Нещодавно я готував доповідь для чергової конференції, присвяченої питанням застосування сталі у будівництві. Матеріали виступу були присвячені маркам, що виготовляються за європейськими стандартами, та ряду нестиковок у вимогах до їх випробувань, які пред'являють вітчизняні будівельні норми та інші локальні регламенти. Спілкування під час таких конференцій і поза ними показує, що багатьом фахівцям тема якісних характеристик сталі є дуже цікавою. При цьому інженери-початківці мають досить розпливчасте розуміння про те, як ці самі характеристики забезпечуються, яким чином визначаються і для чого згодом використовуються.
Тому сьогоднішньою статтею я хочу розпочати невеликий цикл публікацій про механічні випробування виробів зі сталі. На цей раз ми розберемося, що таке механічні властивості сплавів і які ключові характеристики визначаються шляхом механічних випробувань сталевої продукції. А вже в наступних статтях розглянемо найпопулярніші види подібних досліджень та їхні особливості залежно від нормативних документів, відповідно до яких вони виконуються. Ми не заглиблюватимемося в історію розвитку методів випробувань і не згадуватимемо наукові основи, закладені Р. Гуком, І. Ньютоном, Т. Юнгом та іншими шановними діячами. Перейдемо відразу в практичну площину питання.
Що таке властивості сталі
Властивості матеріалів – це набір показників, що всебічно характеризують ці матеріали. Такі характеристики здебільшого визначаються хімічним складом, атомно-кристалічною будовою, фазово-структурним складом та іншими параметрами. Властивості металів та сплавів поділяють на чотири великі групи:
- Фізичні властивості (теплові, електричні, об'ємні тощо);
- Хімічні властивості (хімічна активність, здатність взаємодіяти з іншими речовинами, опір окисленню та ін.);
- Механічні властивості (здатність чинити опір руйнуванню та деформації під дією зовнішнього навантаження);
- Технологічні властивості (здатність піддаватися деформації в гарячому або холодному стані, зварюваність, оброблюваність різанням тощо).
Сукупність властивостей металевих матеріалів дозволяє розрізняти їх або об'єднувати з іншими речовинами в групи за певними ознаками.
Механічні властивості металів є одними з ключових показників при проектуванні та конструюванні деталей машин та споруд, оскільки визначають їхні несучу здатність, експлуатаційну стійкість та довговічність. Маючи на руках дані про механічні характеристики сталевої продукції, профільні фахівці можуть підібрати необхідний матеріал залежно від:
- виду навантажень (циклічні, статичні, динамічні тощо), яким піддається кінцевий виріб під час експлуатації;
- способу навантаження конструкції (стиснення, розтягування, вигин, кручення та ін.);
- температури експлуатації;
- агресивності довкілля тощо.
Механічні властивості часто виражають через значення напружень, що виникають у матеріалі під впливом зовнішніх навантажень. При такій оцінці властивостей навантаження зазвичай відносять до одиниці площі перерізу, на який вони впливають:
S = P/F,
де S – напруження у перетині площею F, що є перпендикулярним осі, вздовж якої діє сила Р.
Насправді найчастіше сила не перпендикулярна перерізу, на який вона діє. У цьому випадку її слід розкласти на дві складові: нормальну (перпендикулярну площі перерізу) і дотичну – ту, що діє в площині та викликає дотичні напруження.
Частина процесів при деформації та руйнуванні виробів визначаються нормальними напруженнями (наприклад, руйнування відривом), а частина – дотичними (руйнування зрізом, пластична деформація). Нормальні напруження поділяються на стискаючі (негативні) та розтягуючі (позитивні).
