Испытание сварного шва на статическое растяжение
При испытании определяют:
- • прочность наиболее слабого участка стыкового или нахлес- точного соединения;
- • прочность металла шва в стыковом соединении.
Определение прочности наиболее слабого участка стыкового и нахлесточного соединения. При испытании сварного соединения на статическое растяжение определяют временное сопротивление наиболее слабого участка.
Испытания проводят, как правило, на образцах, толщина или диаметр которых равен толщине или диаметру основного металла. При испытании сварного соединения из листов разной толщины более толстый лист путем механической обработки должен быть доведен до толщины более тонкого листа.
Форма и размеры плоских образцов для испытания стыковых соединений должны соответствовать рис. 6.14 или 6.15 и табл. 6.2.
Рис. 6.14. Форма и размеры плоских образцов для испытаний стыковых соединений на статическое растяжение
Рис. 6.15. Форма и размеры плоских образцов с рабочей частью для испытаний стыковых соединений на статическое растяжение
Допускается применение цилиндрических образцов типов I, II, III, IV и V. Разрешается применение образцов по приложению 3 к ГОСТ 1497-84.
При испытании материалов высокой прочности разрешается изменять конструкцию захватной части образцов.
Форма и размеры образцов для испытания стыковых соединений стержней должны соответствовать рис. 6.16 и табл. 6.3.
Утолщение шва должно быть снято механическим способом до уровня основного металла. При удалении утолщения разрешается снимать основной металл по всей поверхности образца на глубину
Таблица 6.2
Размеры образцов в мм
Толщина основного металла а | Ширина рабочей части b | Ширина захватной части образца Ь | Длина рабочей части образца/ | Общая длина образца L |
До 6 | 15 ± 0,5 | 25 | 50 | L=l+2h |
Более 6 до 10 | 20±0,5 | 30 | 60 | |
Более 10 до 25 | 25 ±0,5 | 35 | 100 | |
Более 25 до 50 | 30 ±0,5 | 40 | 160 | |
Более 50 до 75 | 35 ±0,5 | 45 | 200 |
Примечания: 1. Длину захватной части образца И устанавливают в зависимости от конструкции испытательной машины.
2. Размеры образца по толщине металла более 75 мм устанавливаются соответствующими техническими условиями.
Таблица 6.3
Размеры образцов в мм
Диаметр стержня d | Длина рабочей части образца/ | Общая длина образца L |
До 10 | 60 | L=l+2h |
Более 10 до 25 | 100 | |
Более 25 до 50 | 160 | |
Более 50 до 75 | 200 |
Примечания: 1. Длину захватной части образца L устанавливают в зависимости от конструкции испытательной машины.
2. Размеры образца по толщине металла более 75 мм устанавливаются соответствующими техническими условиями.
до 15 % от толщины металла или диаметра стержня, но не более 4 мм. Удаление основного металла с поверхности образца производят только с той стороны, с которой снимают утолщение шва или имеется уступ. Строгать утолщение следует поперек шва. Острые кромки плоских образцов должны быть закруглены радиусом не более 1,0 мм путем сглаживания напильником вдоль кромки.
Разрешается строгать утолщение вдоль шва с последующим удалением рисок.
По требованию, оговоренному в стандартах или другой технической документации, разрешается производить испытание образцов типов XII, XIII и XIV без снятия утолщения. В этом случае в формулу подсчета временного сопротивления (п. 34 ГОСТ 1497—84) вводят значение площади сечения образца вне шва.
Рис. 6.16. Форма и размеры плоских образцов для испытаний стыковых соединений на статическое растяжение при недостаточной мощности разрывной машины
При недостаточной мощности разрывной машины разрешается испытывать плоские (рис. 6.17) или цилиндрические (рис. 6.18, 6.19) образцы. Величину захватной части образцов h устанавливают в зависимости от конструкции испытательной машины.
Разрешается применение цилиндрических образцов с другими рабочими диаметрами и другим типом захватной части в соответствии с приложением 1 к ГОСТ 1497—84. Допускается проведение испытаний на образцах типов XII—XVII с более низким классом чистоты обработки при условии соответствия характеристик механических свойств испытываемого металла всем установленным требованиям.
