Каковы стандарты и методы испытания на твердость деталей прецизионных стальных труб?

Твердость является одним из основных показателей механических характеристик прецизионных стальных трубных деталей, напрямую влияющим на их износостойкость, прочность на сжатие и срок службы. Результаты испытаний обеспечивают решающую основу для оптимизации производственного процесса, принятия качества продукции и адаптации приложений. Ниже подробно описаны основные стандарты и практические методы измерения твердости с учетом высокой точности и многоцелевого применения прецизионных стальных трубных деталей.

Во-первых, основные стандарты испытаний прецизионных стальных труб.

Испытание твердости деталей прецизионных стальных труб должно соответствовать международно признанным стандартам, чтобы обеспечить точность, сопоставимость и достоверность результатов испытаний. Различные методы тестирования соответствуют конкретным стандартным системам, а именно:

(I) Внутренние стандарты (ГБ/Т)

GB/T 231.1-2022: «Металлические материалы. Испытание на твердость по Бринеллю. Часть 1. Методы испытаний», применимый к макроскопическим испытаниям на твердость прецизионных стальных труб средней и низкой твердости, определяет шариковый индентор из твердого сплава, характеристики приложения нагрузки и методы измерения вдавливания. Это основной стандарт для определения твердости по Бринеллю в Китае. GB/T 230.1-2022: Металлические материалы. Испытание на твердость по Роквеллу. Часть 1. Методы испытаний, эквивалентные международным стандартам, определяют тип индентора, параметры нагрузки и правила считывания для каждой шкалы твердости по Роквеллу (HRA, HRB, HRC), применимой для быстрой оценки твердости готовых прецизионных стальных труб.

GB/T 4340.1-2022: Металлические материалы – Испытание твердости по Виккерсу – Часть 1: Методы испытаний для тонкостенных, мелкосекционных и высокоточных деталей стальных труб стандартизирует использование алмазных инденторов с квадратной пирамидой и процедуру измерения диагонали отпечатка, обеспечивая точность при микроскопическом измерении твердости.

GB/T 17394-1998: «Металлические материалы — методы измерения твердости по Лейбу», содержит инструкции по применению портативных твердомеров по Лейбу в полевых условиях и при высокоточных испытаниях деталей стальных труб, разъясняет правила преобразования значений твердости и требования к калибровке приборов.

GB/T 3639-2023, «Холоднотянутые или холоднокатаные прецизионные бесшовные стальные трубы», в качестве стандарта на продукцию уточняет диапазон допустимых показателей твердости для прецизионных стальных труб и соответствующие требования к выбору методов испытаний.

(II) Международные и отраслевые стандарты

Стандарты серии ASTM: ASTM E10-23 (твердость по Бринеллю), ASTM E18-24 (твердость по Роквеллу), ASTM E384-22 (твердость по Виккерсу) и ASTM A956-22 (твердость по Рикелю) содержат рекомендации по испытанию твердости прецизионных стальных трубчатых деталей, циркулирующих на международном рынке, стандартизируя условия испытаний и интерпретацию результатов в различных сценариях.

Стандарты серии ISO: ISO 6506-1:2023 (Бринелл), ISO 6508-1:2023 (Роквелл) и ISO 6507-1:2023 (Виккерс) унифицируют технические спецификации для испытаний на твердость прецизионных стальных труб во всем мире, улучшая сопоставимость данных межрегиональных испытаний. Специализированные отраслевые стандарты, такие как DIN 2391 (немецкий стандарт для прецизионных холоднотянутых бесшовных стальных труб) и ASTM A519 (стандарт для бесшовных труб из углеродистой и легированной стали для машиностроения), содержат дополнительные спецификации по требованиям к твердости и методам испытаний прецизионных стальных труб для конкретных применений.

Во-вторых, основные методы испытаний и практические рекомендации по прецизионным стальным трубам.

Испытание твердости прецизионных стальных трубчатых деталей требует выбора подходящего метода в зависимости от диапазона твердости материала, толщины стенки, качества поверхности, сценария испытаний и требований к партии. К основным методам относятся методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и Лееба со следующими специфическими характеристиками:

(I) Определение твердости по Бринеллю (HB)

(a) Применимые сценарии: Подходит для прецизионных стальных труб из мягкой и низколегированной стали толщиной ≥ 6 мм и твердостью ≤ 450HB. Особенно подходит для тестирования полуфабрикатов перед термообработкой/после отжига, отражая общие характеристики твердости материала. Не подходит для тонкостенных, высокотвердых и готовых деталей (большие вмятины могут легко повлиять на внешний вид и производительность).

