Метод испытания на растяжение стали
Стальные изделия, используемые для создания строительных конструкций, в процессе эксплуатации испытывают значительные напряжения на растяжение, сжатие, резкие механические воздействия. Прилагаемые усилия могут быть как статическими, так и динамическими. Для обеспечения прочности и долговечности конструкции необходимо использовать металлоизделия с механическими характеристиками, соответствующими запланированным эксплуатационным нагрузкам. Испытания на растяжение – один из наиболее распространенных методов определения марки стали или решения спорных вопросов при расследовании причин возникновения нештатных ситуаций и аварий.
Характеристики, определяемые при статических испытаниях на растяжение
Исследования осуществляются в испытательных машинах с ручным или гидравлическим приводом. Второй вариант обеспечивает возможность создания гораздо большей мощности. По результатам исследований составляют диаграмму растяжения.
При механических статических испытаниях на растяжение, проводимых в соответствии с ГОСТом 1497-84, определяют комплекс свойств стали.
Характеристики прочности
- Предел пропорциональности – Ϭп. Характеризует напряжение, выше которого прекращает свое действие закон Гука. После наклепа металла, который, например, осуществляется при холодном деформировании, Ϭп возрастает в 1,5-1,8 раза.
Определение! В законе Гука утверждается, что деформация, образующаяся в упругом теле, прямо пропорциональна прилагаемому усилию.
- Предел текучести – Ϭт. Это нагрузка, при которой деформация повышается при постоянном напряжении. Присутствующая явно горизонтальная площадка на диаграмме может отсутствовать. В этой ситуации устанавливают условный Ϭт, при котором остаточные деформации примерно равны 0,2%.
- Предел прочности (временное сопротивление разрыву) – Ϭв. Это максимальное усилие, при котором образец не разрушается. Его превышение приведет к разрыву стержня.
- Напряжение разрыва – Ϭр. При испытаниях на прочность определяют два вида напряжения разрыва – условное и истинное.
Характеристики упругости
- Предел упругости – Ϭу. Соответствует нагрузке, при которой остаточное удлинение равно 0,05%. Значения Ϭу и Ϭп на диаграмме находятся рядом, поэтому Ϭу устанавливается при очень тонких исследованиях.
Характеристики пластичности
- Относительное остаточное удлинение. Определяется по формуле Δ=(L1-L0)*100% / L0, в которой L0 – исходная длина образца, L1 – расчетная после окончания исследований.
- Относительное остаточное сужение. Ψ=(А0-Аш)*100% / А0, А0 – площадь сечения стержня до испытаний, Аш – площадь сечения шейки.
Нормативные образцы для проведения статических испытаний на растяжение
Для осуществления испытаний изготавливают образцы круглого или прямоугольного сечения. Нормативы регламентируют как размеры образцов, так и способы механической обработки. Основные условия – однородность размеров по длине, соосность, хорошо обработанная поверхность, на которой должны отсутствовать царапины, порезы. Шероховатость нормируемая.
Длина образцов круглого поперечного сечения:
- коротких – 4-5 диаметров;
- нормальных – 10 диаметров.
Чаще всего изготавливают образцы диаметрами 6, 10, 20 мм. Перед началом испытательных работ образцы измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях в трех местах. Точность измерений – 0,5 мм. Ширину и толщину плоских образцов измеряют по краям и в центре обмеряемой плоскости. Площадь сечения определяется с точностью 0,5%. Точность измерения длины образца – 0,1 мм.
Динамические испытания стальных образцов
Основной вид такого исследования – испытания на изгиб, производимые по ГОСТу 9454-78. При таком виде анализа стальных образцов закон подобия неактуален, поэтому используют образцы с размерами и формой надреза, строго соответствующими нормативам. Основной образец имеет квадратное сечение площадью 10х10 мм и следующие виды надрезов:
- U-образный (образцы Шарпи) – располагается в середине стержня. Такие образцы применяются для установления норм для стержней, на которые будет наноситься V-образный надрез.
- V-образный (образцы Менаже). Основной тип стальных стержней, применяемый для исследований материалов, которые будут использоваться в конструкциях ответственного назначения.
- С Т-образным концентратором. Размеры стержней имеют несколько вариантов. Такие образцы применяют при исследованиях сплавов, предназначенных для эксплуатации в конструкциях, в которых важным является сопротивление росту трещин.
В результате динамических испытаний на изгиб рассчитывают величину ударной вязкости – характеристики, которая зависит от сочетания прочностных и пластических свойств стали. Чем она выше, тем надежней материал работает при динамических нагрузках.