Рис. 6.17. Форма и размеры плоских образцов с рабочей частью для испытаний стыковых соединений на статическое растяжение при недостаточной мощности разрывной машины: а — толщина основного металла, мм
Рис. 6.18. Форма и размеры цилиндрических образцов для испытаний стыковых соединений на статическое растяжение при недостаточной мощности разрывной машины
Рис. 6.19. Форма и размеры цилиндрических образцов с рабочей частью для испытаний стыковых соединений на статическое растяжение при недостаточной мощности разрывной машины
Рис. 6.20. Образцы для контроля прочности сварных соединений труб
Для контроля прочности сварных соединений труб применяют образцы, приведенные на рис. 6.20. В этом случае в формулу подсчета временного сопротивления (п. 34 ГОСТ 1497—84) вводят значение площади сечения трубы вне шва. В случае сплющивания концов трубы, если этого требует конструкция разрывной машины, расстояние от оси шва до начала сплющиваемого участка должно быть не менее 2D.
По требованию, оговоренному в стандартах или другой технической документации, испытание образцов типа XVIII проводится со снятым утолщением шва.
Максимальный диаметр трубы при испытании образцов типов XVIII и IX определяется мощностью оборудования для испытаний.
При недостаточной мощности разрывных машин разрешается при диаметре трубы более 60 мм производить испытание стыкового соединения труб на образцах типов XII и XIII. Образец не выправляют. Для этой же цели разрешается применение образцов типов I—V. Металл шва располагают посередине рабочей части образца (рис. 6.21).
Сварные соединения, выполненные точечной сваркой и электрозаклепками, испытывают на срез путем растяжения образца, приведенного на рис. 6.22, или на отрыв растяжением образца, приведенного на рис. 6.23. При испытании электрозаклепок ширина образца во всех случаях равна 50 мм.
Размеры образца должны соответствовать значениям, приведенным в табл. 6.4.
Рис. 6.21. Образцы для контроля прочности сварных соединений груб диаметром более 60 мм при недостаточной мощности разрывной машины
Рис. 6.22. Форма и размеры образца с одной сварной точкой, выполненной точечной сваркой или электрозаклепками для испытания на срез:
а — толщина основного металла в мм; h — в зависимости от конструкции испытательных машин; / — длина рабочей части образца
Рис. 6.23. Форма и размеры образца с одной сварной точкой, выполненной точечной сваркой или электрозаклепками для испытания на отрыв растяжением образца
При испытании определяют разрушающую нагрузку на точку в килограммах (ньютонах).
Для предотвращения изгиба образцы типа XXI закрепляют в специальном приспособлении. Приспособление должно обеспечивать жесткость образца и возможность испытания его на разрывных машинах.
Таблица 6.4
Размеры образцов в мм
Толщина основного металла а | Ширина образца Ь, не менее |
До 1 | 20 |
Более 1 до 2 | 25 |
Более 2 до 3 | 30 |
Более 3 до 4 | 35 |
Более 4 до 5 | 40 |
Более 5 | 45 |
Рис. 6.24. Форма и размеры образцов соединения, выполненного шовной сваркой, для испытания на срез путем растяжения образцов
Сварные соединения листов, выполненные шовной сваркой, испытывают на срез путем растяжения образцов, приведенных на рис. 6.24.
При толщине металла до 1,0 мм испытывают образцы типа XXIII. При толщине металла более 1,0 мм выбор типа образца не устанавливается. При испытании определяют разрушающую нагрузку на образец в килограммах (ньютонах).
Вырезку образцов типов XX, XXII и XXIII из контрольных сварных соединений, сваренных точечной или шовной сваркой, производят согласно рис. 6.25. Шаг точек должен обеспечивать возможность вырезки образцов заданных размеров.
Разрешается сваривать образцы с одной точкой в соответствии с рис. 6.25.
