Продовжимо спілкування на тему механічних випробувань сталевої продукції. Сьогодні розглянемо тест на ударний вигин, який належить до групи динамічних випробувань. Це дослідження, впроваджене на початку ХХ століття й назване на честь свого винахідника Жоржа Шарпі, визначає в’язкість металевих матеріалів та їхню здатність опиратися крихкому руйнуванню під час ударного впливу. Незважаючи на певну умовність результатів такого тестування, випробування на ударну в’язкість металу широко використовується для виробів з самих різних галузей промисловості, від будівельних металоконструкцій до труб, цистерн та корпусів морських суден.
Сутність методу
З самого початку слід зробити невелике уточнення щодо термінології. Тест Шарпі - це випробування на ударний вигин, а не випробування металу на ударну в'язкість. Ударна в'язкість - це одна з характеристик, яка може визначатися в результаті такого тесту поряд з іншими (про це ми поговоримо далі). Але оскільки левова частка вітчизняної науково-технічної документації (металургійної, будівельної, машинобудівної тощо) оперувала саме поняттям «ударна в'язкість», в побуті воно поступово перейшло й у назву самого методу тестування. Тому і я, щоб не плутати читачів, у цій статті оперуватиму словосполученнями «випробування на ударний вигин металів» та «випробування на ударну в'язкість металів» як тотожними.
Випробування металів на ударну в’язкість полягає в руйнуванні зразка із концентратором посередині або без нього одним ударом маятникового копра. Кінці зразка розташовують на опорах, удар відбувається у його центр, з протилежного боку від концентратора. Залежно від вимог стандартів, відповідно до яких виконується випробування зразків на ударний вигин, можуть визначатися:
- Поглинута енергія удару, яка виражається в Джоулях (в нормативній документації та технічній літературі її ще називають повною роботою, витраченою при ударі, роботою удару, роботою руйнування, енергією удару, поглиненою енергією тощо);
- Ударна в'язкість - робота удару, віднесена до початкової площі поперечного перерізу зразка у місці концентратора, яка визначається у Дж/см2.
Є й інші характеристики, але вони не такі популярні. Загальна схема випробування на ударну в'язкість представлена на малюнку нижче. Різні стандарти можуть обумовлювати зовсім різні параметри та умови проведення ударних досліджень, що безумовно знаходить відображення у кінцевих значеннях ударних характеристик. Найбільше на результати тестів впливають:
- Розміри зразків, види та розміри концентраторів (надрізів);
- Зони відбору зразків від виробу та їхня орієнтація відносно напрямку прокатування (поздовжні, поперечні);
- Умови випробувань (номінальна енергія машини, висота та первинна швидкість руху маятника, температура зразку та навколишнього середовища тощо).
При згадці цього методу дослідження металів і сплавів часто виникає питання: «У яких випадках проводяться випробування на ударну в'язкість?». Вищезгадані тести доцільно застосовувати тоді, коли майбутній металовиріб працюватиме в складних умовах навантаження, і потрібно визначити здатність сплаву чинити опір динамічним впливам без руйнування. При експлуатації конструкції за негативних температур не менш важливим є визначення порога холодноламкості сталі – температури різкого зниження в'язкості матеріалу та, відповідно, зміни характеру руйнування від в'язкого до крихкого.
Конфігурація обладнання для виконання ударного тесту за Шарпі (ДСТУ ISO 148-1)
Тестові зразки перед дослідженням піддають механічній обробці згідно методики, описаної у відповідному стандарті. В сучасних лабораторних центрах для виконання випробувань на ударний вигин використовуються автоматичні роботизовані прилади.
Стандарти України на ударні випробування: особливості та нестиковки
І тепер ми підходимо до найцікавішого у цій розповіді. Бо зараз в українській нормативній документації, яка стосується випробувань металів на ударний згин, панує повний безлад.
Почнемо з того, що ще донедавна на нашій території діяли стандарти СРСР або документи, що були розроблені у пострадянські часи на їхній базі з мінімальними змінами. Так, ключовою нормою, яка визначала вимоги до ударних випробувань металів, був ГОСТ 9454. Цей стандарт описував 21 вид випробувальних зразків, серед яких:
- 4 з V-подібним концентратором;
- 10 з U-подібним концентратором;
- 5 із наведеною тріщиною (Т).
Також допускалося використання зразків без надрізів взагалі, а ще з необробленими поверхнями та іншими розмірами за шириною. Процедура випробувань на ударний вигин передбачала визначення роботи удару (KU, KV, KT) або ударної в’язкості (KCU, KCV, KCT) за температури з діапазону від -100 °С до +1200 °С. ГОСТ 9454 проіснував в нашій країні з 1978 по 2019 рік, на нього посилалися всі вітчизняні нормативні документи на металовироби, що підлягали ударним випробуванням.
Із впровадженням в Україні гармонізованих версій європейських стандартів на прокат та іншу металопродукцію виникла необхідність застосування й відповідних норм на їхнє тестування. Так в нас з’явився ДСТУ EN 10045-1 на ударний згин за Шарпі. У цій технічній нормі були тільки U-подібний та V-подібний зразки (по одному типорозміру кожного) та можливість визначення роботи удару KU і KV. Показників ударної в’язкості в цьому документі вже не було. Але це взагалі не заважало спеціалістам, які створювали оновлені стандарти ДСТУ, вказувати саме цей нормативний документ як базовий при визначенні параметрів KCU та KCV за різних температур.
