Kaip atskirti aukštos kokybės anglies plieną nuo įprasto anglies plieno?

Anglies kiekis: nustatantis veiksnys anglies plieno kokybėje

Kiekybiniai metodai: degimo analizė ir optinė emisinė spektrometriją (OES)

Tikslūs anglies kiekio matavimai – tai tai, kas padaro aukštos kokybės anglies plieną išskirtinį kitų atžvilgiu. Šiandien laboratorijos vis dar dažniausiai naudoja deginimo analizę kaip pagrindinį metodą. Šis procesas esminiu būdu sudegina pavyzdžio medžiagą ir matuoja išsiskyrusio CO2 kiekį, todėl anglies kiekio nustatymo tikslumas siekia apytiksliai ±0,05 proc. Kai laikas yra svarbus, daugelis pasirenka optinę emisinę spektrometriją (dažnai vadinamą OES). Šis metodas metalo paviršių pažeidžia elektros iškrovomis ir analizuoja išsiskleidžiančios šviesos spektrą, kad per mažiau nei minutę tiksliai nustatytų anglies kiekį. Abudu metodai aptinka tas nedidelės priemaišas, kurios gali smarkiai pabloginti plieno savybes. Daugelis gamyklos įmonių kasdienėms kokybės kontrolėms jau priėmė OES dėl jos didelio greičio. Rimti gamintojai taip pat viską papildomai patikrina pagal ASTM E1019 standartus, kad užtikrintų, jog jų plienas atitinka visus reikalavimus svarbioms aplikacijoms, pvz., tiltų statybai ar slėgio rezervuarų gamybai, kuriose gedimas yra neįmanomas.

Greita lauko patikra: kibirkščių bandymas ir vizualinė-metalografinė koreliacija

Jei laboratorinė įranga nepasiekiama, kibirkščių tyrimas suteikia greitą būdą apytiksliai nustatyti anglies kiekį. Kas tai reiškia? Technikai paima plieno mėginius ir trina juos į šiurkščią ratuką, tada stebi, kokios kibirkštys išsiskiria. Plienas su žemesniu anglies kiekiu (mažiau nei apie 0,30 proc.) dažniausiai sukuria ilgas tiesias kibirkštis. Kita vertus, aukštesnio anglies kiekio (daugiau nei apie 0,60 proc.) plienas sukuria storesnes kibirkščių grupes, kurios šakojasi į visokeriopas kryptis. Patyrę specialistai, kurie šį metodą taiko daug kartų, gali tiksliai prilyginti šiuos kibirkščių raštus mikroskopu stebimiems struktūros bruožams, pvz., grūdelių struktūros vienodumui. Tai padeda aptikti problemas, susijusias su nevienodu medžiagos sudėjimu arba grubliais, nelygiais grūdeliais, kurie bendrai sumažina metalo stiprumą. Tačiau reikėtų prisiminti, kad šis metodas nėra tikslus – jo tikslumas yra maždaug ±0,10 proc., bet jis vis tiek leidžia darbuotojams iš karto vietos sąlygomis rūšiuoti įvairias medžiagas, kol dar nereikia atlikti brangesnių, medžiagą naikinančių tyrimų.

Anglies kiekio įtaka našumui anglies plienoje

Galią, plastinį deformavimąsi ir šilumos atsparumą įprastose anglies koncentracijose (0,05–0,60 %)