Рис. 6.25. Контрольное сварное соединение, выполненное контактной точечной или шовной сваркой, для вырезки образцов типов XX, XXII и XXIII
Источник
Особенность механических испытаний сварных соединений – обязательность разрушения образцов под разнонаправленными нагрузками. Только так определяют важные эксплуатационные показатели, на основании которых производятся расчеты возможных нагрузок. Предусмотрены различные способы испытаний. Для них разработано специальное контрольное оборудование.
Для механических испытаний отбирают несколько серийных образцов сварных соединений. Заключение составляется на основании нескольких одинаковых исследований пластичности шва, устойчивости к разрушениям.
Сущность проведения механических испытаний сварных соединений
Разработан и регламентирован комплекс исследований швов, получаемых различными видами сварки. Среди испытаний сварных соединений выделяют группы методов испытаний сварных соединений с направленными напряжениями:
- Статический способ предусматривает плавное увеличение разрушающей нагрузки. Испытания растянуты во времени, чтобы напряжение было постоянным.
- Динамические действуют мгновенно, непродолжительный временной интервал.
- Усталостные подразумевают многократное воздействие на исследуемый образец. Число циклов – величина, исчисляемая в десятки миллионов. Нагрузка изменяется по знаку, значению.
Механические испытания применяются для серийного выпуска деталей
Статические испытания включают испытания стыковых сварных соединений, определяющие физические характеристики швов: твердость, ползучесть, растяжимость, пластичность, способность изгибаться и другие. Сварное соединение сравнивают с подобным образцом из целостного металла. Для исследований используют образцы с зачищенным и незачищенным валиком.
Условным пределом текучести называют напряжение, при котором образец увеличивается в длину на 0,2% от первоначальной длины. Испытание на изгиб необходимо для контроля пластичности диффузного слоя. Нагрузка на изгиб оказывается до появления первой трещины на продольном и поперечном сечении сварного соединения. Для экспериментов используют плоские и трубчатые образцы.
В ходе динамических испытаний соединений определяют склонность швов к усталостной деформации, прочности на ударный изгиб. Испытания проводят при разных условиях: нормальной, пониженной и повышенной температуры. Результаты заносятся в протокол в виде графиков, исследуются по типу кривых. В некоторых случаях применяются другие нормативно утвержденные исследования.
Твердость измеряется в области диффузного слоя и зоны термического влияния, оценивается структурная прочность металла на шлифах методами металлографии.
Исследуются три области:
- диффузный слой шва;
- зона термического влияния;
- металл заготовки, не подвергающийся нагреву при сварке.
Проверяется обработанный и необработанный шовный валик. Для каждого вида сварки разработаны свои эталонные формы образцов. Выделяются области, в которых возможны остаточные напряжения.
Нормативные документы
Методика проведения механических испытаний, расчетные формулы регламентированы РД 26-11-08-86 (руководящий документ Минхимпрома). Отбор образцов, определение вида исследований производится в соответствии ГОСТ 6996-66. Для различных видов сварки регламентируется толщина контрольных образцов. Оговаривается метод подготовки сварных соединений к испытаниям сварных швов, условия проведения исследований. По результатам проверки составляется протокол, в котором указывается способ проверки образцов.
Преимущества и недостатки метода
Сначала об уникальных возможностях методики:
- получают данные об эксплуатационных свойствах сварки;
- изучают механические характеристики соединений;
- устанавливают расчетные величины для определения максимальных нагрузок (данные необходимы для проектных работ);
- проверяются возможности диффузного слоя, зоны термического влияния, где возможны внутренние дефекты.
При малых затратах на изучение образцов получают данные, по которым судят о прочностных характеристиках деталей серийного выпуска. Выбирают оптимальный вариант сварки различных сплавов.
Недостатки очевидны. Предполагается разрушение образцов, они не подлежат восстановлению. Такой метод контроля нельзя применять для приемки сварных соединений. Методики нужны для исследований на стадии запуска серий в производство.
Особенность механических испытаний сварных соединений – обязательность разрушения образцов под разнонаправленными нагрузками.
Какие свойства определяют при испытании сварных соединений
В разработанных методиках, утвержденных стандартом, указывается несколько способов испытания сварных швов для определения механических свойств диффузного слоя образцов. Кусочки термически соединенного металла подвергают воздействию разнонаправленных усилий. Определяют, под какой силой возникает деформация по шву. Учитываются:
- трещины;
- надрывы;
- изменения первоначальной формы, линейных размеров.
