Определение марки стали по химическому составу онлайн: Поиск сталей, сплавов, ферросплавов и чугунов

alexxlab | 17.01.1978 | 0 | Разное

Поиск сталей, сплавов, ферросплавов и чугунов



Поиск сталей, сплавов, ферросплавов и чугунов – Марочник сталей и сплавов

Поиск сталей, сплавов, ферросплавов и чугунов

Поиск по химическому составу материала

Область поиска   все материалы ферросплав сталь конструкционная сталь инструментальная сталь для отливок сталь, сплав жаропрочные сталь коррозионно-стойкая сталь специального назначения сталь электротехническая сплав прецизионный чугун алюминий, сплав алюминия бронза золото, сплав золота латунь магний, сплав магния медь, сплав меди никель, сплав никеля олово, сплав олова платина, сплав платины палладий, сплав палладия свинец, сплав свинца серебро, сплав серебра титан, сплав титана цинк, сплав цинка порошковая металлургия прочие металлы и сплавы материалы для сварки и пайки

Поиск по механическим свойствам материала

Область поиска   все материалы сталь конструкционная сталь инструментальная сталь для отливок сталь, сплав жаропрочные сталь коррозионно-стойкая сталь специального назначения сталь электротехническая сплав прецизионный чугун алюминий, сплав алюминия бронза золото, сплав золота латунь магний, сплав магния медь, сплав меди никель, сплав никеля олово, сплав олова свинец, сплав свинца серебро, сплав серебра титан, сплав титана цинк, сплав цинка

Поиск по твердости материала
Поиск по физическим свойствам материала

Область поиска   все материалы сталь конструкционная сталь инструментальная сталь для отливок сталь, сплав жаропрочные сталь коррозионно-стойкая сталь специального назначения сталь электротехническая сплав прецизионный чугун алюминий, сплав алюминия бронза золото, сплав золота латунь магний, сплав магния медь, сплав меди никель, сплав никеля олово, сплав олова свинец, сплав свинца серебро, сплав серебра титан, сплав титана цинк, сплав цинка

jpg” bgcolor=”#00BFFF”>

Марочник стали и сплавов.     К о н т а к т н а я   и н ф о р м а ц и я ©   2003 – 2021   Контент сайта защищен Авторским свидетельством № 7533 от 8.05.2003 г.     При использовании информации сайта гиперссылка на   “Марочник стали и сплавов ”  (splav-kharkov.com) обязательна Администрация сайта не несет ответственность за достоверность данных

по химическому составу, по цвету искры

Существует просто огромное количество различных вариантов исполнения стали, каждая марка характеризуется своими определенными особенностями. Если производитель не провел маркировку, то узнать особенности металла можно только при самостоятельном проведении различных тестов. Об этом далее поговорим подробнее.

Как определить марку стали

Методы определения марки стали

Довольно распространенным вопросом можно назвать то, как определить марку стали. Выделяют несколько распространенных методов:

1. Первый предусматривает снятие стружки с поверхности, для чего может использоваться зубило. При высокой концентрации углерода она будет короткой и ломкой. Снижение показателя становится причиной повышения пластичности. Однако, точно определить марку подобным методом не получится.
2. Второй метод предусматривает закалку изделия, после чего приходится проводить надпилы. Если до закалки и после материал пилится просто, то в составе небольшое количество углерода. За счет повышения концентрации углерода после обработки поверхность становится слишком твердым.
3. Определение марки стали по искре основывается на визуальном осмотре искр, которые образуются при обработке поверхности точильным кругом. С увеличением размеров искр и их количества повышается показатель твердости, который зависит непосредственно от концентрации углерода. Подобный тест не дает на точный результат, так как от силы нажатия и некоторых других моментов зависят основные характеристики отлетающей стружки. Можно встретить таблицы, по которым проводится расшифровка качеств материала по стружке.

Метод искровой пробы

Прибор для определения марки стали

Определить марку можно также по цвету образующихся искр. Для этого были составлены специальные таблицы. В домашних условиях провести тест можно только в случае правильного освещения. Однако, точно идентифицировать материал подобным образом нельзя. Вариант с легирующими элементами идентифицировать можно и по другим эксплуатационным характеристикам, к примеру, устойчивости к воздействию повышенной влажности или сильному магнетизму.

Общие понятия о марках стали

На территории СНГ применяемые стандарты обозначений характеризуются тем, что могут использоваться для указания основных элементов. При рассмотрении вопроса расшифровки марки отметим следующие моменты:

1. Часто проставляется сокращение «Ст». В других случаях и вовсе не ставится никаких сокращений, только цифры.
2. В большинстве случаев первая цифра указывает на концентрацию углерода. Последующие могут применяться для указания количества легирующих компонентов.
3. В состав могут включаться легирующие компоненты, которые существенно изменяют свойства материала. Примером можно назвать включение хрома, за счет чего повышается устойчивость к воздействию повышенной влажности.

Классификация сталей по назначению

Расшифровка маркировки проводится при использовании таблиц, в которых указывается обозначение химического элемента.

Маркировка сталей по международным стандартам и стандартам СНГ

Для того чтобы провести расшифровку марки можно использовать самые различные стандарты. Некоторые сплавы обозначаются определенными символами, которые указывают на предназначение металла.

Примером можно назвать нижеприведенные моменты:

1. Буква «Ш» применяется для обозначения металлов, которые применяются для изготовления подшипников. Они характеризуются повышенной устойчивостью к износу.
2. Качественные легированные заготовки обозначаются буквой «Л». Зачастую символ указывается в конце.
3. Для обозначения термоупрочненного проката применяется «Т».
4. Высокую коррозионную устойчивость заготовки определяют по букве «К».
5. Если в состав включается медь, то при указании марки используется символ «Д».
6. Инструментальные можно определить по букве «У». Они зачастую применяются при изготовлении различных инструментов, которые характеризуются высокой износоустойчивостью.
7. Символ «Р» указывается для обозначения сплавов, в состав которых включается вольфрам. Подобное вещество существенно повысить жаропрочность структуры.

Путем расшифровки марки можно определить то, какие химические элементы включены в сплав. Цифры в большинстве случаев указывают на концентрацию, символы тип сплава и конкретные химические элементы.

Европейская система маркировки сталей

Марки углеродистых сталей по ГОСТу и по международным стандартам ИСО

В заключение отметим, что в продаже встречается просто огромное количество изделий, во многих случаях марка проставляется производителем. Самостоятельно определить состав без использования специального оборудования практически невозможно.

Калькулятор и таблицы металла онлайн

СПРАВОЧНИК СТАЛИ

Сталью называют сплав железа с углеродом (до 2%)

По химическому составу сталь разделяют на углеродистую и легированную.

По качеству- на сталь обыкновенного качества, качественную, повышенного качества и высококачественную.

А – азот
Ю – алюминий
Р – бор
Ф – ванадий
В – вольфрам

К – кобальт
С – кремний
Г – марганец
Д – медь     М – молибден
Н – никель
Б – ниобий
Е – селен
Т – титан
У – углерод
П – фосфор
Х – хром
Ц – цирконий

Влияние легирующих элементов:

Никель

сообщает стали коррозионную стойкость, высокую прочность и пластичность, увеличивает прокаливаемость, повышает сопротивление удару.

Вольфрам

образует в стали очень твердые соединения- карбиды, резко увеличивающие твердость и красностойкость стали. Вольфрам препятствует росту зерен при нагреве, способствует устранению хрупкости при отпуске.

Ванадий

повышает твердость и прочность, измельчает зерно. Увеличивает плотность стали.

Кремний

в количестве свыше !% оказывает особое влияния на свойства стали: содержание 1-1.5% Si увеличивает прочность, причем вязкость сохраняется. При большем содержании кремния увеличиваются электросопроитвление и магнитопроницаемость. Кремний увеличивает также упругость, окалийность.

Марганец

при содержании свыше 1 % увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок, не уменьшая пластичности.

Кобальт

повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает сопротивление удару.

Молибден

увеличивает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, антикоррозионные свойства и сопроитвление окислению при высоких температурах.

Титан

повышает прочность и плотность стали, способствует измельчению зерна, улучшает обрабатываемость и сопротивление коррозии.

Ниобий

улучшает кислотостойкость и способствует уменьшению коррозии в сварных конструкциях.

Алюминий

повышает жаростойкость и окалийность.

Медь

увеличивает антикоррозионные свойства.

Церий

повышает прочность и пластичность.

Цирконий

позволяет получать сталь с заранее заданной зернистостью.

Лантан, церий, неодим

уменьшают пористость, способствуют уменьшению содержания серы в стали, улучшают качество поверхности, измельчает зерно.

Легированную сталь по степени легирования разделяют на низколегированную (легирующих элементов до 2,5 %), среднелегированную (от 2,5 до 10 %), высоколегированную (от 10 до 50 %). К высоколегированным относят:

    коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против электрохимической и химической коррозии; межкристаллитной коррозии, коррозии под напряжением и др.;

    жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения в газовых средах при температуре выше 50 °С, работающие в ненагруженном и слабонагруженном состоянии;
    жаропрочные стали и сплавы, работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Марки стали

Углеродистая сталь обыкновенного качества ГОСТ 380-94.

Область применения.

Углеродистая сталь обыкновенного качества предназначена для изготовления проката горячекатаного: сортового, фасонного, толстолистового, тонколистового, широкаполостного и холоднокатаного тонколистового, а также слитков, блюмов, слябов, сутунки, заготовок катаной и непрерывнолитой, труб, поковок и штамповок, ленты, проволоки, метизов и др.

Классификация.

Углеродистую сталь обыкновенного качества изготавливают следующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп,Ст4кп,Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп.

Буквы Ст обозначают сталь.

Цифры 0,1,2,3,4,5,6- условный номер марки в зависимости от химического состава. Увеличение номера означает повышение содержания углерода и временного сопротивления. Степень раскисления стали обозначается буквами после цифр:кп- кипящая;пс- полуспокойная;сп- спокойная.

Углеродистая качественная конструкционная сталь ГОСТ 1050-88. Общие технические условия.

Область применения.
Стандарт устанавливает общие технические условия для горячекатаного и кованого сортового проката из углеродистой качественной конструкционной стали марок 08,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,58 и 60 диаметром или толщиной до 250 мм а также проката калиброванного и со специальной отделкой всех марок.

В части норм химического состава стандарт распространяется и на другие виды проката, слитки, поковки, штамповки из стали марок, перечисленных выше, а также из стали марок 05кп, 08кп, 08пс, 10кп, 10пс, 11кп, 15кп, 15пс, 18кп, 20кп и 20пс.

Классификация.
Обозначение двумя первыми цифрами:08, 10,15 20 и т.д. до 60. Они показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Буквы кп и пс после цифр соответствуют кипящей и полуспокойной стали.

Качество поверхности:
1ГП – горячая осадка(испытание)
2ГП – для горячей обработки давлением
3ГП – для холодной механической обработки

Механические свойства:
М1 – в нормализованном состоянии
М2 – нагартованный или нормируемые механические свойства
М3 – с нормированными механическими свойствами
ТО – отожженный, высокоотпущенный

Твердость:
ТВ1 – без термической обработки
ТВ2 – нормируемая твердость
ТВ3 – нагартованный прокат

Сталь конструкционная низколегированная и легированная сталь.

    Низколегированная конструкционная повышенной прочности ГОСТ 19281-89
    Легированная конструкционная ГОСТ 4543–71
    Рессорно-пружинная ГОСТ 14959-79
    Коррозионностойкая, жаростойкая, жаропрочная ГОСТ 5632-72

Обозначение.
Первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Буквы за цифрами указывают присутствие легирующих элементов, а цифры после букв обозначают содержание легирующих элементов в процентах (35Г2, 30Х2)
Если содержание легирующих элементов менее 1,5%, то цифра отсутствует (50Х, 15ХР).

Классификация.
Согласно ГОСТ 4543-79:
Буква А в конце обозначений марок указывает, что сталь высококачественная (15ХА,20ХН3А)
Буква Ш – особовысококачественная

Группы качества поверхности:
1 – горячая осадка
2 – горячая обработка давлением
3 – для механической обработки

По состоянию материла:

    Без термической обработки
    Термически обработанный – Т
    Нагартованный – Н

Углеродистая инструментальная ГОСТ 1435-74. Обозначение. Буквой У и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в десятых долях процента (У7, У10) Буква А после цифр обозначает, что сталь высококачественная (У8А) Легированная инструментальная сталь ГОСТ 5950-73. Обозначение. Первые цифры указывают среднее содержание углерода в десятых долях процента, если оно более 0,1 % (9Х1, 9ХС) Цифры, стоящие после букв, обозначающих легирующий элемент. Показывают его среднее содержание в процентах (Х12, 8Х3) Конструкционная повышенной и высокой обрабатываемости резанием ГОСТ 1414-75. Обозначение. Буквой А и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (А12)

Подшипниковая ГОСТ 801-78. Обозначение. Буквами ШХ и цифрами, показывающими содержание хрома в десятых долях процента.Буквы после цифр показывают наличие дополнительных легирующих элементов 9ШХ15СГ

Направления исследования (цели, задачи) – Южно-Уральский государственный университет

Цели исследования:

Эффективных технологий в металлургии, обеспечивающих использование комплексных руд, возможность производства качественных сталей и сплавов на основе требований к их физико-механическим свойствам и химическому составу.

Получение материалов с уникальными свойствами, повышение качества продукции и эффективности металлургического производства на основе исключения затратных переделов.

Создание эффективных энергоблоков, линий электропередач, автома-тизированных систем управления энергоресурсами в металлургии.

Направления:

1. Направление «Выращивание монокристаллических материалов»

Основная работа направлена на получение и изучение свойств магнитных и пьезоэлектрических монокристаллов.

2. Направление «Построение термокинетической диаграммы стали марки 80»

Сталь высокоуглеродистых марок широко используется при производстве канатов, пружин, высокопрочной арматуры и металлокорда. В последнее время среди производителей этих видов продукции наметилась устойчивая тенденция к переходу на марки стали с повышенным содержанием углерода. Сталь марки 70 традиционно используемая при производстве канатов и металлокорда все чаще уступает место стали марки 80, 85, а то и 90. Связано это с необходимостью повышения прочности получаемых изделий при снижении их массы. В связи с этим представляет большой практический интерес построение термокинетических диаграмм высокоуглеродистых конструкционных марок стали полученных на современном металлургическом оборудовании.

3. Направление «Разработка ресурсосберегающих технологий вяжущих, клеев и ячеистых жаростойких бетонов на основе высокоглиноземистых промышленных отходов»

Работы проводились по двум основным направлениям:

• ресурсосбережение в технологии высокоглиноземистых огнеупорных вяжущих и заполнителей на основе отходов металлургии;
• получение ячеистых жаростойких бетонов для высокотемпературной теплоизоляции, твердеющих в режиме самораспространяющейся экзотермической реакции, на основе высокоглиноземистых промышленных отходов.

4. Направление «Разработка новых способов противофлокенной обработки поковок и устранение водородного охрупчивания сталей»

5. Направление «Разработка состава высокопрочных сталей нового поколения для магистральных газопроводов»

6. Направление «Разработка новых материалов для авиакосмической промышленности и прогнозирование долговечности их эксплуатации и хранения»

7. Направление «Исследование и моделирование кинетики фазовых превращений в сплавах железа с целью оптимизации их составов и режимов термической обработки»

8. Направление “Формирование термохимически устойчивых систем при литье тугоплавких и химически активных сплавов”

Интерметаллидные титан-алюминиевые сплавы являются перспективным материалом для производства литых деталей авиационно-космической техники благодаря комплексу уникальных свойств – невысокой плотности, высокому сопротивлению окислению, ползучести, высокой удельной прочности и модулю упругости, сохраняющимся до температур порядка 850 °С.

Основная работа направлена на исследование процессов формообразования для литья интерметаллидных титан-алюминиевых сплавов на установке “Titancast” c применением комплекта оборудования для определения свойств сыпучих материалов и пористых тел и программно-технического комплекса для изготовления сложнопрофильных отливок с использованием СКМ ЛП “Procast” для моделирования гидравлических и кристаллизационных процессов в литейной форме.

Тестирование PMI (Positive Material Identification)

Тестирование PMI (Positive Material Identification) – это анализ материалов для определения химического состава металла или сплава на определенных (обычно нескольких) этапах производства сплава или установки сплава в процессе. Знание точного состава и марки сплава позволяет поставщикам, рабочим завода и другим ответственным сторонам в цепочке поставок компонентов соответствовать спецификациям сплава, выбранным с учетом их конкретных свойств, таких как термостойкость, коррозионная стойкость, долговечность и т.д. Правильный сплав в правильном месте важен в таких местах, как нефтеперерабатывающие заводы и химические заводы, потому что правильный сплав с правильными свойствами часто является единственным, что стоит между безопасной, эффективной работой и потерянным временем и доходом.

Марки нержавеющей стали различаются по химическому составу. Ключевые различия между различными марками заключаются в основном в количестве Fe (железо), Cr (хром), Ni (никель), Mo (молибден) и Cu (медь). Некоторые сорта сильно отличаются друг от друга и обладают разными свойствами; например, нержавеющая сталь серии 400 является магнитной, а нержавеющая сталь серии 300 – нет, по этому важно определить марку стали. Другие сорта более похожи с очень похожими свойствами, и гораздо труднее определить разницу между ними без помощи технологий. Например, 304SS содержит 18-20% Cr и 8-10,5% Ni, тогда как 316SS содержит 16-18% Cr и 10-14% Ni. Хотя эти сплавы очень близки по составу, они по-разному реагируют на коррозионные химические вещества и более высокие температуры, поэтому необходимо быть уверенным, что вы используете правильный сплав для предполагаемой работы.

В настоящее время большинство производителей сплавов, нефтеперерабатывающих заводов и других предприятий, ответственных за проверку марки сплава, используют технологию для быстрого и простого разделения различных марок нержавеющей стали. Наиболее распространенным, портативным и простым в использовании инструментом для этой цели является портативный анализатор XRF (рентгенофлуоресцентный). Эти инструменты очень точны при определении химического состава сплавов и, следовательно, их марки. Более того, они делают это в течение 5 секунд или меньше для большинства марок нержавеющей стали, без значительной пробоподготовки и безопасно. Они окупаются за счет уменьшения путаницы материалов и получения наилучшей цены за идентификацию лома, и им не требуется никакого повышения квалификации для работы. Оператора можно обучить его использованию в течение нескольких часов.