Все стали, изделия из которых предназначаются для эксплуатации при динамических нагрузках, подвергаются испытаниям на ударный изгиб. В зависимости от запланированных рабочих условий, ударную вязкость определяют при нормальных, пониженных или повышенных температурах.
Источник
Лабораторная работа № 1
Цель работы – изучить поведение малоуглеродистой стали при растяжении и определить ее механические характеристики.
Основные сведения
Испытания на растяжение являются основным и наиболее распространенным методом лабораторного исследования и контроля механических свойств материалов.
Эти испытания проводятся и на производстве для установления марки поставленной заводом стали или для разрешения конфликтов при расследовании аварий.
В таких случаях, кроме металлографических исследований, определяются главные механические характеристики на образцах, взятых из зоны разрушения конструкции. Образцы изготавливаются по ГОСТ 1497-84 и могут иметь различные размеры и форму (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Образцы для испытания на растяжение
Между расчетной длиной образца lо и размерами поперечного сечения Ао (или dо для круглых образцов) выдерживается определенное соотношение:
В испытательных машинах усилие создается либо вручную — механическим приводом, либо гидравлическим приводом, что присуще машинам с большей мощностью.
В данной работе используется универсальная испытательная машина УММ-20 с гидравлическим приводом и максимальным усилием 200 кН, либо учебная универсальная испытательная машина МИ-40КУ (усилие до 40 кН).
Порядок выполнения и обработка результатов
Образец, устанавливаемый в захватах машины, после включения насоса, создающего давление в рабочем цилиндре, будет испытывать деформацию растяжения. В измерительном блоке машины есть шкала с рабочей стрелкой, по которой мы наблюдаем рост передаваемого усилия F.
Зависимость удлинения рабочей части образца от действия растягивающей силы во время испытания отображается на миллиметровке диаграммного аппарата в осях F-Δl (рис. 1.2).
В начале нагружения деформации линейно зависят от сил, потому участок I диаграммы называют участком пропорциональности. После точки В начинается так называемый участок текучести II.
На этой стадии стрелка силоизмерителя как бы спотыкается, приостанавливается, от точки В на диаграмме вычерчивается либо прямая, параллельная горизонтальной оси, либо слегка извилистая линия — деформации растут без увеличения нагрузки. Происходит перестройка структуры материала, устраняются нерегулярности в атомных решетках.
Далее самописец рисует участок самоупрочнения III. При дальнейшем увеличении нагрузки в образце происходят необратимые, большие деформации, в основном концентрирующиеся в зоне с макронарушениями в структуре – там образуется местное сужение — «шейка».
На участке IV фиксируется максимальная нагрузка, затем идет снижение усилия, ибо в зоне «шейки» сечение резко уменьшается, образец разрывается.
При нагружении на участке I в образце возникают только упругие деформации, при дальнейшем нагружении появляются и пластические — остаточные деформации.
Если в стадии самоупрочнения начать разгружать образец (например, от т. С), то самописец будет вычерчивать прямую СО1. На диаграмме фиксируются как упругие деформации Δlу (О1О2), так и остаточные Δlост (ОО1). Теперь образец будет обладать иными характеристиками.
Так, при новом нагружении этого образца будет вычерчиваться диаграмма О1CDЕ, и практически это будет уже другой материал. Эту операцию, называемую наклеп, широко используют, например, в арматурных цехах для улучшения свойств проволоки или арматурных стержней.
Диаграмма растяжения (рис. 1.2) характеризует поведение конкретного образца, но отнюдь не обобщенные свойства материала. Для получения характеристик материала строится условная диаграмма напряжений, на которой откладываются относительные величины – напряжения σ=F/A0 и относительные деформации ε=Δl/l0 (рис. 1.3), где А0, l0 – начальные параметры образца.
Рис. 1.2. Диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой стали
Рис. 1.3. Условная диаграмма напряжений при растяжении
Условная диаграмма напряжений при растяжении позволяет определить следующие характеристики материала (рис. 1.3):
σпц – предел пропорциональности – напряжение, превышение которого приводит к отклонению от закона Гука. После наклепа σпц может быть увеличен на 50-80%;
σу – предел упругости – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05%. Напряжение σу очень близко к σпц и обнаруживается при более тонких испытаниях. В данной работе σу не устанавливается;
σт – предел текучести – напряжение, при котором происходит рост деформаций при постоянной нагрузке.
Иногда явной площадки текучести на диаграмме не наблюдается, тогда определяется условный предел текучести, при котором остаточные деформации составляют ≈0,2% (рис. 1.4);
Рис. 1.4. Определение предела упругости и условного предела текучести
σпч (σв) – предел прочности (временное сопротивление) – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке;
σр – напряжение разрыва. Определяется условное σур и истинное σир=Fр/Аш, где Аш – площадь сечения «шейки» в месте разрыва.
