Нормы механических свойств металла бесшовных и сварных труб в состоянии поставки регламентируются соответствующими стандартами и ТУ либо устанавливаются соглашением сторон.
Бесшовные трубы из стали марок, поставляемых по ГОСТ 1050-74, ГОСТ 4543-71 иГОСТ 19282-73, могут быть изготовлены с контролем механических свойств на термообработанных образцах.
В большинстве случаев оговаривают нормы по временному сопротивлению разрыву, пределу текучести и относительному удлинению, значительно реже нормируют значения относительного сужения, ударной вязкости и твердости. Например, твердость нормируется в подшипниковых трубах по ГОСТ 801-78 инекоторых других.
Ударную вязкость контролируют в основном, когда размеры трубы позволяют вырезать стандартный образец. Если используют нестандартные образцы, нормы и метод испытания устанавливают по соглашению сторон.
В зависимости от назначения и условий работы трубы по требованию потребителя подвергают одному или нескольким видам технологических испытаний (на загиб, раздачу, сплющивание, бортование).
Испытание на загиб труб, поставляемых по ГОСТ 8731-74, ГОСТ 8733-74 и ГОСТ Ю705-80, проводят в соответствии с требованием ГОСТ 3728-78, при этом растягивают сторону образца, соответствующую наружной поверхности трубы.
Образцы от сварных труб вырезают за пределами зоны термического влияния сварного шва.
При испытании сварных труб шов должен находиться в зоне сжатия и располагаться под углом 90° к плоскости изгиба. Испытание металла шва и металла зоны термического влияния на загиб проводят по ГОСТ 6996-66.
Испытание труб на раздачу в холодном состоянии осуществляют по ГОСТ 11706-78 с помощью оправки конусностью 1:10, 1:5 или 1:4 и проводят по ГОСТ 8694-75 путем плавной раздачи образца конической оправкой до разрыва или до заданного процента раздачи.
Испытание труб на сплющивание проводят по ГОСТ 8695-75 в холодном состоянии. Сварной шов при испытаниях на сплющивание располагается примерно под углом 90° к оси приложения нагрузки.
Испытания проводят путем плавного сплющивания образца, находящегося между двумя гладкими жесткими и параллельными плоскостями, сближая сжимающие плоскости до заданного расстояния.
В некоторых случаях испытания проводят до соприкосновения внутренних стенок (ГОСТ10498-82).
Для труб нефтяного сортамента расстояние между параллельными плоскостями после испытания зависит не только от диаметра и толщины стенки, но также и от группы прочности.
Испытанию на бортование в холодном состоянии подвергают бесшовные трубы по ГОСТ 8731-74, ГОСТ 8733-74 и сварные трубы по ГОСТ 10705-80, а также по ГОСТ12132-66 следующего сортамента:
Наружный диаметр, мм. . <60 60-108 108-140140¾ 160
Толщина стенки, % не более... 10 8 6 5
* От наружного диаметра трубы
Испытание проводят по ГОСТ 8693-80 путем плавной отбортовки на 90 или 60° конца образца (или трубы) при помощи оправки до получения заданного диаметра.
Трубы диаметром 3-15 мм с толщиной стенки 0,7-0,9 мм по ГОСТ 11249-80 должны выдерживать испытание на двойное бортование с центральным углом 90°.
Значительную часть горячекатаных бесшовных труб из углеродистой и легированной стали, а также сварных из углеродистой, низколегированной и частично из нержавеющей стали поставляют в состоянии после горячей прокатки или сварки без термической обработки. При этом требуемые стандартами и техническими условиями механические и другие свойства металла обеспечиваются химическим составом стали и технологией прокатки или сварки труб. Вместе с тем в последние годы существенно возрос объем термической обработки за счет нормализации или термического упрочнения (это особенно характерно для сварных труб), а также локальной термической обработки сварного соединения, проводимой непосредственно в технологической линии трубоэлектросварочного стана.
Необходимость термической обработки предусматривают, как правило, в общем виде; в ряде случаев для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств, регламентируют также конкретные режимы термической обработки (например, для котельных труб из сталей перлитных марок).
Для оценки способности материала воспринимать определенную деформацию в условиях, максимально приближенных к производственным, служат технологические испытания. Такие оценки носят качественный характер. Они необходимы для определения пригодности материала для изготовления изделий по технологии, предусматривающей значительную и сложную пластическую деформацию.
