Количество образцов на статическое растяжение
Механические свойства характеризуют сопротивление металла деформации и разрушению под действием механических сил (нагрузки).
К основным механическим свойствам относят:
— прочность
— пластичность
— ударную вязкость
— твердость
Прочность – это способность металла не разрушаться под действием механических сил (нагрузки).
Пластичность – это способность металла изменять форму (деформироваться) под действием механических сил (нагрузки) без разрушения.
Ударная вязкость определяет способность металла противостоять ударным (динамическим) механическим силам (ударным нагрузкам).
Твердость – это способность металла сопротивляться проникновению в него других более твердых материалов.
Виды и условия механических испытаний металлов
Для определения механических свойств выполняют следующие
виды испытаний:
— испытания на растяжение;
— испытания на статический изгиб;
— испытания на ударный изгиб;
— измерение твердости.
К условиям испытаний образцов относятся: температура, вид и
характер приложения нагрузки к образцам.
Температура проведения испытаний:
— нормальная (+20°С);
— низкая (ниже +20°С, температура 0…-60°С);
— высокая (выше+20°С, температура +100…+1200°С).
Вид нагрузок:
Характер приложения нагрузки:
— нагрузка возрастает медленно и плавно или остаётся постоянной — статические испытания;
— нагрузка прилагается с большими скоростями; нагрузка ударная — динамические испытания;
— нагрузка многократная повторно-переменная; нагрузка изменяется по величине или по величине и направлению (растяжение и сжатие) — испытания на выносливость.
Образцы для механических испытаний
Механические испытания выполняют на стандартных образцах. Форма и размеры образцов устанавливаются в зависимости от вида испытаний.
Для механических испытаний на растяжение используют стандартные цилиндрические (круглого сечения) и плоские (прямоугольного сечения) образцы. Для цилиндрических образцов в качестве основных приняты образцы диаметром dо=10 мм короткий lо=5×do = 50 мм и длинный lо=10×do = 100 мм.
Короткий круглый образец
Длинный круглый образец
Плоские образцы имеют толщину равную толщине листа, а ширина устанавливается равной 10, 15, 20 или 30 мм.
Плоский образец без головок для захватов разрывной машины
Плоский образец с головками
Механические свойства, определяемые при статических испытаниях
Статическими называют испытания, при которых прилагаемая нагрузка к образцу возрастает медленно и плавно.
При статических испытаниях на растяжение определяются следующие основные механические характеристики металла:
— предел текучести (σ т);
— предел прочности или временное сопротивление (σ в);
— относительное удлинение (δ);
— относительное сужение (ψ).
Предел текучести – это напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки.
Предел прочности – это напряжение при максимальной нагрузке, предшествующей разрушению образца.
Относительное удлинение – это отношение приращения длины образца после разрушения к его начальной длине до испытания.
Относительное сужение – это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после разрушения к его начальной площади до испытания.
При испытании на статическое растяжение железо и другие пластические металлы имеют площадку текучести, когда образец удлиняется при постоянной нагрузке Рm.
При максимальной нагрузке Рmax в одном участке образца появляется сужение поперечного сечения, так называемая “шейка”. В шейке начинается разрушение образца. Так как сечение образца уменьшается, то разрушение образца происходит при нагрузке меньше максимальной. В процессе испытания приборы рисуют диаграмму растяжения, по которой определяют нагрузки. После испытания разрушенные образцы складывают вместе и измеряют конечную длину и диаметр шейки. По этим данным рассчитывают прочность и пластичность.
Механические испытания на ударный изгиб
Динамическими называют испытания, при которых скорость деформирования значительно выше, чем при статических испытаниях.
Динамические испытания на ударный изгиб выявляют склонность металла к хрупкому разрушению. Метод основан на разрушении образца с надрезом (концентратором напряжений) одним ударом маятникового копра.
Стандарт предусматривает образцы с надрезами трех видов:
образец U – образный с радиусом R = 1 мм (метод KCU);
образец V – образный с радиусом R = 0.25 мм (метод KCV);
образец I – образный с усталостной трещиной (метод КСТ).
Под ударной вязкостью понимают работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора.
После испытания по шкале маятникового копра определяют работу удара, которую затрачивают на разрушение образца. Площадь сечения образца определяют до разрушения.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ
Твердостью называется свойство металла оказывать сопротивление пластической деформации в поверхностном слое при вдавливании шарика, конуса или пирамиды. Измерение твердости отличается простотой и быстротой осуществления и выполняется без разрушения изделия. Широкое применение нашли три метода определения твердости:
— твердость по Бринеллю (единица твердости обозначается HB);
— твердость по Роквеллу (единица твердости обозначается HR);
— твердость по Виккерсу (единица твердости обозначается HV).
Определение твердости по Бринеллю заключается во вдавливании стального шарика диаметром D = 10 мм в образец (изделие) под действием нагрузки и в измерении диаметра отпечатка d после снятия нагрузки.
Твердость по Бринеллю обозначают цифрами и буквами НВ, например, 180 НВ. Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость. Чем выше твердость, тем больше прочность металла и меньше пластичность. Чем мягче металл, тем меньше устанавливают нагрузку на приборе. Так при определении твердости стали и чугуна нагрузку принимают 3000 Н, никеля, меди и алюминия – 1000 Н, свинца и олова – 250 Н.
Определение твердости по Роквеллу заключается во вдавливании наконечника с алмазным конусом (шкалы А и С) или стального шарика диаметром 1.6 мм (шкала В) в испытуемый образец (изделие) под действием последовательно прилагаемых предварительной (Ро )и основной (Р) нагрузок и в измерении глубины внедрения наконечника (h). Твердость по Роквеллу обозначается цифрами и буквами HR с указание шкалы. Например, 60 HRC (твердость 60 по шкале С).