Определяются также характеристики пластичности – относительное остаточное удлинение
δ = (l1 – l0)∙100% / l0,
где l1 – расчетная длина образца после разрыва,
и относительное остаточное сужение
ψ = (А0 — Аш)∙100% / А0.
По диаграмме напряжений можно приближенно определить модуль упругости I рода
E=σпц/ε=tgα,
причем после операции наклепа σпц возрастает на 20-30%.
Работа, затраченная на разрушение образца W, графически изображается на рис. 1.2 площадью диаграммы OABDEO3. Приближенно эту площадь определяют по формуле:
W = 0,8∙Fmax∙Δlmax.
Удельная работа, затраченная на разрушение образца, говорит о мере сопротивляемости материала разрушению w = W/V, где V = A0∙l0 – объем рабочей части образца.
По полученным прочностным и деформационным характеристикам и справочным таблицам делается вывод по испытуемому материалу о соответствующей марке стали
Контрольные вопросы
- Изобразите диаграмму растяжения образца из малоуглеродистой стали (Ст.3). Покажите полные, упругие и остаточные абсолютные деформации при нагружении силой, большей, чем Fт.
- На каком участке образца происходят основные деформации удлинения? Как это наблюдается на образце? Какие нагрузки фиксируются в этот момент?
- Объясните, почему после образования шейки дальнейшее растяжение происходит при все уменьшающейся нагрузке?
- Перечислите механические характеристики, определяемые в результате испытаний материала на растяжение. Укажите характеристики прочности и пластичности.
- Дайте определение предела пропорциональности.
- Дайте определение предела упругости.
- Дайте определение предела текучести.
- Дайте определение предела прочности.
- Как определить предел текучести при отсутствии площадки текучести? Покажите, как это сделать, по конкретной диаграмме.
- Какие деформации называются упругими, какие остаточными? Укажите их на полученной в лабораторной работе диаграмме растяжения стали.
- Как определяется остаточная деформация после разрушения образца?
- Выделите на диаграмме растяжения образца из мягкой стали упругую часть его полного удлинения для момента действия максимальной силы.
- Какое явление называется наклепом? До какого предела можно довести предел пропорциональности материалов с помощью наклепа?
- Как определяется работа, затраченная на разрушение образца? О каком свойстве материала можно судить по удельной работе, затраченной на разрушение образца?
- Как определить марку стали и допускаемые напряжения для нее после проведения лабораторных испытаний?
- Чем отличается диаграмма истинных напряжений при растяжении от условной диаграммы?
- Можно ли определить модуль упругости материала по диаграмме напряжений?
- Как определить работу, затрачиваемую на деформации текучести лабораторного образца?
Испытание материалов на сжатие >
Краткая теория >
Примеры решения задач >
Источник
ОКСТУ 0909
Дата введения 1992-01-01
1. РАЗРАБОТАН Министерством металлургии СССР
2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по управлению качеством продукции и стандартам от 29.12.90 N 3700
3. Настоящий стандарт полностью соответствует ИСО 7778-83
4. ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
5. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ
6. Ограничение срока действия снято по протоколу N 5-94 Межгосударственного Совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 11-95)
7. ПЕРЕИЗДАНИЕ
Настоящий стандарт устанавливает методы испытаний на растяжение в направлении толщины при температуре () °C толстолистового проката с нормированным минимальным значением предела текучести не более 600 Н/мм и толщиной от 15 до 160 мм для определения характеристик механических свойств:
относительного удлинения после разрыва;
относительного сужения после разрыва.
Допускается определение других характеристик (временного сопротивления и предела текучести) в соответствии с ГОСТ 1497.
Термины, определения и обозначения — по ГОСТ 1497.
1. МЕТОДЫ ОТБОРА ОБРАЗЦОВ
1.1. Отбор проб для изготовления образцов проводят на расстоянии половины ширины проката с любого конца листа или полосы.
Остальные требования к отбору проб — по ГОСТ 7564.
1.2. Образец вырезают из отобранной пробы механическим способом таким образом, чтобы его ось была перпендикулярна к поверхности проката.
1.3. Количество образцов, отбираемых для проведения испытаний, устанавливают в нормативно-технической документации на металлопродукцию. При отсутствии указаний о количестве образцов должно быть испытано три образца от каждого контролируемого листа.
1.4. Форма и размеры образцов приведены в приложении 1.
Допускается применение образцов других типов и размеров.
1.5. Диаметр рабочей части образца в зависимости от толщины проката должен соответствовать значениям, приведенным в табл.1.
