Отбор представительных проб, технология изготовления и обработки образцов для контрольных испытаний

 Металлопродукция в зависимости от ее подготовленности к кон­тролю классифицируется следующим образом (ГОСТ 7564—73): проба — часть металлопродукции, отобранная для изготовления из нее заготовок для образцов; заготовка — часть пробы, обрабо­танная или не обработанная механически, подвергаемая термиче­ской обработке или термически не обработанная и предназначенная для изготовления образцов; образец — часть пробы или заготовки определенного размера, подготовленная для испытания. Надеж­ность контроля связана с представительностью объекта контроля, прежде всего пробы. Пробу следует отбирать от части изделия или промежуточного продукта, наиболее полно и правильно отражаю­щей их качество по одному или нескольким контролируемым пока­зателям свойств. Количество отбираемых проб должно быть мини­мальным, но достаточным для оценки качества продукции. Размеры и форма проб должны обеспечивать возможность дальнейшего изго­товления из них заготовок и образцов, также соответствующих условию представительности.

Центральная заводская лаборатория и ОТК разрабатывают инструкции, в которых указано количество проб и схема отбора для каждого вида контролируемой продукции (сортовой прокат, рельсы, лист и т. д.), контролируемые показатели, объем контроля и специ­альные условия (особенности технологии производства, уровень требований к качеству продукции и т. п.). Общие требования к видам и объему контроля приведены в НТД. Ниже изложены способы отбора проб, изготовления и обработки образцов для опре­деления различных контролируемых показателей.

 Макроструктура.

Контроль макроструктуры — наиболее распро­страненный вид испытаний. Ее качество проверяют на макротемплетах толщиной 20—30 мм, вырезанных в основном в направлении, перпендикулярном оси деформации; в отдельных случаях темплеты вырезают вдоль оси деформации (по центру изделий) или в других местах и направлении. Их отрезают при прокатке пилами горячей резки от годных частей проката либо готовят из проб, полуфабрика­тов и готовых изделий. Макротемплет вырезают из пробы на рас­стоянии не менее одного диаметра (стороны квадрата и т. п.) от края прутков; это особенно важно, если проба была отрезана пресс-ножницами или огневым способом, деформирующим соответствую­щий участок металла или термически меняющим его структурное состояние.

Пробы от прутков и заготовок размером от 140 мм отбирают в полном поперечном сечении, а от прутков более 140 мм — в полном сечении или, если это разрешено НТД, из средней части перекован­ных и перекатанных проб квадратного сечения со стороной 90— 140 мм. При контроле плавок, назначенных на несколько сорторазмеров, пробы отбирают от максимального сечения. Практикуется отбор длинных проб (250—500 мм), от которых в ЦЗЛ отрезают темплеты (25—30 мм) для контроля макроструктуры, из остальной части изготавливают образцы для испытаний других видов. Отбор длинных проб огневой резкой осуществляют с учетом припуска на удаление зоны термического воздействия. Места отбора проб, как правило, соответствуют наиболее загрязненным участкам слитка. Охлаждение и термообработку проб, отрезанных в горячем состоя­нии, необходимо выполнять вместе с металлом контролируемой партии-плавки.

Контролируемую поверхность макротемплета подвергают торце­ванию, строжке, шлифованию, полировке. Макротемплеты, отрезан­ные в цехах пилами горячей резки, торцуют на токарном станке на глубину 3—5 мм с последующей чистовой обработкой резцом при глубине резания 0,5 и подаче 0,25 мм. Макротемплеты, отрезан­ные на пилах холодной резки в цехах или ЛКИ, проходят шлифовку или чистовую обработку на токарном станке. Макротемплеты металла ЭШП, ВДП, ВИП, а также высоколегированных сталей и сплавов после торцовки или шлифования полируют гибким кругом на резиновой основе и травят в холодном реактиве с медью. Макро­шлифы большинства марок стали подвергаются горячему травле­нию и излому в соответствии с ГОСТ 10243—75. Контроль по излому проводят вместо контроля методом травления или допол­нительно к нему в продольном направлении волокна. Темплеты над­резают через центр или по дефекту, подвергают закалке, а затем ломают на прессе.

