической документацией. Они должны обеспечивать максимально достоверные результаты при минимальном необходимом количестве образцов/ замеров.
Механические свойства стали являются одним из ключевых параметров качества готовой металлопродукции. В стандартах и спецификациях на поставку стального проката в большинстве случаев оговариваются минимально либо максимально допустимые уровни механических свойств или возможные диапазоны их значений. Многие нормативные документы указывают сразу несколько механических характеристик, которые должны быть обеспечены в совокупности. Оценку качества по этим показателям выполняют в специализированных аккредитованных лабораториях заводов-изготовителей, предприятий-переработчиков, центров стандартизации и аттестации продукции, научно-исследовательских и учебных организаций.