Прикладом подібної незлагодженості може слугувати національний стандарт ДСТУ 8803:2018 «Прокат товстолистовий з вуглецевої сталі звичайної якості». В ньому обумовлені вимоги до плоского прокату товщиною від 4 до 160 мм в листах та від 4 до 20 мм в рулонах. Прокат виготовляється зі сталей Ст3пс, Ст3сп, Ст5пс та багатьох інших й, в залежності від обраної клієнтом категорії, підлягає випробуванням на ударну в’язкість KCU або КСV за температур від +20 до -40 °С. А проводити такі випробування треба за ДСТУ EN 10045-1, в якому параметрів ударної в’язкості взагалі немає (є тільки робота удару KU/ KV). Й таких прикладів зараз існують десятки, якщо не сотні – від технічних регламентів до державних будівельних норм.
Ситуація ще більше ускладнилася, коли в 2019 році стандарт ГОСТ 9454 в Україні остаточно скасували. А потім у 2022 році скасували й ДСТУ EN 10045-1, випустивши йому на заміну новий гармонізований документ ДСТУ ISO 148-1. У оригіналі цієї Євронорми також було тільки визначення поглиненої енергії (KV або KU, в залежності від типу концентратора). Це нормальна практика, в європейських технічних умовах на сталеву продукцію ніколи й не було ударної в’язкості в тому розумінні, яке закладалося ГОСТами. Але наші «стандартотворці» в національній примітці вказали можливість за необхідності обчислити величину ударної в’язкості - КС. Прошу звернути увагу, в тексті документу немає ані «KCU», ані «KCV», як того вимагають вітчизняні стандарти на металопрокат, а тільки саме «КС», без вказування типу концентратора. Жодних пояснень з цього приводу національні додатки не дають, тому наразі незрозуміло, що це доповнення дало користувачам, окрім посилення плутанини.
В цьому розділі я посилався виключно на українські національні регламентуючі документи, що стосуються ударних випробувань. Якщо ми почнемо розглядати інші системи державних та міжнародних стандартів (ASTM, JIS, IS та ін.), то мабуть зможемо побачити взагалі інші розміри зразків, типи приладів, концентратори, методики обчислень тощо. На це також необхідно звертати увагу під час проектування та замовлення альтернативної сталевої продукції (наприклад, в умовах, коли якісь види прокату недоступні у локальних виробників). У разі постачання виробів з показниками ударних випробувань, які відрізняються від закладених в проекті, привести їх «до спільного знаменника» без наявної інформації про вихідні умови випробування (зокрема про розміри зразків) майже неможливо.
Питання злагодженості національної нормативно-технічної бази (як мінімум в частині механічних випробувань металопродукції) є важливим не тільки з точки зору виробництва того чи іншого прокату відповідального призначення, але й його подальшої безпечної експлуатації у вигляді металоконструкцій, машин та механізмів.
Ударні характеристики гарячекатаного прокату за ДСТУ EN 10025-2
Для прикладу розглянемо, які вимоги до ударних випробувань пред’являє гармонізований європейський стандарт ДСТУ EN 10025-2 «Вироби гарячекатані з конструкційної сталі. Частина 2. Технічні умови постачання нелегованих конструкційних сталей». В залежності від вимог до температури виконання ударного вигину та значення роботи удару до маркування сталей додаються літери JR, J0, J2 або К2.
Енергія удару на поздовжніх зразках сталей S235-S500 згідно ДСТУ EN 10025-2
|
Марка сталі |
Температура випробування, °С |
Мінімальна енергія KV2, Дж, за номінальної товщини, мм |
||
|
≤ 150 |
> 150 ≤ 250 |
> 250 ≤ 400 |
||
|
20 |
27 |
27 |
27 |
|
|
0 |
27 |
27 |
27 |
|
|
-20 |
27 |
27 |
27 |
|
|
20 |
27 |
27 |
27 |
|
|
S275J0 |
0 |
27 |
27 |
27 |
|
S275J2 |
-20 |
27 |
27 |
27 |
|
20 |
27 |
27 |
27 |
|
|
S355J0 |
0 |
27 |
27 |
27 |
|
S355J2 |
-20 |
27 |
27 |
27 |
|
S355К2 |
-20 |
40 |
33 |
33 |
|
S460JR |
20 |
27 |
- |
- |
|
S460J0 |
0 |
27 |
- |
- |
|
S460J2 |
-20 |
27 |
- |
- |
|
S460K2 |
-20 |
40 |
- |
- |
|
S500J0 |
0 |
27 |
- |
- |
Продукція, що постачається за вищезазначеним нормативним документом, повинна проходити тестування на ударний вигин у відповідності з ДСТУ ISO 148-1. Випробування виконуються на поздовжніх тестових зразках. Значення енергії удару для марок S460JR, S460J0, S460J2, S460K2 та S500J0 розповсюджуються тільки на сортовий прокат.