Отдельно определяются технологически значимые свойства, влияющие на несущую способность, герметичность соединений.
Пластичность
Эксперименты на статическое растяжение определяют податливость диффузного слоя и зоны термического влияния к изменению первоначальной формы под воздействием удлиняющих усилий. От пластичности зависит способность к штамповке с вытягиванием. Показатель удлинения определяется методом измерения образцов до нагрузки и после нее. Расчеты производятся по отношении величины удлинения к первоначальным размерам. Каждую из прочностных характеристик стоит рассмотреть подробно. От каждой из них зависит качество сварки.
Прочность
Для сварных опорных конструкций, испытывающих разнонаправленные напряжения, показатель прочности важен, от него зависит целостность сооружения. Прочностные характеристики определяются:
- на изгиб, усилия прикладываются до момента критической деформации образца;
- на усталость, количество циклов с различными нагрузками до разрушения.
Методика определение прочности на изгиб предусматривает три способа исследований:
- искривление тонкой заготовки вокруг стандартной оправки до параллельности сторон U-образно изогнутого образца;
- искривление под заданным углом;
- двухсторонний изгиб до состояния сплющивания сторон.
Схема испытания на прочность
Ударная вязкость
Динамические исследования на ударный изгиб проводятся с высокой скоростью изменения нагрузки. Соединение проверяется на хрупкость от удара, склонность к деформации или растрескивание. Для исследований готовят образцы с надрезанным шовным валиком. В месте надреза концентрируется напряжение при ударе копром маятникового типа. На основании показаний испытаний рассчитывается ударная вязкость, определяется как отношение работы по отталкиванию концентратора к площади сечения целого образца, до нанесения разреза. Для удобства проведения исследований на маятниковый копер наносится измерительная шкала.
Схема испытаний на ударную вязкость: а — схема маятникового копра; б — расположение образца на копре; 1 — корпус; 2 — маятник; 3 — образец
Твердость
Применяются три способа:
- разработанный Роквеллом предусматривает вылавливание в металл жестких калиброванных образцов: стального шарика, прошедшего процедуру закалки, или алмазного конуса.
- Шкала Веклера разработана на основе аналогичных испытаний с использованием алмазной пирамидки;
- способ Бринелля основан на использовании стального шарика большой плотности и твердости.
На твердость стыковое соединение проверяют в двух направлениях:
- по продольной оси;
- от центра шва, направляясь к основному металлу сварной заготовки.
По Роквелу определяют твердость швов на тонком металле, листовой стали. По Бринелю и Векслеру – все остальные. Твердость металла зависит от пластичности. Чем тверже получается диффузный слой, тем меньше будет изгибаться. Это говорит о низкой пластичности сварного соединения.
Схема испытания на твердость
Заключение
Механические испытания применяются для серийного выпуска деталей, из каждой партии берется регламентированное стандартом число деталей, по исследованию одного образца заключение не выдается. Для единичных изделий лучше применять неразрушающий контроль сварных соединений, не повреждающий готовую деталь.
Показания механических испытаний сварных соединений во многом зависят от первоначального состояния сварных заготовок, наличия внутренних дефектов в металле. Поэтому перед определением технических характеристик проводится дефектоскопия заготовок и проверяемых сварных швов.
Источник
Испытание сварных швов на растяжение
Цель работы: познакомиться с методами разрушающих видов испытаний сварных швов.
ХОД РАБОТЫ:
Сварное соединение — это неразъёмное соединение, выполненное сваркой.
Сварное соединение включает три характерные зоны, образующиеся во время сварки: зону сварного шва, зону сплавления и зону термического влияния, а также часть металла, прилегающую к зоне термического влияния.
Зоны сварного соединения: самая светлая — зона основного металла, темнее — зона термического влияния, самая тёмная область в центре — зона сварного шва. Между зоной термического влияния и зоной сварного шва находится зона расплавления.
Сварной шов — участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации
расплавленного металла или в результате пластической деформации при сварке давлением или сочетания кристаллизации и деформации.