Для определения способности листового материала толщиной до 2 мм выдерживать операции холодной штамповки (вытяжки) применяют метод испытания на вытяжку сферической лунки с помощью специальных пуансонов, имеющих сферическую поверхность (ГОСТ 10510). Схема испытания приведена на рис. 9.3.
Рис. 9.3. Схема испытания на вытяжку сферической лунки по Эриксену
В процессе испытания фиксируется усилие вытяжки. Конструкция прибора предусматривает автоматическое прекращение процесса вытяжки в тот момент, когда усилие начинает уменьшаться (в материале появляются первые трещины). Мерой способности материала к вытяжке служит глубина вытянутой лунки.
Лист или ленту толщиной менее 4 мм испытывают на перегиб (ГОСТ 13813). Испытание проводят с помощью приспособления, изображенного на рис. 9.4.
Рис. 9.4. Схема испытания на перегиб
1 – рычаг; 2 – сменный поводок; 3 – образец; 4 – валики; 5 – губки; 6 - тиски
Образец изгибают вначале влево или вправо на 90 0 , а затем каждый раз на 180 0 в противоположную сторону. Критерием окончания испытания является разрушение образца или достижение заданного числа перегибов без разрушения.
Проволоку из цветных и черных металлов испытывают на скручивание (ГОСТ 1545) с определением числа полных оборотов до разрушения образцов, длина которых обычно составляет (– диаметр проволоки). Применяют также испытание на перегиб (ГОСТ 1579) по схеме, аналогичной испытанию листового материала. Проводят пробу на навивание (ГОСТ 10447). Проволоку навивают плотно прилегающими витками на цилиндрический стержень определенного диаметра (рис. 9.5).
Рис.9.5. Проба на навивание проволоки
Число витков должно быть в пределах 5…10. Признаком того, что образец выдержал испытание, является отсутствие после навивания расслоения, отслаивания, трещин или надрывов как в основном материале образца, так и в его покрытии.
Для труб с внешним диаметром не более 114 мм применяют пробу на загиб (ГОСТ 3728). Испытание заключается в плавном загибе отрезка трубы любым способом на угол 90 0 (рис. 9.6. а) так, чтобы его наружный диаметр ни в одном месте не стал меньше 85 % от начального. ГОСТ устанавливает величину радиуса загиба R в зависимости от диаметра трубы D и толщины стенки S . Образец считается выдержавшим испытание, если на нем после загиба не обнаружено нарушений сплошности металла. Образцы сварных труб должны выдерживать испытания при любом положении шва.
Испытание на бортование (ГОСТ 8693) применяют для определения способности материала труб образовывать фланец заданного диаметра (рис. 9.6.б). Признаком того, что образец выдержал испытание, служит отсутствие после отбортовки трещин или надрывов. Допускается отбортовка с предварительной раздачей на оправке.
Испытание на раздачу (ГОСТ 8694) выявляет способность материала трубы выдерживать деформацию при раздаче на конус до определенного диаметра с заданным углом конусности(рис. 9.6.в). Если после раздачи образец не имеет трещин или надрывов, то он считается выдержавшим испытание.
Для труб предусмотрены испытание на сплющивание до определенного размера (рис. 9.6.г), причем для сварных труб ГОСТ 8685 предусматривает положение шва (рис.9.6.д), испытание гидравлическим давлением.
Для испытания проволоки или прутков круглого и квадратного сечения, предназначенных для изготовления болтов, гаек и других крепежных деталей методом высадки, используют пробу на осадку (ГОСТ 8817). Стандарт рекомендует определенную степень деформации. Критерием годности является отсутствие трещин, надрывов, расслоений на боковой поверхности образца.
Рис. 9.6. Схемы испытаний труб:
а – на загиб; б – на бортование; в – на раздачу; г, д – на сплющивание
Для прутковых материалов широко применяется проба на изгиб: загиб до определенного угла (рис. 9.7.а), загиб до параллельности сторон (рис.9.7.б), загиб до соприкосновения сторон (рис. 9.7.в).