Температура закалки темплетов определяется стандартами или ТУ для термической обработки образцов при испытании механи­ческих свойств или твердости. Выдержка образцов при этой темпе­ратуре должна быть достаточной для полного прогрева металла. Охлаждение темплетов осуществляют в воде. Строжка канавок выполняется перед закалкой образцов. В случае недогрева образца («сырой» излом) разрешается повторная термическая обработка половинки или темплета излома. При перегреве образца выпол­няется исправительная термическая обработка.

Контроль на флокены выполняют на продольных макротемплетах или продольных изломах после полного цикла охлаждения или термообработки всей партии плавки.

Механические свойства.

Отбор проб, заготовок и образцов для механических и технологических испытаний ведут по двум методам в зависимости от назначения металлопродукции (ГОСТ 7564—73). Отбирают пробы металла, прошедшего все стадии пластической деформации и термической обработки. Первый вариант предусма­тривает места отбора проб, заготовок и образцов для испытаний растяжением и на ударную вязкость; механические свойства опре­деляют на образцах, вырезанных из термически обработанных заго­товок. По второму варианту механические свойства определяют на образцах, вырезанных из термообработанных проб. Размеры попе­речного сечения заготовок под термообработку определены ГОСТ 4553—71, ГОСТ 5949—75, ГОСТ 1050—74, ГОСТ 20072—74 и др., а также ТУ. Пробы отбирают вдоль направления прокатки от концов прутков, мотков (бунтов). При вырезке заготовок и образ­цов по сечению проката из прутков стали размером (диаметр, сто­рона квадрата, диаметр вписанного круга) до 40 мм ось образца должна совпадать с осью прутка; для толщины более 40 мм она должна проходить на расстоянии, равном ⅓  радиуса от поверхно­сти прутка или ⅓ половины диагонали от угла ( рис.1 .). Заготов­ки, вырезанные на пилах холодной резки абразивными кругами или полученные обдиркой на токарных станках, подвергают термообра­ботке в соответствии с ГОСТ или ТУ на данную металлопродукцию (ГОСТ 4543—71, ГОСТ 5949—75, ТУ 14-1-950—74 и др.), после чего из них изготавливают контрольные образцы для испытания на растяжение и ударную вязкость.

Рис.1. Схема вырезки образцов для испытания механических свойств по вариантам I (а) и II (б)

Заготовки, предназначенные для изготовления образцов на растяжение, за один проход с подачей 0,85—1 мм обтачивают до диаметра 20 мм. Затем за три прохода выбирают рабочую часть образца (диаметром 20—17, 17—14 и 14—11 мм). Черновой обра­зец диаметром 11 мм на круглошлифовальном станке при скорости подачи 0,03—0,08 мм/об доводят до окончательного размера 10 ± 0,1 мм (ГОСТ 1497—84). При обточке заготовок и шлифовании образцов необходимо обильное охлаждение эмульсией (СОЖ). Из заготовок, предназначенных для изготовления ударных образцов, на фрезерном станке двумя параллельными фрезами вырезают квадратные черновые бруски стороной 11 мм. На плоскошлифовальном станке их шлифуют с четырех сторон до сечения квадрата 10 ± 0,1 мм (ГОСТ 9454—78). Вырезку и шлифование выполняют при обильном охлаждении СОЖ. Технология изготовления образ­цов для испытания на растяжение и ударную вязкость при высоких и отрицательных температурах не отличается от изложенной.

Длительная прочность.

