Kuidas eristada kvaliteetset kõrgsüsinikterast tavapärasest süsinikterasest?

Süsiniku sisaldus: otsustav tegur süsinikterase kvaliteedis

Koguslikud meetodid: tuleanalüüs ja optiline emissioonspektromeetria (OES)

Täpsete süsiniku mõõtmiste saavutamine on see, mis teeb hea kvaliteediga süsinikterase muust eristuvaks. Laborid toetuvad ikka veel põletusanalüüsile kui oma peamisele meetodile tänapäeval. See protsess põletab proovimaterjali ja mõõdab, kui palju CO2-d sellesse tekkib, andes tulemused, mille täpsus on umbes pluss või miinus poole kümnendkoha kohta süsiniku sisalduse suhtes. Kui aga aeg on oluline, siis paljud kasutavad optilist emissioonispektromeetrit (OES). See meetod põhineb metallipinnale elektriskarvade tekitamisel ning välja kiiratud valgusmustrite analüüsil, et määrata süsiniku tase vähem kui minuti jooksul. Mõlemad meetodid tuvastavad need väikesed lisandid, mis võivad terase omadusi tõsiselt kahjustada. Enamik tööstustehaseid kasutab igapäevaste kvaliteedikontrollide tegemiseks OES-i, sest see on väga kiire. Tõeliselt tõsised tootjad kontrollivad kõike ka ASTM E1019 standardite kohaselt, tagades, et nende teras vastab kõigile nõuetele oluliste ülesannete jaoks, näiteks sillade ehitamisel või rõhktankide tootmisel, kus ebaõnnestumine pole võimalus.

Kiire välikontroll: iskumisproov ja visuaalne-metallurgiline korrelatsioon

Kui laborivarustus ei ole saadaval, võimaldab iskude testimine kiiresti hinnata süsiniku sisaldust. Mida juhtub? Tehnikud võtavad terasproovide ja hõõruvad neid abrasiivse ratta vastu, jälgides seejärel tekkivate iskude tüüpi. Terased, mille süsiniku sisaldus on alla umbes 0,30 protsendi, teevad tavaliselt pikki sirgjoonelisi iskuid. Teisalt aga terased, mille süsiniku sisaldus on üle umbes 0,60 protsendi, teevad paksusid iskukupleid, mis haruvad kõikjal laiali. Kogenud spetsialistid, kes seda testi mitmeid kordi on läbi viinud, suudavad iskumustrite põhjal kindlaks teha mikroskoobi all nähtavaid omadusi, näiteks terase teraskristallstruktuuri ühtlust. See aitab tuvastada probleeme, kus materjal võib olla ebavõrdne või sisaldada liiga jämedaid ja kõveraid terasekristalle, mis nõrgendavad metalli üldiselt. Tuleb siiski meeles pidada, et see meetod ei ole täpne teadus – selle täpsus on umbes ±0,10 protsenti, kuid see võimaldab ikkagi töötajatel sorteerida erinevaid materjale kohe paigas, enne kui keegi peab tegema kallimaid, proovi hävitavaid teste.

Süsiniku taseme mõju süsinikterase toorainetele

Tugevus, venivus ja vastupidavus tavalistes süsiniku vahemikes (0,05–0,60 %)

Süsiniku kogus terases mõjutab tõesti selle tugevust, paindlikkust ja vastupidavust. Terased, mille süsiniku sisaldus on alla 0,25%, on üsna paindlikud (nende venitus ületab 25%) ja suudavad hästi vastu pidada põrkele, kuigi nad ei talu enne murdumist nii suurt koormust (tavaliselt 280–550 MPa). Kui süsiniku sisaldus terases jõuab umbes 0,30–0,60%-ni, toimub midagi huvitavat: süsiniku aatomid paigutuvad metalli struktuuri nii, et teras muutub tugevamaks ja tema plastse deformeerumise piir tõuseb umbes 500–700 MPa-ni. Kuid siin on ka üks külg – sellised terased ei ole enam nii paindlikud. Mida see praktikas tähendab? Madala süsinikusisaldusega terased painduvad päris palju enne murdumist, mistõttu sobivad nad näiteks autokere paneelide valmistamiseks. Keskmise ja kõrgema süsinikusisaldusega terased aga murduvad tugeva löögi korral äkki, seepärast vajavad nad teatud rakenduste puhul erikäsitlust. Huvitav on see, et parima tasakaalu tugevuse ja paindlikkuse vahel saavutab teras süsiniku sisaldusega 0,15–0,30%. Sellest punktist alates hakkavad terasse läbima väikesed karbiidiosakesed, mis tegelikult soodustavad pragude levikut pärast kahjustuse teket.

Keetmisvõimaluste piirid: miks jääb kõrgkvaliteediline süsinikteras usaldusväärse töötlemise tagamiseks ≤0,25% süsiniku sisaldusele

Keermete kvaliteet sõltub väga süsiniku sisust, mistõttu piiravad enamikku tööstusstandardeid struktuursete keermete puhul süsiniku sisu umbes 0,25% või vähemaks. Kui teras ületab seda piiri, tekivad soojamõjutatud tsoonis probleemid, kus moodustub martensiit, suurendades pragude teket valmistamisprotsesside ajal kolm korda. Teras, mille süsiniku sisu on kõrgem – näiteks üle 0,60%, nõuab erilist käsitlemist enne ja pärast keermet, et kontrollida kõvaduse tippu, mis võib ulatuda 500 HV-ni või isegi sellest kõrgemale. Need lisatöötlused suurendavad kindlasti lõppkulusid, tõstes projekti kulusid tavaliselt 40–60 protsendi võrra. Seepärast määravad insenerid, kes töötavad näiteks rõhukonteinerite või sillakonstruktsioonidega, sertifitseeritud madala süsinikusisaldusega terased, mille süsiniku sisu jääb vahemikku 0,15–0,22%. Sellised materjalid tagavad parema keermetuse, säilitades samas tugevuse, ning nende tõmbetugevus jääb ka pärast kokkupanekut kindlalt üle 400 MPa.

