Технический комитет по стандартизации
«Трубопроводная арматура и сильфоны» (ТК 259)

Закрытое акционерное общество
«Научно-производственная фирма
«Центральное конструкторское бюро арматуростроения»

СТАНДАРТ ЦКБА

СТ ЦКБА 091-2011

Арматура трубопроводная

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛИ
НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЁРДОСТИ

НПФ «ЦКБА»
2011

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Закрытым акционерным обществом «Научно-производственная фирма «Центральное конструкторское бюро арматуростроения» (ЗАО «НПФ «ЦКБА»).

2 УТВЕРЖДЁН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом ЗАО «НПФ «ЦКБА» от 13.07.2011 № 44.

3 СОГЛАСОВАН:

Техническим комитетом по стандартизации «Трубопроводная арматура и сильфоны» (ТК 259).

4 РАЗРАБОТАН на основе РД 302-07-20-93 «Определение механических свойств стали методом вдавливания индентора».

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Твёрдость - это сопротивление, которое оказывает испытуемое тело при внедрении в него другого более твёрдого тела (индентора).

Метод определения механических свойств стали по твёрдости по сравнению с растяжением позволяет определять:

- механические свойства в небольшом объёме, что имеет большое значение для оценки степени однородности;

- механические свойства поверхностного слоя стали, что весьма важно, так как разрушение при изгибе, кручении и растяжении с перекосом начинается с поверхности. К тому же, вследствие воздействия агрессивных сред на поверхности стали наблюдаются наибольшие изменения.

Кроме того, в процессе изготовления деталей трубопроводов резанием на поверхности может возникать наклёп, а в процессе термообработки - обезуглероживание. Поэтому представляют интерес методы, которые оценивали бы свойства поверхностного слоя стали. Таким методом является метод твёрдости. Однако стоит учитывать, что при помощи твёрдости оцениваются механические свойства в том месте, где производится её определение. В зависимости от степени однородности стали по сечению метод твёрдости может дать следующую информацию:

1. Материал однороден по всему сечению изделия, т.е. поверхностный слой по своим свойствам не отличается от сердцевины. Тогда определение механических свойств по твердости на поверхности изделия дает информацию о свойствах не только поверхностного слоя, но и всего изделия;

2. Материал неоднороден, причем неоднородность выражается в том, что поверхностный слой отличается по своим свойствам от однородной сердцевины. Тогда определение механических свойств по твердости на поверхности дает информацию о свойствах стали только поверхностного слоя. Для получения информации о свойствах сердцевины необходимо при испытании поверхностный слой удалить;

3. Материал неоднороден по всему сечению, т.е. не только поверхностный слой по своим свойствам отличается от сердцевины, но и сама сердцевина неоднородна. В этом случае метод твёрдости дает сведения только о механических свойствах поверхностного слоя. По этим свойствам можно судить о средних свойствах металла всего изделия, если будет установлена связь между свойствами поверхностного слоя и средними свойствами всего изделия.

Применение методов механических испытаний на твёрдость в настоящее время получило широкое распространение. Они позволяют:

1) легко и быстро испытывать ограниченно малые объёмы металла;

2) проводить механические испытания тогда, когда практически никакие другие способы по тем или иным причинам использовать нельзя;

3) испытывать материалы практически без повреждаемости (другие методы механических испытаний сопровождаются безвозвратным повреждением испытуемого образца материала);

4) использовать образцы с предварительной обработкой только малого участка поверхности материала;

5) определять твёрдость в микросечениях и микрообъёмах, например в структурных составляющих, отдельных фазах или слоях материала;

6) использовать компактные портативные приборы, позволяющие выполнять измерения на действующих трубопроводах;

7) легко устанавливать эмпирическую или аналитическую связь получаемых результатов с данными других испытаний.

Метод измерения твёрдости является незаменимым при определении характеристик механических свойств стали эксплуатирующейся трубопроводной арматуры без повреждения.