Металл шва — сплав, образованный расплавленным основным и наплавленным металлами или только переплавленным основным металлом.
Основной металл — металл подвергающихся сварке соединяемых частей.
Зона сплавления — зона частично сплавившихся зёрен на границе основного металла и металла шва.
Зона термического влияния — участок основного металла, не подвергшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке или наплавке.
Испытание сварных швов на растяжение относится к разрушающему контролю.
Разрушающий контроль характеризуется тем, что по его завершении нарушается пригодность объекта контроля к использованию по назначению. При таком контроле испытывают отобранные образцы ( пробы) и измеряют возникающие в них напряжения, нагрузки или деформации. Преимущество разрушающего контроля — возможность определения по его результатам разрушающих нагрузок или других характеристик, определяющих эксплуатационную надежность объекта. Принципиальный недостаток его — выборочность, так как разрушаются одни изделия, а эксплуатируются другие. Достоверность разрушающих методов контроля зависит от однородности свойств в образцах, взятых для испытаний, и в реальных объектах, а также от сходства условий испытаний и эксплуатации.
К способам контроля сварных соединений с их разрушением относятся: – механические испытания; металлографические исследования; – специальные испытания с целью получения характеристик сварных соединений.
Эти испытания проводят на сварных образцах, вырезаемых из самого изделия или из специально сваренных контрольных соединений, выполненных в соответствии с требованиями и технологией на сварку изделия в условиях, соответствующих сварке. Целью этих испытаний являются:
оценка прочности и надежности сварных соединений и конструкций;
оценка качества основного и сварочного материалов; оценка правильности выбранной технологии; оценка квалификации сварщиков.
Свойства сварного соединения сопоставляют со свойствами основного металла. Результаты считаются неудовлетворительными, если они не соответствуют заданному регламентированному уровню.
Основными испытаниями являются механические испытания по ГОСТ 6996—66, который предусматривает следующие виды испытаний сварных соединений и металла шва:
испытание сварного соединения в целом и металла различных участков сварного соединения (наплавленного металла, зоны термического влияния, основного металла) на статическое (кратковременное) растяжение, статический изгиб, ударный изгиб (на надрезанных образцах), на стойкость против механического старения;
измерение твердости металла различных участков сварного соединения и наплавленного металла.
Контрольные образцы для механических испытаний выполняют определенных размеров (рис. 1).
Испытаниями на статическое растяжение определяют прочность сварных соединений. Испытаниями на статический изгиб определяют пластичность соединения по величине угла изгиба до образования первой трещины в растянутой зоне. Испытания на статический изгиб проводят на образцах с продольными и поперечными швами со снятым усилением шва заподлицо с основным металлом. Испытаниями на ударный изгиб, а также ударный разрыв, определяют ударную вязкость сварного соединения.
В зависимости от характера действия внешних нагрузок, напряжённого состояния, конструктивных особенностей и температуры одна и та же деталь из определенного материала может разрушаться вязко или хрупко. Известно множество случаев хрупкого разрушения под действием ударной нагрузки металлов, обладающих высокими пластическими свойствами.
Для проверки способности материала сопротивляться ударным нагрузкам и выявления склонности к хрупкому разрушению проводят испытания на удар.
Ударные испытания различают:
а) по виду деформации – на изгиб, растяжение, сжатие, кручение, срез;
б) по скорости нагружения – обычные (4-7 м/с), скоростные (100 – 300 м/с) и сверхскоростные (свыше 300 м/с);
в) по числу ударов – одним ударом или повторными ударами;
г) по температуре испытания.
Наиболее широкое применение получил способ однократного испытания при ударном изгибе образцов прямоугольного сечения с надрезом посередине или без него (ГОСТ 9454-78). Наличие надреза способствует более хрупкому разрушению материала, что вызывает излом образца даже при пластичном материале. Кроме того, разрушению надрезанного образца способствует концентрация напряжений. Используют надрезы двух видов – V-образный и U-образный. Кроме этого может быть предварительно создана трещина.
Скорость движения маятника в момент удара должна составлять 5±0,5 м/с для копра с потенциальной энергией 300 Дж (30 кгс·м).