(b) Рекомендации по эксплуатации: используйте шариковый индентор из цементированного карбида, приложите нагрузку 3000 кг, удерживайте в течение 10–30 секунд, затем снимите нагрузку. Измерьте средний диаметр отпечатка с помощью микроскопа и рассчитайте значение твердости по Бринеллю с помощью таблицы преобразования. Например, 120HBS10/1000130 означает: при использовании стального шарика диаметром 10 мм под нагрузкой 1000 кгс в течение 30 секунд измеренное значение твердости составляет 120 МПа.

(в) Преимущества и недостатки. К преимуществам относятся стабильные результаты, хорошая повторяемость и способность отражать макроскопическую однородность твердости материала; К недостаткам относятся большой размер отпечатка (обычно 2–6 мм), низкая эффективность контроля и, как правило, низкие требования к чистоте поверхности (достаточно Ra ≤ 1,6 мкм).

(II) Определение твердости по Роквеллу (HR)

(a) Применимые сценарии: Подходит для материалов средней и высокой твердости, таких как готовые прецизионные стальные трубы, закаленная сталь и легированная сталь толщиной ≥ 1,5 мм. Это наиболее широко используемый метод тестирования в массовом производстве (на его долю приходится более 70% общего тестирования твердости), и он позволяет быстро выполнить градацию твердости.

(b) Рабочие моменты: выберите соответствующую шкалу в зависимости от твердости материала. Обычно используемые шкалы и параметры следующие: HRA (нагрузка 60 кг + наконечник с алмазным конусом, подходит для стальных труб из цементированного карбида), HRB (нагрузка 100 кг + закаленный стальной шарик диаметром 1,5875 мм, подходит для труб из низкоуглеродистой и отожженной стали), HRC (нагрузка 150 кг + наконечник с алмазным конусом, подходит для труб из закаленной и закаленной стали). Во время тестирования сначала примените начальную нагрузку, а затем общую нагрузку. После снятия основной нагрузки измерьте приращение остаточной глубины вдавливания и рассчитайте значение твердости по формуле (шкала A/C: HR=100-e; шкала B: HR=130-e, где e — приращение глубины в 0,002 мм).

(c) Преимущества и недостатки: К преимуществам относятся небольшой размер отпечатка (диаметр < 1 мм), быстрота работы и прямое считывание, что делает его пригодным для контроля готовых деталей. К недостаткам относятся малый размер отпечатка, приводящий к снижению репрезентативности результатов, высокие требования к качеству поверхности, необходимость предварительного удаления оксидной окалины и примесей.

(III) Определение твердости по Виккерсу (HV)

(a) Применимые сценарии: тонкостенные, небольшого сечения, детали из высокоточных стальных труб с поверхностной закалкой, такие как прецизионные стальные трубы для аэрокосмических и гидравлических систем. Его также можно использовать для точных лабораторных испытаний и в сценариях особых потребностей.

(b) Эксплуатационные моменты: используется индентор в виде ромбовидной квадратной пирамиды. Прикладывается регулируемая нагрузка от 1 до 120 кг, выдерживается определенное время, а затем разгружается. Длины двух диагоналей отпечатка измеряются с помощью микроскопической системы. Значение твердости рассчитывается по формуле (HV=0,1891×F/d², где F – нагрузка, а d – средняя длина диагоналей). Во время испытаний шероховатость поверхности должна быть примерно зеркальной, чтобы не влиять на наблюдение за отпечатками.

(c) Преимущества и недостатки: К преимуществам относятся широкий диапазон измерений, высокая точность и чрезвычайно малый размер отпечатка, подходящий для тестирования как мягких, так и твердых материалов, а также микроскопических областей. Недостатки включают сложную работу, низкую скорость тестирования и высокую стоимость, что делает его непригодным для пакетного тестирования на месте.

(IV) Измерение твердости по Либу (HL)

(a) Применимые сценарии: Подходит для крупных неподвижных прецизионных деталей стальных труб, таких как встроенные компоненты стальных труб, а также для проверки трубопроводов на месте, обеспечивая неразрушающий и быстрый скрининг.