Рис. 9.7. Схемы испытаний на изгиб:
а – загиб до определенного угла; б – загиб до параллельности сторон; в – до соприкосновения сторон
Способность металлов и сплавов подвергаться различным видам технологической обработки (обработке давлением, резанием, сварке) характеризуется технологическими свойствами. Для определения технологических свойств проводят испытания по технологическим пробам, используемым чаще всего в производственных условиях. Многие технологические пробы и методы испытаний стандартизованы.
По результатам технологических испытаний определяют возможность изготовления качественного изделия из данного материала в условиях, соответствующих принятому на производстве технологическому процессу. К технологическим пробам относятся: пробы для испытания на изгиб, осадку, сплющивание, бортование изгиб труб.
Испытание на изгиб (ГОСТ 14019-68) служит для шределения пластичности материала. Образец / (рис. 10, а) с помощью оправки 2 изгибается усилием Р пресса между роликами 3 до заданного угла а. Пластичность материала характеризуется углом загиба а. При изгибе образца на 180° материал обладает предельной пластичностью. Образцы, выдержавшие испытание, не должны иметь трещины, надрывы, расслоения.
Испытанию на изгиб подвергают листы толщиной до 80 мм, сортовой прокат — изделия, полученные прокаткой: прутки, швеллеры, уголки в нагретом или холодном состоянии.
Испытание на осадку (ГОСТ 8817-73) служит для рпределения способности металла выдерживать заданную пластическую деформацию. Образец осаживается в горячем или холодном состоянии с помощью пресса или молота до определенной высоты h.
Таким испытаниям подвергают стальные и из алюминиевых сплавов прутки, служащие для изготовления болтов, заклепок и других крепежных изделий. Испытание на осадку производят на круглых или квадратных образцах диаметром или стороной квадрата в холодном состоянии от 3 до 30 мм, в горячем состоянии — от 5 до 150 мм. Высота стальных образцов должна равняться двум диаметрам, а образцов из цветных сплавов — не менее 1,5 диаметра.
Образец считается выдержавшим испытание, если на нем не появились трещины, надрывы или изломы. Испытание на сплющивание труб (ГОСТ 8695-75) служит для определения способности труб сплющиваться до определенной высоты Н (рис. 10, в) без трещин и надрывов. Конец трубы или ее отрезок длиной 20-50 мм сплющивают между двумя параллельными плоскостями. Если труба сварная, то шов на трубе должен располагаться по горизонтальной оси, как показано на рисунке. Сплющивание труб производится плавно со скоростью не более 25 мм/мин.
Образец считается выдержавшим испытание, если на нем не появились трещины или надрывы. Испытание на бортование труб (ГОСТ 8693-58) служит для определения способности труб к отбортовке на угол 90°. Конец трубы отбортовывается с помощью оправки 2 усилием Р пресса до получения фланца заданного диаметра D.
Рабочая поверхность оправки должна быть чисто обработанной и обладать высокой твердостью (НВ450- 500). Радиус закругления оправки, которым формируется борт, должен быть не более удвоенной толщины стенки трубы (R^L2S). Бортование считается качественным, если на фланце не обнаружено надрывов и трещин.
Испытание на загиб труб (ГОСТ 3728-66) служит для определения способности труб загибаться без трещин и надрывов на угол 90°. Перед испытанием трубу заполняют чистым, сухим речным песком. Испытание заключается в плавном загибе образца любым способом, позволяющим загнуть образец так, чтобы его наружный диаметр D ни в одном месте (как по сечинно, так и по длине) не стал меньше 85% от начальною.
Испытание труб наружным диаметром до 60 мм проводят на отрезках труб, диаметром 60 мм и более — па вырезанных из труб продольных лентах шириной 12 мм. Образец считается выдержавшим испытание, если па нем не появились изломы, надрывы, расслоения.
Испытание на свариваемость производится для определения прочности сварного соединения, выполненного встык. Сваренный образец подвергают изгибу на заданный угол а или производят испытание на растяжение. Затем сравнивают прочность сваренного образца н прочность несваренного образца из испытываемого металла.
Для разных изделий применяются разные виды и марки металлов и сплавов. Выбор обычно основывается на характеристиках материалов. При проектировании любой конструкции учитываются свойства и испытания металлов, которым они были подвержены.
Производимые испытания над разного рода металлами помогают определить механические, термические, химические свойства металлов. Соответственно, в зависимости от выявляемых свойств металла, проводятся и определенные виды испытаний.