Отбор проб, заготовок и образцов для определения длительной прочности производится в соответствии с ГОСТ 7564—73. По ТУ 14-1-225—72, ТУ 14-1-1907—76, ТУ 14-1-338—72, ТУ 14-1-714—73, ТУ 14-1-1736—76, ТУ 14-1-476—76, ТУ 14-136-252—77 и ТУ 14-1-1665—76 сечение заготовки под термообработку — круг диаметром или квадрат со стороной 20—25 мм. Вырезку выполняют на пилах холодной резки и абразивными кру­гами по той же схеме, что и для механических испытаний по перво­му варианту. По ТУ 14-1-1923—76, ТУ 14-1-223—72, ТУ 14-1-684—73, ТУ 14-1-226—72 термообработку осуществляют в полном сечении сорта, заготовки. Из термически обработанной пробы вырезаются абразивными кругами квадратные заготовки со стороной 15—20 мм.

Изготовление образцов из заготовок, прошедших термообработ­ку или вырезанных из  термообработанных проб, состоит из зацен­тровки с двух сторон на глубину 7 мм сверлом диаметром 3,5— 4 мм; обточки с двух сторон до диаметра 12,4 мм и снятия фасок (1 мм * 45°) при глубине резания 2,2 мм и скорости подачи 0,16 об/мин; проточки рабочей части до диаметра 8 мм с выборкой галтелей радиусом 4 мм при частоте вращения 180—300 об/мин, скорости подачи 0,16 мм/об и глубине резания 2,2 мм; нарезки резьбы М12 на галтелях на длине 15 мм (глубина резания 1,33 мм, скорость подачи 2,11 мм/об, число оборотов 4); выборки рабочей части длиной 39 мм до диаметра 5,3 мм с радиусом галтели 4 мм (частота вращения 180—300 об/мин, глубина резания при первом проходе 1 мм, при втором 0,35 мм, скорость подачи 0,16 мм/об); шлифовании рабочей части до диаметра 5± 0,01 мм абразивным кру­гом (300*32*127, ЭБ20-25СТ, 35 м/мин) при скорости подачи 0,02—0,03 мм/об, чистота обработки — класс 8. Требования к об­разцам определяются ГОСТ 10145—81. Все операции выполняют при обильном охлаждении СОЖ.

Торцевая прокаливаемость.

Пробы сортового проката (ГОСТ 5657—69) размером (круг, квадрат) 28—49 мм отбирают в полном сечении; пробы проката большого сечения перековывают на квадрат. Пробы со стороной 30—10 или 30—2 мм подвергают пред­варительной термообработке (конструкционные стали нормализуют, а инструментальные отжигают) и затем — токарной обработке (глубина резания 1,0—1,5 мм). В чистовом виде образец имеет дли­ну 100±0,5, диаметром 25±0,25 мм. На одном торце образца вытачивают заплечики диаметром 28 мм и толщиной 4—5 мм. Чистота обработки противоположного торца должна быть не ниже класса 5. Для предохранения от окисления термообработку образцов прово­дят в стальных стаканах с крышками, на дно которых закладывают графитовые пластины для предохранения торцов образцов от обез­углероживания. Температуру закалки назначают по режиму, ука­занному для термообработки заготовок для испытаний механиче­ских свойств по НТД на данную металлопродукцию. Время на про­грев образца составляет 30—50, выдержка — 30 мин при темпера­туре закалки. Образец, извлеченный из печи, торцом помещают под струю воды (15—25 °С) и полностью охлаждают. Далее на плоско­шлифовальном станке по всей длине образца на глубину 0,54±0,1 мм сошлифовывают при обильном охлаждении эмульсией две диаметрально противоположные площадки; чистота их обработки должна быть не ниже класса 7 (ГОСТ 2789—73). Прижоги при шлифовании не допускаются.

Горячее скручивание.