Необходимость тестирования PMI в нефтегазовой и нефтеперерабатывающей отраслях стала очевидна еще в 1992 году, когда OSHA постановило, что необходимо применять PSM или управление безопасностью процесса для особо опасных химических веществ (HHC), чтобы помочь избежать несчастных случаев, травм и смерти. Признавая необходимость в руководстве по повышению безопасности в отношении этих выбросов HHC, OSHA в 2007 году разработало инструктивный документ, описывающий конкретный протокол для реализации Национальной программы акцентов (NEP) в надежде снизить или устранить эти типы опасностей на рабочем месте на нефтеперерабатывающих заводах. и другие химические заводы.

Из-за неотъемлемой опасности анализа материалов, которые находятся в процессе, необходимо использовать неразрушающие приборы. Это испытание квалифицирует анализ как неразрушающий контроль или неразрушающий контроль. Неразрушающий контроль (NDT) показывает, что материал никоим образом не изменен и находится практически в том же состоянии, что и до испытания, без видимых следов или структурных повреждений, оставшихся после анализа. Лучшим инструментом для неразрушающего контроля, когда для оценки не требуется уровень углерода, является портативный XRF.

Но на моем материале уже есть штамп, указывающий на материал?

Смешивание материала, штамповка неправильного сорта, потеря документов или неправильное оформление документов – все это сценарии, которые происходили и продолжают происходить в металлургической промышленности. Это никогда не делается специально, но существуют обстоятельства, которые вызывают эти проблемы, вынуждая выполнять PMI на нескольких этапах доставки и использования.

В технологических трубопроводах, например, 41% крупнейших потерь в отрасли переработки углеводородов является прямым результатом отказов в системах трубопроводов. Один из наиболее эффективных способов предотвращения таких отказов – это проведение PMI, чтобы гарантировать соответствие спецификациям там, где необходимы коррозионно-стойкие сплавы, поскольку коррозия является одной из основных причин отказов трубопроводов.

Ручной пистолет XRF PMI может анализировать, идентифицировать и отображать сорт и состав материала менее чем за 5 секунд, не оставляя следов на материале или каким-либо образом разрушая образец.

PMI на каждом этапе: от склада до производства

Поскольку смешивание материалов может произойти на любой стадии процесса от производителя сплава до установки детали на нефтеперерабатывающем заводе, каждый нефтеперерабатывающий завод, химический завод, нефтехимический завод и т.д. Должен разработать программу проверки материалов, чтобы минимизировать это риск. Важно проверять каждый сплав и компонент несколько раз на каждом этапе; это известно как протокол 100% PMI. Программа проверки материалов / процесс PMI должны начинаться на складе поступающих материалов, где продукт может быть протестирован с помощью метода выборочной проверки PMI в рамках процесса получения. Помимо тестирования PMI, программа проверки материалов должна предоставлять полную и точную документацию, показывающую, какие материалы были протестированы и каковы были результаты.

Некоторые операторы заводов и нефтеперерабатывающих заводов исторически полагались на сертификаты состава или отчеты об испытаниях материалов от поставщиков; К сожалению, аудит и опыт показали, что эти методы менее чем на 100% надежны. Помимо отчетов, которые просто неточны, бывают также случаи, когда сертификаты состава или сертификаты анализа сопоставляются с неправильным материалом или просто отделяются от материалов, которым они соответствуют.

Затем необходимо выполнить PMI еще раз перед установкой новых компонентов, трубопроводов и т. Д. Для максимальной эффективности и безопасности должна быть внедрена программа 100% PMI (API 578), чтобы гарантировать, что каждая деталь устанавливается в среде с высокими требованиями к производительности. высокая температура, коррозия, высокое давление и т.д. соответствует требованиям, предъявляемым к требованиям окружающей среды.

Кроме того, может возникнуть необходимость в реализации программы PMI с обратной силой, в которой существующие трубопроводы и компоненты проходят контрольные испытания материалов в процессе производства. При оценке необходимости ретроактивной программы тестирования PMI и о том, как расставить приоритеты для трубопроводов и компонентов, подлежащих тестированию, необходимо учитывать несколько вещей, включая, помимо прочего:

• Вероятность смешения материалов во время предыдущего проекта и работ по техническому обслуживанию

• Возможные последствия отказа трубопровода или компонента

• Пожарный потенциал

• Токсичность

• Близость к другому оборудованию

• Близость к людям

• Температура

• Давление

• Размер потенциального выброса, если произойдет сбой

• Причина спецификации сплава

• Предыдущий опыт знания информации, касающейся непреднамеренной замены материалов или путаницы на рассматриваемом сайте.

• Замена углеродистой стали в системах из низколегированной стали

• Материалы прокладки

• Восприимчивость к сульфидированию

• Практика обслуживания

Источник:  What Is PMI? How to Do It?
URL:alloytester.com/what-is-pmi-testing

Методические указания к практической работеметодические указания

Практическая работа

 
Тема работы: «Углеродистые и легированные стали, свойства, маркировка и применение»
Цель работы: Научиться расшифровывать марки сталей, выбирать матери-алы на основе анализа их свойств для конкретного применения
Оборудование и материалы: Марочник сталей (онлайн), компьютерная программа «Справочник инженера»
Литература: 1. В.И.Онищенко, С.У Мурашко «Технология металлов и конструкционных материалов»
2. Рогачева Л.В. «Материаловедение»
Время: 2 часа

Порядок выполнения работы:
1.Изучить теоретическую часть, обратить внимание на маркировку сталей согласно ГОСТа.
2.Расшифровать марки сталей согласно индивидуального задания
3. Выписать из марочника сталей химический став стали, применение ее в машиностроении
4. По компьютерной программе «Инженерный справочник» определить механические свойств сталей, согласно задания
5.Составить отчет о работе
Общие сведения:

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества.

В зависимости от назначения стали делятся на три группы: А,Б,В. Буквы Б,В ставят перед обозначением и определяют группу стали, буква А не ставится в обозначении.
Стали А поставляются по механическим свойствам
Б- по химическому составу
В – гарантируются механические свойства и химический состав

Стали обозначают по ГОСТ 380-88 и обозначают буквами Ст, затем про-ставляют условные номера 0,1,2,3,4,5,6. чем больше условный номер тем выше содержание углерода.
Степень раскисления также указывают в маркировке буквами:
Сп – споскойная
Пс – полуспокойная
Кп – кипящая
Стали марок 1…4 изготавливают кп, сп, пс; марки 5 и 6 сп и пс

Стали группы А – применяют для малоответственных элементов кон-струкций, армирование железобетона
Стали группы Б – изготовление листа, горячекатанной проволоки, ленты
Стали группы В – судостроительный лист, гнутый профиль для вагонов, малонагруженные сварные конструкции, различную арматуру.
ПРИМЕР Ст3сп – углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества, группа А, условный номер 3, спокойная

Углеродистые конструкционные стали качественные.

Гост 1050-74 в марке стали указывают двухзначные цифры (08,10,15,35,45…70,85) цифры обозначают среднее содержание углерода в со-тых долях процента. Также проставляют буквы «КП» и «ПС» в спокойной ста-ли буквы не ставят. Стали могут быть с нормальным содержанием марганца или с повышенным. В последних ставят букву Г, например 60Г

Низкоуглеродистые стали (до 0,25%С)
Среднеуглеродистые стали (0,3…0,55)
Высокоуглеродистые стали (0,6…0,85%)

Низкоуглеродистые стали – для улучшения свойств применяют цемента-цию с последующей закалкой, поэтому их принято называть цементируемы-ми.(детали небольших размеров, работающих на износ при малых нагрузках – валики, втулки, оси, шпильки)
Среднеуглеродистые стали называют улучшаемыми, т.к их подвергают закалке с последующим высоким отпуском.
Высокоуглеродистые стали рессорно-пружинные (пружины клапанов двигатлей)
ПРИМЕР Сталь 45 – углеродистая конструкционная качественная сталь с содержанием углерода 0,45%

Автоматные стали

Автоматные стали хорошо обрабатываются на металлорежущих станках-автоматах, дают ломкую и короткую стружку. Для них характерны пониженная пластичность, поэтому их применяют для изготовления малоответственных деталей (крепежные детали) Изготовляют по ГОСТ 1414-75 – особенность таких сталей повышенное содержание серы и фосфора.
Обозначение- обозначают буквой А и цифрами, которые указывают со-держание углерода в сотых долях процента
НАПРИМЕР А12- автоматная сталь, содержащая 0,12%С
А40Г –автоматная сталь с содержанием углерода 0,40% и повышенным содержанием магния

Углеродистые инструментальные стали
Выплавляют по ГОСТ 1435-74. Их маркируют У7,У9,У10
У- означает углеродистая
Цифра – содержание углерода в десятых долях процента
Подвергают закалке и низкому отпуску . эти стали недорогие , хорошо обрабатываются резанием и давлением

У7…У9 – инструмент с ударными нагрузками (зубила, пилы топоры)
У10…У15 – инструмент который должен обладать высокой твердостью, но не испытывать при работе толчков и ударов (напильники, шаберы и др)

Легированные стали

Для обозначения марок стали принята буквенно-цифровая система.
Легирующие элементы обозначают буквами русского алфавита: X — хром, Н — никель, Г — марганец, С — кремний, Т — титан, В — вольфрам, М — молибден, Ф — ванадий, Ю — алюминий, К — кобальт, Ц — цирконий, Р — бор, Б — ниобий, Д — медь.
Некоторые марки обозначают условными буквами, характеризующими группу стали, например Р — быстрорежущая, Ш — шарикоподшипниковая, Е — магнитная, Э — электротехничес¬кая и т. п.
Для обозначения высококачественной легированной стали в конце мар-ки добавляют букву А.
Цифры, стоящие впереди марки, обозначают среднее содержание углерода: две цифры — в сотых долях процента, одна — в десятых долях процен-та; если впереди марки цифры не стоят, то углерода содержится примерно 1 %; цифры, стоящие после букв, обо¬значают среднее содержание данного леги-рующего элемента; если после букв цифры не стоят, то данного легирующего элемента содержится не более 1 %.
Например 30ХГСА – легированная конструкционная сталь с содержа-нием углерода 0,3%, хрома, кремния, марганца по 1%, высококачественная.
Задание для практической работы:
Расшифровать марки сплавов. Описать химический состав, свойства и применение, используя Марочник сплавов.

Вариант	Марки сталей
1	15 кп. БСт3, У11А, Ст1, 45
2	08, Ст4, 20Х, У8ГА,20пс
3	У8, Р12, 40ХН. БСт3, ШХ6
4	60Г, ВСт4, У8А, ВСт2пс, Р9К5
5	Ст5, 20кп, У8, БСт4, 08пс,60С2ХФА
6	БСт0кп, 30, У7ГА, ВСт2кп,Х9Г
7	10ХСНД, 65С2ВА, ВСт5, 45, У13,
8	ВСт3кп, 60Г, У10А, ШХ9, 08пс
9	БСт4пс, 65, У10,  20ХГМ, ХВГ
10	Ст3, 65Г, У10ГА БСт4, 110Г13Л

Отчет должен содержать цель работы, конспект, выполненное задание согласно задания и выводы о проделанной работе Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Что обозначает буква А в маркировках сталей

2. Содержание углерода в стали 08?.

3. Содержание углерода в стали ХВГ

4. Обозначение легирующих элементов и их содержание в стали.

5. По каким признакам классифицируют стали?

Классификатор нержавеющих сталей по химическому составу

Классификация нержавеющих сталей – аустенитная, ферритная, дуплексная, мартенситная

Аустенитная нержавеющая сталь

Аустенитная нержавеющая сталь содержит большое количество  хрома и достаточное для образования «аустенитной» микроструктуры количество никеля и марганца, которые и придают этим маркам стали хорошую формуемость, пластичность и коррозионную стойкость (а также делают сталь немагнитной).
Типичный состав аустенитной стали содержит 18% хрома и 8% никеля, что соответствует популярной «нулевой» («0») марки, согласно определению Американского института чугуна и стали (AISI). Эта марка известна в России как AISI 304, DIN 1.4301 и соответствует российскому аналогу 08Х18Н9. Аустенитные марки стали отличаются высокой прочностью, имеют коррозионную стойкость в широком диапазоне агрессивных сред и отличаются хорошей технологичность и свариваемостью.

Ферритная нержавеющая сталь

Ферритные марки нержавеющей стали сходны по свойствам с низкоуглеродистой сталью, но обладают более высокой коррозионной стойкостью. Наиболее распространённые марки ферритной стали содержат в среднем 11% и 17% хрома. Первые обычно применяются в производстве выхлопных систем автомобилей, а вторые – в производстве кухонных приборов, стиральных машин, и архитектурного декора интерьеров.

Аустенитно-ферритная нержавеющая сталь (дуплексная)

Стали аустенитно-ферритного класса характеризуются высоким содержанием хрома (18-22%) и пониженным (экономным) содержанием никеля (4-6%, в отдельных случаях до 2%). Дополнительные легирующие элементы – молибден, медь, титан, ниобий. Химический состав этих сталей таков, что соотношение аустенита и феррита после оптимальной термической обработки составляет примерно 1:1. Этот класс сталей имеет ряд преимуществ по сравнению с аустенитным сталями: более высокая (в 1,5-2 раза) прочность при удовлетворительной пластичности и сопротивляемости действию ударных нагрузок, большая стойкость против межкристаллитной коррозии и коррозионного растрескивания. Они в основном используются в обрабатывающей промышленности, строительстве и в изделиях, контактирующих с морской водой.

Мартенситная нержавеющая сталь

Мартенситные, как и ферритные марки, содержат в среднем от 12% до 17% хрома, однако имеют более высокое содержание углерода. Эти стали применяют преимущественно в термически обработанном состоянии, часто с тщательно шлифованной, а иногда и полированной поверхностью. Они используются при производстве лопастей турбин, столовых приборов и бритвенных лезвий.

Методы определения химического состава сплавов

Определение точного химического состава сплавов чрезвычайно важно по ряду причин, например, может возникнуть необходимость проверить, что критический компонент изготовлен из правильного сплава, при испытании на заводе. сертификат недоступен или его действительность находится под вопросом.

Существуют сотни различных составов сплавов, каждый со своим набором специфических свойств. Некоторые сплавы одного и того же состава основного металла часто могут иметь очень разные наборы свойств.Одним из примеров этого является стойкость сплавов нержавеющей стали к коррозии под действием кислоты; некоторые стальные сплавы обладают высокой устойчивостью к определенным кислотам, а другие – нет. Выбор неправильного сорта может привести к внезапным и непредсказуемым сбоям.

Метод правильной идентификации сплава называется положительной идентификацией материала (PMI). Это общий термин для различных технологий и методов, используемых для определения состава сплава. PMI может определять как элементный состав (количественный), так и марку сплава (качественный).Существует множество различных методов, используемых для определения состава сплава, но два основных метода, используемых в индустрии PMI, XRF и OES, обсуждаются ниже.

Химический состав сплавов по данным рентгенофлуоресцентной спектроскопии (XRF)

Рентгеновская флуоресцентная спектроскопия или XRF – это метод PMI, который использует рентгеновские лучи низкой энергии для сканирования химического состава сплавов. Используется портативный прибор, который может определить состав сплава за секунды.

Рентгеновское излучение возбуждает атомы в образце, которые затем флуоресцируют, производя вторичное рентгеновское излучение, которое отражается на детектор.Энергию (или длину волны) этих отраженных рентгеновских лучей можно использовать для точного определения элементов, содержащихся в образце. Таким образом, состав сплава может быть определен устройством.

Следует отметить, что из-за сильного рассеяния рентгеновских лучей атомами металлов рентгеновские лучи проникают в легкие сплавы на глубину около 100 микрон. Эта глубина уменьшается по мере того, как сплавы становятся более плотными. Поэтому очень важно, чтобы поверхность материала представляла объемный материал.Любой вид покрытия на поверхности, такой как гальваническое покрытие, краска или поверхностное загрязнение, резко изменит результат сканирования.

Таблица 1 – Преимущества / недостатки XRF

Преимущества	Недостатки
Устройство легкое и простое в использовании	Может измерять только несколько сотен микрон в поверхности образца для легких сплавов и несколько десятков микрон для более тяжелых сплавов
Образец требует очень небольшой подготовки поверхности	Не все элементы могут быть обнаружены с помощью этого метода
Можно брать образцы небольших кусочков материала, например проволоки

Химический состав сплавов методом оптической эмиссионной спектроскопии (ОЭС)

Оптическая эмиссионная спектроскопия или OES – это метод PMI, который создает искру на образце в присутствии газообразного аргона.Искра возбуждает атомы в образце. Эти возбужденные атомы излучают свет на определенных частотах, которые затем используются для точного определения состава сплава. Измерения можно проводить без использования газообразного аргона в ущерб точности результата.

Одним из основных преимуществ OES является его способность измерять легкие элементы, которые не обнаруживаются XRF. Таким образом, OES – очень универсальный метод определения химического состава сплавов.

Таблица 1 – Преимущества / недостатки OES

Преимущества	Недостатки
Обнаруживает легкосплавные элементы	Система громоздкая, для получения точных результатов требуется аргон
	На материале остался след прожога
	Требуется значительная подготовка поверхности

Материалы, идентифицируемые PMI

XRF может идентифицировать до 90% элементов периодической таблицы, т.е.е. элементы тяжелее магния. Некоторые из типичных сплавов, которые можно идентифицировать по PMI, указаны ниже.

• Медные сплавы
• Алюминиевые сплавы
• Титановые сплавы
• Сплавы бронзы и латуни
• Хром-молибденовые сплавы
• Сплавы нержавеющей стали
• Никель-кобальтовые сплавы

XRF не может определить точный состав сплавов, содержащих элементы легче магния (включая литий, бериллий, бор, углерод, азот), например:

• Алюминиевые сплавы, содержащие литий
• Сплавы медные, содержащие бериллий
• Сталь низкоуглеродистая

Следует отметить, что, несмотря на то, что XRF неспособен обнаружить эти элементы, сплав иногда все же можно идентифицировать, идентифицируя другие легирующие элементы.

