Zkoušení oceli: jak se studují vlastnosti kovů v laboratorních podmínkách.

Zkoušení oceli je povinné v každém hutním závodě, protože spolehlivost kovových konstrukcí závisí na kvalitě výrobků. Vytvářejí se různé slitiny, které se používají v různých prostředích. Musí splňovat přísné normy a standardy platné v Rusku. Klíčová pozornost je věnována takovým vlastnostem oceli, jako je tvrdost, pružnost a plasticita. Kromě toho je uvedeno posouzení technických, fyzikálních a chemických parametrů. Podrobně vám řekneme, jaké metody zkoušení oceli se používají a k čemu jsou potřeba.

Mechanické metody kontroly a testování

Různé druhy neželezných kovů, železné a nerezové oceli se používají ve všech odvětvích průmyslu. Používají se k výrobě součástí a mechanismů pro vozidla, letadla, lodě a rakety, k výrobě potrubí pro čerpání jakýchkoli kapalin, strojů a zařízení, řezných a dalších nástrojů. Kovy jsou žádané ve stavebnictví.

Všechny konstrukce pracují v různých podmínkách a při různém zatížení. Proto musí mít v první řadě dobré mechanické vlastnosti a odolávat destruktivnímu vnějšímu zatížení. Aby se zajistilo, že materiál je vhodný pro výrobu konkrétního produktu, provádějí se mechanické zkoušky kovu na tah, tlak, tvrdost, viskozitu, krut, ohyb, hluboké tažení, únavu a další specifické studie.

Zkouška tahem

Zkouška tahem je test, který nám umožňuje vyhodnotit síly, kterým materiál odolá při přetržení, a o kolik se vzorek může natáhnout, aniž by se přetrhl.

Metoda se osvědčila při zkoušení uhlíkových ocelí. Pokud je nutné zkoušet plechový materiál, odebere se standardní vzorek libovolného tvaru a upevní se v upínacích svorkách zkušebního stroje. Poté se vzorek natáhne za stále rostoucího zatížení. Před přetržením se na obrobku objeví úzké místo, které se nazývá krček. Tahový diagram se zaznamenává zařízením na stroji. Výsledkem je graf, který lze použít k určení vztahu mezi zatížením a prodloužením. Zkoušky tahem také hodnotí meze pevnosti v tahu, mez kluzu a plasticitu.

Příklad výsledku zkoušky: pevnost v tahu nerezové oceli
AISI 316 – 520 N/mm a součinitel prodloužení – 45 %.

Zkoušky tvrdosti

Parametr tvrdosti udává, jak moc je materiál odolný vůči lokální deformaci.

Pro zkoušku není nutné použít vzorek, protože u tahové zkoušky lze zkoušku provést na hotovém dílu. Nejběžnější metodou je lisování ocelové kuličky nebo diamantového kužele. V závislosti na technologii může být síla vytvářena elektromagnetem, pružinovým dynamometrem nebo lisem.

Existují 4 typy měření vtlačení:

• Podle Brinella. Kovová kulička, jejíž průměr závisí na tloušťce vzorku, se pod určitým tlakem přitlačí na testovaný materiál. Kulička zanechá stopu (otvor). Právě tímto otiskem se pomocí speciální lupy s dílky určuje parametr tvrdosti. Brinellovo označení je například HB 40. Číselný indikátor udává tvrdost materiálu. Metoda není vhodná pro tenké kovy, protože kulička musí při stlačení deformovat celý objem kovu. Nejlepší výsledky se dosahují studiemi ocelí o tloušťce 10 mm nebo více, například nerezového plechu.
• Rockwell. Zkouška je podobná Brinellově zkoušce, ale místo kuličky se používá diamantový kužel s úhlem 120 stupňů. Parametr tvrdosti je označen číselnou hodnotou HRC. Existuje povrchový Rockwellův tvrdoměr, který na testovaný vzorek působí menší silou. Je vhodný pro testování tenkostěnných výrobků, jako jsou trubky, pásy nebo dráty z nerezové oceli.
• Podle Vickerse. Místo kužele se používá diamantový tetraedrický jehlan. Metoda je vhodná pro stanovení tvrdosti nitridovaných materiálů a tenkých plechů. Označuje se HV a číslem tvrdosti.
• Zkouška mikrotvrdosti. Jedná se o stanovení tvrdosti v mikroskopicky malých objemech, například tvrdost ve strukturních složkách slitiny nebo povrchové vrstvě výrobku po chemickém zpracování, tenkých plechů a fólií. Pod mikroskopem hledají oblast, kde při mírném zatížení vtlačí diamantovou pyramidu. Vzhledem k tomu, že otisk má mikroskopické rozměry, je možné měřit mikrotvrdost i jednotlivých zrn kovové struktury.