Основной стандартный образец типа Менаже, согласно ГОСТ 9454-78, должен иметь размеры, указанные на рисунке 1. Для некоторых испытаний применяют также большой и малые образцы типа Шарпи с глубоким надрезом. Если для испытания на удар используются нестандартные образцы, то следует предварительно провести сравнительные испытания стандартных и нестандартных образцов для получения эмпирических коэффициентов.
В результате испытания определяется работа удара K (KU, KV или KT) и ударная вязкость материала KC (KCU, KCV или KCT), представляющая собой работу, затраченную для ударного излома образца, отнесенную к площади поперечного сечения в месте надреза. Если сравнить два материала с одинаковым пределом прочности, но требующие для разрушения разное количество работы, то тот, для которого работа будет больше, называют более вязким материалом.
Рисунок 1 – Образец для испытания на ударную вязкость с U-образным надрезом
Хотя данные об ударной вязкости и не могут быть использованы при расчёте на прочность или для аналитической оценки опасности хрупкого разрушения, но они позволяют решить вопрос о применимости того или иного материала в условиях динамических нагрузок, в которых работают многие детали машин, имеющие отверстия, канавки для шпонок, разные конструктивные углы и т.п. Низкая ударная вязкость служит основанием для браковки материала. Стали, применяемые для изготовления деталей, работающих при динамических нагрузках, должны иметь ударную вязкость не менее 8·10 Н·м/м².
По результатам определения твердости судят о структурных изменениях и степени подкалки металла при охлаждении после сварки.
Металлографические исследования сварных соединений. Основной задачей металлографического анализа является установление структуры металла и качества сварного соединения, выявление наличия и характера дефектов. Металлографические исследования включают в себя макро- и микроструктурный методы исследования металлов.
Рис. 1. Образцы для определения механических свойств: а, б — на растяжение наплавленного металла (а) и сварного соединения (б), в — на изгиб, г — на ударную вязкость
При макроструктурном методе изучают макрошлифы и изломы металла невооруженным глазом или лупой (увеличение до 20 раз). Макроисследование позволяет определить характер и расположение видимых дефектов в разных зонах сварных соединений.
При микроструктурном анализе (микроанализ) исследуется структура металла при увеличении в 50—2000 раз с помощью оптических микроскопов. Микроисследование позволяет установить качество металла, в том числе обнаружить пережог металла, наличие окислов по границам зерен, засоренность металла неметаллическими включениями (оксидами, сульфидами), величину зерен металла, изменение состава металла при сварке, микроскопические трещины, поры и некоторые другие дефекты структуры.
Методика изготовления шлифов для металлографических исследований заключается в вырезке образцов из сварных соединений, шлифовке, полировке и травлении поверхности металла специальными травителями.
Металлографическое исследование сварных соединений дополняется измерением твердости и при необходимости химическим анализом.
Специальные испытания проводят с целью получения характеристик сварных соединений, учитывающих условия эксплуатации сварной конструкции: – определение коррозионной стойкости для конструкций, работающих в коррозионных средах; – усталостной прочности при циклических нагрузках; ползучести при эксплуатации в условиях воздействия повышенных температур и др.
Образцы сварных соединений стали 12 Х18Н9Т после испытаний на разрыв
Образец испытаний на статический изгиб.
Образец для испытаний на ударную вязкость.
Образцы после испытаний на ударную вязкость.
Контрольные вопросы:
1.Дайте определение сварному соединению, сварному шву, опишите строение сварного соединения.
2. Опишите виды разрушающих испытаний. Составьте таблицу соответствия: испытание – оборудование – образец.
3. Опишите принцип испытаний на разрыв, зарисуйте образец до испытания и после, сделайте вывод.
4. Опишите принцип испытаний на статический изгиб, зарисуйте образец до испытания и после, сделайте вывод.
5. Опишите принцип испытаний на ударную вязкость, зарисуйте образец до испытания и после, сделайте вывод.
6. Опишите принцип металлографических исследования сварных соединений, какие виды таких исследований бывают.
7. Сделайте вывод по работе.
Источник