Отбор проб осуществляют по ТУ 14-1-1529—75. От партии-плавки отбирают две пробы, одна из которых соответствует донной, а другая — подприбыльной части слитка. Заготовки для изготовления образцов обрабатывают по ГОСТ 7564—73. Из каждой пробы пилами холодной резки и абра­зивными кругами вырезают по одной квадратной заготовке 20 мм. Заготовки центруют с обеих сторон на глубину 5 мм и затем на токарном станке обтачивают до 16,4 мм. После обточки выбирается рабочая часть образца диаметром 9 и длиной 40 мм (радиус галте­ли 4 мм) за два прохода с разной глубиной резания: при первом проходе 2, при втором 1,5 мм. С обеих сторон образца нарезается резьба М16 на длину 20 мм (глубина резания 1,4 мм, подача 2,1 мм). Заключительная операция — шлифовка абразивным кру­гом на круглошлифовальном станке до диаметра 8±0,1 мм; ско­рость подачи должна составлять 0,02—0,03 мм/об, чистота обра­ботки — класс 8.

Неметаллические включения.

Отбор проб и вырезку образцов конструкционных, инструментальных, автоматных, пружинных, коррозионностойких и других сталей осуществляют по ГОСТ 1778—70.

Количество образцов и место отбора проб по длине раската слитков указывают в НТД на продукцию, от каждой плавки должно быть не менее шести образцов. Так, по ТУ 14-1-1283—75 отбирают шесть образцов от любых штанг, по ТУ-14-1-1529—77 — три пробы от штанг А и три — от штанг У, по ЧМТУ 1-809—69 — шесть проб от разных прутков штанг А, по ЧМТУ 1-894—70 — шесть проб от разных прутков. Отбор проб и вырезка образцов шарико- и роликопод­шипниковой стали ведут по ГОСТ 801—78.

Образцы вырезают на пилах холодной резки и абразивными кру­гами по схемам, ( ГОСТ 1778—70) . Центр пробы перед вырезкой отмечают, метки при вырезке сохраняют. Рез должен про­ходить на расстоянии 0,5 мм от метки. Подготовку к шлифовке выполняют в три этапа: выравнивание поверхности образца, дове­дение его до необходимого размера и стачивание до метки абразив­ным кругом; шлифование образцов на абразивной бумаге № 16, 10 и 5 (при переходе на бумагу с более мелким абразивным зерном направление обработки поверхности шлифа меняется на 90° с вы­водом рисок предыдущей шлифовки); третий этап — шлифование образцов на картоне с нанесенными пастами ГОИ и алмазной до исчезновения рисок от предыдущей обработки. Окончательная обработ­ка поверхности шлифа состоит в полировке на мягком сукне или фетре с применением окиси хрома до полного блеска и отсутствия царапин и рисок. Не допускается «заваливание» краев образцов. Приготов­ленные шлифы следует предохранять от механических повреждений и коррозии. В отдельных случаях качество приготовления микро­шлифов проверяют под микроскопом.

Межкристаллитная коррозия (МКК).

Отбор проб для определе­ния МКК регламентируется ГОСТ 5949—75, ТУ 14-1-1013—74, ТУ 14-136-226—76, ТУ 14-136-228—76 и др.

Рис. 2.  Схема вырезки образцов для контроля неметаллических включений ( ГОСТ 1778-70) сечением мм:

а- <40, б- >40, в - >120-180, г-> 180, д-полоса, 1-плоскость реза, 2- плосксть шлифа.

Заготовки для изготов­ления образцов по ГОСТ 6032—84 вырезают из осевой зоны проб в продольном направлении, если нет специальных указаний в НТД. Используют пилы холодной резки, абразивные или фрезерные стан­ки. Из сортового проката толщиной более 10 мм вырезают образцы в виде продольных пластин длиной 80—90 мм, шириной 10—20 мм и толщиной 3—5 мм. Прутки диаметром до 10 мм обдирают на токарном станке для снятия черновой поверхности до диаметра на 1 мм меньше исходного и в таком виде передают на термообработ­ку. На гранях образцов не должно быть поперечных рисок вслед­ствие механической обработки, их поверхность перед термообработ­кой должна быть не ниже 4-го класса точности по ГОСТ 2789—73.