OES может идентифицировать все вышеперечисленное, включая сплавы, содержащие легкие элементы, такие как углерод, литий, бор и бериллий.

Маркировка металла | Rigaku Global Website

Точная идентификация металлических сплавов имеет решающее значение на протяжении всего жизненного цикла изделий из металлов. Поскольку технологии и материалы продолжают развиваться, обеспечение качества (ОК / КК) становится все более необходимым в промышленных приложениях. Легирующие элементы составляют основу состава металла и определяют его физико-механические свойства.Поэтому точная идентификация металлических сплавов важна для любой отрасли, связанной с производством, интеграцией, переработкой или повторным использованием изделий на основе металлов.

Идентификация металлических сплавов при переработке металлолома

Переработка лома сплавов – это крупная отрасль, оказывающая большое влияние на экономику и окружающую среду в мире, о чем свидетельствует рост и падение цен на металлы и сокращение природных ресурсов, необходимых для производства металлов. Центры переработки металлолома чаще всего являются основным источником усилий по переработке металла.Склады металлолома принимают изделия и компоненты на основе металлов из различных источников. Для получения максимальной прибыли предприятия по переработке вторичного сырья должны проверять элементный состав, чтобы точно разделить лом по маркам сплава, прежде чем он будет перепродан литейному или сталелитейному производству. Этот тип операции известен как сортировка лома сплава.

Подробнее о необходимости сортировки лома металлических сплавов.

Проверка металлических сплавов как часть программы обеспечения / контроля качества

Во многих отраслях промышленности требуется точная проверка металлических сплавов.В отраслях, где безопасность является критически важной, элементный состав всех металлических материалов, продуктов или компонентов должен быть проверен перед выпуском в производство или сборку. Нормативно-правовая политика и политика безопасности компании часто требуют повторной проверки марок сплавов после того, как продукт или компонент был изготовлен, установлен или находился на месте в течение определенного периода времени, чтобы гарантировать, что конкретный элементный состав не изменился из-за производственных процессов или факторов окружающей среды. .Примеры таких отраслей:

Необходимость проверки металлических сплавов

Положительная идентификация материала или PMI жизненно важна для процесса обеспечения / контроля качества компании. Независимо от отрасли, от компонента, проверка идентификации металлического сплава может спасти репутацию компании и спасти жизни. Неправильный металлический сплав, используемый в неправильном применении или установке, может вызвать немедленные проблемы или долгосрочный риск. Сообщается, что до 3% нежелательного материала попадет в критическое технологическое оборудование из-за ряда факторов.

PMI с портативным анализатором – отличный вариант для подтверждения сплава или типа больших партий материала, тестирования готовых компонентов, повторной сертификации материалов и оценки материалов, которые нельзя уничтожить или отправить в лабораторию.

На протяжении десятилетий производители пытались удовлетворить особые потребности инспекторов, менеджеров и прибывающего персонала QA / QC с помощью инструментов, которые на первый взгляд казались безопасными и простыми в использовании, но на самом деле были сложными и требовали большего вмешательства пользователя, чем ожидалось. .

Помня об этих ограничениях, Rigaku выпустила серию KT, чтобы удовлетворить эти уникальные требования к верификации металла. Оснащенный лазером вместо рентгеновской трубки, анализатор LIBS KT-100S дает рынку QA / QC безопасную и простую в использовании альтернативу существующим технологиям.

Анатомия портативного устройства для тестирования PMI:

Управление одной рукой.

Клавиши быстрого доступа

позволяют использовать необходимые функции для работы и оценки результатов одной рукой.

Одинарное нажатие на спусковой крючок к результатам

Никаких догадок или тренировок относительно того, как долго удерживать спусковой крючок, не требуется. Нажми на курок, отпусти и получишь результат.

Возможность ввода нескольких данных

Виртуальная клавиатура, заполненные раскрывающиеся меню, считыватель штрих-кода и макросъемка для удобного ввода ключевой информации, необходимой для подтверждения.

USB, подключение к Wi-Fi

Удаленный доступ к данным в любом месте сети Wi-Fi для получения отчета о проверке.Не нужно ждать подключения анализатора для загрузки данных, не нужно ждать выхода материала

Проверка бортовой системы

Проверка системы и нержавеющая сталь 316 для ежедневного документирования характеристик вашего анализатора.

Состав сталей

Типичный состав сталей AISI указан ниже. Фактический состав зависит от класса и сорта.

Сталь	C	Cr	Mn	Mo	Ni	P	S	Si
AISI 1018	0.14 – 0,20		0,30 – 0,90
AISI 1040	0,36 – 0,44		0,60 – 0,90
AISI 1095	0,90 – 1,04		0,30 – 0,50
AISI 4023	0.20 – 0,25		0,70 – 0,90	0,20 – 0,30		0,035	0,040	0,15 – 0,30
AISI 4037	0,35 – 0,40		0,70 – 0,90	0,20 – 0,30		0,035	0,040	0,15 – 0,30
AISI 4118	0,18 – 0,23	0,40 – 0,60	0,70 – 0,90	0.08 – 0,15		0,035	0,040	0,15 – 0,30
AISI 4140	0,38 – 0,43	0,80 – 1,10	0,75 – 1,00	0,15 – 0,025		0,035	0,040	0,15 – 0,30
AISI 4161	0,56 – 0,64	0,80 – 1,10	0,75 – 1,10	0,15 – 0,25		0,035	0.040	0,15 – 0,30
AISI 4340	0,38 – 0,43	0,70 – 0,90	0,60 – 0,80	0,20 – 0,30	1,65 – 2,00	0,035	0,040	0,15 – 0,30
AISI 5120	0,17 – 0,22	0,70 – 0,90	0,70 – 0,90			0,035	0,040	0,15 – 0,30
AISI 5140	0.38 – 0,43	0,70 – 0,90	0,71 – 0,90			0,035	0,040	0,15 – 0,30
AISI 8620	0,18 – 0,23	0,40 – 0,60	0,75 – 0,90	0,15 – 0,25	0,40 – 0,70	0,035	0,040	0,15 – 0,30
AISI 8640	0,38 – 0,43	0,40 – 0,60	0,75 – 1.00	0,15 – 0,25	0,40 – 0,70	0,035	0,040	0,15 – 0,30
AISI 8660	0,56 – 0,64	0,40 – 0,60	0,75 – 1,00	0,15 – 0,25	0,40 – 0,70	0,035	0,040	0,15 – 0,30

Отчет об испытаниях материалов FAQ | MTR Часто задаваемые вопросы и ответы

1. Что такое протокол испытаний материалов (MTR)?

Отчет об испытаниях материала (MTR), также известный как отчет об испытаниях на заводе, действует как сертифицированная запись физических и химических свойств материала.Эти качества необходимы для обеспечения надлежащего соответствия, отчетности и целей применения. Стандарты, такие как ANSI и ASME, требующие сертификатов MTR, гарантируют, что производители работают с материалами, подходящими для их предполагаемого назначения. Неспособность точно передать физические и химические свойства материала может привести к проблемам, которые могут привести к катастрофическому отказу или даже гибели людей. Вот почему MTR имеют решающее значение во время и после производственных процессов.

Другие общие названия для отчетов об испытаниях материалов включают:

• Сертифицированный отчет об испытаниях стана
• Отчет об испытаниях сертифицированных материалов
• Сертификация мельниц
• Сертификат испытаний стана
• Свидетельство об инспекции комбината
• MTC

2.Какую информацию содержит отчет об испытаниях материалов (MTR)?

Отчет об испытаниях материала может содержать различную информацию в зависимости от материала, к которому относится отчет. Например, в сталелитейной промышленности MTR может включать частично или полностью следующую информацию:

• Число плавок материала
• Марка материала
• Год выпуска и тип спецификации
• Размеры материала
• Механические свойства
• Химический анализ
• Термическая обработка (если применимо)
• Подпись сертифицированного инспектора

3.Что такое номер плавки / код плавки?

Номер плавки, также называемый тепловым кодом, является эталоном для куска металла. Он обеспечивает отслеживаемую запись партии, из которой была получена деталь. Этот номер используется поставщиками металла и производителями компонентов в качестве метода отслеживания. Таким образом, можно гарантировать качество и надежность металлов, используемых в различных производственных операциях и приложениях.

Число плавок считается единственным способом проследить путь стального или легированного листа, труб и труб до их MTR / MTC.Номер плавки лучше всего ассоциировать с номером производственной партии. Номер партии используется для идентификации производственного цикла или партии в качестве средства контроля качества. Этот процесс будет включать как минимум четыре элемента:

• Коды плавки стана
• Заказ материалов
• Коды нагрева производителя компонентов
• Метод сопоставления тепловых кодов завода с тепловыми кодами производителя

Нет единой структуры того, как количество плавок и соответствующая информация отображаются на материалах.Однако подавляющее большинство используют следующую структуру для обозначения характеристик и состава материала:

• Первая цифра соответствует номеру печи
• Вторая цифра указывает год плавления материала
• Последние три (а иногда и четыре) указывают номер плавки.

4. Как используются коды тепла / номера тепла?

Наиболее распространенная практика, используемая для отслеживания тепловых кодов, – это трафарет, запись или печать их на поверхности металла.Некоторые поставщики металла будут использовать более необычную практику включения трассирующих номеров. Производитель несет ответственность за отслеживание действий после доставки металла на производственный объект.

Этот код используется для отслеживания материала в производственной системе и обеспечивает конкретную прослеживаемость для клиентов. Это механизм контроля качества, который используется на каждом этапе цепочки поставок, от литейного производства до готовой продукции.

5. Что такое марка материала?

Уровень материала обычно обозначается буквенным кодом, последовательностью букв или комбинацией букв и цифр.В нем указывается цель использования и механические свойства, а также химический состав материала. Марка материала применяется ко всем формам металлов и сплавов.

6. Что такое механические свойства?

Механические свойства – это физические свойства, которые материал проявляет при приложении сил. Примерами механических свойств являются абсолютное значение упругости, прочности на разрыв, удлинения, твердости и предела выносливости.

7.Что такое химический анализ?

Химический анализ включает общепринятые качественные и количественные методы определения состава материала. Это включает хроматографию, гравиметрический анализ, анализ ICP, анализ OES, анализ SEM-EDS и анализ XRF.

8. Что такое термическая обработка?

Процессы термообработки изменяют физические и / или химические свойства материала. Это может включать нагрев или охлаждение, часто до экстремальных температур, для достижения желаемого результата.Это может включать в себя упрочнение или размягчение материала. Обычно используемые методы термообработки включают отжиг, поверхностное упрочнение, дисперсионное упрочнение, отпуск, науглероживание, нормализацию и закалку.

Отчет об испытаниях материалов важен по ряду причин. Документ распространяется на ряд физических лиц и компаний, использующих различное сырье и готовую продукцию. Например, металлическая кузница обычно должна включать MTR с любым необработанным металлом или сплавом, созданным на ее предприятии.Этот документ применяется к санитарным изделиям, инфраструктурным проектам и другим приложениям, где для обеспечения безопасности требуются особые составы и допуски.

MTR служит доказательством и справкой о том, что данный материал соответствует или превосходит стандарты, необходимые для применения.

MTR также будет служить отслеживаемой записью до исходного производителя материала, чтобы гарантировать качество и подотчетность в соответствии со стандартами ASME. Компании должны хранить эти записи в течение трех лет.Однако многие компании ставят свою репутацию на то, чтобы иметь всеобъемлющие программы качества и организовывать базы данных, предназначенные для составления и ведения тщательных записей MTR.

10. Как мне прочитать отчет об испытаниях материалов (MTR)?

Чтение отчета об испытаниях материалов (MTR) может быть пугающей задачей для тех, кто не часто взаимодействует с этими документами. К сожалению, не существует стандарта формата MTR. Документы MTR часто переводятся с другого языка, что делает процесс более запутанным.

При чтении отчета об испытаниях материалов (MTR) можно проверить физический и химический состав материала независимо от происхождения документа.

Как читать MTR / MTC – Шаг 1

Первоначальная проверка MTR начинается с физического осмотра материала в цехе или на складе. Номер плавки должен физически присутствовать и распознаваться на поверхности материала. Затем это число сравнивается с соответствующим MTR, чтобы убедиться, что они совпадают.Простые измерения поверхности и кромок еще раз подтвердят, что этот материал соответствует требованиям проекта на основе физических размеров и толщины.

Как читать MTR / MTC – Шаг 2

Дальнейшая проверка потребует от лица (лиц) ссылки на раздел стандартов ASME / ASTM / EN, применимый к их требованиям к материалам проекта. Найдите таблицу химического состава и сравните процентные значения в MTR с допустимым диапазоном в таблице. Наиболее часто включаемые элементы – это углерод (C), хром (Cr), медь (Cu), марганец (Mn), молибден (Mo), азот (N), никель (Ni), фосфор (P), сера (S). и кремний (Si).

Как читать MTR / MTC – Шаг 3

После анализа химического анализа найдите таблицу механических свойств, связанную с той же спецификацией. Выполните тот же процесс сравнения измеренных значений в MTR с допустимым диапазоном в разделе механических свойств. Общие механические свойства для анализа включают прочность на разрыв, твердость, результаты испытаний на удар по Шарпи и предел текучести.

При условии, что проверка этих трех компонентов дает удовлетворительные результаты, MTR может быть сохранен, оцифрован и назначен материалу, который затем очищается для перехода на следующий этап производственного процесса.

11. Что такое стандарты ASME?

Американское общество инженеров-механиков (ASME) – одна из старейших организаций по разработке стандартов в Америке. Организация разработала около 600 норм и стандартов, применимых ко многим техническим областям в широком спектре отраслей и приложений, включая крепеж, сантехническую арматуру, лифты, трубопроводы, а также системы и компоненты электростанций.

Процесс ASME исходит из комитетов профильных экспертов, использующих открытый, основанный на консенсусе процесс для разработки стандартов материалов, процессов и приложений.

Хотя стандарты ASME являются добровольными, государственные учреждения обычно используют стандарты ASME для достижения нормативных целей. Это не относится к юридически обязательным деловым контрактам. Организации, обладающие юрисдикционными полномочиями, также могут обеспечивать соблюдение стандартов в рамках местного законодательства. Сюда могут входить требования, установленные любым федеральным, государственным или местным правительственным учреждением.

Стандарты

ASME переведены на десятки языков и используются более чем в 140 странах. Организация насчитывает более 100 000 членов и ежегодно обучает более 5 000 человек.

12. Что такое стандарты ASTM?

Ранее известная как Американское общество испытаний и материалов, ASTM International превратилась в глобального разработчика добровольных согласованных стандартов. ASTM International создала более 12 000 стандартов, которые доступны для поиска по отраслям. В организацию входят более 30 000 добровольцев из более чем 140 стран мира.

Это открытая организация, которая поощряет участие профильных экспертов со всего мира.Стандарты ASTM способствуют регулированию в ряде отраслей, включая металлургию, строительство, нефть и потребительские товары.

Новые и развивающиеся технологии и отрасли, включая нанотехнологии, аддитивное производство и промышленную биотехнологию, обращаются к ASTM за помощью в стандартизации процессов и технологий.

Стандарты

ASTM необходимы при классификации и оценке любых материалов, химических, механических и металлургических свойств металлов.Стандарты направляют производителей продукции к правильным процедурам обработки и нанесения.

13. Что такое стандарты EN?

Европейские стандарты, переведенные с французского / немецкого как европейские нормы и сокращенно EN, представляют собой технические стандарты, разработанные и поддерживаемые тремя основными регулирующими органами:

Стандарты

EN – это документы, ратифицированные одной из вышеупомянутых европейских организаций по стандартизации (ESO). Каждая из этих организаций специализируется в разных сферах, и они регулярно сотрудничают по нескольким направлениям.

В соответствии с согласованными арендаторами организаций по стандартизации, EN (европейский стандарт) «несет с собой обязательство внедрить на национальном уровне, получив статус национального стандарта и отозвав любой конфликтующий национальный стандарт. ». В результате европейский стандарт (EN) становится национальным стандартом в каждой из 34 стран-участниц.

Эти стандарты остаются добровольными и свободными от юридических обязательств по их применению. То есть, если законы и правила не обеспечивают соблюдение стандартов иным образом.

14. Почему стандарты важны? Стандарты

имеют место практически в каждой организации и процессе, в котором люди ежедневно участвуют.

Стандарты

упрощают и упрощают различные аспекты повседневной жизни. Стандартизация гарантирует, что продукты, услуги и методы подходят для предполагаемого использования. Это гарантирует совместимость и совместимость продуктов и систем.

Стандарты необходимы для классификации и оценки материалов, химических, механических и металлургических свойств металлов.Они направляют производителей продукции к правильным процедурам обработки и нанесения.

Согласно CENCENELEC, «стандарты предоставляют людям и организациям основу для взаимопонимания и используются в качестве инструментов для облегчения коммуникации, измерения, торговли и производства. Стандарты повсюду и играют важную роль в экономике ».

15. Кто пользуется документами MTR?

Документ MTR используется компаниями, которые производят, распространяют и производят изделия из высококачественной стали и сплавов.Отрасли, которым может потребоваться MTR, включают:

• Автомобильная промышленность
• Строительство
• Аэрокосмическая промышленность и оборона
• Распределители труб
• Сервисные центры по металлу
• Металлические распределители
• Поставщики ПВФ
• Производители металлоконструкций
• Поставщики труб OCTG / труб
• Металлоцентры
• Производители клапанов
• Производители стали
• Поставщики труб / трубопроводные верфи
• Производители / дистрибьюторы крепежных изделий
• Механические цеха
• Изготовители / производители сосудов по ASME
• Подрядчики трубопроводов
• Дистрибьюторы из нержавеющей стали

Кто, что и почему из ССО

Дополнительная информация о MTR / MTC

Для получения дополнительной информации об отчетах об испытаниях материалов или для запроса демонстрации нашего настраиваемого программного обеспечения MTR свяжитесь с нами, заполнив и отправив форму ниже.