Anglies kiekis plieno sudėtyje labai paveikia jo stiprumą, lankstumą ir smūgiui atsparumą. Plienuose, kurių anglies kiekis mažesnis nei 0,25 %, yra gana didelis lankstumas (juos galima ištempti daugiau kaip 25 %) ir gerai pasipriešina smūgiams, tačiau jie neatsparūs tokiam pat stipriam veikimui prieš pradėdami skilti (paprastai 280–550 MPa). Kai anglies kiekis pliene siekia apie 0,30–0,60 %, įvyksta įdomus reiškinys: plienas tampa stipresnis dėl to, kaip anglies atomai įsiterpia į metalinę struktūrą, todėl tamprumo riba pakyla iki apytiksliai 500–700 MPa. Tačiau čia yra viena sąlyga – šie plienai tampa mažiau lankstūs. Ką tai praktiškai reiškia? Žemo anglies kiekio plienai ganėtinai išsitempia prieš suskildami, todėl jie puikiai tinka automobilių karoserijos lakštams gaminti. Vidutinio ir aukšto anglies kiekio plienai, priešingai, smūgio metu dažniausiai staiga sulūžta, todėl tam tikroms aplikacijoms jiems reikia specialaus apdorojimo. Įdomu tai, kad plienas pasiekia geriausią stiprumo ir lankstumo pusiausvyrą tada, kai jo anglies kiekis yra tarp 0,15 % ir 0,30 %. Po to visame metale pradeda susidaryti mažos karbido dalelės, kurios iš tikrųjų palengvina įtrūkimų plitimą po pažeidimo.

Suvirinamumo ribos: kodėl aukštos kokybės anglies plienas turi būti ≤0,25 % C patikimai gaminti

Viršutinės sąnarių kokybė labai priklauso nuo anglies kiekio, todėl daugelis pramonės standartų riboja konstrukcinius suvirinimus maždaug 0,25 % anglies arba mažesniu kiekiu. Kai plienas viršija šią ribą, šilumos paveiktoje zonoje, kur susidaro martensitas, pradeda pasireikšti problemos, dėl ko gamybos procesuose įtrūkimų tikimybė padidėja tris kartus. Plienas su aukštesniu anglies kiekiu, tarkim, virš 0,60 %, reikalauja specialaus apdorojimo prieš ir po suvirinimo, kad būtų kontroliuojamos kietumo viršūnės, kurios gali pasiekti 500 HV ar daugiau. Šie papildomi apdorojimai tikrai padidina bendrąsias išlaidas – paprastai projektų kainos pakyla 40–60 procentų. Todėl inžinieriai, dirbantys su spaudžiamaisiais indais ar tiltų statyba, nurodo sertifikuotus žemo anglies kiekio plienus, kurių anglies kiekis yra nuo 0,15 iki 0,22 %. Šios medžiagos užtikrina geriau suvirinamas jungtis, vienu metu išlaikydamos stiprumą, o jų tempimo savybės net po sujungimo lieka gerokai aukščiau 400 MPa.

Sertifikuotos mechaninės savybės kaip anglies plieno kokybės orientyriniai rodikliai

Kai kalbama apie anglies plieno kokybę, sertifikuotos mechaninės savybės pateikia konkrečią įrodymų bazę, kuri atskiria aukščiausios kokybės lydinius nuo žemesnės kokybės. Išbandymo standartus, pvz., nustatytus ASTM International, sudaro trys pagrindiniai veiksniai: kiek jėgos medžiaga gali atlaikyti prieš sulūžtant (tempimo stipris), kada ji pradeda negrįžtamai deformuotis (takumo riba) ir kiek ji išsitempia veikiama slėgio (ištemptis). Šie skaičiai praktikoje turi didelės reikšmės. Pavyzdžiui, konstrukciniam plienui, kuris naudojamas pastatuose ir tiltuose, kad būtų galima išlaikyti visus judančius elementus, ASTM A36 specifikacijos nustato bent 36 ksi (apytiksliai 250 MPa) takumo ribą. Patikimų gamyklos MTR (medžiagos bandymo ataskaitos) patvirtina, kad viskas atitinka reikalavimus. Tyrimai rodo, kad su patikrintomis medžiagomis pastatytiems statiniams susidaro 72 % mažiau gedimų nei tiems, kurie pastatyti iš netestuoto plieno. Gamintojai, kurie praleidžia dokumentavimą, susiduria su rimtais pavojais: jų anglies plienas gali sulūžti net esant normalioms apkrovoms arba pradėti rūdyti per anksti. Dideliuose infrastruktūros projektuose, kur žmonių gyvybė priklauso nuo tvirto statybos darbo, trečiosios šalies patvirtinimas yra ne tik geriausia praktika – jis yra absoliučiai būtinas tiek saugumui, tiek ilgalaikiam ištvermingumui užtikrinti.