Sertifitseeritud mehaanilised omadused kui kvaliteedimõõdikud süsinikterasest

Kui tegemist on süsinikterase kvaliteediga, siis sertifitseeritud mehaanilised omadused annavad konkreetse tõendi, mis eraldab esiklassilisi sulameid halvematel alusel toodetutest. Testimisstandardid, mille on kehtestanud organisatsioonid nagu ASTM International, pööravad tähelepanu kolmele peamisele tegurile: kui suurt jõudu materjal suudab enne purunemist vastu pidada (tõmbetugevus), millal see hakkab püsivalt deformeeruma (säilituspiir) ja kui venuv see rõhu all saab (venitus). Need numbrid on praktikas tõesti olulised. Näiteks peab konstruktsiooniterasel vastavalt ASTM A36 spetsifikatsioonidele olema vähemalt 36 ksi (umbes 250 MPa) säilituspiir, et taluda kõiki liikuvaid osi hoonetes ja sillades. Usaldusväärsete terasemetallurgiate materjalitestidokumendid (MTR-id) kinnitavad, et kõik vastab nõuetele. Uuringud näitavad, et verifitseeritud materjalidest ehitatud konstruktsioonidel on 72% vähem katkemisi kui neil, mis on valmistatud testimata terasest. Tootjad, kes dokumentatsiooni vahele jätavad, riskivad tõsiselt – nende süsinikteras võib normaalsete koormuste all murduda või hakkada liiga varakult roostetama. Suurte infrastruktuuriprojektide puhul, kus inimeste elud sõltuvad kindlast ehitusest, ei ole kolmanda osapoole kinnitus mitte ainult hea tavakoht, vaid täiesti vajalik nii ohutuse kui ka pikaajalise vastupidavuse tagamiseks.

Kuldkõvaduse testid ja süsinikterase klassifitseerimise soojus­töötlemise valideerimine

Brinelli vs. Rockwell: õige kuldkõvaduse testi valimine süsinikterase hindamiseks

Õige kuldkõvaduse testi valimine süsinikterase puhul tähendab, et tuleb teada, millal valida Brinelli test Rockwelli asemel ja vastupidi. Brinelli meetod töötab nii, et tugeva koormaga (umbes 500–3000 kg jõuga) surutakse materjali sisse tungstensüsiidi kuul, mis teeb suured sügavad, sobides hästi segasete terade ja kõrgelt ebakorrapäraste pindadega, näiteks töötlemata metallipooltooted või valatud osad. Rockwelli testid on siiski teistsugused: neis kasutatakse kaheastmelises protsessis kas teemantotsa või väiksemat teraskuuli – esmalt väike koormus ja seejärel suurem koormus. Tulemused loetakse otse mõõteseadmest ilma täiendavate arvutusteta, mistõttu on need eriti sobivad õhematele materjalidele ja lõpptoodetele, kus on oluline pinnatervik säilitada.

Kõvaduse andmete tõlgendamine kontekstis: väärtuste seostamine süsiniku sisuga ja soojus­töötlemise ajalooga

Kui vaadata kõvadustarveid ilma süsinikterase taustalugu teadmata, ei anna see palju teavet tegelikust olukorrast. Näiteks võib Rockwell C skaala väärtus umbes 50 pärineda lihtsalt 0,60% süsinikuga terasest, millele pole üldse töödeldud, või alternatiivselt 0,30% süsinikuga terasest, millele on tehtud külmutus- ja pehmendusprotsess. Nende näidete tähenduse mõistmiseks peavad tootjad need üle kontrollima tegelike soojus­töötlemise andmetega. Külmutusprotsess viib terase temperatuuri ligikaudu 1500 °F-ni ja seejärel kiiresti alla, et süsinik jääks sees, tagades maksimaalse kõvaduse. Seejärel järgneb pehmendus temperatuuril 300–700 °F, mis vähendab osa kõvadusest tulenevast habrasusest, säilitades samas suurema osa tugevusest. Üldiselt lisab iga 50 °F-i temperatuurilangus pehmendusprotsessis tavaliselt umbes 10–15 punkti Brinelli skaalal. Head kvaliteediga süsinikteras peaks näitama erinevates partiidis üsna ühtlast kõvadust, mis ei erine ülempiirist ega alampiirist rohkem kui ±3 HRC punkti. Kui seda kõvaduse ühtlust kontrollida optilise emissioonspektroskoopiga süsiniku sisalduse kindlakstegemiseks, aitab see kinnitada tootmistehastes stabiilset tootmisprotsessi.

KKK-d

Mis on ASTM E1019?

ASTM E1019 on standardmeetod süsiniku, väävli, lämmastiku ja hapniku analüüsimiseks terasetoodetes. See tagab täpsete mõõtmiste ja eesmärkide järgimise tööstuslikus tegevuses.

Miks on süsiniku sisaldus oluline süsinikterasest?

Süsiniku sisaldus mõjutab oluliselt terase tugevust, venuvust ja keevitatavust. Selle mõistmine ja kontrollimine on oluline kõrgkvaliteedilise terase tootmiseks, mis vastab konkreetsetele toimivusnõuetele.

Kuidas aitab iskratestimine hinnata süsiniku sisaldust?

Iskratestimine võimaldab tehnikatel teha ligikaudseid hinnanguid terase süsiniku sisalduse kohta selle põhjal, millised iskrid tekivad, kui teras põrutatakse abrasiivse ratta vastu.