СТ ЦКБА 091-2011

Дата введения - 01.01.2012

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на арматуру трубопроводную из углеродистых, легированных и высоколегированных марок сталей и устанавливает методы определения характеристик механических свойств (временного сопротивления, предела текучести, относительного удлинения и относительного сужения) по результатам измерений твёрдости.

Стандарт рекомендуется применять в тех случаях, когда по условиям производства требуется проведение большого количества испытаний при стабильном уровне сдаточных характеристик механических свойств, а также при определении механических свойств основных деталей арматуры при эксплуатации для оценки остаточного ресурса.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие нормативные документы:

ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007 Металлы и сплавы. Измерение твердости по Виккерсу. Часть 1. Метод измерения

ГОСТ 8.398-80 Государственная система обеспечения единства измерений. Приборы для измерения твёрдости металлов и сплавов. Методы и средства поверки

ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение

ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики

ГОСТ 2999-75 Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу

ГОСТ 9012-59 Металлы. Метод измерения твёрдости по Бринеллю

ГОСТ 9013-59 Металлы. Метод измерения твёрдости по Роквеллу

ГОСТ 18835-73 Металлы. Метод измерения пластической твёрдости

ГОСТ 22761-77 Металлы и сплавы. Метод измерения твёрдости по Бринеллю переносными твердомерами статического действия

ГОСТ 23677-79 Твердомеры для металлов. Общие технические требования

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте национального органа Российской Федерации по стандартизации в сети Интернет или по ежегодно издаваемому информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим ежемесячно издаваемым информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный документ заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться замененным (измененным) документом. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Обозначения

3.1 В настоящем стандарте применены следующие обозначения:

НВ - Твёрдость по Бринеллю

HR - Твёрдость по Роквеллу

HV - Твёрдость по Виккерсу

НД - Пластическая твёрдость

Д - Диаметр вдавливаемого шарика

d - Среднее арифметическое измерение взаимно перпендикулярных диаметров отпечатка

Р₁, Р₂ - Нагрузки, последовательно прилагаемые к образцу

h₁, h₂ - Глубины отпечатков, измеренные после снятия нагрузок Р₁ и Р₂ соответственно

 - Временное сопротивление, полученное по твёрдости НВ

 - Передел текучести (условный), полученный по твёрдости НД

d^НД - Относительное удлинение, полученное по твёрдости НД

y^НД - Относительное сужение, полученное по твёрдости  НД

4 Основные положения и описание метода

4.1 Определение механических свойств сталей по значениям твёрдости основано на расчётах уравнений парной регрессии, полученных математико-статистической обработкой результатов имеющихся серийных стандартных испытаний или специально проведённых парных испытаний на растяжение и твёрдость.

4.2 Методы, применяемые для определения характеристик механических свойств стали трубопроводной арматуры:

1) по диаграмме вдавливания шарового индентора;

2) использование предварительно установленных корреляционных соотношений между значениями твёрдости и искомыми механическими свойствами.

4.3 Для установления зависимостей между твёрдостью и характеристиками растяжения рекомендуются следующие пары «характеристика растяжения - твёрдость»:

- временное сопротивление: s_в - НВ;

- предел текучести: s_0,2 - НД,

- относительное удлинение: d - НД;

- относительное сужение: y - НД.

5 Измерение твёрдости

5.1 Основные положения

5.1.1 В зависимости от временного характера приложения нагрузки и измерения параметров вдавливания индентора механические методы определения твёрдости подразделяются на:

- статические;

- динамические (ударные).

Статические методы подразумевают медленное приложение нагрузки и выдержку под нагрузкой. В динамических методах нагрузка прилагается быстро, а выдержка под нагрузкой не предусматривается.

5.1.2 Методы измерения твёрдости и краткий перечень наиболее известных приборов измерения твёрдости приведены в приложении А.