О том, какие свойства и испытания металлов имеют большое значение, и какими они бывают мы и поговорим далее.
Свойства металлов.
Каждый вид металла имеет определенный набор свойств - механических, технологических и эксплуатационных, которые характеризуют его способность к нагреву и охлаждению, свариванию, устойчивость к большим нагрузкам и прочее. Наиболее важные из них следующие:
- литейные - эти свойства металла важны при отливе, для качественных отливок;
- жидкотекучесть;
- усадка (т.е. изменение объемов и размеров при охлаждении и затвердевании);
- ликвация (химический состав может быть неоднородным по объему);
- свариваемость (важно при проведении сварочных работ, оценивается это свойство уже по готовому сварному соединению);
- обработка давлением - важно как металл реагирует на внешние нагрузки, не разрушается ли он под давлением;
- обработка резанием - обозначает поведение металла под воздействием разных режущих инструментов;
- ударная вязкость;
- износостойкость - сопротивление металла к поверхностным разрушениям под воздействием трения;
- коррозионная стойкость - стойкость к воздействию щелочных сред, кислот;
- жаростойкость - сопротивление окислению под воздействием высоких температур;
- жаропрочность - материал должен сохранять все свои свойства даже под воздействием высоких температур;
- хладостойкость - сохранение пластичности металла при низких температурах;
- антифрикционность - свойство, характеризующееся тем, как металл может прирабатываться к другим материалам.
Все эти свойства выявляются в ходе испытаний: механических, химических и прочих.
Механические испытания металлов.
При проведении таких испытаний на металл оказывают разную нагрузку - динамическую (ударное увеличение напряжения в металле) или статическую (постепенное увеличение напряжения).
В ходе нагрузок в металле могут возникать разные виды напряжения:
- сдвиговое;
- растягивающее;
- сжимающее.
Так, например, при скручивании металла в материале возникает сдвиговое напряжение, тогда как разгибание или сгибания приводят одновременно к сжимающему и растягивающему напряжению.
Согласно этим нагрузкам и возникающему напряжению могут проводиться такие виды механических испытаний:
- на растяжение;
- на изгиб;
- на удар (определяется ударная вязкость металла).
Кроме того механические испытания предполагают проверку на усталость материала (обычно при изгибе), на глубокую вытяжку и ползучесть. Также проводятся испытания на твердость, которые осуществляются методом вдавливания и динамическим способом (на металл скидывают боек с наконечником из алмаза).
Химические испытания металлов.
Методы химических испытаний применяют для того, чтобы определить состав металла, его качество и пр. В ходе таких испытаний обычно выявляется наличие ненужных и нежелательных примесей, а также количество легирующих примесей.
Химические испытания также помогают получить оценку стойкости металла к воздействию разных реагентов.
Один из видов таких испытаний - это селективное воздействие определенными химическими растворами. Это помогает определить такие показатели, как пористость, количество включений, сегрегации и прочее.
Испытания методом контактных отпечатков необходимы для определения уровня содержания в металле фосфора и серы.
Сезонное растрескивание металла определяется с помощью специальных растворов, воздействию которых подвергается материал. Проводится и ряд других испытаний.
Оптические и физические испытания.
В ходе испытаний металл не только подвергают разного рода воздействиям, но и тщательным образом исследуют под микроскопом. Такие исследования позволяют оценить качество металла, его пригодность, структурные характеристики и прочее.
Кроме того металлы подвергаются радиографическому контролю. Эти исследования осуществляются с помощью гамма-излучения и жесткого рентгеновского излучения. Такой контроль позволяет определить имеющиеся дефекты в металле. Часто радиографическому исследованию подвергаются сварные швы.
Существует также ряд других методов контроля, которым подвергается металл. Среди них:
- Магнитно-порошковый - применяется только для никеля, железа и кобальта, а также их сплавов. Этим методом определяются дефекты некоторых видов стали.
- Ультразвуковой - также позволяет выявлять дефекты только с помощью импульса ультразвука.
- Специальные методы - это и прослушивание со стетоскопом, и испытания на циклическую вязкость и пр.
Все эти испытания, в том числе контрольные, очень важны: они помогают определить какие металлы подходят для разных конструкций, каким обработкам можно подвергать материал, какие режимы сварки использовать и прочее.