Выбор материала и спецификация продукции

Стальной материал поставляется в двух формах продукции – «плоский прокат» (стальной лист и полоса) и «сортовой прокат» (прокатные профили, открытые балки, уголки и т. Д. Или полые профили). Для использования в конструкции мостов эти изделия неизбежно разрезаются (по размеру и форме) и привариваются, один компонент к другому. В конструкции материал подвержен растягивающим и сжимающим усилиям. Конструкционная сталь обычно реагирует линейно-упругой до «предела текучести» и после этого обладает значительной способностью к пластической деформации перед разрушением.Все эти аспекты стального материала используются проектировщиком стального моста.

Выбор подходящей марки стали для моста требует знания процесса производства стали, понимания соответствующих стандартов на продукцию и проектных спецификаций, а также понимания ряда вопросов, включая свойства материала, доступность и стоимость. Эта статья предоставляет проектировщикам справочную информацию и конкретные рекомендации о том, как выбрать подходящую марку и качество стали, а также о том, как определяются конструкционные стальные изделия для моста в соответствии с Еврокодами для строительных конструкций.

Схематическая диаграмма напряжения / деформации для стали

[вверх] Свойства материала

[вверху] Общие

Материал

Сталь приобретает свои свойства благодаря сочетанию химического состава, механической обработки и термической обработки.

Химический состав является основополагающим для механических свойств стали. Добавление сплавов, таких как углерод, марганец, ниобий и ванадий, может увеличить прочность.Однако такие легирующие добавки увеличивают стоимость стали и могут отрицательно повлиять на другие свойства (например, пластичность, ударную вязкость и свариваемость). Сохранение низкого уровня серы может улучшить пластичность, а ударную вязкость можно улучшить за счет добавления никеля. Следовательно, химический состав для каждой спецификации стали был тщательно выбран для достижения требуемых свойств.

Щит управления толстолистового стана

Листы и профили изготавливаются путем прокатки стальных слябов, блюмов или заготовок (при высокой температуре) до достижения требуемого размера листа или профиля.Прокатка представляет собой механическую обработку, которая улучшает зернистую структуру и определяет механические свойства. Чем больше прокатывается стали, тем прочнее она становится. Этот эффект хорошо виден в стандартах на материалы, которые определяют снижение минимального предела текучести с увеличением толщины материала. Однако, хотя прокатка увеличивает прочность, она также снижает пластичность стали.

Эффект термической обработки лучше всего объясняется с помощью различных производственных процессов или режимов прокатки, которые могут использоваться при производстве стали, основными из которых являются:

• Сталь после прокатки
• Сталь нормализованная
• Сталь нормализованный прокат
• Сталь термомеханически прокатанная (TMR)
• Закаленная и отпущенная сталь (QandT)

Сталь охлаждается во время прокатки, и типичная температура окончательной прокатки составляет 750 ° C, после чего сталь остывает естественным образом.Сталь, произведенная по этому маршруту, называется «в прокатном состоянии». Структурные профили обычно достигают требуемых механических свойств благодаря этому эффективному производственному процессу, но листы обычно требуют дополнительной термообработки.

Нормализация – это процесс, при котором прокатанный лист снова нагревают примерно до 900 ° C и выдерживают при этой температуре в течение определенного времени, прежде чем дать ему возможность естественным образом остыть. Этот процесс уменьшает размер зерна и улучшает механические свойства, в частности ударную вязкость.Он делает свойства более однородными и устраняет остаточную деформацию качения.

Нормализованная прокатка – это процесс, при котором конечная температура прокатки превышает 900 ° C, а стали дают возможность естественным образом остыть. Это имеет такой же эффект на свойства, как и нормализация, но исключает процесс. Нормализованные и нормализованные прокатные стали обозначаются буквой «N».

Термомеханический прокат в стали использует более обедненный химический состав, который требует более низкой температуры окончательной прокатки 700 ° C для придания прочности до того, как сталь естественным образом остынет.Обратите внимание, что для прокатки стали при этих более низких температурах требуется большее усилие, и что свойства сохраняются, если повторно не нагреть сталь выше 650 ° C. Стальной термомеханический прокат обозначается буквой «М».

Процесс закаленной и отпущенной стали начинается с прокатанного листа, нагревается до 900 ° C и выдерживается при этой температуре, как при нормализации, но затем сталь быстро охлаждается или «закаливается» для производства стали с высокая прочность и твердость, но низкая вязкость. Прочность восстанавливается повторным нагревом до 600 ° C, поддержанием температуры в течение определенного времени и затем естественным охлаждением («отпуск»).Закаленная и отпущенная сталь обозначается буквой «Q».

Схематический график температуры / времени процессов прокатки

[вверх] Механические свойства

К механическим свойствам, имеющим особое значение для проектировщика моста, относятся:

[вверху] Свариваемость

Сварка элементов жесткости
(Изображение любезно предоставлено Mabey Bridge Ltd.)

Все конструкционные стали в основном поддаются сварке. Однако сварка предполагает локальный нагрев стального материала, который впоследствии охлаждается. Охлаждение может быть довольно быстрым, поскольку материал имеет большой «теплоотвод», а сварной шов (и подводимое тепло) относительно невелик. Это может привести к упрочнению «зоны термического влияния» и снижению ударной вязкости. Значимость этого эффекта возрастает с увеличением толщины пластины.

Склонность к охрупчиванию также зависит от легирующих элементов, в основном, но не исключительно, от содержания углерода.Эта восприимчивость может быть выражена как «углеродный эквивалент» (CEV). Стандарты на продукцию CEN (например, EN 10025-1 ^[1] ) дают выражение для определения этого значения и определяют обязательные пределы максимального CEV. Стандарты сварки (например, EN 1011-2 ^[2] ) укажут, какой предварительный нагрев, если таковой имеется, необходим для данного CEV, толщины материала и размера сварного шва.

[вверху] Защита от коррозии

Все конструкционные стали, за исключением атмосферостойкой стали, обладают аналогичной устойчивостью к коррозии.В открытых условиях они должны быть защищены системой покрытия. Нет особых требований к стальному материалу для обычных систем покрытий, включая как алюминий, так и металлический цинк. Однако, если сталь должна быть оцинкована, необходимо контролировать содержание сплава (особенно содержание кремния), этого можно достичь, просто указав, что сталь «пригодна для горячего цинкования погружением» (вариант 5 в EN 10025-1 ^[1] ).

• Нанесение покрытия
  (Изображение любезно предоставлено Mabey Bridge Ltd.)

• Мост из устойчивой к погодным условиям стали
  (Вестгейтский мост, Глостер.)

Атмосферостойкая сталь – это высокопрочная низколегированная сталь, которая в подходящих условиях образует прочную защитную «патину» от ржавчины, препятствующую дальнейшей коррозии. Скорость коррозии настолько мала, что мосты, изготовленные из неокрашенной атмосферостойкой стали, могут достичь проектного срока службы 120 лет при только номинальном техническом обслуживании.

[вверх] Требования к конструкции

EN 1993-2 ^[3] ), Раздел 3, Материалы, описывает требования к конструкционной стали для мостовых сооружений и содержит следующие разделы:

В стандарте EN 1993-2 ^[3] предполагается, что исполнение осуществляется в соответствии со стандартом EN1090-2 ^[4] , который включает разделы для спецификаций стальной продукции.

[вверх] Общие – Стандарты продукции

Вся новая конструкционная сталь для мостов должна производиться в соответствии с европейским стандартом CEN (EN). Эти стандарты на продукцию издаются в Великобритании BSI с кратким национальным предисловием (которое иногда вносит незначительные изменения в стандарт) и, следовательно, имеют обозначение BS EN перед номером ссылки. Следующие стандарты продукции CEN имеют отношение к стальным конструкциям мостов: EN 10025 (для плит и открытых профилей)

• Часть 2 ^[5] – Нелегированные конструкционные стали
• Часть 3 ^[6] – Мелкозернистые конструкционные стали (нормализованный / нормализованный прокат)
• Часть 4 ^[7] – Мелкозернистые конструкционные стали (термомеханический прокат)
• Часть 5 ^[8] – Погодостойкие стали
• Часть 6 ^[9] – Закаленная и отпущенная сталь

EN 10210-1 ^[10] (Для горячекатаных полых профилей) EN 10219-1 ^[11] (для холодногнутых полых профилей)

В системе обозначений CEN для стальных материалов все конструкционные стали имеют префикс «S».За этой буквой следует трехзначная ссылка, которая соответствует пределу текучести (в Н / мм ² ), а также различные другие буквы и цифры, которые указывают другие свойства или технологические маршруты. Сводка марок, доступных в этих стандартах, с пределом текучести до 460 Н / мм ² , приведена в Руководстве 3.01.

[вверх] Конструкционная сталь

[вверх] Предел текучести

Предел текучести, вероятно, является наиболее важным свойством, которое проектировщику необходимо будет использовать или указать.Достижение подходящей прочности при сохранении других свойств стало движущей силой развития современных процессов производства стали и прокатки.

В стандартах на продукцию CEN первичное обозначение относится к пределу текучести, например Сталь S355 – это конструкционная сталь с минимальным пределом текучести (R _eH ) 355 Н / мм ² . Цифра в обозначении – это значение предела текучести для материала толщиной до 16 мм. Конструкторам следует учитывать, что предел текучести уменьшается с увеличением толщины листа или профиля.Пример для обычных сталей согласно EN 10025-2 ^[5] приведен в таблице ниже.

Изменение минимального предела текучести (Н / мм ² ) при толщине

Марка стали	Номинальная толщина (мм)
	≤ 16	> 16 ≤ 40	> 40 ≤ 63	> 63 ≤ 80	> 80 ≤ 100	> 100 ≤ 150
S275	275	265	255	245	235	225
S355	355	345	335	325	315	295
S460	460	440	420	400	390	390

В Великобритании номинальные значения предела текучести (f _y ) для конструкционной стали и, следовательно, характерные значения, используемые в расчетных расчетах, получены путем принятия минимального предела текучести (R _eH ) ценности прямо из этих стандартов продукции.Сталь

S275 часто используется на железнодорожных мостах, где жесткость, а не прочность определяет конструкцию, или где усталость является критическим фактором при проектировании. Сталь S355 преимущественно используется в строительстве автомобильных мостов, поскольку она легко доступна и обычно обеспечивает оптимальный баланс между жесткостью и прочностью. Сталь

S460 может дать преимущества там, где критичен собственный вес или когда проектировщику необходимо минимизировать толщину листа. Однако использование таких сталей не дает никаких преимуществ в тех случаях, когда усталость, жесткость или нестабильность очень тонких элементов являются первостепенными соображениями при проектировании.Эти стали также менее доступны в Великобритании.

• Типичный железнодорожный мост из стали S275
  (Трент-Рэйл-Бридж, Гейнсборо)

Предел текучести выше 460 Н / мм ² доступен в соответствии с EN 10025-6 ^[9] , а дополнительные конструктивные требования для этих более прочных сталей содержатся в EN 1993-1-12 ^[12] . Соответствующее национальное приложение Великобритании (NA) ^[13] определяет минимальное отношение f _u / f _y , равное 1.10, а не рекомендованное значение 1,05 для этих сталей. Однако это более обременительное требование имеет ограниченную актуальность, поскольку f _u и f _y являются указанными значениями предела прочности на растяжение и предела текучести соответственно, а стали по EN 10025-6 ^[9] соответствуют этому более обременительному пределу.

[вверх] Требования к пластичности

Пластичность имеет первостепенное значение для всех сталей в конструкциях. Это мера степени, в которой материал может деформироваться или растягиваться между началом текучести и возможным разрушением под действием растягивающей нагрузки.Независимо от того, реализовано это или нет, проектировщик полагается на пластичность для ряда аспектов проектирования: перераспределение напряжения в предельном состоянии; конструкция болтовой группы; снижение риска распространения усталостной трещины; и в производственных процессах сварки, гибки, правки и т. д.

Схематическая диаграмма напряжения / деформации для стали

Пластичность имеет тенденцию к снижению с увеличением предела текучести.К счастью, этого эффекта недостаточно, чтобы повлиять на конструкцию большинства мостов. Пластичность стального листа или катаного профиля измеряется в зависимости от его поведения либо в плоскости (параллельно или поперек направления прокатки), либо перпендикулярно плоскости элемента.

Пластичность в плоскости
Требования к пластичности в плоскости стали, используемой в мостах в Великобритании, следующие:

• Отношение предела прочности на разрыв к пределу текучести (f _u / f _y ) ≥ 1.10
• Относительное удлинение при разрыве при стандартной пропорциональной измерительной длине ≥ 15%
• Отношение предельной деформации к пределу текучести (ε _u / ε _y ) ≥ 15

Вся сталь, соответствующая стандартам на продукцию CEN, указанным в разделе 3.1, соответствует этим требованиям, поэтому никаких дополнительных технических требований не требуется. для пластичности в плоскости.

Пластичность по толщине
Свойства стали, перпендикулярные плоскости элемента (часто называемые свойствами по толщине), отличаются от свойств в плоскости.Это особенно верно для пластичности, которая обычно ниже в направлении, перпендикулярном плоскости прокатки.

[вверх] Вязкость разрушения

Природа стального материала такова, что он всегда содержит некоторые дефекты, хотя и очень маленькие. Под действием растягивающего напряжения эти дефекты (похожие на очень маленькие трещины) имеют тенденцию открываться. Если сталь недостаточно прочная, «трещина» распространяется быстро, без пластической деформации, что может привести к разрушению. Это называется «хрупким разрушением» и вызывает особую озабоченность из-за внезапного характера разрушения.Прочность стали и ее способность противостоять такому поведению снижаются с понижением температуры. Кроме того, требуемая ударная вязкость при любой заданной температуре увеличивается с толщиной материала.

Образец для испытания на удар с V-образным надрезом по Шарпи
(Изображение любезно предоставлено Mabey Bridge Ltd.)

Удобной мерой ударной вязкости является испытание на ударную вязкость с V-образным надрезом по Шарпи (отсюда термин «ударная вязкость» широко использовался в прошлом).В этом испытании измеряется энергия удара (в Джоулях), необходимая для разрушения небольшого образца с надрезом одним ударом маятника. Испытания проводятся с образцами при указанных (низких) температурах, и стандарты продукции CEN определяют требуемые минимальные значения энергии удара для различных классов. См. Таблицу 1 в Руководстве 3.01.

В стандартах на продукцию CEN нет универсальной системы обозначений вязкости разрушения. В стандартах EN 10025: Часть 2 ^[5] и EN 10210-1 ^[10] и EN 10219-1 ^[11] используется двухсимвольный буквенно-цифровой код; Есть три разных кода, которые актуальны для мостов в Великобритании:

• Дж0: = 27 Дж энергия удара при 0 ° C
• Дж2: = 27 Дж энергия удара при -20 ° C
• K2: = 40 Дж энергия удара при -20 ° C

Стали по EN 10025: Часть 5 ^[8] имеют те же коды, но представляют две дополнительные более жесткие марки:

• J4: = 27 Дж энергия удара при -40 ° C
• J5: = 27 Дж энергия удара при -50 ° C

Стали по EN 10025: Часть 3 ^[6] и Часть 4 ^[7] и мелкозернистые стали по EN 10210-1 ^[10] и EN 10219-1 ^[11] могут относиться к одной из двух категорий ударной вязкости, при этом низкотемпературная категория обозначается кодом «L».

• _: = 40 Дж энергия удара при -20 ° C
• L: = 27 Дж энергия удара при -50 ° C

Стали по EN 10025: Часть 6 ^[9] (стали Q и T) могут иметь одну из трех степеней вязкости; две более низкотемпературные марки обозначаются кодами L и L1.

• _: = 30 Дж энергия удара при -20 ° C
• L: = 30 Дж энергия удара при -40 ° C
• L1: = 30 Дж энергия удара при -60 ° C

Требования к вязкости разрушения описаны в EN 1993-1-10 ^[14] и связанном с ним UK NA ^[15] .Процедура требует расчета эталонной температуры (T _Ed ), которая затем используется для определения максимально допустимой толщины стальной детали из набора табличных значений. Конечный результат зависит от следующего:

• Свойства стального материала (предел текучести и вязкость)
• Характеристики элемента (форма, детализация, концентрации напряжений и т. Д.)
• Расчетная ситуация (температура стали, напряжение и степень холодной штамповки)

«Случайная комбинация» воздействий, которая должна учитываться для этого расчетного случая, описана в EN 1993-1-10 ^[14] и расчетные эффекты выражаются в уравнении 2.1 как:

E _d = E {A [T _Ed ] + ΣG _K + ψ ₁ Q _K1 + Σ ψ _{2, i} Q _Ki }

Влияние эталонной температуры – это не напряжение, а склонность к хрупкому разрушению. Следствием других действий является напряжение в рассматриваемом компоненте. В этой комбинации эталонная температура считается «ведущим действием», а основное сопутствующее действие (Q _K1 ) берется за ее частое значение.Другие сопутствующие действия предпринимаются при их квазипостоянных значениях (которые в большинстве случаев равны нулю). Частные коэффициенты не применяются, поскольку это случайная проектная ситуация (см. EN 1990 ^[16] , пункт 6.4.3.3.)

Расчет эталонной температуры (T _Ed )
T _Ed = T _md + ΔT _r + ΔT _σ + ΔT _R + ΔT _έΔT +

• (T _md + ΔT _r ), рассматриваемые вместе, представляют собой минимальную эффективную температуру стальной детали и должны определяться в соответствии с EN 1991-1-5 ^[17] и связанным с ним UK NA ^{[18 ]} .
• ΔT _σ – поправка на относительный уровень напряжения, и ее следует принимать равной 0 ° C, поскольку UK NA ^[15] учитывает это при определении ΔT _R .
• ΔT _R – это запас безопасности, который определяется в соответствии с UK NA ^[15] следующим образом: ΔT _R = ΔT _RD + ΔT _Rg + ΔT _RT + ΔT _Rσ + ΔT _Rs
  • ΔT _RD – это корректировка для типа детали (UK NA ^[15] 2.1.1.2).
    
  • ΔT _Rg – корректировка для общих концентраций напряжений. (UK NA ^[15] 2.1.1.3).
    