Образцы указанных размеров используют для контроля МКК методами AM, АМУ, В, ВУ. Для определения МКК по методу ДУ образцы вырезают в виде параллелепипеда с черновыми размерами 6*21*36 мм, размеры готового образца после шлифования должны быть 5(—0,1) X 20 (—0,1) X Х35 (±0,1) мм. При вырезке пластин необходимо соблюдать строгую парал­лельность противоположных граней. Из­готовленные образцы закаливают по ре­жимам, указанным в НТД. В соответст­вии с ГОСТ 6032—84 стабилизированные стали и сплавы, а также нестабилизированные стали с низким содержанием угле­рода (не более 0,03%) должны подвер­гаться провоцирующему нагреву при 650±10°С с выдержкой 1 ч и охлажде­нию на воздухе. Перечень таких мате­риалов приведен в табл. 1 упомянутого ГОСТ. Термически обработанные образ­цы шлифуют, шероховатость поверхности образцов перед испытанием не должна превышать 0,8 мкм (ГОСТ 2789—73).

Альфа-фаза.

В соответствии с ГОСТ 11878—66 от любых прутков кон­тролируемой плавки отбирают не менее двух проб длиной около 30 мм, из кото­рых абразивными кругами вырезают об­разцы по схеме, показанной на рис. 3. Торец образца шлифуется по технологии, принятой для подготовки шлифов на контроль неметаллических включений.

Рис. 3. Схема вырезки об­разцов   для   контроля   на альфа-фазу

Прокаливаемость  углеродистой и малолегированной стали.

Пробы отбирают в соответствии с ГОСТ 1435—74. При разливке плавки одновременно с пробой для химического анализа отливают контрольный слиток массой около 10 кг, из которого куют квадратную пробу стороной 20±1,5 мм. Из средней части горячей пробы вырубают три образца длиной по 100 мм, которые клеймят номером плавки и порядковым номером (1, 2 и 3). В ЦЗЛ середину каждого образца надрезают абразивным кругом на глубину 3—5 мм. Пробы отжигают при 730—750 °С в течение 2 ч с последующим медленным охлаждением в печи до 650 °С в течение 2—4 ч. Отожженные образцы 1, 2, 3 нагревают под закалку при температурах 760, 800, 840 °С соот­ветственно. Время выдержки после прогрева для образцов 1 и 2 составляет 20, для образца 3- 15 мин. Образцы закаливают в воде (при 10—30 °С) и далее ломают над надрезом.

Величина наследственного (аустенитного) зерна.

 Пробы металла отбирают в состоянии поставки; место отбора, количество и разме­ры устанавливают в НТД на механические испытания для данного вида продукции (ГОСТ 4543—71, ТУ 14-1-950—74, ТУ 14-1-177—72 и др.). Для испытания рекомендуются образцы с площадью сече­ния шлифа до 150 мм² (ГОСТ 5639—82). Длинные пробы крупных профилей металла разрезают на пилах холодной резки, дальнейшую порезку ведут абразивными кругами. Образцы подвергают установ­ленной термообработке методами цементации или окисления.

Метод цементации применяют для цементуемых сталей. Образцы без следов окисления и обезуглероживания укладывают в железный ящик на расстоянии не менее 20 мм друг от друга и засыпают твердым карбюризатором по ГОСТ 5535—76. Цементационный ящик, плотно закрытый от доступа воздуха, помещают в пень, на­гретую до 930±10 °С; после прогрева выдерживают 8 ч, охлаждают вместе с печью до 50 °С/ч, вновь нагревают до 600 °С и далее ох­лаждают на воздухе до комнатной температуры. Со стороны буду­щего шлифа абразивным кругом делают площадку. Технология под­готовки шлифов аналогична подготовке шлифов для оценки загряз­ненности стали неметаллическими включениями. Метод окисления применяют для улучшаемых марок стали. Вырезают и готовят микрошлифы, которые засыпают защитным покрытием (бурой или древесно-угольным порошком) и закладывают в печь, нагретую на 20—30 °С выше температуры закалки для данной марки стали. После прогрева образцы выдерживают в течение 3 ч. За 30—60 с до окончания выдержки защитное покрытие с образца удаляют и об­разец охлаждают в воде. Далее окисленный шлиф полируют на сукне или на фетре с применением окиси хрома.