5.1.3 В зависимости от характера воздействия наконечника существует 3 способа измерения твёрдости:

1) способ вдавливания (внедрения). Характеризует сопротивление стали пластической деформации;

2) способ упругого отскока. Характеризует упругие свойства стали;

3) способ царапания. Характеризует сопротивление стали разрушению путем среза.

Перспективным и высокоточным методом является метод непрерывного вдавливания, при котором производится непрерывная регистрация процесса вдавливания индентора с записью диаграммы «нагрузка на индентор - глубина вдавливания индентора».

5.1.4 Наиболее широко применяемыми в промышленности способами измерения твёрдости являются:

- вдавливание стального шарика по ГОСТ 9012 (метод Бринелля);

- вдавливание стального конуса по ГОСТ 9013 (метод Роквелла);

- вдавливание четырехгранной алмазной пирамиды по ГОСТ Р ИСО 6507-1 и ГОСТ 2999 (метод Виккерса).

Особенности различных методов измерений твёрдости приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Особенности различных методов измерений твёрдости

5.1.5 Метод определения твёрдости выбирается в зависимости от различных факторов:

- твёрдости материала;

- размеров и формы образцов (детали);

- толщины измеряемого слоя материала;

- задач измерения и условий его проведения и пр.

5.1.6 Классификация методов измерения твёрдости представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Классификация методов измерения твёрдости

5.2 Подготовка и требования к изделию и его поверхности

5.2.1 Измерение твёрдости проводится на образцах от полуфабрикатов или литейных проб, на отливках или изделиях.

5.2.2 Подготовка изделий (образцов) к испытаниям на твёрдость, размеры образцов, качество подготовки поверхности должны соответствовать стандартам, регламентирующим используемый метод испытания.

5.2.3 Поверхность изделия (образца), на которой определяется твёрдость, должна быть:

- сухой и чистой;

- ровной и плоской;

- отшлифована и зачищена до металлического блеска;

- должна быть без следов окалины, ржавчины, краски, грубых рисок, выбоин, канавок, царапин и других посторонних включений;

- недопустим наклеп от холодной обработки или отпуск при излишнем нагреве;

- толщина контролируемого изделия (образца) должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка.

5.2.4 Требования к шероховатости поверхности изделия (образца) должны соответствовать ГОСТ 2789 и стандартам, регламентирующим используемый метод испытания.

5.2.5 Образец должен быть подготовлен таким образом, чтобы не изменялись свойства металла в результате механической или другой обработки, например, от нагрева или наклёпа.

5.2.6 Для проведения парных испытаний отбираются заготовки одной марки в трёх состояниях: с минимальным, средним и максимальным уровнем прочности.

5.2.7 Для проведения парных испытаний отбираются заготовки, размеры которых и шероховатость поверхности должны обеспечить возможность определения твёрдости по видам испытаний, указанных в 6.2.1, а также возможность вырезки не менее, чем трёх образцов на растяжение. Допускается измерение твёрдости на головках образцов на растяжение.

5.2.8 При изготовлении образцов на твёрдость и растяжение необходимо соблюдать требования нормативно-технической документации, касающиеся места их вырезки из заготовок, а также принимать меры против возможных изменений свойств металла, возникающих в результате механической обработки.

5.2.9 Испытание на растяжение проводится в соответствии с ГОСТ 1497 на образцах пятикратной длины с диаметром расчётной части 10 мм. Допускается применять образцы пятикратной длины с диаметром расчётной части 5 - 6 мм.

5.2.10 В отдельных случаях, состояние поверхности изделия (образца), допустимое для проведения испытаний, определяется требованиями паспорта на используемый прибор или руководством по эксплуатации.

5.3 Требования к приборам

5.3.1 Измерение твёрдости производится на стационарных, переносных и портативных приборах. Подготовка прибора к проведению измерений производится в соответствии с руководством по эксплуатации или паспортом на прибор.

5.3.2 Приборы должны быть сертифицированы и внесены в Государственный реестр средств измерений, допущенных к использованию в РФ.