Різновиди механічних випробувань сталевих виробів
Широке використання сталі у будівництві, машинобудуванні та інших галузях промисловості, які висувають власний набір вимог до металопродукції, зумовило формування великої кількості видів механічних випробувань. Такі дослідження класифікуються за наступними основними ознаками (перелік є далеко не вичерпним):
- За способом навантаження зразку:
- Накладанням постійної напруги (навантаження) з виміром деформації, що виникає при навантаженні;
- Деформуванням із заданою швидкістю та оцінкою опору зразка цій деформації;
- За схемою напруженого або деформованого стану (і перший, і другий бувають лінійними, плоскими та об'ємними);
- За характером зміни навантаження у часі:
- Динамічні, у яких навантаження зразку відбувається миттєво, протягом секунди або її частки;
- Циклічні, яким властива багаторазова зміна навантаження за величиною чи напрямом;
- Статичні, у яких навантаження зразка здійснюється повільно з плавним зростанням від мінімальної до максимальної величини;
- Специфічні, умови навантаження яких відрізняються від вищевказаних (до цієї групи відносять, наприклад, випробування на твердість, тривалу міцність та повзучість).
Приклади механічних випробувань сталі
|
Група випробувань |
Вид механічних випробувань |
Обладнання, що використовується |
Характеристики, що визначаються |
|
Статичні |
Одновісне розтягування |
Універсальна розривна машина |
Межа плинності, тимчасовий опір, відносне видовження, відносне звуження |
|
Динамічні |
Ударний вигин |
Маятниковий копер |
В залежності від стандарту та методу - робота удару (KV, KU, КТ), ударна в’язкість (KCV, KCU) |
|
Специфічні |
Визначення твердості |
Твердоміри Роквеллу, Бринеллю, Віккерсу тощо |
В залежності від обраного методу - твердість за Роквеллом (HRA, HRB, HRC), за Бринеллем HB, за Віккерсом HV та ін. |
|
Циклічні |
Випробування на втому |
Машини для випробувань на втому |
Межа витривалості середнє значення довговічності за заданим рівнем навантаження або деформації |
Механічні випробування можуть проводитися за різних температур, у т.ч. негативних, із застосуванням різних середовищ (наприклад, з підвищеним вмістом сірководню, у камерах сольового туману та інших корозійно-активних складів).
Виконання механічних випробувань: особливості та помилки
Вимоги до умов проведення досліджень викладені у відповідних національних та міжнародних стандартах. Властивості сплавів у більшості випадків не є постійними та залежать від конкретних умов виконання випробувань, починаючи від розмірів зразків та навколишнього середовища та закінчуючи обладнанням, схемами навантаження та іншими параметрами.
Зокрема, оцінка якості поставленого матеріалу клієнтом має здійснюватися профільними фахівцями на повіреному обладнанні за методикою, яка відповідає стандарту, за яким було відвантажено конкретну продукцію. Застосування неідентичних методів дослідження неминуче призведе до невідповідності результатів.
Геометричні розміри та форма зразку безпосередньо пов'язані зі схемою напруженого стану та точками докладання навантажень. Зміна одного розмірного параметру призводить до значного збільшення похибки випробування. Механічна подібність (схема та швидкість навантаження) робить ще більший вплив на результат, оскільки в таких дослідженнях дуже важливо забезпечити однаковий напружений стан та відносну деформацію. Зовнішні умови випробування також повинні забезпечувати фізичну подібність: суттєва розбіжність у температурах та складах середовищ призводить до помилок при подальшій інтерпретації підсумків механічних випробувань. Важливу роль у точності та достовірності вимірювань має й підготовка самих зразків (спосіб виготовлення та якість поверхні).
Також слід враховувати те, що властивості сплавів неоднакові навіть у межах одного виробу через відмінності в структурі за його перерізом. Тому механічні випробування зазвичай проводять на певній кількості зразків із визначенням середнього значення того чи іншого параметру. Число зразків, місця їх відбору, методика проведення дослідження та оцінки показників також обумовлюються відповідною нормативно-технічною документацією. Вони повинні забезпечувати максимально достовірні результати за мінімальної необхідної кількості зразків/вимірів.
Механічні властивості сталі є одним із ключових параметрів якості готової металопродукції. У стандартах і специфікаціях на постачання сталевого прокату здебільшого обумовлюються мінімально або максимально допустимі рівні механічних властивостей або можливі діапазони їх значень. Багато нормативних документів вказують відразу кілька механічних характеристик, які мають бути забезпечені в сукупності. Оцінку якості за цими показниками виконують у спеціалізованих акредитованих лабораторіях заводів-виробників, підприємств-переробників, центрів стандартизації та атестації продукції, науково-дослідних та навчальних організацій.