Карбидная сетка.

Отбор проб шарикоподшипниковых, инстру­ментальных углеродистых и легированных сталей ведут в соответ­ствии с ГОСТ 801—78, ГОСТ 5950—73, ГОСТ 1435—74, ТУ 14-1-734—73. Образцы вырезают на пилах холодной резки и аб­разивными кругами.

Термообработку выполняют в соответствии с требованиями НТД. После термообработки изготавливают шлифы по ранее рассмотрен­ной технологии.

Рис. 4. Схема вырезки образцов для контроля на карбидную сетку:

а — для шарикоподшипниковой; б — для всех остальных марок стали

Микроструктура.

Количество и место отбора проб должны соот­ветствовать ГОСТ 801—78, ГОСТ 1435—74, ГОСТ 5950—73. На об­разцах, вырезанных из прутков диаметром до 40 мм, шлиф делают по всей плоскости образца (плоскость реза), на прутках большего диаметра — на одной четверти площади образца.

Твердость металла.

Основные методы в практике контрольных лабораторий — по Бриннеллю (ГОСТ 9012—59) и Роквеллу (ГОСТ 9013—59).

Карбидная неоднородность (карбидная ликвация и полосча­тость).

Количество проб и место отбора определены ГОСТ 801—78,

ТУ 14-1-1213—75, ТУ 14-1-594—73, ТУ 14-1-660—73, ТУ 14-1—71, ТУ 14-1-998—74. Образцы вырезают на пилах холодной резки или абразивными кругами по той же схеме, что и для контроля альфа-фазы. Термообработку образцов проводят по режи­мам, указанным в НТД. На термообработанных образцах готовят шлифы по технологии, аналогичной изготовлению шлифов для кон­троля неметаллических включений.

Обезуглероженный слой.

Место отбора проб и их количество определяют требованиями ГОСТ 801—78, ГОСТ 1050—74, ГОСТ 1435—74, ГОСТ 14959—79, ГОСТ 5950—73, ГОСТ 19265—73, ТУ 14-1-950—74. Если в НТД число проб не указано, величина обезуглероженного слоя определяется не менее чем на двух образ­цах от партии в соответствии с ГОСТ 1763—68.

Образцы вырезают на пилах холодной резки, фрезами и другими методами, не вызывающими существенного нагрева и изменений в структуре металла.

Образцы, вырезанные по схеме, показанной на рис. 15 и 16, пред­назначены для оценки металлографическим методом М, а по схеме на рис. 17 — для оценки методами Ml(карбидная сетка) и М2 (ме­тод В. Д. Садовского). На образцах для оценки методом М готовят шлифы. Образцы, вырезанные для оценки по методам Mlи М2, сначала подвергают термообработке по режиму, указанному в ГОСТ 1763—68 для конкретной марки стали, а затем шлифуют по технологии, изложенной ранее.

Рис. 5. Схема вырезки образцов для определения глубины обезуглерожен-ного слоя по методу М из заготовок (круг, квадрат, шестигранник), мм:

а —30; 6 — 60; в — 100; г — 150

Излом быстрорежущей стали.

Отбирают две пробы от партии в соответствии с ГОСТ 19265—73. Образцы отрезают на пилах холод­ной резки или абразивными кругами, затем надрезают и передают на термообработку по режимам, указанным в ГОСТ 19265—73. Термообработанные образцы ломают по надрезу.

Листовой и профильный прокат, другие виды металлопродукции.

Вырезка проб, заготовок и образцов производится в соответствии с НТД. Технология вырезки и подготовки образцов для контроля в основном аналогична описанной выше.