Таблица 1
Толщина листа, , мм | Диметр рабочей части , мм |
2032 | 6 |
32 | 10 |
Отношение длины рабочей части образца к его диаметру (кратность образца) должно быть не менее 1,5.
1.6. Требования к изготовлению образцов, предельным отклонениям размеров и маркировке — по ГОСТ 1497.
1.7. Допускается изготовление образцов с применением сварки для соединения рабочей и захватных частей образца.
Рекомендации по изготовлению образцов с применением сварки приведены в приложении 2.
1.8. Для листов толщиной от 15 до 20 мм способ изготовления образцов устанавливают в нормативно-технической документации на металлопродукцию. При этом диаметр рабочей части образца должен быть равен 6 мм, длина рабочей части — не менее 9 мм.
2. АППАРАТУРА
Аппаратура — по ГОСТ 1497.
3. ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЮ
3.1. За начальную расчетную длину принимают рабочую длину образца .
Для определения относительного удлинения рабочую длину ограничивают кернами, рисками или иными метками.
Измерение рабочей длины до испытания и рабочей длины после разрыва образца проводят штангенциркулем или другим измерительным средством с погрешностью измерения до 0,1 мм.
3.2. Допускается для определения абсолютного удлинения рабочей части образца измерять расстояние между головками образца.
3.3. Допускается вычислять рабочую длину образца (), мм, по формуле
,
где — расстояние между головками образца, мм;
— радиус перехода от рабочей части к головке образца, мм.
3.4. Начальный диаметр рабочей части образца измеряют в трех сечениях штангенциркулем или другим измерительным средством с погрешностью измерения до 0,05 мм.
За диаметр принимают наименьшее значение из измеренных.
3.5. Остальные требования к измерению образца и правилам округления — в соответствии с ГОСТ 1497.
4. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
4.1. При проведении испытаний устанавливают скорость перемещения активного захвата испытательной машины, при которой скорость загружения до начала текучести должна быть от 3 до 30 Н/мм·с.
4.2. Относительное удлинение образца после разрыва в процентах вычисляют по формуле
или ,
где — длина между кернами или другими метками, мм;
— длина между головками образца после его разрыва, мм.
Примечание. Относительное удлинение может быть определено с помощью специальных приборов (микропроцессоров) без измерения и .
4.3. Величина относительного удлинения должна быть указана вместе с кратностью образца, например .
4.4. Относительное сужение образца после разрыва () в процентах вычисляют по формуле
,
ия.
4.5. Результаты испытаний считают недействительными при разрушении образца за пределами рабочей части образца, а также при разрушении, обусловленном дефектами изготовления в сварных образцах.
4.6. Остальные требования к проведению испытаний, измерению образцов и оценке результатов испытаний — в соответствии с ГОСТ 1497.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 (обязательное). ОБРАЗЦЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ В НАПРАВЛЕНИИ ТОЛЩИНЫ ТОЛСТОЛИСТОВОГО ПРОКАТА
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Обязательное
1. Форма и размеры образца, изготовленного из цельной или сварной заготовки.
Черт.1
Черт.1
Таблица 2
Размеры, мм
Номер образца | ||||||
1 | 6 | 9 | 20 | 4 | 1,5 | 12 |
2 | 6 | 12 | 25 | 5 | 1,5 | 12 |
3 | 6 | 15 | 30 | 6 | 1,5 | 12 |
4 | 10 | 20 | 35 | 6 | 1,5 | 16 |
5 | 10 | 25 | 40 | 6 | 1,5 | 16 |
6 | 10 | 25 | 50 | 11 | 1,5 | 16 |
Примечания:
1. Размеры головок образца являются рекомендуемыми и устанавливаются в зависимости от размеров захватных устройств испытательной машины. Допускается изготовление резьбовых головок образца.
2. Для образцов, изготовляемых из листов, имеющих толщину в пределах, указанных в табл.2, длина выбирается соответствующей толщине, ближайшей к толщине листа. При этом размер увеличивается или уменьшается на полуразность между фактической толщиной и указанной в таблице.
Примеры:
Лист толщиной 22 мм. Размер =9 мм, =5 мм.
Лист толщиной 23 мм. Размер =12 мм, =4 мм.
3. При изготовлении образцов из листов толщиной более 50 мм допускается проводить механическую обработку торцов головок образца. При этом середина рабочей части образца должна соответствовать середине толщины листа.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 (рекомендуемое). РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗГОТОВЛЕНИЮ ОБРАЗЦОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ СВАРКИ
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Рекомендуемое
1. Если толщина листа не позволяет изготовление образца из цельной заготовки, допускается соединение захватной части образца с рабочей методом сварки.