  • ΔT _RT – это поправка на температуру испытания по Шарпи. (UK NA ^[15] 2.1.1.4).
    
  • ΔT _Rσ – корректировка для уровня приложенного напряжения. (UK NA ^[15] 2.1.1.5).
    
  • ΔT _Rs – поправка на класс прочности. (UK NA ^[15] 2.1.1.6).
• ΔT _έ – это поправка на высокие скорости деформации, которые могут возникнуть, если, скажем, транспортное средство ударится о мост.Однако сосуществование двух случайных воздействий (то есть минимальной температуры и ударной нагрузки транспортного средства) противоречит комбинации воздействий, указанной в EN 1993-1-10 ^[14] для определения вязкости разрушения. Следовательно, ΔT _έ обычно следует принимать равным 0 ° C. Тем не менее, есть аргумент в пользу применения ΔT _έ для деталей, особенно подверженных риску случайных ударных сил (например, краевые балки на палубах с нестандартной высотой высоты, т.е. менее 5,3 м)
• ΔT _έcf – это регулировка, учитывающая степень холодной штамповки.Это важно, поскольку типичные внутренние радиусы изгиба для холодногнутых профилей составляют 2x толщину, что приводит к деформации 20% и температурному сдвигу ΔT _έcf на -60 ° C. Это может исключить использование холодногнутого профиля.

Определение максимально допустимой толщины
После определения эталонной температуры следующим шагом является обращение к Таблице 2.1 стандарта EN 1993-1-10 ^[14] и расширение до более низких эталонных температур приведенные в таблице 1 PD 6695-1-10 ^[19] , чтобы определить максимально допустимую толщину для конкретной марки стали.

Примеры расчетов
Рассмотрим типичный многобалочный стальной композитный мостовой настил в Сканторпе и предположим, что он имеет покрытие 100 мм.

Минимальная температура наружного воздуха (UK NA ^[18] – Рисунок NA.1) = -14 ° C Регулировка по высоте над уровнем моря (EN 1991-1-5 ^[17] , A.1, примечание 2) = 0 ° C Преобразование для 120-летнего периода повторяемости (EN 1991-1-5 ^[17] , рисунок A.1) = x1,14
Следовательно, T _min = 1,14 x (-14 ° C – 0 ° C) = -16 ° С

Минимальная эффективная температура перемычки стальной части, Для настила типа 2 и T _мин = -16 ° C, как показано на рисунке 6.1 (EN 1991-1-5 ^[17] ), T _{e, min} = -12 ° C
Следовательно, (T _md + ΔT _r ) = -12 ° C

ΔT _R = ΔT _RD + ΔT _Rg + ΔT _RT + ΔT _Rσ + ΔT _Rs

Сварные детали на нижнем фланце типовой сборной пластины крепление поперечных ребер жесткости и (предварительная сборка) поперечных стыковых швов. Однако ни одна из этих «серьезных» деталей не описана в Таблице NA.1.
Следовательно, ΔT _RD = 0 ° C
Хорошо детализированная типовая пластинчатая балка вряд ли будет иметь какие-либо концентрации напряжений.
Следовательно, ΔT _Rg = 0 ° C
Регулировка температуры испытания по Шарпи применяется только к зданиям, поскольку использование стали при температурах более чем на 20 ° C ниже температуры испытания не допускается.
Следовательно, ΔT _RT = 0 ° C
Консервативно предполагаем, что напряжение нижней полки составляет 0,75f _y (t)
Следовательно, ΔT _Rσ = 0 ° C
Предположим, что марка стали S355
Следовательно, ΔT _Rs = 0 ° C
Следовательно, ΔT _R = 0 ° C

T _Ed = T _md + ΔT _r + ΔT _σ + ΔT _R + ΔT _έ + ΔT _έcf

.3 м), и что нет холодного изгиба нижнего фланца (т.е. ΔT _έcf = 0 ° C), и помня, что ΔT _σ = 0 ° C
Тогда T _Ed = -12 ° C

В результате проектных расчетов потребовался нижний фланец толщиной 55 м из стали марки S355. Так, для T _Ed = -12 ° C и со ссылкой на Таблицу 2.1 стандарта EN 1993-1-10 ^[14] максимально допустимая толщина составляет: J0 = 39 мм, J2 = 58 мм и K2 = 72 мм.
Следовательно, требуемое стальное земляное полотно J2

Упрощенная процедура приведена в Таблице 4 PD 6695-1-10 ^[19] .Это предполагает минимальную температуру воздуха -20 ° C, которая, как ожидается, будет охватывать большинство участков мостов в Великобритании, и игнорирует потери на излучение (ΔT _r ), что является консервативным для стальных композитных настилов.

Однако использование этой упрощенной процедуры в приведенном выше примере привело бы к требованию, чтобы стальное земляное полотно было K2, а не J2.

[вверх] Свойства по толщине

Предпосылки
Как упоминалось ранее, свойства стали, перпендикулярной плоскости элемента (часто называемой сквозной толщиной), отличаются от свойств стали в плоскости.

Природа производственного процесса такова, что любые включения или неоднородности в стали по существу «раскатываются», чтобы быть плоскими по протяженности и параллельными поверхности листа. В результате механические свойства в направлении сквозной толщины более подвержены влиянию таких включений или неоднородностей.

Существует два типа дефектов, влияющих на поведение по толщине:

• макродефекты – тонкие слои включений или несплошностей, простирающиеся по площади
• микродефекты – многочисленные очень мелкие включения или неоднородности.

Макродефекты называются «слоистыми» или «ламинарными дефектами». Наличие и степень таких дефектов можно проверить с помощью ультразвукового контроля, а уровни приемки указаны в EN 10160 ^[20] .

Микродефекты являются значительными, когда материал подвергается нагрузке по всей толщине, поскольку они могут привести к «ламеллярному разрыву», когда разрыв распространяется от одного включения к другому. Включения мелкие, поэтому их сложно обнаружить при ультразвуковом контроле.Однако их влияние можно оценить путем проведения испытаний на растяжение по толщине в соответствии с EN 10164 ^[21] .

Эти испытания на растяжение используются для определения пластичности стали по толщине и классификации ее по одному из трех уровней (Z15, Z25 или Z35). Буква «Z» просто указывает направление испытания на растяжение, то есть перпендикулярно плоскости «x-y» пластины. Числовое значение указывает на минимальное процентное уменьшение площади при разрушении небольших образцов для испытаний из пластинчатого материала.На высокую пластичность указывает высокий процент (например, Z35 соответствует 35% среднему уменьшению площади при разрушении).

Металлургический завод Сканторпа

Необходимость в стали марки Z
Улучшения в производстве стали за последние годы означают, что сталь с современных заводов стала намного чище и с меньшей вероятностью будет содержать значительные уровни микродефектов, чем в прошлом. Пластичность таких сталей по толщине достаточна для большинства применений и обычно эквивалентна материалам Z15 или Z25.Следовательно, в типичных хорошо спроектированных стальных конструкциях мостов не должно быть необходимости указывать сталь класса Z.

Сталь марки

может потребоваться там, где высокие нагрузки передаются через Т-образные или крестообразные детали, а также там, где требуются большие сварные швы на элементах, которые не допускают усадки. Инструктивная записка 3.02 содержит подробные рекомендации по ситуациям, когда сталь класса Z необходима для минимизации риска «разрыва пластин».

Однако требования, предъявляемые к стали класса Z, обычно носят очень локальный характер, и поэтому потребуются лишь небольшие количества.Кроме того, сталь класса Z более дорогая и менее доступная, чем обычная конструкционная сталь. Следовательно, лучше проектировать детали, которые не требуют использования стали с улучшенными характеристиками толщины, если это возможно. Тем не менее, если требуется сталь марки Z, она должна быть указана как «опция» (4) в EN 10025-1 ^[1] с точки зрения одного из трех «уровней» (Z15, Z25 или Z35) пластичность по толщине согласно EN 10164 ^[21] .

Какую степень Z указать?
EN 1993-1-10 ^[14] содержит численный метод определения требуемого класса Z в соответствии с размером сварного шва, типом детали и уровнем ограничения.Однако UK NA ^[15] указывает, что в этом нет необходимости. По мнению британских экспертов, этот численный метод чрезмерно консервативен, требует обширных расчетов и приведет к ненужной спецификации материала Z-класса. Вместо этого UK NA отсылает дизайнеров к документу BSI, PD 6695-1-10 ^[19] , который дает:

• Опции для производителя. Риск «ламеллярного разрыва» можно снизить, соблюдая определенные меры производственного контроля, такие как закупка материала на современном заводе, который, как известно, производит чистую сталь.
• Опции для конструктора. В PD говорится, что материал Z-класса не нужно указывать для ситуаций с низким и средним уровнем риска. Он рекомендует разработчикам указывать качество Z35 в соответствии с EN 10164 ^[21] только для ситуаций с высоким риском и определяет такие ситуации с высоким риском, как:
  • Тройники, t _z > 35 мм.
  • X (крестообразные) шарниры, t _z > 25 мм.
  • L (угловые) шарниры, t _z > 20 мм.

Где t _z – толщина входящей пластины для стыковых швов и угловых швов с глубоким проплавлением, а для угловых сварных швов t _z – размер горловины самого большого углового шва.

Определение t _z

[вверху] Допуски

Этот раздел в EN 1993-2 ^[3] просто устанавливает, что стальной прокат должен соответствовать допускам, указанным в соответствующем стандарте на продукцию, и что для готовых компонентов должны применяться допуски в EN 1090-2 ^[4] .

[вверху] Расчетные значения коэффициентов материала

Коэффициенты материалов, которые будут использоваться в расчетах конструкции стальных мостов, следующие:

• Модуль упругости, E = 210 000 Н / мм ²
• Модуль сдвига, G = 80,000 Н / мм ²
• Коэффициент Пуассона в упругой стадии, v = 0.3
• Коэффициент линейного теплового расширения = 12 x 10 ^-6 / ° C

Однако для расчета структурных эффектов разницы температур (вертикальный и горизонтальный градиенты температуры в поперечном сечении) в железобетонных композитных настилах мостов необходимо EN 1994-2 ^[22] , коэффициент линейного теплового расширения следует принимать равным 10 x 10 ^-6 / ° C.

[вверх] Наличие и стоимость стали

Общая доступность конструкционных стальных профилей для мостовых сооружений описана в следующих брошюрах по продукции British Steel и Tata Steel:

и следующие публикации ArcelorMittal:

[вверх] Наличие тарелок

Листы доступны в широком диапазоне размеров и марок материалов в Великобритании и могут быть получены либо непосредственно на заводе, либо у стального склада.

Преимущество получения листов непосредственно на стане заключается в том, что они прокатываются по заказу, в частности, до выбранного размера, что сводит к минимуму отходы и максимизирует конструктивную эффективность, поскольку доступна любая промежуточная толщина. Стеновые и фланцевые плиты обычно закупаются по этому маршруту, поэтому максимальная эффективность достигается за счет указания фактической толщины, требуемой в соответствии с расчетными расчетами. Округление до ближайших 5 мм не рекомендуется, так как это просто увеличивает стоимость металлоконструкций.Обычные размеры листов составляют от 5 мм до 200 мм толщиной, шириной до 3,5 м и длиной до 18,0 м.

Сталь со склада больше подходит для небольших партий и сокращает время выполнения заказа. Однако он будет дороже, а требуемый размер и качество могут быть недоступны. Важно отследить источник стали и получить соответствующие сертификаты прокатного стана. Типичные размеры материала показаны ниже, а толщина обычно указывается с шагом 5 мм. Пластины для ребер жесткости обычно закупаются у акционеров, поэтому толщину ребер жесткости следует округлять до ближайших 5 мм.

Типичные размеры стандартной пластины (мм)

4000 x 2000

5000 x 2500

6000 x 2000

6000 x 3000

8000 x 2000

9000 x 3000

10000 x 2500

12000 x 2500

• Плиты прямо с мельницы

• Таблички со двора акционеров

[вверх] Стоимость металлоконструкций

Стоимость изготовленных и смонтированных металлоконструкций в фунтах стерлингов / тонну сильно варьируется и зависит от ряда факторов, включая состояние рынка, марку стали, степень изготовления, расположение площадки, систему защиты от коррозии и доступ для монтажа. .Следовательно, для сравнения затрат на критических этапах разработки проекта рекомендуется, чтобы проектировщики связались с крупным подрядчиком по производству стальных конструкций, большинство из которых были бы рады проконсультировать по бюджетной смете.

[вверх] Характеристики продукта

[вверху] Общие

Стандарт исполнения стальных мостов, соответствующих Еврокодам, – EN 1090-2 ^[4] . Он включает требования, связанные с поставкой продукции, и ссылается на соответствующие стандарты продукции для их спецификации.EN 1090-2 ^[4] содержит множество положений, в которых могут быть указаны дополнительные требования или решения по дополнительным требованиям; некоторые из них относятся к металлопродукции. Различные проекты почти наверняка будут иметь разные спецификации исполнения, но для обеспечения единообразия во всей отрасли рекомендуется использовать стандартные спецификации, такие как Спецификация для дорожных работ ^[23] .

В следующих разделах описаны ключевые требования, касающиеся стальной продукции, которые указаны либо в EN 1090-2 ^[4] и его справочных стандартах, либо в Спецификации для дорожных работ ^[23] .Обратите внимание, что Спецификация Network Rail на стальные конструкции ^[24] содержит аналогичные требования.

[наверх] Идентификация, инспекционные документы и отслеживание

Необходимо вести запись об источнике и сертификатах испытаний для основных стальных конструкционных элементов, включая каждый фланец и стенку, для обеспечения прослеживаемости. Это требование реализовано в Спецификации дорожных работ ^[23] .

[вверх] Составляющие стальные изделия

[вверх] Общие

Выбранные марки стали соответствуют стандартам, перечисленным в EN 1090-2 ^[4] , и марка (и подкласс) должна быть указана на чертежах.

Руководство по спецификации компонентов натяжной планки доступно в Руководстве 4.05.

[вверху] Допуски по толщине

Для пластин обычно достаточно класса A согласно EN 10029 ^[25] , даже если указан класс исполнения 4. Класс A является значением по умолчанию в EN 10025-2 ^[5] , и его выбор подтвержден в Спецификации для дорожных работ ^[23] . Допуски по толщине в классе A увеличиваются с номинальной толщиной следующим образом:

Допуски по толщине в классе A согласно EN 10029 ^[25]

Номинальная толщина	Нижний допуск	Верхний допуск
≥ 8 <15	-0.5	+0,9
≥ 15 <25	-0,6	+1,0
≥ 25 <40	-0,7	+1,3
≥ 40 <80	-0,9	+1,7

[вверху] Состояние поверхности

Состояние поверхности проверяемого листа

Класс A3 (для пластин) и Класс C3 (для профилей) согласно EN 10163 ^[26] , как правило, подходят.

Хотя сталь проходит визуальный осмотр перед тем, как она покидает завод, обычно ее не подвергают струйной очистке, и на ней все еще остается прокатная окалина. Следовательно, поверхность, открытая после пескоструйной обработки, может иметь неровности поверхности, которые раньше не были видны. EN 10163 ^[26] определяет требования, относящиеся к состоянию поверхности, и относится к «дефектам» (неоднородности, которые могут быть оставлены без ремонта) и «дефектам» (дефектам, которые должны быть устранены).

Для плит класс A означает, что дефекты небольшой глубины допустимы, но дефекты, включая трещины, оболочку и швы, должны быть устранены (т.е. заточены). EN 10163 ^[26] определяет «небольшую глубину» и устанавливает ограничения на глубину и площади грунтовых ремонтов. Подкласс 3 означает, что ремонт сваркой не допускается. Это подходит для мостов, потому что не будет возможности контролировать место ремонта, который может закончиться в зонах повышенного утомления.

Дополнительную информацию о дефектах поверхности стальных материалов см. В Руководстве 3.05.

[вверху] Внутренние неоднородности

Места, где требуется класс качества внутренней неоднородности S1 (согласно EN 10160 ^[20] ), должны быть показаны на чертежах.Рекомендации относительно того, где это необходимо, даны в EN 1090-2 ^[4] , Спецификации для дорожных работ ^[23] , Руководстве 3.06, а также в примерах:

• Ширина полосы, в 4 раза превышающая толщину листа с каждой стороны сварного соединения в крестообразном соединении, передающая растягивающее напряжение через толщину листа.
• Ширина ленты в 25 раз превышает толщину стенки или полки с каждой стороны несущей диафрагмы, если она прикреплена сваркой.
• Ширина ленты в 25 раз превышает толщину пластины стенки с каждой стороны одностороннего элемента жесткости подшипника, если она прикреплена сваркой.

Класс S1 – это уровень приемлемости для макродефектов (называемых «расслоениями» или «ламинарными дефектами»), наличие и степень которых проверяется ультразвуковым контролем. Сканирование представляет собой непрерывное обследование по линиям 200-миллиметровой квадратной сетки, параллельной краю пластины. Если обнаруживается разрыв, определяется его размер. Допустимые пределы несплошностей (для класса S1) следующие:

• Отдельная несплошность: – Площадь ≤ 1000 мм ²
• Кластеры несплошностей: – 15 в наиболее населенном квадрате 1м x 1м (отдельные несплошности <100 мм ² игнорируются)

Также рекомендуется указывать класс неоднородности кромок E1 для кромок пластин, на которых выполняется угловая сварка будут нанесены на поверхность таких пластин.

Дополнительную информацию о дефектах поверхности стальных материалов см. В Руководстве 3.06.