(b) Операционные рекомендации: используйте портативный твердомер по Либу, выберите настройку «Кованая сталь», ударьте ударником по поверхности стальной трубы, измерьте скорость отскока ударника, чтобы рассчитать значение твердости по Либу, а затем преобразуйте его в значения HB/HR/HV в соответствии со стандартом GB/T 17394. Перед тестированием прибор необходимо откалибровать с помощью стандартного твердомера. Направление удара должно быть перпендикулярно испытуемой поверхности. Каждую точку измерения следует проверять не менее 3 раз, а разброс данных не должен превышать ±15HL от среднего значения.

(c) Преимущества и недостатки. К преимуществам относятся портативность, скорость, отсутствие повреждений заготовки и высокая эффективность испытаний; К недостаткам относятся несколько более низкая точность, большая восприимчивость к состоянию поверхности, вибрации и толщине заготовки, а также пригодность только для отбора и неарбитражных испытаний.

В-третьих, общие рабочие процедуры и меры предосторожности для прецизионных стальных труб.

(I) Стандартные рабочие процедуры для прецизионных стальных труб

(a) Предварительная обработка образца: удалите оксидную окалину, масло и ржавчину с поверхности стальной трубы. Шлифуйте до тех пор, пока поверхность не станет гладкой и чистой, с шероховатостью Ra<1,6 мкм. Для изогнутых стальных труб зашлифуйте, чтобы создать плоскую поверхность размером 5 мм × 50 мм или 20 мм × 50 мм, чтобы не повлиять на точность вдавливания. Не повредите толщину стенки трубы во время шлифовки.

(b) Выбор метода: Определите метод на основе толщины, диапазона твердости, точности поверхности и сценария испытаний прецизионной стальной трубы. Например, твердомер Виккерса выбирается для тонкостенных прецизионных деталей, твердомер Роквелла выбирается для серийно готовой продукции, а твердомер Либа выбирается для крупных деталей в полевых условиях.

(c) Калибровка прибора: перед испытанием откалибруйте твердомер с помощью соответствующего стандартного твердомера, проверьте износ индентора, точность нагрузки и точность измерительной системы, чтобы убедиться, что прибор находится в годном состоянии.

(d) Процедура испытания: установите нагрузку, индентор и время выдержки в соответствии с выбранным методом. Измерьте в ключевых местах, таких как оба конца и середина стальной трубы, проверяя не менее 3–5 точек в каждом месте. Расстояние между любыми двумя углублениями должно быть ≥3 мм, а центр углубления должен находиться на расстоянии ≥5 мм от края детали.

(e) Обработка данных: удалить выбросы и принять среднее значение оставшихся данных в качестве окончательного значения твердости. Подробно запишите метод тестирования, параметры прибора, места проведения испытаний и результаты, чтобы создать отчет об испытаниях.

(II) Основные меры предосторожности при использовании прецизионных стальных труб

(a) Контроль состояния поверхности: Избегайте дефектов поверхности, таких как трещины, включения и царапины. Может потребоваться вторичное измельчение. Испытательная поверхность должна быть чистой и сухой, чтобы масло и пыль не влияли на контакт индентора и точность измерений.

(b) Согласование нагрузки и толщины стенки. Испытания под высокой нагрузкой запрещены для стальных труб с толщиной стенки ≤5 мм во избежание искажения результатов из-за упругой деформации стенки трубы. Стальные трубы малого диаметра с наружным диаметром <45 мм не подходят для портативных твердомеров Бринелля и требуют отбора проб и лабораторных испытаний.

(c) Окружающая среда и рабочие процедуры: Температура лабораторных испытаний должна поддерживаться на уровне 20±5℃, избегая вибрации и воздействия пыли. Во время испытаний на месте убедитесь, что инструмент устойчиво закреплен, направление удара перпендикулярно испытательной поверхности и нет относительной тряски между оператором и инструментом.

(г) Техническое обслуживание и калибровка прибора. Регулярно проверяйте индентор, периодически калибруйте систему нагрузки и измерительное устройство и сохраняйте записи о калибровке для использования в будущем.

(e) Оценка результатов и арбитраж: В случае спора по поводу результатов испытаний в качестве предпочтительного метода арбитража следует использовать тест на твердость по Виккерсу. При испытаниях партий необходимо соблюдать стандартное соотношение выборки, чтобы обеспечить репрезентативность выборки.

Таким образом, испытание на твердость деталей прецизионных стальных труб должно строго соответствовать соответствующим стандартам, научно выбирать методы испытаний на основе характеристик деталей, стандартизировать рабочие процедуры и контролировать ключевые детали, чтобы обеспечить точные и надежные результаты испытаний, обеспечивая гарантию контроля качества продукции и безопасности применения.