Tvrdost se měří také Charovou, Mohsovou, Bugoldiho, Poldiho a dalšími metodami. Každá specifická metoda má svou vlastní přesnost a úzký rozsah použití.

Příklad výsledku zkoušky: tvrdost nerezové oceli AISI 321 – 163 HB dle Brinella.

Zkouška rázové houževnatosti

Rázová houževnatost je schopnost materiálu absorbovat a přijímat kinetickou energii během deformace v důsledku mechanického nárazu. Takový náraz může vést k nepružným plastickým deformacím nebo ke zničení. Olovo nebo hliník snadno odolávají pulznímu zatížení a absorbují aplikovanou energii v důsledku pohybu částic uvnitř kovu. Litina však takové vlastnosti nemá a prakticky veškerá energie se vynakládá na tvorbu vnitřních vad.

Standardní testy se provádějí při pokojové teplotě. Je však třeba vědět, že prudce pokleslé teploty snižují rázovou houževnatost. Například při mrazu -20 stupňů a méně se pevná kolejnice snadno rozštípne dlátem a kladivem.

Pro posouzení náchylnosti kovu ke křehkému lomu se používá metoda s kyvadlovým rázovým testem. To umožňuje přesné řízení energie nárazu.

Podstata studie. Chceme rozbít cihlu. Položíme ji hranami na 2 tvrdé těžké podpěry a udeříme do ní kladivem uprostřed. Podobný princip se používá k testování kovů. Vytvoří se tyč o rozměrech 10x10x55 mm. Uprostřed se vytvoří příčná prohlubeň o poloviční tloušťce ve tvaru písmen „U“, „V“, „Y“. Tyč se umístí na masivní podpěru, která drží okraje vzorku v nehybné poloze. Poté se z opačné strany, než je prohlubeň, udeří kulatým závažím. Závaží je prvkem kyvadla, kde bodem nárazu je spodní poloha. V závislosti na hmotnosti závaží a úhlu, pod kterým je úderový nástroj odkloněn, lze snadno vypočítat množství energie v okamžiku nárazu na vzorek.

Toto je jedna z prvních klasických metod. Používají se i jiné, kde se energie nárazu měří pomocí stlačení pružiny nebo elektrického magnetu.

Příklad výsledku zkoušky: rázová houževnatost nerezové oceli třídy AISI 431 – 180 J/cm2.

Zkouška hlubokého tažení

Hluboké tažení je zkouška, která určuje, jak daleko lze plech natáhnout.

Metoda se používá pro plechy a ukazuje vhodnost materiálu pro ražení s vysokým stupněm deformace. Vzorek je upnut mezi dvě kruhové plochy se standardním otvorem. Výsledkem je plech fixovaný poloměrem. Poté je vzorek stlačen kuličkou o průměru o něco menším než je průměr otvoru. Vlastnosti materiálu se posuzují hloubkou průniku kuličky bez známek destrukce.

Příklad výsledku testu: výrobci hodnotí materiál jako dobrý nebo velmi dobrý. Konkrétní parametr se získá ve vztahu k technologickému procesu.

Zkouška odolnosti proti únavě

Odolnost proti únavě je parametr, který ukazuje schopnost materiálu odolávat vícenásobnému vícevektorovému zatížení.

Během provozu jsou součásti často vystaveny několika cyklům proměnlivého namáhání. Například pružina automobilu je zatěžována cyklicky. Stejné nerovnoměrné síly působí na úchyty zavěšení. Pro posouzení odolnosti materiálu vůči těmto vlivům se na zkušebním stole uměle vytvářejí podobné podmínky.

Zkouška může vypadat takto. Vzorek je upnut ve svěráku a na volný konec jsou aplikovány síly v různých směrech, které jsou výrazně pod prahem destrukce. Po určitém počtu cyklů expozice je nutně narušena celistvost vzorku. Únavová pevnost se posuzuje podle toho, jak rychle došlo k destrukci.

Všechny kovy mají pro tuto vlastnost velmi odlišné parametry. Například austenitické typy jsou odolné vůči opakovanému zatížení a vibracím. A feritické jakosti, například nerezové oceli AISI 304 a AISI 201, dobře odolávají statickému zatížení, ale vibracemi se rychleji ničí.

Příklad výsledku zkoušky: únavová odolnost nerezové oceli třídy AISI 310 – 240 Nmm2.

Kompresní test

Komprese je ukazatel, který charakterizuje chování materiálu pod tlakem.