[вверх] Примеры использования

[вверх] Список литературы

1. ↑ ^{1.0 1.1 1.2} BS EN 10025-1: 2004, Горячекатаный прокат из конструкционных сталей, Часть 1: Общие технические условия поставки, BSI
2. ↑ BS EN 1011-2: 2001, Рекомендации по сварке металлических материалов. Часть 2: Дуговая сварка ферритных сталей. BSI
3. ↑ ^{3.0 3,1 3,2} BS EN 1993-2: 2006, Еврокод 3: Проектирование стальных конструкций. Часть 2: Стальные мосты, BSI
4. ↑ ^{4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6} BS EN 1090-2: 2018, Выполнение стальных и алюминиевых конструкций. Технические требования к стальным конструкциям. BSI
5. ↑ ^{5,0 5,1 5,2 5,3} BS EN 10025-2: 2019, Горячекатаный прокат из конструкционных сталей, Часть 2: Технические условия поставки для нелегированных конструкционных сталей, BSI
6. ↑ ^{6.0 6,1} BS EN 10025-3: 2019, Горячекатаный прокат из конструкционных сталей, Часть 3: Технические условия поставки нормализованных / нормализованных прокатных свариваемых мелкозернистых конструкционных сталей, BSI
7. ↑ ^{7.0 7.1} BS EN 10025-4: 2019, Горячекатаный прокат из конструкционных сталей, Часть 4: Технические условия поставки термомеханического проката сварных мелкозернистых конструкционных сталей, BSI
8. ↑ ^{8,0 8,1} BS EN 10025-5: 2019, Горячекатаный прокат из конструкционных сталей, Часть 5: Технические условия поставки для конструкционных сталей с повышенной стойкостью к атмосферной коррозии, BSI
9. ↑ ^{9.0 9,1 9,2 9,3} BS EN 10025-6: 2019, Горячекатаный прокат из конструкционных сталей, Часть 6: Технические условия поставки плоского проката из конструкционных сталей с высоким пределом текучести в закаленном и отпущенном состоянии, BSI
10. ↑ ^{10,0 10,1 10,2} BS EN 10210-1: 2006, Готовые горячим способом полые профили из нелегированных и мелкозернистых конструкционных сталей. Часть 1: Технические требования к доставке. BSI
11. ↑ ^{11.0 11,1 11,2} BS EN 10219-1: 2006, Холодногнутые сварные конструкционные профили из нелегированных и мелкозернистых сталей. Часть 1: Технические требования к доставке. BSI
12. ↑ BS EN 1993-1-12: 2007, Еврокод 3 – Проектирование стальных конструкций. Часть 1-12: Дополнительные правила для расширения EN 1993 до марок стали S700. BSI
13. ↑ NA к BS EN 1993-1-12: 2007, Национальное приложение Великобритании к Еврокоду 3: Проектирование стальных конструкций. Часть 1-12: Дополнительные правила расширения EN 1993 до марок стали S700.BSI
14. ↑ ^{14,0 14,1 14,2 14,3 14,4 14,5} BS EN 1993-1-10: 2005, Еврокод 3: Проектирование стальных конструкций. Часть 1-10: Вязкость материала и свойства по толщине. BSI
15. ↑ ^{15,0 15,1 15,2 15,3 15,4 15,5 15,6 15,7 15,8} NA согласно BS EN 1993-1-10: 2005, Национальное приложение Великобритании к Еврокоду 3: Дизайн стальные конструкции.Часть 1-10: Вязкость материала и свойства по толщине. BSI
16. ↑ BS EN 1990: 2002 + A1: 2005, Еврокод – Основы проектирования конструкций. BSI
17. ↑ ^{17,0 17,1 17,2 17,3} BS EN 1991-1-5: 2003, Еврокод 1: Воздействие на конструкции. Часть 1-5: Общие действия – Тепловые воздействия. BSI
18. ↑ ^{18,0 18,1} NA согласно BS EN 1991-1-5: 2003, Национальное приложение Великобритании к Еврокоду 1: Воздействие на конструкции. Часть 1-5: Общие действия – Тепловые воздействия.BSI
19. ↑ ^{19,0 19,1 19,2} PD 6695-1-10: 2009, Рекомендации по проектированию конструкций согласно BS EN 1993-1-10. BSI
20. ↑ ^{20,0 20,1} BS EN 10160: 1999, Ультразвуковой контроль плоского стального проката толщиной 6 мм или более (метод отражения). BSI
21. ↑ ^{21.0 21.1 21.2} BS EN 10164: 2018, Стальные изделия с улучшенными деформационными свойствами перпендикулярно поверхности изделия – технические условия поставки.BSI
22. ↑ BS EN 1994-2: 2005, Еврокод 4 – Проектирование композитных стальных и бетонных конструкций. Часть 2: Общие правила и правила для мостов. BSI
23. ↑ ^{23,0 23,1 23,2 23,3 23,4} Руководство по контрактной документации для дорожных работ (MCHW). Том 1: Технические условия на дорожные работы. Конструкционные металлоконструкции серии 1800. Апрель 2021 г., TSO
24. ↑ NR / L2 / CIV / 140 / 1800C Технические условия на стальные конструкции, Network Rail, июнь 2016 г.,
25. ↑ ^{25.0 25,1} BS EN 10029: 2010, Горячекатаный стальной лист толщиной 3 мм или более. Допуски по размерам и форме. BSI
26. ↑ ^{26,0 26,1 26,2} BS EN 10163: 2004, Требования к поставке для состояния поверхности горячекатаных стальных листов, широких полос и профилей, BSI
    – Часть 1: Общие требования
    – Часть 2: Лист и широкий квартиры
    – Часть 3: Разделы

[вверх] Ресурсы

• Hendy, C.R .; Ильес, округ Колумбия(2015) Steel Bridge Group: Рекомендации по передовой практике в строительстве стальных мостов (6-й выпуск). (P185). SCI
• Стальные мосты: практический подход к проектированию для эффективного изготовления и строительства, 2010 г. (Публикация № 51/10), BCSA
  • Глава 2 Качества стали
• Ильес, округ Колумбия (2010) Проект композитного автомобильного моста. (P356, включая исправление, 2014 г.). SCI
  • Раздел 6.7 – Выбор марки стали.
• Листы технических данных на ассортимент продукции британских профилей, British Steel
• Celsius® 355 NH, техническое руководство, Конструкционные полые профили.2018, Тата Сталь
• Секции и бар торговцев, ArcelorMittal, 2020

[вверху] См. Также

[вверх] Внешние ссылки

Четыре метода анализа углерода в стали: какой из них лучше?

*

Выберите страну / regionUnited StatesCanadaAfghanistanAlbaniaAlgeriaAmerican SamoaAndorraAngolaAnguillaAntarcticaAntigua и BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBosnia и HerzegovinaBotswanaBouvet IslandBrazilBritish Индийский океан TerritoryBrunei DarussalamBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCape VerdeCayman IslandsCentral африканских RepublicChadChileChinaChristmas IslandCocos (Килинг) IslandsColombiaComorosCongoCongo, Демократическая Республика ofCook IslandsCosta RicaCote D’IvoireCroatiaCubaCyprusCzech RepublicDenmarkDjiboutiDominicaDominican RepublicEast TimorEcuadorEgyptEl SalvadorEquatorial GuineaEritreaEstoniaEthiopiaFalkland (Мальвинские) острова Фарерские IslandsFijiFinlandFmr Югославская Республика МакедонияФранцияФранцузская ГвианаФранцузская ПолинезияФранцузские Южные ТерриторииГабонГамбияГрузияГерманияГанаГибралтарГрецияГренландияГренадаГваделупаГуамГватемалаГвинеяГвинея-БисауГайанаГаити Херд и Макдональд IslandsHoly Престол (Ватикан) HondurasHong KongHungaryIcelandIndiaIndonesiaIran (Исламская Республика) IraqIrelandIsraelItalyJamaicaJapanJordanKazakstanKenyaKiribatiKorea, Корейские Народно-Демократической RepKorea, Республика ofKuwaitKyrgyzstanLao Народный Демократической RepLatviaLebanonLesothoLiberiaLibyan Arab JamahiriyaLiechtensteinLithuaniaLuxembourgMacauMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMicronesia, Федеративные StatesMoldova, Республика ofMonacoMongoliaMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarNamibiaNauruNepalNetherlandsNetherlands AntillesNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfolk IslandNorthern Mariana IslandsNorwayOmanPakistanPalauPanamaPapua Нового GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalPuerto RicoQatarReunionRomaniaRussian FederationRwandaSaint HelenaSaint Киттс и НевисСент-ЛюсияСент-Пьер и МикелонСамоаСан-МариноСао-Томе и ПринсипиСаудовская АравияСенегалСейшельские островаСьерра-ЛеонеСингапурСловацкий iaSloveniaSolomon IslandsSomaliaSouth AfricaSpainSri LankaSth Georgia & Sth Sandwich Институт социальных Винсент и GrenadinesSudanSurinameSvalbard и Ян MayenSwazilandSwedenSwitzerlandSyrian Arab RepublicTaiwan, провинция ChinaTajikistanTanzania, Объединенная Республика ofThailandTogoTokelauTongaTrinidad и TobagoTunisiaTurkeyTurkmenistanTurks и Кайкос IslandsTuvaluUgandaUkraineUnited арабских EmiratesUnited KingdomUruguayUS Minor Отдаленные IslandsUzbekistanVanuatuVenezuelaVietnamVirgin острова (Британские) Виргинские острова (U.S.) Острова Уоллис и Футуна Западная Сахара Йемен Югославия Замбия Зимбабве

Использование химических датчиков для контроля обработки расплавленного металла

Использование химических датчиков для контроля обработки расплавленного металла
Датчики для многофункционального применения: обзор Джеффри В. Фергус

---

Химические датчики могут предоставить ценную информацию об изменениях в составе расплавленного сплава при обработке.Информация в реальном времени эти изменения в составе могут быть использованы для оптимизации процесса для повышения эффективности или качество продукции. Существуют приложения, в которых химические датчики могут быть используется для улучшения контроля при обработке различных расплавленных металлов, в том числе сталь, алюминий и цинк. В некоторых случаях датчики доступны в продаже. и широко используется. Для других приложений датчики находятся в стадии разработки или слишком дорого.В этой статье рассказывается о текущем состоянии разработки сенсоров для некоторых Об этих приложениях и пойдет речь.

ВВЕДЕНИЕ

Оптимизация производственных процессов с использованием компьютерного управления алгоритмы требуют информации в реальном времени о различных параметрах процесса. Степень оптимизации процесса зависит от количества и качества. информации о процессе, поэтому улучшенное управление процессом может быть улучшено за счет разработки передовых датчиков.При обработке расплавленных металлов, одним из важных параметров является химический состав расплавленного металла. Взаимодействия между расплавленным металлом и атмосферой может изменить состав металл. В некоторых случаях нежелательные элементы, такие как кислород или водород, могут быть включены в расплавленный металл. В остальных случаях предпочтительная реакция определенных элементов с атмосферой может привести к непреднамеренным изменениям в состав сплава.Существуют противодействующие меры, чтобы исправить эти нежелательные изменения, но эффективность этих корректирующих мер требует информация в реальном времени о химическом составе сплава и окружающей среды Атмосфера. Разработаны химические сенсоры для контроля химического состава. при обработке расплавленных металлов. ^1-3

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Датчики на основе твердых электролитов имеют ряд преимуществ при обработке жидких металлов.Электропроводности твердых электролитов увеличиваются с повышением температуры, поэтому требуется высокая рабочая температура при обработке расплавленных металлов хорошо подходит для твердого электролита на основе датчики. Выход датчиков на основе твердого электролита определяется термодинамические свойства расплавленного металла и электрода сравнения, поэтому датчик не требует калибровки. Поддерживающая электроника относительно просто, поскольку на выходе электрохимического датчика d.c. Напряжение. В кроме того, твердые электролиты обычно представляют собой стабильные соединения, которые могут выдерживать суровая химическая среда в расплавленных металлах.

Ионная проводимость в данном твердом электролите обычно происходит через перенос определенного ионного точечного дефекта. Напряжение, генерируемое на электролит пропорционален логарифму концентрации подвижного видов, согласно уравнению Нернста.Например, оксидно-ионные вакансии подвижны в диоксиде циркония, поэтому электролиты на основе диоксида циркония могут использоваться для получения кислорода датчики. К счастью, электрохимические датчики не ограничиваются обнаружением вид, который подвижен в электролите. Равновесие между неподвижным виды и подвижные виды устанавливают концентрацию подвижных видов, который может генерировать измеримое напряжение, связанное с концентрацией неподвижного вида.Кроме того, дополнительная фаза (называемая вспомогательный электрод) может быть добавлен для обеспечения чувствительности к видам, которые отсутствует в электролите. Таким образом, можно сконструировать электрохимические сенсоры. для обнаружения широкого спектра видов путем разумного выбора электролита и электродные материалы.

Существует ряд приложений, в которых химические датчики могут повысить эффективность и качество продукции при обработке расплавленных металлов.В некоторых из них приложения, коммерческие датчики доступны и широко используются, в то время как в других необходимые датчики либо в настоящее время отсутствуют, либо их применение не рентабельно.

РАСТВОРИМЫЕ ГАЗЫ

Расплавленные металлы обычно обрабатываются на воздухе и поэтому могут вступать в реакцию с настоящим газы. Хотя воздух состоит в основном из азота, потому что оксиды обычно более стабильны, чем нитриды, два наиболее важных газа при переработке расплавленные металлы – это кислород и водяной пар.

Кислород в стали

Кислород, вступающий в реакцию с атмосферой, удаляется из расплавленной стали путем добавления алюминиевые или кремниевые сплавы, которые реагируют с кислородом с образованием оксидов. Определение оптимальное количество этих сплавов для добавления требует знания количества кислорода в стали, который обеспечивается кислородным датчиком. Самый успешный и широко используемым датчиком в расплавленных металлах является датчик кислорода в сталеплавильном производстве. ^4,5 Этот датчик кислорода основан на стабилизированном диоксиде циркония электролите. Ссылка электрод представляет собой смесь металла / оксида металла (чаще всего Cr / Cr ₂ O ₃ ), равновесие из которых устанавливает эталонное парциальное давление кислорода. Хотя датчики кислорода используются уже много лет, есть области для улучшения.

Рисунок 1.Схема кислородных датчиков для использование в расплавленной стали: (а) коммерческий одноразовый датчик, 5 (б) датчик с увеличенным сроком службы, изготовленный путем прессования электролита вокруг эталона. электрод, 6 (в) неизотермический датчик, в котором электрод сравнения имеет более низкую температуру, чем рабочий электрод. 8

Одна область для улучшения – это срок службы.Датчики тока используются для одного измерения а потом выбросили. Замена этих одноразовых датчиков датчиками с увеличенным сроком службы оба улучшили бы качество получаемых данных (т. е. непрерывные измерения можно было бы сделать) и снизить затраты. Один подход для продления срока службы современных кислородных датчиков были альтернативными технологиями изготовления, которые улучшить герметичность между электродом сравнения и расплавленной сталью. ⁶ На рис. 1б схематически показан кислородный датчик, в котором циркониевый электролит изостатически прижат к электрод сравнения.Эта конструкция обеспечивает улучшенное уплотнение для справки. электрод по сравнению с одноразовым датчиком, схематично показанным на рисунке 1а. Другой подход заключался в разработке неизотермического датчика, в котором электрод сравнения находится вне расплавленной стали (Рис. 1в). ^7-9 Это уменьшенное температура снижает требования к уплотнению электрода сравнения, но вводит дополнительное напряжение из-за разницы температур между двумя электродами.Однако это дополнительное напряжение может быть скомпенсировано расчетами. используя коэффициент Зеебека электролита или разумный выбор электрода сравнения. Другой подход к продлению жизни кислорода датчики должны использовать приложенное напряжение для электрохимического обращения вспять деградации ссылки. ¹⁰

Еще одна область для улучшения – расширение диапазона парциального давления кислорода. над которым датчик может быть использован.Стали с очень низким содержанием кислорода могут установить парциальное давление кислорода, достаточно низкое для значительных электронных проводимость должна происходить в диоксиде циркония. Значительная электронная проводимость в электролит может привести к ошибочному выходу датчика. Один подход к расширению предел низкого содержания кислорода заменяет диоксид циркония альтернативным электролитом, например, стабильное соединение перовскита, ⁹ который остается чистым ионным проводником для снижения парциального давления кислорода.Другой подход заключается в использовании двухслойной трубки, которая предотвращает электронную проводимость при сохранении удовлетворительной стойкости к тепловому удару. ¹¹

Водород в алюминии

Во время обработки расплавленного алюминия наиболее важным растворенным газом является водород, который образуется, когда алюминий вступает в реакцию с влагой с образованием оксида алюминия. и водород. ^12,13 Растворимость водорода в жидком алюминии намного выше, чем в твердый алюминий, поэтому растворенный водород может привести к пористости во время затвердевания.Для получения прочных отливок расплавленный алюминий часто необходимо дегазировать, чтобы удалить водород. Эффективность этих процессов дегазации можно повысить, используя измерение содержания водорода во время процесса в реальном времени.

В настоящее время существуют системы для измерения содержания водорода в расплавленном алюминии. в продаже. ^13,14 В наиболее распространенных системах инертный газ (обычно азот) проходит через зонд и над расплавленным металлом так, чтобы химическое равновесие между парциальное давление водорода в газе и концентрация водорода в может быть установлен расплавленный алюминий (т.э., по закону Зиверта). Пример затем газ транспортируется в анализатор, где измеряется содержание водорода. и затем связаны с количеством водорода, растворенного в сплаве. Несмотря на то что эти системы газа-носителя азота используются в промышленности, стоимость системы слишком высока для некоторых приложений. В ответ на потребность в более дешевом водороде сенсоров, проведены исследования по разработке недорогих твердотельных электрохимических датчики.

Прямой электрохимический датчик водорода должен проводить ионы водорода (т. Е. протоны). Исследователи модифицировали натрий-ионные проводящие материалы, так что они проводят протоны с образованием протонпроводящих электролитов. ^15-17 Однако некоторые из этих электролитов не выдерживают рабочих температур. в расплавленном алюминии. Кроме того, натрий часто присутствует в алюминиевых сплавах. и может мешать выходному сигналу датчика.Ну и дела ¹⁸ использовали гидридный электролит CaH ₂ с металлическим кальцием в качестве электролита в датчик водорода. Хотя датчик успешно измерил содержание водорода, трудности со стабильностью материалов ограничили дальнейшее развитие. ¹³ Другие исследователи использовали кислородно-ионные проводники для датчиков водорода. ^19-22 Однако выход датчика зависит от смешанного потенциала между водородом, кислородом, и водяной пар, что может вызвать затруднения при интерпретации и привести к вмешательство со стороны атмосферы.