5.3.3 Приборы должны быть поверены согласно ГОСТ 8.398 или аттестованы в органах метрологической службы.

5.3.4 Для определения пластической твёрдости (см. приложение к ГОСТ 18835) твердомеры должны быть оснащены приспособлениями для измерения глубины отпечатков с ценой деления 0,01 мм. Цена деления устройства для измерения диаметра отпечатка при определении НВ не более 0,05 мм.

5.3.5 Определение механических свойств по твёрдости при серийных испытаниях готовых деталей и изделий может производиться с помощью переносных твердомеров по ГОСТ 22761.

5.3.6 Перед проведением измерений твёрдости на действующих объектах, необходимо опытным путём определить корреляцию между стационарной установкой и портативным прибором измерения твёрдости, используемым при полевом диагностировании.

5.4 Подготовка и проведение испытаний

5.4.1 При измерении твёрдости стандартизованными методами должны быть соблюдены требования соответствующих стандартов для этих методов.

5.4.2 Выбор нагрузки и диаметра шарика индентора для каждой марки стали определяется уровнем твёрдости материала и осуществляется в соответствии с таблицей 2.

Таблица 2 - Выбор нагрузки и диаметра шарика индентора

5.4.3 Нагрузка должна прилагаться по оси вдавливаемого наконечника перпендикулярно к испытуемой поверхности.

5.4.5 Продолжительность приложения нагрузки и время выдержки ее должны соответствовать стандартам, регламентирующим используемый метод испытания.

5.4.4 Пластическая твёрдость определяется путем последовательного вдавливания шарового индентора нагрузками Р₁ и Р₂ (Р₂ > P₁) с измерением остаточных глубин отпечатков h₁ и h₂.

Значение числа твёрдости рассчитывается по формуле (1):

                                                             (1)

5.4.5 Вычисление твёрдости производится по серии испытаний. Для каждого испытания производится расчет значения твёрдости в соответствии с руководством по эксплуатации или паспортом к прибору.

5.4.6 Значение НВ и НД могут определяться в процессе одного измерения. Для этого после измерения величин h₁ и h₂ измеряется диаметр полученного отпечатка и по нему определяется величина НВ.

5.4.7 Значения твёрдости по Бринеллю и пластической твёрдости рассчитывается как среднее арифметическое значение результатов не менее трех измерений.

5.4.8 Минимально и максимально допустимые значения твёрдости, рассчитанные для каждой марки стали по допустимым значениям механических характеристик в соответствии с полученными уравнениями регрессии должны соответствовать значениям, приведенным в таблице 3.

Таблица 3 - Допустимые значения твёрдости по Бринеллю и пластической твёрдости для различных марок стали

5.4.9 При получении значений твёрдости НВ и НД меньше или больше допустимых значений, указанных в таблице 3, следует проводить испытание данного материала на растяжение по ГОСТ 1497.

5.4.10 Сопоставление значений твёрдости, определяемых методами НВ, HV и HR (по стандартным шкалам А, В и С) приведены в приложении Б (по данным [3]).

6 Определение характеристик механических свойств

6.1 Расчётные значения временного сопротивления  определяются по результатам измерения твёрдости НВ в соответствии с таблицами приложения В:

- для стали 25Л - таблица В.1;

- для стали 12Х18Н9ТЛ - таблица В.3;

- для стали 14Х17Н2 - таблица В.5;

- для стали 08X18Н10Т - таблица В.8;

- для стали ЭИ-432 - таблица В.10;

- для стали ЭИ-943 - таблица В.12.

Расчётные значения предела текучести , относительного удлинения d^НД, относительно сужения y^НД определяются по результатам измерения пластической твёрдости НД в соответствии с таблицами:

- для стали 25Л - таблица В.2 (d^НД);

- для стали 12Х18Н9ТЛ - таблица В.4 (d^НД);

- для стали 14X17Н2 - таблица В.6 (), таблица В.7 (d^НД, y^НД)

- для стали 08Х18Н10Т - таблица В.9 (, d^НД, y^НД)

- для стали ЭИ-432 - таблица В.11 (d^НД, y^НД);

- для стали ЭИ-943 - таблица В.13 (d^НД, y^НД).