Определение твердости по Виккерсу заключается во вдавливании алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды, в образец (изделие) под действием нагрузки и в измерении диагонали отпечатка d, оставшегося после снятия нагрузки. Метод используется для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоёв с высокой твердостью. Твердость по Виккерсу обозначается цифрами и буквами HV, например, 200 HV.
Испытания на статический изгиб
Технологические испытания на статический изгиб служит для определения способности металла воспринимать заданный по форме и размерам загиб. Аналогичные испытания проводят и на сварных соединениях.
Испытанию на загиб подвергают образцы из листового и фасонного (пруток, квадрат, уголок, швеллер и др.) металла. Для листового металла ширина образца (b) принимается равной двойной толщине(2•t), но не менее 10 мм. Радиус оправки указывается в технических условиях.
Различают три вида изгиба:
— загиб до определенного угла;
— загиб вокруг оправки до параллельности сторон;
— загиб вплотную до соприкосновения сторон (сплющивание).
Отсутствие в образце трещин, надрывов, расслоений или излома является признаком того, что образец выдержал испытание.
Источник
Отвечает эксперт ЗАО ЦНИИПСК им. Мельникова
Испытание на растяжение металла заключаются в растяжении образца с построением графика зависимости удлинения образца (Δl) от прилагаемой нагрузки (P), с последующим перестроением этой диаграммы в диаграмму условных напряжений (σ — ε)
Испытания на растяжение проводятся по ГОСТ 1497, по этому же ГОСТу определяются и образцы на которых проводятся испытания.
Как уже говорилось выше, при испытаниях строится диаграмма растяжения металла. На ней есть несколько характерных участков:
- Участок ОА — участок пропорциональности между нагрузкой Р и удлинением ∆l. Это участок, на котором сохраняется закон Гука. Данная пропорциональность была открыта Робертом Гуком в 1670 г. и в дальнейшем получила название закона Гука.
- Участок ОВ — участок упругой деформации. Т.е., если к образцу приложить нагрузку, не превышающую Ру, а потом разгрузить, то при разгрузке деформации образца будут уменьшаться по тому же закону, по которому они увеличивались при нагружении
Выше точки В диаграмма растяжения отходит от прямой — деформация начинает расти быстрее нагрузки, и диаграмма принимает криволинейный вид. При нагрузке, соответствующей Рт (точка С ), диаграмма переходит в горизонтальный участок. В этой стадии образец получает значительное остаточное удлинение практически без увеличения нагрузки. Получение такого участка на диаграмме растяжения объясняется свойством материала деформироваться при постоянной нагрузке. Это свойство называется текучестью материала, а участок диаграммы растяжения, параллельный оси абсцисс, называется площадкой текучести.
Иногда площадка текучести носит волнообразный характер. Это чаще касается растяжения пластичных материалов и объясняется тем, что вначале образуется местное утонение сечения, затем это утонение переходит на соседний объем материала и этот процесс развивается до тех пор, пока в результате распространения такой волны не возникает общее равномерное удлинение, отвечающее площадке текучести. Когда имеется зуб текучести, при определении механических свойств материала, вводят понятия о верхнем и нижнем пределах текучести.
После появления площадки текучести, материал снова приобретает способность сопротивляться растяжению и диаграмма поднимается вверх. В точке D усилие достигает максимального значения Pmax. При достижении усилия Pmax на образце появляется резкое местное сужение — шейка. Уменьшение площади сечения шейки вызывает падение нагрузки и в момент, соответствующий точке K диаграммы, происходит разрыв образца.
Прилагаемая нагрузка для растяжения образца зависит от геометрии этого образца. Чем больше площадь сечения, тем более высокая нагрузка необходима для растяжения образца. По этой причине, получаемая машинная диаграмма не дает качественной оценки механических свойств материала. Чтобы исключить влияние геометрии образца, машинную диаграмму перестраивают в координатах σ − ε путем деления ординат P на первоначальную площадь сечения образца A0 и абсцисс ∆l на lо. Перестроенная таким образом диаграмма называется диаграммой условных напряжений. Уже по этой, новой диаграмме, определяют механические характеристики материала.
Определяются следующие механические характеристики:
Предел пропорциональности σпц – наибольшее напряжение, после которого нарушается справедливость закона Гука σ = Еε , где Е – модуль продольной упругости, или модуль упругости первого рода. При этом Е =σ/ε = tgα , т. е. модуль E это тангенс угла наклона прямолинейной части диаграммы к оси абсцисс
Предел упругости σу — условное напряжение, соответствующее появлению остаточных деформаций определенной заданной величины (0,05; 0,001; 0,003; 0,005%); допуск на остаточную деформацию указывается в индексе при σу
Предел текучести σт – напряжение, при котором происходит увеличение деформации без заметного увеличения растягивающей нагрузки
Также выделяют условный предел текучести — это условное напряжение, при котором остаточная деформация достигает определенной величины (обычно 0,2% от рабочей длины образца; тогда условный предел текучести обозначают как σ0,2). Величину σ0,2 определяют, как правило, для материалов, у которых на диаграмме отсутствует площадка или зуб текучести
Предел прочности (временное сопротивление разрыву) σв – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Pmax , предшествующей разрыву образца
Кроме характеристик прочности материала, при испытании на растяжение определяют также характеристики пластичности — относительное удлинение δ и относительное сужение ψ
где lо – первоначальная расчетная длина образца, а lк – конечная расчетная длина образца
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.
Схема растяжения для проверки пластичности
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