Разработан новый класс протонпроводящих оксидов, обладающий потенциалом материалы для использования в датчиках водорода. Наиболее изученные из этих протонпроводящих оксиды основаны на церате стронция и бария. ²³ Жуйков ^24,25 недавно рассмотрены потенциальные протонпроводящие материалы для высокотемпературных применения и рекомендуемые церат бария, цирконат кальция и La ₂ M ₂ O ₇ as материалы, которые можно использовать при температуре выше 500 ° C.Цераты стронция и бария были используется в датчиках водорода. ^26-29 Однако из-за его превосходной стабильности в расплавленном алюминии цирконат кальция легированный индием получил наибольшее внимание для датчиков водорода для использования в расплавленных металлах. ^30,31 Помимо использования в датчиках водорода для расплавленного алюминия, ^32-34 цирконат кальция, легированный индием, использовался в датчиках водорода для других металлов, в том числе медь, ^35,36 медь-цинк, ^{, 36,} и серебро. ³⁶

Хотя большинство датчиков водорода используют газообразный водород в качестве эталона электрод, Zheng et al. использовали конденсированный электрод сравнения (Ca / CaH ₂ ). ^28,29 Электрод сравнения с газообразным водородом обеспечивает лучше определенный потенциал сравнения, но требует подачи эталонного газа к датчику. Краткая справка электрод устраняет это требование и может упростить конструкцию датчика, которая может снизить стоимость изготовления и повысить надежность.Однако окисление электрода сравнения Ca / CaH ₂ наблюдались даже в контролируемой лаборатории испытания, поэтому требуется дополнительная доработка для производства датчика, который достаточно прочный для промышленного применения.

Рис. 2. Схема протонпроводящего твердого электролита. датчик водорода на основе для использования в расплавленном алюминии. 32-34

Датчик твердого электролита аналогичен коммерческому носителю азота. датчик газа в том, что вместо прямого измерения концентрации водорода растворяется в расплавленном металле, парциальное давление водорода в газе, которое уравновешивается с металлом, измеряется. Однако, как показано на рисунке 2, в системе на основе твердого электролита (с эталоном газообразного водорода электрод), твердый электролит образует камеру для образца, которая непосредственно контактирует с расплавленным металлом.В системе газа-носителя азота образец газ должен транспортироваться от расплава к анализатору. Устранение этой необходимости для транспортировки измеряемого газа в датчике на основе твердого электролита упрощает систему и исключает возможные ошибки, связанные с процессом отбора проб. Хотя это может привести к повышению надежности и снижению стоимости, твердый датчик на основе электролита еще не достаточно зрел, чтобы конкурировать на коммерческой основе с системой газа-носителя азота.

КОНТРОЛЬ СПЛАВА

Химические датчики также могут использоваться для отслеживания и контроля легирующих добавок. Некоторые примеры приложений, в которых химические датчики для контроля сплава композицию можно использовать для повышения эффективности процесса или повышения качества продукции. описано в следующих разделах.

Утилизация алюминиевого лома

Одним из этапов утилизации алюминия является удаление магния технологическим процессом называется «размагничивание».” ³⁷ Магний удаляется из расплавленного алюминия путем впрыскивания газообразного хлора, который реагирует с расплавленным алюминием с образованием газа AlCl ₃ . Если присутствует магний в расплавленном сплаве MgCl ₂ образуется в результате обменной реакции с газом AlCl ₃ а затем всплывает на поверхность сплава, уменьшая концентрацию магния. в жидком алюминии. Как только концентрация магния снижается ниже определенного уровня MgCl ₂ больше не образуется, поэтому газообразный AlCl ₃ покидает расплавленный сплав.Помимо нежелательного выброса, образование AlCl ₃ приводит к в потере алюминия и чрезмерном использовании времени и энергии, что снижает эффективность процесса. Измерение концентрации магния в сплаве. во время этого процесса можно использовать, чтобы точно определить, когда концентрация магния достаточно низка для завершения процесса.

Рисунок 3.Схема датчиков магния для использования в расплаве алюминий: (а) расплав хлоридного электролита, содержащий пористую керамику пробка, 40 (б) расплав хлоридный электрод, пропитанный пористой керамикой, 41 (c) на основе твердого электролита. 48

Первые сенсоры магния были разработаны с использованием расплавленных хлоридных электролитов, ^38-41 который использовался для измерения химической активности магния в расплавленном алюминий. ^42-45 В недавнем заводские испытания, проведено 200 датчиков магния на основе расплавленного хлоридного электролита хорошо как в алюминиево-магниевых бинарных сплавах, так и в магнийсодержащих товарные сплавы. ⁴⁶ Хотя датчики, использующие расплавленные электролиты, были успешно разработаны, есть потенциальные улучшения за счет использования твердых электролитов. Твердые электролиты не требуется тигель для содержания электролита или фритты для отделения электроды из электролита, как это требуется для расплавленного электролита.Для Например, датчик, показанный на рисунке 3a использует пористую керамическую пробку для удержания расплавленного электролита. Дизайн может можно упростить, как сообщает Zhang et al., ⁴¹ пропиткой пористой керамики расплавленным электролитом (рис. 3б). Однако система дополнительно упрощается за счет использования твердого электролита, которые не потребовали бы пропитки (рис. 3в). Таким образом, датчик на основе твердого электролита состоит из меньшего количества компонентов и более простой конструкция, которая может снизить стоимость изготовления.

Сообщалось о датчиках с твердым электролитом, использующих b-оксид алюминия ⁴⁷ или MgF ₂ ⁴⁸ электролит. Датчик на основе b-оксида алюминия использует равновесие между магнием (растворенным в расплавленном алюминиевом сплаве), магнием оксид и оксид натрия (оба оксида растворены в b-оксиде алюминия) генерировать напряжение, соответствующее активности магния в расплавленном сплав.Включение оксида натрия в электродное равновесие приводит к выход датчика, при определенных условиях, подвержен влиянию примесей натрия в расплаве.

Хотя MgF ₂ является фторид-ионным проводником, для датчика магния не требуется дополнительных фаз, так как равновесие между магнием, растворенным в сплаве, и MgF ₂ электролит устанавливает парциальное давление фтора, которое создает ячейку Напряжение.Результаты этого датчика превосходно согласуются с результатами. для тех же двух электродов, использующих жидкие электролиты, и датчик реагирует быстро (за 1 минуту или меньше) к изменению содержания магния в сплаве. ⁴⁸ Использование небольших электролитических трубок (диаметром 3 мм) позволяет получить датчики, которые стойкость к термическому удару при вставке непосредственно в расплавленный алюминий и генерировать теоретическое напряжение в течение примерно десяти минут после установки. ⁴⁹ Датчик на основе MgF ₂ был протестирован в кремнийсодержащей среде. сплавов для оценки возможного взаимодействия этого обычного легирующего элемента с производительность датчика. ⁵⁰ На выходной сигнал датчика не повлияли небольшие добавки кремния в Al-Mg-Si. тройные сплавы.

Контроль микроструктуры

Еще одно применение химических датчиков при обработке расплавленных металлов – мониторинг концентрация легирующих элементов.Это особенно важно в случаях где добавлено небольшое количество химически активного или летучего легирующего элемента. В В таких случаях может происходить преимущественная потеря легирующего элемента, что может вызвать значительные изменения при небольшой начальной концентрации. Важный пример это эвтектическая модификация алюминиевых сплавов. Один метод контроля эвтектическая микроструктура, образующаяся при литье алюминия, должна добавлять небольшие количества натрия или стронция (данное литейное производство обычно использует стронций или натрий). ^51-55 Оба из этих элементов являются реактивными и могут предпочтительно окисляться или испаряться во время обработка. Кроме того, чрезмерное количество щелочных металлов может быть вредным. вызывая растрескивание кромок или горячую ломкость во время прокатки. ^56,57 Поскольку концентрация этих двух элементов имеет решающее значение для контроля микроструктура литья и концентрации могут изменяться в процессе обработки, стронций и датчики натрия были разработаны.

Натрий

Поскольку b-оксид алюминия является одним из наиболее распространенных твердых веществ электролиты, электрохимические датчики натрия на основе b-оксида алюминия электролит. ^58-63 Хотя в простейшем электрохимическом элементе в качестве эталона использовался металлический натрий. электрод, высокая летучесть и реакционная способность металлического натрия при температурах используемые для обработки расплавленного алюминия, затрудняют это.Следовательно, альтернатива электроды сравнения, такие как NaCl-Na ₂ CO ₃ ⁶⁰ и Na _0,75 CoO ₂ , ⁶⁰ был использован.

Датчик натрия предоставляет ценную информацию о фактическом содержании натрия. в сплаве, что может быть использовано для компенсации потерь натрия за счет предпочтительного испарение или окисление. Возможны дальнейшие улучшения этого процесса. с помощью электролитных ячеек из b-оксида алюминия для электрохимического добавить натрий к расплавленному алюминиевому сплаву. ⁶³ Это делается путем подачи на датчик напряжения, так что ионы натрия переносится из электрода сравнения в алюминиевый сплав. Поскольку b-оксид алюминия является чистым ионным проводником, ток через ячейку обеспечивает прямое измерение количества натрия, поступающего в сплав.

Оксидные электролиты чувствительны к воздействию кислорода и водяного пара давление, поэтому другие электролиты были исследованы.Один из примеров – датчик с использованием фторидного электролита (LaF ₃ ), ⁶⁴ который также использовался для измерения активности лантана в расплавленном алюминии. ⁶⁵ Поскольку LaF ₃ не содержит натрия, смешанный фторид (NaLaF ₄ ) требуется вспомогательный электрод для обеспечивают чувствительность к натрию. ⁶⁴ Хотя разработка этого сенсора на основе фторида далеко не так продвинута как сенсоры натрия на основе b-оксида алюминия, сенсоры на основе фторида или других неоксидных электролитов, потенциально может быть больше устойчивость к воздействию водяного пара по сравнению с оксидными электролитами датчики.

Стронций

Сообщалось о датчиках стронция для использования в расплавленном алюминии с использованием обоих оксидов. (стронций b-оксид алюминия) ⁶⁶ и фторид (SrF ₂ ) ⁶⁷ электролиты. В случае b-оксида алюминия стронция На основе датчиков натрий обменивается на стронций, так что электролит стронциево-ионный проводник. На базе SrF ₂ датчик использует равновесие между стронцием, растворенным в сплаве, и Электролит SrF ₂ для установления измеряемой парциальное давление фтора (т.е.е., аналог MgF ₂ на основе магниевый датчик, описанный ранее). Хотя простейший электрод сравнения будет чистый стронций, его реакционная способность и высокая температура плавления (относительно алюминий и магний) могут быть проблематичными для работы и стабильности датчика. Таким образом, использовалась смесь магний / MgF ₂ . в качестве электрода сравнения в SrF ₂ на основе датчик стронция.

Оба этих датчика стронция имеют аналогичные датчики магния (т. Е. B-оксид алюминия и на основе фтора), поэтому возможно взаимное влияние двух легирующих элементов. Магний можно добавлять в алюминиевые сплавы в относительно больших количествах (несколько процентов), поэтому магний, возможно, мог вступить в реакцию с оксидом стронция (в b-оксид алюминия) или SrF ₂ . Если фаза, содержащая магний (MgO или MgF ₂ ) должны были образоваться на рабочем электроде, датчик мог реагировать на магний, а не стронций, концентрация.Термодинамический анализ обеих систем показал, что обе фазы электролита должны быть стабильными даже при высоких уровнях магния в сплаве. ⁶⁸

Горячее цинкование стали

Горячее цинкование – это процесс, при котором покрытие цинком или цинковым сплавом наносится на стальной лист или проволоку путем пропускания листа или проволоки через расплавленный ванна из цинкового сплава. Хотя основной составляющей покрытия является цинк, небольшая легирующие добавки используются для контроля свойств и микроструктуры покрытие.

Алюминий

Самой важной легирующей добавкой, используемой при горячем цинковании, является алюминий. Добавки алюминия используются для контроля толщины / шероховатости покрытия, ^69-71 улучшить адгезию / пластичность покрытия, ^72-74 и уменьшить образование окалины, которое может ухудшить качество покрытия. ^75,76 Из-за его сильного воздействия на формирование покрытия содержание алюминия должно быть точно контролируемым. ^76,77 Поэтому были разработаны алюминиевые сенсоры.

Рис. 4. Схема алюминиевых датчиков для использования в расплаве. цинк: (а) датчик на основе расплавленного хлорида с коротким сроком службы, 79 (б) сенсоры на основе расплавленных хлоридов с длительным сроком службы, 79 (c) датчик на основе твердого электролита. 81-86

Наиболее разработанные алюминиевые сенсоры основаны на расплавленном хлоридном электролите, который содержит AlCl ₃ для обеспечения чувствительности к алюминию. ^78-80 Одноразовые и прочные (срок службы 1 неделя) датчики на основе расплавленных хлоридов имеются в продаже, но для некоторых приложений они не рентабельны. В процессе эксплуатации AlCl ₃ могут вступать в реакцию с водяным паром и испаряться, что может ограничить срок службы датчика.Чтобы свести к минимуму потери AlCl ₃ и удлинить датчик Срок службы, долговечные датчики включают трубку из b-оксида алюминия (в дополнение к хлоридному электролиту). Алюминий с коротким и долгим сроком службы датчики показаны на рис. 4а и рис. 4b. Оба датчика имеют керамическую трубку с выемкой, которая отламывается при датчик вставляется в расплав и используется более низкая плотность хлорида чтобы содержать электролит.

Исследователи разработали алюминиевые сенсоры на основе твердых электролитов, поскольку такие датчики могут иметь более простую конструкцию (как показано на рис. 4c) и более длительный срок службы, что может повысить рентабельность датчик.Датчики, использующие электролиты на основе диоксида циркония с Al ₂ O ₃ о вспомогательном электроде не сообщалось. ^81-83 Одной из проблем с датчиком из алюминия на основе диоксида циркония является образование непрерывного Al ₂ O ₃ слой на поверхности электролита, что исключает трехфазный контакт (твердый электролит, вспомогательный электрод, расплав), необходимые для поддержания эталонного потенциал.Кроме того, низкое парциальное давление кислорода в расплавленном алюминии может приводят к электронной проводимости в электролите из диоксида циркония.

Алюминиевые сенсоры также были разработаны с использованием фторидных электролитов (SrF ₂ -LaF ₃ , ⁸⁴ CaF ₂ , ⁸⁵ и MgF ₂ ^86,87 ), которые остаются чистыми ионными проводниками в более восстановительных условиях по сравнению с цирконий.Все эти датчики на основе фторида используют AlF ₃ как вспомогательный электрод, и все они, как было показано, реагируют на концентрацию алюминия. В целом, время отклика и воспроизводимость твердого электролита на основе Датчики уступают датчикам электролитов на основе расплавов хлоридов. Тем не мение, Потенциал снижения стоимости изготовления и увеличения срока службы может привести к образованию твердого электролита. датчики на основе датчиков станут более экономичной альтернативой в будущем.

Сурьма

Другой легирующий элемент, используемый для контроля микроструктуры горячеоцинкованного металла. покрытия – сурьма. ^69,88,89 В частности, контроль концентрации сурьмы используется для контроля степени к которым на гальванизированном покрытии образуются крупные зерна (называемые блестками). Образование блесток может повлиять как на внешний вид, так и на свойства, например коррозию. стойкость и окрашиваемость покрытия.

Термодинамические измерения активности цинка в сплавах цинк-сурьма имеют был изготовлен с использованием расплавленного хлоридного электролита. ⁹⁰ Однако нет сообщений о подобных измерениях активности сурьмы. в сплавах цинк-сурьма, что труднее, потому что цинк более активен чем сурьма, и, таким образом, будет реагировать с материалами потенциальных электродов. Например, если оксид сурьмы использовался в качестве вспомогательного электрода с оксидно-ионной проводимостью электролита в сплаве цинк-сурьма, оксид сурьмы будет восстановлен за счет цинк с образованием оксида цинка, и тогда датчик будет реагировать на цинк, а не на сурьма.

Датчик сурьмы с электролитом на основе b-оксида алюминия не поступало. ^91,92 В датчике используется вспомогательный электрод NaSbO ₃ . обеспечивает чувствительность к сурьме и, как было показано, реагирует на сурьму концентрации от 0,02 мас.% до 1 мас.%.

Сообщается о другом датчике сурьмы, в котором используется электролит из диоксида циркония. ⁹³ Как упоминалось ранее, оксид сурьмы нестабилен в цинке.Следовательно, интерметаллид ZrSb ₂ использовался в качестве вспомогательный электрод. Выход клетки вызвал нернтианский ответ, который согласуется с предсказанным расчетами на основе термодинамических измерений активность цинка в сплавах цинк-сурьма. Однако срок службы датчика был ограничен из-за реакции вспомогательного электрода ZrSb2 с цинком с образованием цинк-циркониевые интерметаллиды.

ВЫВОДЫ

Химические датчики – ценные инструменты для повышения эффективности и качества контроль при переработке жидких металлов. Датчики кислорода в расплавленной стали наиболее успешный и широко используемый пример, и их использование будет расширяться в будущее по мере дальнейшего совершенствования датчиков. Другие датчики, например, водород Датчики для расплавленного алюминия и датчики из алюминия для расплавленного цинка, коммерчески доступны, но для некоторых приложений их стоимость непомерно высока.Кроме того, другие датчики, такие как датчик магния для расплавленного алюминия, показали себя многообещающими. в лабораторных испытаниях, но требует доработки для коммерциализации. Использование химических сенсоров в металлургической обработке будет по-прежнему расширяться по мере повышения производительности, надежности и рентабельности датчиков тока улучшаются и по мере разработки новых датчиков.