Kietumo tyrimai ir anglies plieno klasifikavimo šiluminės apdorojimo patvirtinimas

Brinelio ir Rokvelo metodai: tinkamo kietumo tyrimo metodo pasirinkimas anglies plienui vertinti

Tinkamo kietumo tyrimo metodo pasirinkimas anglies plienui reiškia žinoti, kada naudoti Brinelio, o kada – Rokvelo metodą. Brinelio metodas veikia spaudžiant į medžiagą volframo karbido rutulį dideliais svoriais – nuo maždaug 500 iki 3000 kilogramų jėgos. Tai sukuria didesnius įdubimus, kurie gerai tinka šiurkščiai grūdų struktūrai ir nelygioms paviršiaus savybėms, pvz., neapdorotoms metalo заготовкам ar liejiniams. Rokvelo tyrimai yra kitokie: jie naudoja arba diamantino galiukus, arba mažesnius plieno rutulius, kuriuos taiko dviejose pakopose – pirma lengva, po to stipresnė apkrova. Rodmenys gaunami nedelsiant, be papildomų skaičiavimų, todėl šis metodas puikiai tinka plonesnėms medžiagoms ir galutiniams gaminiams, kai svarbu išlaikyti lygų paviršių.

Kietumo duomenų aiškinimas kontekste: reikšmių koreliacija su anglies kiekiu ir kalimo istorija

Vertės, nurodančios kietumą, be žinių apie anglies plieno foną, daug nepasako apie tikrąją padėtį. Pavyzdžiui, Rockwell C skalės rodmenys apie 50 gali būti gauti iš paprasto 0,60 % anglies turinčio plieno, kuris visiškai nebuvo apdorotas šiluminėmis metodais, arba iš 0,30 % anglies turinčio plieno, kuris buvo užšaldytas ir atleistas. Norint suprasti šiuos rodmenis, gamintojams reikia juos patikrinti prieš tikruosius šiluminio apdorojimo įrašus. Užšaldymo procesas esminiu būdu staigiai sumažina plieno temperatūrą iki maždaug 1500 °F, kad anglis būtų „įstrigusi“ jo viduje, taip pasiekiant maksimalų kietumą. Vėliau vyksta atleidimas temperatūroje nuo 300 iki 700 °F, kuris sumažina kai kurią šio kietumo trapumą, tačiau išlaiko didžiąją dalį stiprumo. Bendrai tariant, kiekvienas 50 °F temperatūros sumažėjimas atleidimo metu paprastai padidina Brinellio skalės rodmenis maždaug 10–15 vienetų. Aukštos kokybės anglies plienas turėtų rodyti ganėtinai nuoseklų kietumą skirtingose partijose, svyruojant maždaug ±3 HRC vienetais. Kai ši nuoseklumas derinamas su optine emisinės spektroskopija anglies kiekio nustatymui, tai padeda patvirtinti gamyklose stabilų gamybos procesą.

Dažniausiai užduodami klausimai

Kas yra ASTM E1019?

ASTM E1019 – tai standartinis bandymo metodas anglies, sieros, azoto ir deguonies kiekiui plieno gaminiuose nustatyti. Jis užtikrina tikslų matavimą ir atitikimą pramonės praktikoje taikomoms normoms.

Kodėl anglies kiekis yra svarbus anglies plienui?

Anglies kiekis žymiai veikia plieno stiprumą, plastšumą ir suvirinamumą. Šio parametro supratimas ir kontrolė yra būtina aukštos kokybės plieno gamybai, kad būtų tenkinamos konkrečios eksploatavimo reikalavimų sąlygos.

Kaip išplėštinis bandymas padeda įvertinti anglies kiekį?

Išplėštinis bandymas leidžia technikams pavyzdžiui apytiksliai įvertinti plieno anglies kiekį remiantis kibirkščių rūšimi ir išvaizda, kurios atsiranda, kai plienas trinamas į šlifavimo ratuką.