Metoda umožňuje určit, při jakém tlaku se kov začne deformovat nebo lámat. Za tímto účelem se vzorek ve tvaru krychle s předem určenými rozměry umístí pod lis a pozoruje se, jaký tlak je potřebný pro deformaci nebo destrukci.

Příklad výsledku zkoušky: parametr komprese pro nerezovou ocel AISI 420 – 315 MPa.

Popsali jsme nejběžnější zkušební metody pro studium technických vlastností ocelí. Zkoušky krutu, zkoušky rázem v ohybu a další studie se používají k získání uceleného obrazu mechanické odolnosti materiálu.

Teplotní testy

Vliv různých teplot na kov vede ke krátkodobým nebo strukturálním změnám vlastností. Například rázová houževnatost materiálu se výrazně liší při záporných a kladných hodnotách. Proto je nutné kontrolovat pevnostní charakteristiky slitin při různých teplotách, aby bylo možné předpovědět, jak se budou výrobky v takových situacích chovat. Různé režimy ohřevu a chlazení kovů vedou ke změnám struktury materiálu. Testují se vzorky, které se ohřívají na vysoké teploty a ochlazují v různých režimech. Takto se vytváří provozní mapa, která specifikuje, které přehřátí zachovává vlastnosti kovu a které je nepřijatelné.

Chemický rozbor

Všechny oceli reagují na prostředí odlišně. V důsledku interakce se objevuje oxidový film. Pouze malá část kovů je odolná vůči chemickým činidlům. Do této skupiny patří platina, zlato a palladium. Zbytek ocelí buď rezaví do plné hloubky, nebo je pokryt oxidovým filmem, který zabraňuje další oxidaci.

Železo v normálním stavu reaguje s většinou kyselin a atmosférickým kyslíkem. Aby se tato nevýhoda odstranila, vyrábějí se nerezové oceli přidáním chromu, niklu a manganu. Aby se zjistilo, jak se kovy budou chovat během provozu, testují se vystavením různým chemickým činidlům za různých teplotních podmínek. Takové studie umožnily vytvořit žáruvzdorné nerezové oceli a nerezové oceli odolné vůči kyselinám. Podobné manipulace se provádějí se všemi typy slitin, aby se zajistily korozní vlastnosti hotových výrobků.

Metalografická analýza

Ti, kteří pracovali s kovem, vědí, že struktura materiálu v místě lomu se u každého vzorku výrazně liší. Může být hrubozrnná, vláknitá a pro pouhé oko téměř nepostřehnutelná s drsným povrchem. Kromě toho je struktura podle složení prvků vždy nerovnoměrná. Například v nerezové oceli chrom a nikl vyplňují prostor, jako by obalovaly pseudokrystalické útvary železa a uhlíku. Informace o mikrostrukturní struktuře ocelí pomáhají pochopit mechanismus ochrany proti korozi a důvody vzniku dalších vlastností materiálu. Za tímto účelem se provádějí studie pomocí mikroskopů různých provedení a stupňů rozlišení.

Detekce chyb

Během odlévání, válcování, svařování a jiných typů zpracování kovů se mohou objevit vady, které nejsou viditelné pouhým okem. Během zpracování nebo provozu však takové porušení vnitřní struktury může způsobit zničení mechanismů.

K identifikaci vad se používá několik metod:

• Rentgenové vyšetření. Součást nebo vzorek je vystaven rentgenovému záření. Vzhledem ke krátké vlnové délce záření jsou mikrotrhliny osvětleny a monolitický materiál tento účinek většinou zpožďuje. Tato metoda se široce používá při konstrukci potrubí, jaderných a chemických reaktorů a dalších vysoce kritických produktů.
• Magnetoskopie. Metoda je použitelná pouze pro feromagnetické materiály. Magnetický prášek se nastříká na obrobek. V místech, kde mezi částicemi není těsný kontakt, se objevuje anomálie magnetického pole.
• Kontrola analyzátorem plynů. Hotová konstrukce se utěsní a naplní speciálním plynem pod tlakem. Poté se povrch skenuje analyzátorem plynů. Pokud se taková operace provádí s použitím radonu, lze místa defektů určit detektorem ionizujícího záření.
• Ultrazvukové testování. Krátké zvukové vlny mají vlastnost rovnoměrného šíření elastickými materiály. Jakákoli vada vytváří překážku a tyto body jsou detekovány pomocí detektoru.