Список литературы

1.Д.Дж. Бой, «Использование твердых электролитов в качестве датчиков для расплавленных металлов», Твердый State Ionics, 86-88 (1996), стр. 1045-1054.
2. С. Ситараман и Д. Сичен, “Развитие и Применение электрохимических датчиков для обработки расплавленных металлов », Emerging Технологии разделения металлов II, изд. R.G. Баутиста (Варрендейл, Пенсильвания: ТМС, 1996), стр.317-340.
3. Д.Дж. Fray, “Потенциометрический Датчики газа для использования при высоких температурах, Mater. Sci. Tech., 16 (2000), С. 237-242.
4. E.T. Туркдоган и Р.Дж. Фруэн, «Обзор датчиков кислорода для использования в сталеплавильном производстве и равновесия раскисления», Can. Металл. Quart., 11 (2) (1972), стр. 371-384.
5. М. Ивасе и Ю. Васеда, “Недавние Разработки электрохимических датчиков кислорода, используемых в производстве чугуна и стали », High Temp.Матер. Proc. 7 (2-3) (1986), стр. 123-131.
6. W.L. Уоррелл и К. Лю, «Разработка датчика кислорода с увеличенным сроком службы для расплавов чугуна и стали», Solid State Ionics, 40-41 (1990), стр. 761-763.
7. T.H. Эцелл и К.Б.Олкок, «Неизотермический зонд для непрерывного измерения кислорода в стали», Solid State Ionics, 3/4 (1981), стр. 621-626.
8. K.T. Джейкоб и С.К. Рамасеша, “Конструкция электродов сравнения с температурной компенсацией для неизотермической гальваники. Датчики, “ Solid State Ionics, 34 (1989), стр. 161-166.
9. C.B. Alcock et al., “New Электрохимические датчики для определения кислорода, Solid State Ionics, 53-56 (1992), стр. 39-43.
10. Ф. Ли, З. Чжу и Л. Ли, «Новый способ продления срока службы датчика кислорода в расплаве», Solid State Ionics, 70/71 (1994), стр.555-558.
11. Q. Лю, “Развитие высокотемпературных электрохимических датчиков для металлургических процессов », Solid State Ionics, 86-88 (1996), стр. 1037-1043.
12. С. Шивкумар, Л. Ван, и Д. Апелиан, «Обработка расплавленным металлом передовых литейных алюминиевых сплавов». JOM, 43 (1) (1991), стр. 26-32.
13. М.М. Махлуф, Л. Ван, и Д.Апелиан, Измерение и удаление водорода из алюминиевых сплавов (Des Plaines, IL: AFS, 1998), стр. 29-38.
14. X.-G. Чен и др., “Сравнение Методы испытаний на водород для кованого алюминия », JOM, 46 (8) (1994), стр. 34–38.
15. Р. Паломбари и М. Кашиола, «Протонно-металлическая ионная проводимость в моноалкалаевых солевых формах a-циркония. Фосфат, Твердый State Ionics, 47 (1991), стр.155-159.
16. С.Ф. Чехаб и др., “Водород Датчик на основе связанного гидроксония, Solid State Ionics, 45 (3-4) (1991), стр. 299-310.
17. Дж. Гуленс и др., «Водород. Электролиз с использованием твердого протонного проводника NASICON, Solid State Ionics, 28-30 (1988), стр. 622-626.
18. Р. Джи, Д.Дж. Fray, “Мгновенное” Определение содержания водорода в расплавленном алюминии и его сплавах », Металл.Пер. B, 9B (1978), стр. 427-430.
19. Г. Лу, Н. Миура, Х. Ямазое, “Высокотемпературный датчик водорода на основе стабилизированного диоксида циркония и Электрод из оксида металла, датчики and Actuators B, 35-36 (1996), стр. 130-135.
20. Лу Г., Миура Н. и Н. Ямазоэ, “Датчик смешанного потенциального водорода, сочетающий оксидно-ионный проводник с Оксидный электрод “ J. Электрохим.Soc., 143 (7) (1996), стр. L154-L155.
21. Н. Хара, Д.Д. Макдональд, “Разработка датчика растворенного водорода на основе оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. с электролитами из благородных металлов », J. Электрохим. Soc., 144 (12) (год), стр. 4152-4157.
22. Y. Tan, T.C. Тан, “Характеристики” и моделирование твердотельного датчика водорода », J. Электрохим. Soc., 141 (2) (1994), стр.461-467.
23. Т. Норби, “Протонная проводимость”. в оксидах, Solid State Ionics , 40/41 (1990), стр. 857-862.
24. С. Жуйков, «Девелопмент» высокотемпературного датчика водорода на основе пирохлора протонопроводящего типа. Твердый электролит, Ceram. Eng. Sci. Proc., 17 (3) (1996), стр. 179-186.
25. С. Жуйков, «Водород. Датчик на основе нового типа протонопроводящего материала « Ceramic.Int. J. Водород Energy, 21 (9) (1996), стр. 749-759.
26. Х. Ивахара и др., Nernstian Датчик водорода на основе BaCeO ₃ , протонопроводящий Керамика, работающая при 200-900 ° C, “ J. Электрохим. Soc., 138 (1) (1991), стр. 295-299.
27. М. Чжэн и X. Чен, «Подготовка и электрохимические характеристики SrCeO ₃ на основе Протонный проводник, Solid State Ionics, 70/71 (1994), стр.595-600.
28. M. Zheng и X. Zhen, “SrCeO ₃ -Based Зонд для твердого электролита, определяющий содержание водорода в расплавленном алюминии, “ Solid State Ionics, 59 (1993), стр. 167-169.
29. М. Чжэн и X. Чжэнь, «Водород. Зонд с протонным проводником на основе SrCeO ₃ и Ca / CaH ₂ электрод сравнения “ Metall. Матер. Пер. B, 24B (1993), стр.789-794.
30. Т. Ядзима и др., “Протон” Проводимость в спеченных оксидах на основе CaZrO ₃ , ” Твердый State Ionics, 47 (1991), стр. 271-275.
31. Курита Н. и др., “Протон” Область проводимости цирконата кальция, легированного индием », J. Электрохим. Soc., , 142 (5) (1995), стр. 1552-1559.
32. Т. Ядзима и др., “Измерение содержания водорода в расплавленном алюминии с помощью протонпроводящего керамического сенсора », Keikinzoku, 42 (5) (1992), стр.263-267.
33. T. Yajima et al., “A New Датчик водорода для расплавленного алюминия, датчики and Actuators B, 13-14 (1993), стр. 697-699.
34. T. Yajima et al., “Application датчика водорода с использованием протонопроводящей керамики в качестве твердого электролита для Алюминиевое литье “ Solid State Ionics, 79 (1995), стр. 333-357.
35. Курита Н. и др., “The Измерение активности водорода в расплавленной меди с использованием оксидного протонного проводника », Металл.Матер. Пер. B, 27B (1996), стр. 929-935.
36. Н. Фукацу и др., «Водород Датчик расплавленных металлов до 1500 K, Solid State Ionics, 113-115 (1998), стр. 219-227.
37. B.L. Тивари, “Размагничивание Процессы переработки лома алюминиевых сплавов », JOM, 34 (7) (1982), стр. 54-58.
38. Д. Х. Де Янг, Дж. Б. Морленд, и Р. Мутарасан, “Контроль состава расплава в замкнутом цикле с помощью встроенного компьютерного управления”. Легирование, “ Light Металлы 1995, изд.Дж. Эванс (Варрендейл, Пенсильвания: TMS, 1995), стр. 840-850.
39. B.L. Тивари и Б.Дж. Хауи, «Электрохимический зонд для измерения концентрации магния в расплавленном алюминии», Патент США 4,601,810 (22 июля 1986 г.).
40. Б.Дж. Хоуи и Б.Л. Тивари, «Определение магния в расплавленном алюминиевом сплаве с помощью электрохимического Sensor, “ Light Metals 1989, ed. P.G. Campbell (Warrendale, PA: TMS, 1989), стр.895-902.
41. L Zhang et al., “Электрохимический Датчик для измерения содержания магния в расплавленном алюминии », J. Appl. Electrochem., 26 (3) (1996), стр. 269-275.
42. B.L. Тивари, “Термодинамический Свойства жидких сплавов Al-Mg, измеренные методом ЭДС », Metall. Пер. A, 18A (1987), стр. 1645-1651.
43. М.М. Цыплакова, Х.Л. Стрелец “Исследование термодинамических свойств системы магний-алюминий”. методом ЭМП », J.Applied Chem. СССР, 42 (11) (1969), с. 2354-2359.
44. Лукаченко Е. Погодаев, “Термодинамические функции жидких сплавов Mg-Al”, , Русский Металлургия (Металлы), 5 (1971), стр. 69-72.
45. G.R. Белтон и Ю.К. Рао, «Исследование активности гальванических элементов в жидких сплавах Mg-Al», Trans. Металл. Soc. AIME, 245 (1969), стр. 2189-2193.
46.J. Vangrunderbeek et al., «Непрерывный поточный мониторинг магния в алюминии», Light Металлы 1999, изд. К.Э. Эккерт (Warrendale, PA: TMS, 1999), стр. 1005-1009.
47. С. Лароз, А. Дюбрей, и А.Д. Пелтон, “Зонды с твердым электролитом для определения магния, кальция и стронция. из расплавленного алюминия “ Solid State Ionics, 47 (1991), стр. 287-295.
48. J.W. Фергус и С.Хуэй, «Датчик твердого электролита для измерения магния в расплавленном алюминии», Metall. Матер. Пер. B, 26B (1995), стр. 1289-1291.
49. J.W. Фергус, “Химикат” Датчики для использования в обработке расплавленных металлов, AFS Transactions, 98-22 (1998), стр. 125-130.
50. J.W. Fergus et al., “Аномальный Выход магниевого датчика », Mater. Sci. Tech., 13 (1997), стр. 533-536.
51. S.-Z. Лу и А. Хеллавелл, «Модификация сплавов Al-Si: микроструктура, термический анализ и механизмы». JOM, 47 (11) (1995), стр. 38-40.
52. Клоссет Б. и др., “Микроструктуры и свойства обработанных стронцием алюминиевых электропроводных сплавов », Легкие металлы 1996, изд. У. Хейл (Варрендейл, Пенсильвания: TMS, 1996), стр.737-744.
53. Д. Эмади и др., “Эффекты Sr-модификации на содержание водорода в расплаве и растворимость водорода в твердых и жидких сплавах Al-Si »в [52, с. 721-728.
54. F. Paray et al., Metallurgical Влияние стронция на деформируемые сплавы 6061 »в работе 52, С. 717-712.
55. P.C. Ван Вигген, “Гибкий” Стержень AlSr 10/15 “в ссылке 52, стр.755-759.
56. Д.Дж. Fray, “Возможные варианты использования” датчиков в алюминиевой промышленности », Mater. Sci. Tech., 3 (1987), стр. 61-65.
57. К.Дж. Сименсен и М. Нильмани, «Компьютерная модель для удаления щелочи из расплавленного алюминия» в справочнике. 52, с. 995-1000.
58. D.J. Fray, “Твердые электролиты” и анализ расплавленных металлов », Chem. Ind., (1992), стр. 445-448.
59. Д.Дж. Фрай и Р.Дж. Брисли, «Определение активности натрия в алюминиевых и алюминиево-кремниевых сплавах. Используя бета-оксид алюминия натрия, “ Metall. Пер. B, 14B (1983), стр. 435-440.
60. L. Zhang et al., Ссылка Электрод из простых гальванических элементов для разработки сенсоров натрия для использования в Расплавленный алюминий “ Металл. Матер. Пер. B, 27B (1996), стр.794-800.
61. P.C. Яо и Д.Дж. Бой, «Определение активности натрия в расплавленном 99,5% алюминия с использованием твердых электролитов», J. Appl. Electrochem., 15 (1985), стр. 379-386.
62. J.C. Dekeyser et al., “An Электрохимический датчик для расплавов алюминия, датчики and Actuators B, 24-25 (1995), стр. 273-275.
63. G. Doughty et al., B-Alumina для управления скоростью добавления натрия в алюминиевые сплавы, Solid State Ionics, 86-88 (1996), стр.193–196.
64. Q. Zhang, “На основе фтора Датчик натрия для использования в расплавленном алюминии », диплом магистра, Auburn. University, 1998.
65. X. Lisheng, S. Zhitong, и W. Changzhen, “Активность растворенного La в жидком Al”, Scand. J. Металл., 24 (1995), стр. 86-90.
66. A.J. Кирчнерова и А. Пелтон, “Зонд твердого электролита для стронция с использованием SrCl ₂ -AgCl / Ag Ссылка и термодинамическая оценка SrCl ₂ -AgCl Система, Solid State Ionics, 93 (1996), стр.165-170.
67. Д. Харди, «На фторидной основе Сенсор стронция для использования в расплавленном алюминии », диплом магистра, Auburn. University, 1998.
68. J.W. Фергус, “Датчики для Использование в системах, содержащих несколько химически активных металлов, “ Light Металлы 1999, изд. К.Э. Эккерт (Warrendale, PA: TMS, 1999), стр. 1131-1134.
69. Ф.А. Фасойину и Ф. Вайнберг, «Образование блесток в покрытиях из оцинкованной листовой стали», Metall.Пер. B, 21B (1990), стр. 549-558.
70. K.L. Лин и др., “Рост Поведение и коррозионная стойкость 5% -го покрытия Al-Zn », Коррозия, 49 (9) (1993), стр. 759-762.
71. Р. Гутенберг, Дж. Лайт, и Ф. Вайнберг, “Изменение концентрации Al и Pb в ванне оцинкованного листа”. Steel, Can. Metall. Quart., 29 (4) (1990), стр. 307-312.
, , 72. L.A. Rocha and M.А. Барбоза, «Микроструктура, кинетика роста и коррозионная стойкость горячеоцинкованных материалов. Zn-5% Al Coatings, Corrosion, 47 (7) (1991), pp. 536-541.
73. Y. Yoshitaka, M. Arai, и Т. Накамори, “Влияние Al в расплавленном цинке на прочность адгезии в отожженном цинковании”. Steel, Tetsu-to Nagane, 80 (8) (1994), стр. 67-72.
74. S.J. Makimattila et al., «Влияние интерметаллического слоя на адгезию горячеоцинкованного материала. Покрытие, Scripta Металл., 19 (2) (1985), стр. 211-214.
75. Х. Ямагути и Ю. Хисамацу, «Реакция образования окалины при непрерывном цинковании», Тецу-то Хагане, 60 (1) (1974), стр. 96-103.
76. В. Джаганнатан, “Emerging Технологии горячего погружения автомобильной листовой стали », JOM, 45 (8) (1993), стр. 48-51.
77. N.-Y. Тан, Рафинированный 450C Изотерма фазовой диаграммы Zn-Fe-Al, Mater.Sci. Tech., 11 (1995), стр. 870-873.
78. С. Ямагути и др., “Разработка алюминиевого датчика для ванны с расплавленным цинком с использованием композитного солевого электролита », CAMP-ISIJ, 4 (1991), стр. 669.
79. С. Ямагути, Н. Фукацу, и Х. Кимура, “Разработка сенсора из алюминия в цинковой ванне для непрерывного цинкования. Процессы », International Galvatech ’95 Conf. Proc. (Warrendale, PA: ISS, 1995), стр.647-655.
80. N. Qiang, N.Y. Tang, and Г. Адамс, “Применение датчиков Al в непрерывном цинковании”, Датчики и моделирование в обработке материалов, изд. С. Вишванатан, Р. Редди и Дж. К. Малас (Warrendale, PA: TMS, 1997), стр. 397-408.
81. С. Мацубара и др., «Определение содержания алюминия в расплавленном цинке по данным E.M.F. Метод с использованием твердого диоксида циркония Электролит, ISIJ International, 35 (5) (1995), стр.512-518.
82. T.C. Уайлдер “Методика «Определение концентрации металла в расплаве сплава», патент США 3,816,269. (11 июня 1974 г.).
83. С. Мацубара и др., «Определение алюминиевого сенсора для ванны с расплавленным цинком с использованием твердого электролита из диоксида циркония », Tetsu-to Hagane, 79 (2) (1993), стр. 180-186.
84. К. Б. Алкок и Б. Ли, «Электрохимический датчик для определения уровня определенного металла в металлах. и сплавы », У.Патент S. 5,256,272 (26 октября 1993 г.).
85. С. Мацубара и др., “Определение содержания алюминия в расплавленном цинке по данным E.M.F. Метод с использованием фторида кальция Твердый электролит », материалы Транзакции JIM , 36 (10) (1995), стр. 1255-1262.
86. J.W. Фергус и С. Хуэй, «Твердотельный алюминиевый датчик для использования в расплавленном цинке», датчики и моделирование в обработке материалов, изд.С. Вишванатан, Р. Редди, и J.C. Malas (Warrendale, PA: TMS, 1997), С. 929-935.
87. J.W. Фергус, “Статус” химических датчиков для горячего цинкования, JOM, 48 (9) (1996), стр. 38-41.
88. Ф.А. Фасойину и Ф. Вайнберг, «Топография поверхности оцинкованных покрытий из листовой стали», Кан. Металл. Quart., 32 (2) (1993), стр. 185-192.
89.С. Чанг и Дж. К. Шин, «Влияние добавки сурьмы на горячеоцинкованное покрытие», Коррозия, 36 (1994), стр. 1425-1436.
90. I.B. Рубин, К. Комарек, и Э. Миллер, “Термодинамические свойства и образование кластеров соединений в жидкости”. Цинк-сурьмянистые сплавы, Z. Metallkde., 65 (1974), стр. 191-199.
91. G.M. Kale, A.J. Davidson, и Д.Дж. Фрай, “Твердотельный датчик для измерения сурьмы в цветных металлах”, Твердый State Ionics, 86-88 (1996), стр.1101-1105.
92. Д.Дж. Фрай и Р.В. Кумар, «Метод измерения второстепенного элемента в расплавленном металле», патент США 5,192,404. (09 марта 1993 г.).
93. J.W. Фергус и С. Хуэй, Гальванический элемент на основе твердого электролита для измерения концентрации сурьмы в расплавленном цинке », J. Электрохим. Soc., 143 (1996), стр. 2498-2502.

Джеффри В. Фергус с материалами Научно-образовательный центр в Оберне Университет.

За дополнительной информацией обращайтесь к J.W. Фергус, Обернский университет, Образовательный и исследовательский центр материалов, 201 Росс Холл, Обернский университет, Алабама 36849; (334) 844-3405; факс (334) 844-3400; электронная почта [email protected]

---

Авторские права принадлежат The Minerals, Metals & Materials Общество, 2000

Прямой вопросы об этой или любой другой странице JOM на jom @ tms.орг.

.