6.2 Периодически, от каждой 50-й партии (плавки) для всех марок стали следует проводить испытания на твёрдость и растяжение. При этом механические свойства, рассчитанные по твёрдости, сравниваются со значениями, полученными при испытаниях на растяжение. Расхождение между расчётными значениями механических свойств и характеристиками растяжения должно составлять не более:

- по временному сопротивлению ± 5 %;

- по пределу текучести ± 7 %;

- по относительному удлинению ± 10 %;

- по относительному сужению ± 12 %.

Если значение расхождений выше указанных, то определение механических свойств производят по ГОСТ 1497.

6.3 Периодически, не реже одного раза в 2 года, а также при неоднократных случаях несоответствия фактических и расчётных значений механических свойств необходимо проводить серию парных испытаний с последующей статистической обработкой полученных данных для корректировки коэффициентов полинома.

6.4 Объём выборки для статистической обработки должен составлять не менее 30 испытаний для каждой марки стали.

6.5 Рекомендуемые расчетно-экспериментальные методики определения механических характеристик, которые реализуют алгоритм перестроения диаграммы вдавливания шарового индентора в диаграмму одноосного растяжения на участке упрочнения приведены в [1].

ПРИЛОЖЕНИЕ А
(справочное)

Приборы для измерения твёрдости

Таблица Б.1 - Приборы для измерения твёрдости

ПРИЛОЖЕНИЕ Б
(справочное)

Перевод значений твёрдости, определяемых методами НВ, HV и HR (стандартные шкалы А, В и С)

Таблица В.1 - Ориентировочный перевод значений твёрдости, определяемых различными методами

ПРИЛОЖЕНИЕ В
(справочное)

Таблицы расчётных значений механических характеристик по результатам измерений твёрдости

Таблица В.1 - Расчётные значения временного сопротивления  стали 25Л

Таблица В.2 - Расчётные значения относительного удлинения d^НД стали 25Л

Таблица В.3 - Расчётные значения временного сопротивления  стали 12Х18Н9ТЛ

Таблица В.4 - Расчётные значения относительного удлинения d^НД стали 12Х18Н9ТЛ

Таблица В.5 - Расчётные значения временного сопротивления  стали 14Х17Н2

Таблица В.6 - Расчётные значения предела текучести  стали 14Х17Н2

Таблица В.7 - Расчётные значения относительного удлинения d^НД и относительного сужения y^НД стали 14X17Н2

Таблица В.8 - Расчётные значения временного сопротивления  стали 08Х18Н10Т

Таблица В.9 - Расчётные значения предела текучести  относительного удлинения d^НД, относительного сужения y^НД стали 08Х18Н10Т

Таблица В.10 - Расчётные значения временного сопротивления  стали ЭИ-432

Таблица В.11 - Расчётные значения относительного удлинения d^НД и относительного сужения y^НД стали ЭИ-432

Таблица В.12 - Расчётные значения временного сопротивления  стали ЭИ-943

Таблица В.13 - Расчётные значения относительного удлинения d^НД и относительного сужения y^НД стали ЭИ-943

Библиография

[1] РД ЭО 0027-2005 Инструкция по определению механических свойств металла оборудования атомных станций безобразцовыми методами по характеристикам твердости.

[2] Определение фактических свойств металла трубопроводов на основе измерения твердости: Учебное пособие - М.: РГУ нефти и газа, 2007

[3] Металловедение и термическая обработка стали: Справ. изд. - 3-е изд., перераб. и доп. В 3-х т. T. I. Методы испытаний и исследования / Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадт А.Г. М.: Металлургия, 1983. 352 с.

ЛИСТ РЕГИСТРАЦИИ ИЗМЕНЕНИЙ