Сварку можно осуществлять любым доступным методом (наплавкой, сваркой трением, контактной сваркой, ручной дуговой сваркой), исключающим изменение свойств испытуемого материала.
Два типа образцов с применением сварки для крепления захватной части к рабочей представлены на черт.2 (а, б).
Черт.2
— толщина листа
Черт.2
2. При изготовлении образцов с применением сварки заготовки для захватных частей образцов следует изготовлять из испытуемого материала или другой свариваемой стали с прочностными характеристиками не ниже прочностных характеристик испытуемого материала.
3. Сварку осуществляют с полным проплавлением (несплошности не допускаются) по технологии, принятой для конкретных марок стали, обеспечивающей минимальную ширину зоны термического влияния.
4. Электроды для наплавки и сварки должны обеспечивать получение наплавленного металла и металла швов с прочностными характеристиками не ниже прочностных характеристик испытуемого материала.
Применение электродов для наплавки по ГОСТ 10051 не допускается.
5. При изготовлении образцов с применением наплавки используют заготовки испытуемого материала размером х100х200 мм [ — толщина листа (черт.3а)]. Многослойную наплавку на одну или обе поверхности заготовки в ее центральной части выполняют узкими валиками толщиной 4 мм, накладываемыми в направлении вдоль длинной стороны заготовки. Общая ширина и высота наплавки должны обеспечивать возможность изготовления образцов с захватными частями (черт.3б).
Черт.3
Черт.3
Наплавленную заготовку, за исключением удаляемых начального и конечного участков длиной не менее 30 мм каждый (начало и конец валиков), способом холодной механической обработки разрезают на темплеты, из которых после шлифовки, травления и разметки изготовляют образцы. Толщина темплетов должна быть не менее диаметра захватных частей образцов с припуском на обработку.
6. При изготовлении образцов с применением сварки трением или контактной сваркой из испытуемого материала вырезают цилиндрические заготовки для рабочей и захватных частей образца (черт.4а). Заготовки для рабочих частей вырезают в направлении толщины проката, заготовки для захватных частей — в направлении длины или ширины листа. Диаметр заготовок должен быть не менее диаметра захватных частей образца с припуском на обработку; длина заготовок для захватных частей произвольная.
Черт.4
Черт.4
После приваривания заготовок захватных частей к заготовке рабочей части (черт.4б) проводят обработку соединения на токарном станке, шлифовку, травление (для выявления мест сварки), разметку и изготовление образцов.
7. При изготовлении образцов с применением ручной дуговой сварки выполняют крестовые соединения (черт.5а), для которых используют по одной заготовке размерами х100×200 мм из испытуемого материала и по две заготовки размерами x100x200 мм из листа толщиной , равной или превышающей диаметр захватной части образца с припуском на обработку.
Черт.5
Черт.5
Форма кромок привариваемых заготовок, форма поперечного сечения соединения и выполненных швов должны соответствовать требованиям к соединениям типа Т8 по ГОСТ 5264.
Соединение, за исключением удаляемых начального и конечного участков длиной не менее 30 мм каждый (начало и конец швов), способом холодной механической обработки разрезают на темплеты (черт.5б), из которых после шлифовки, травления и разметки изготовляют образцы (черт.5в). Толщина темплетов должна быть не менее диаметра захватных частей образцов с припуском на обработку.
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 (рекомендуемое). КЛАССИФИКАЦИЯ ЛИСТОВОГО ПРОКАТА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЗНАЧЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО СУЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Рекомендуемое
Таблица 3
Группа качества | Относительное сужение , %, не менее | |
Среднее значение по результатам испытаний трех образцов | Отдельное значение | |
Z15 | 15 | 10 |
Z25 | 25 | 15 |
Z35 | 35 | 25 |
Примечания:
1. Если при определении механических свойств в направлении толщины не достигается предписанное минимальное среднее значение или если отдельный результат испытания находится ниже предписанного для него минимального значения, то проводят испытания на трех новых образцах. Среднее значение по результатам шести испытаний должно быть не ниже предписанного минимального среднего значения и ни одно отдельное значение из трех новых результатов не должно быть ниже предписанного для него минимального значения.
2. Для разработки классификации листового проката в зависимости от относительного удлинения взамен классификации по рекомендуется проводить одновременно определение и .
3. Листы, соответствующие определенной группе качества, должны иметь обозначение этой группы, например: Z25.
Текст документа сверен по:
официальное издание
Стальной прокат общего назначения: Сб. ГОСТов. —
М.: ИПК Издательство стандартов, 2003
Источник