Spektrální analýza

Každý prvek periodické tabulky má různé rezonanční frekvence kmitání v důsledku rozdílné hmotnosti jader. Studiem odezvy slitiny při vystavení záření různých frekvencí je možné určit procentuální složení všech chemických prvků ve vzorku. Zpočátku byla metoda možná pouze s plyny. Nyní existují spektrální analyzátory, které umožňují stanovit povrchovou vrstvu kovu online s dostatečnou přesností bez složitých manipulací.

Metody testování oceli se za poslední století hodně změnily. V minulosti kovář určoval přibližné vlastnosti materiálu podle barvy záře, vzoru popouštění a zvuku. To bylo spíše umění než vědecká metoda. Nyní existuje mnoho studií a jejich počet se každým rokem zvyšuje.

Ocel je jedním z nejoblíbenějších materiálů. Jen v Rusku bylo v roce 2023 vyrobeno 75,8 milionů tun slitiny. A celkem na světě je 1,849 miliardy tun. Řekneme vám, z čeho se ocel vyrábí a kde se používá.

• Co je ocel
  • Co se skládá z
  • Lze ocel znovu použít?

  

  Co je ocel

  Ocel je slitina železa a uhlíku používaná v průmyslu. Je odolná vůči korozi (zejména pokud metalurgové zvolili správný poměr složek pro slitinu) a lze ji použít k výrobě téměř jakékoli součásti – stačí zapojit svou fantazii!

  Více na toto téma
  Průmysl: typy a odvětví Přečtěte si článek

  Co se skládá z

  • nízkouhlíkové – do 0,25 %;
  • střední uhlík – od 0,25 do 0,55 %;
  • vysoký obsah uhlíku – od 0,6 do 2,14%.
  • prášek – od 2,9 do 3%.

  Ocel se používá k výrobě automobilů, obráběcích strojů, nádobí, lékařských nástrojů a mnoho dalšího.

  Jak se vyrábí ocel

  První etapou je těžba uhlí a železné rudy. Druhou fází je zpracování: uhlí se koksuje, ruda se drtí a pomocí speciálního magnetu se vybírají kusy s vysokým obsahem kovu.

  Poté se smíchají, přidá se vápno a ve vysoké peci se vytaví na litinu. Polovina práce je hotová, ale stále to není ocel – ve slitině je příliš mnoho uhlíku a dalších prvků.

  Existují tři hlavní fáze výroby oceli.

  • Tání (cca 1300°C)

  V této fázi se směs surovin a paliva taví ve speciální nádobě ve vysoké peci. Při vystavení vysokým teplotám železo oxiduje. Zároveň reaguje s jinými prvky a také je oxiduje.

  Na povrchu se tvoří struska – vlivem zahřívání stoupají různé nečistoty včetně fosforu.

  • Var (až 1600–1650 °C)

  Teplota v komoře vysoké pece se výrazně zvýší a je dodáván kyslík. Reaguje s uhlíkem a oxiduje jej. Proces produkuje plynný oxid uhelnatý, který se odpařuje z nádoby. Díky tomu se snižuje obsah uhlíku ve slitině a ta se z litiny mění na ocel.

  Spolu s oxidem uhelnatým se ze směsi odstraňuje síra – vystupuje na povrch a padá do strusky, kterou lze snadno mechanicky odstranit. To zlepšuje kvalitu slitiny.

  • Deoxidace (až 1700°C)

  Po prvních dvou fázích jsou z oceli odstraněny téměř všechny přebytečné nečistoty, ale kyslík zůstává, což snižuje kvalitu. Abychom se ho zbavili, je nutný třetí stupeň – deoxidace (obrácený proces oxidace).

  Nejjednodušší způsob, jak odstranit kyslík, je přidat do slitiny prvky, které s ním reagují aktivněji než železo. Do strusky můžete přidat i kovy. Nečistoty oxidují a plavou a železo se deoxiduje a klesá ke dnu.

  Poté je struska z povrchu mechanicky odstraněna a použita pro jiné účely. Vyrábí se z něj například cihly.

  Ocel se válcuje a válcuje nebo se z ní odlévají díly.

  

  Jaké typy tam jsou

  • Uhlík. Skládá se převážně ze železa a uhlíku. Dalších prvků je tak málo, že se s nimi nepočítá. Čím více uhlíku, tím pevnější slitina.
  • Legované. Kromě uhlíku existují další prvky. V nízkolegované oceli nepřesahuje koncentrace nečistot 4 %. Ve středně legovaných – od 4 do 11%. A ve vysoce legovaných nečistotách je více než 11 %.

  Jak používat

  Rozsah použití závisí na množství uhlíku a dalších prvků ve slitině. Ocel je rozdělena do pěti typů:

  • Strukturální. Vyrábějí se z něj složité konstrukce: pružiny, pružiny, díly vozidel, kování.
  • Nerez. Legovaná ocel, která kromě uhlíku a železa obsahuje hliník, chrom, titan, dusík a další látky. Nerezová ocel se používá k výrobě kuchyňské elektroniky, vodovodních armatur, některých automobilových dílů a potrubí.
    Nejzajímavějším vynálezem vyrobeným z nerezové oceli je mýdlo. Nečistoty samozřejmě nesmyje, ale zbaví pokožku nepříjemného zápachu.
    Předpokládá se, že nerezová ocel byla získána náhodou. Anglický vynálezce Harry Brearley experimentoval s různými složeními, aby našel slitinu, ze které by byly spolehlivé zbraně. Jeden z experimentů ukázal, že kompozice s 12–20 % chrómu neoxiduje.
  • Instrumentální. Vysokouhlíková ocel, ze které se vyrábí nástroje: kladiva, kleště, pily, nože a některé lékařské nástroje.
  • Tepelně odolný. Legovaná slitina, ve které je hlavní doplňkovou složkou chrom. Odolává zvýšenému zatížení a vysokým teplotám (až do třetiny teploty tání).
    Žáruvzdorná ocel se používá k výrobě prvků motorů, proudových motorů a tak dále.
  • Kryogenní. Vysoce legované slitiny, které odolávají extrémně nízkým teplotám. Obvykle je výchozí bod -183 °C – při této teplotě se vaří kyslík. Pro větší stabilitu se do slitiny přidává nikl a další kovy.
    Pro práci se zkapalněným plynem se zpravidla používají výrobky vyrobené z kryogenní oceli. Kov se také používá v kosmickém průmyslu.

  

  Lze ocel znovu použít?

  Ocel patří k nejlépe recyklovatelným kovům, protože její části lze přetavit. Podle statistik byla více než polovina ocelových výrobků přetavena na něco nového – průmyslové díly nebo karoserie automobilů. Zajímavost: automobily se nevyrábějí z nerezové oceli, protože je křehká a rychle praská. A pozinkované karoserie se snadno poškrábou – při kontaktu s kyslíkem a vodou dochází k korozi, auto se postupně zhoršuje. Pokud je vaše „vlaštovka“ pokrytá promáčklinami a vyžaduje opravu, doporučujeme vám neotálet.

  Požádejte o půjčku na jakýkoli účel až do výše 5 milionů rublů na dobu až 5 let. Vyplňte žádost na webových stránkách a získejte rychlé schválení. Zhodnoťte své finanční možnosti a rizika. Prostudujte si všechny podmínky v sekci „Půjčky“ na webových stránkách banky sovcombank.ru

  Kolik let se vyrábí ocel?

  První ocelové díly a nástroje jsou staré téměř 4000 let, byly nalezeny při vykopávkách v Turecku. Ve starověku se v Evropě tavila ocel. Ve starověku neexistovaly vysoké pece, takže se železo a uhlí ukládaly ve vrstvách do jámy a poté se zapalovaly. To vše se foukalo studeným vzduchem, v důsledku čehož se součásti spojovaly. Výsledný „ingot“ se dal kovat. O několik století později Keltové technologii vylepšili – místo uhlí používali jiný zdroj uhlíku – spálené zvířecí kosti. Ty se umístily do speciální nádoby s kusy kovaného železa a několik hodin se zahřívaly. Výsledkem byly ocelové ingoty, ze kterých se kovaly nože. Hlavním problémem bylo, že se železo netavilo – technologie neumožňovala dosáhnout požadované teploty. Proto bylo velmi obtížné vyrábět ocel. Průlomu se dočkal anglický hodinář Benjamin Gentsman. Ocel získával metodou kelímku – tavil železo a litinu a přidával k nim tavidlo, díky čemuž se kovy tavily při nižších teplotách. Po několika letech experimentování se mu podařilo výrobu zjednodušit. Je zvláštní, že Gentsman si svou metodu nepatentoval a pečlivě ji střežil. Existuje legenda, že jeden z majitelů továrny předstíral, že je žebrák, požádal Benjamina o přístřeší a jídlo, poté špehoval a ukradl „recept“. Nyní je výroba oceli ziskovým byznysem. Tavení v Ruské federaci se v roce 2023 vrátilo na úroveň roku 2021. To je dobrý ukazatel vzhledem k tomu, že se Rusko v posledních několika letech muselo přeorientovat na domácí trh a hledat nové exportní destinace.

  Pro ty, kteří si váží svého času

  Přihlaste se k odběru týdenního e-mailového zpravodaje a dozvíte se o nejzajímavějších publikacích.