Образцы при одноосном растяжении
ГОСТ 9.901.4-89
(ИСО 7539/4-89)
Группа Т99
ОКСТУ 0009
Дата введения 1991-01-01
1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Министерством авиационной промышленности СССР
2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по управлению качеством продукции и стандартам от 28.12.89 N 4192
3. Срок первой проверки — 1996 г. Периодичность проверки — 5 лет
4. Стандарт полностью соответствует международному стандарту ИСО 7539/4-89
5. ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
6. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ
Настоящий стандарт устанавливает общие требования к подготовке и методы испытаний образцов при одноосном растяжении с целью определения сопротивления коррозионному растрескиванию (КР).
Общие требования к испытаниям нa КР, термины, применяемые в стандарте, и пояснения к ним — по ГОСТ 9.901.1.
1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ
1.1. Образцы применяют для исследования сопротивления КР материала прутков, плит, проволоки, листов и труб, а также соединений, выполненных сваркой, клепкой и другими способами. Допускается использовать образцы с надрезом.
1.2. Нагружение образцов проводят с использованием оборудования, обеспечивающего приложение постоянных нагрузки, деформации или возрастающей нагрузки, деформации.
2. СУЩНОСТЬ МЕТОДА
2.1. Сущность метода заключается в одновременном воздействии на образец нагрузки (постоянных нагрузки и деформации или возрастающих нагрузки и деформации) и коррозионной среды.
Примечание. Коррозионная среда может вызывать ухудшение характеристик напряженного материала в большей степени, чем материала без воздействия напряжений.
2.2. Ухудшение характеристик материала вследствие КР происходит, как правило, из-за зарождения и роста трещин. Одна или несколько образующихся трещин разрушают образец, если испытание проводят в течение длительного времени. При отсутствии полного разрушения механические свойства образцов снижаются в зависимости от степени развития трещин, роста питтингов или удлиненных раковин.
Примечание. При испытании серии образцов из материала одной марки в одних тех же условиях можно получить значительный разброс результатов. Если приготовленные образцы имеют различные размеры или ориентацию, или подвергаются нагружению различными методами, то результаты испытаний могут различаться в еще большей степени.
3. ТРЕБОВАНИЯ К ОБРАЗЦАМ
3.1. Общие требования
3.1.1. Образцы с постоянным поперечным сечением могут быть круглыми, квадратными, прямоугольными, кольцевыми или в специальных случаях — других форм.
3.1.2. Образцы с расчетной частью конусообразной формы используют для получения ряда значений первоначальных напряжений.
3.1.3. Для испытания на растяжение допускается применять образцы с механическими надрезами и предварительно созданными трещинами. Для образцов с надрезами в основании надреза имеет место трехосное напряженное состояние, а осевое напряжение у основания надреза будет больше номинального, рассчитанного с учетом минимального сечения у основания надреза. Максимальное напряжение в надрезе рассчитывают как произведение номинального напряжения и коэффициента () концентрации напряжения для определенного надреза.
3.1.4. По согласованию сторон взамен испытуемых образцов используют готовые изделия с обработанной поверхностью в состоянии поставки.
3.1.5. Пропорциональность размеров, соблюдаемая в образцах для испытания на растяжение, не обязательна при испытаниях на КР, но для сопоставления результатов различных испытаний следует использовать образцы для испытаний на растяжение по ГОСТ 1497.
3.1.6. Для уменьшения концентрации напряжений, которые способствуют зарождению трещин, механически обработанные образцы должны иметь радиус перехода стандартного размера между захватом и рабочей частью (если они разных размеров). Острые углы в образцах, имеющих поперечное сечение в форме квадрата или прямоугольника, следует закруглять.
3.1.7. Захваты могут быть любой формы, соответствующей держателям испытательной машины. Зажимаемый участок образца при необходимости изолируют от воздействия коррозионной среды (п.4.3).
3.1.8. Допускается использовать образцы с малым сечением, если они соответствуют форме изделия, в случаях необходимости сокращения времени испытаний или повышения чувствительности к присутствию небольших трещин, образующихся в результате КР.
Образцы с малым сечением труднее механически обрабатывать, и на их показатели влияют внешние концентраторы напряжений, получающиеся от неосевой нагрузки, коррозионных питтингов и других видов коррозионных поражений. Для механически обработанных образцов рекомендуются расчетная длина образцов более 10 мм и диаметр более 3 мм.
3.2. Подготовка образцов
3.2.1. При подготовке образцов к испытаниям проводят механическую обработку с последующим обезжириванием, если не следует выполнять требования п.3.1.4. Параметр шероховатости поверхности должен соответствовать средней квадратической высоте неровностей не более 1 мкм.
3.2.2. При чистовой механической обработке поверхности следует избегать ее перегрева или чрезмерного давления инструмента, которые могут создать остаточные напряжения или вызвать структурные изменения поверхности. Для устранения таких нежелательных эффектов следует применять термическую обработку, химическое или электрохимическое полирование. Не допускается загрязнение поверхности образцов остатками полирующих материалов.
3.2.3. При электрохимическом полирования поверхности не всегда устраняются нежелательные эффекты механической обработки.
3.2.4. При химическом полировании поверхности необходимо принять меры по исключению избирательного травления фаз или осаждения на поверхности загрязнений.
3.2.5. Для материалов, чувствительных к водородному охрупчиванию, не допускается применять химическое или электрохимическое полирование.
4. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ
4.1. Испытательную среду и ее параметры выбирают в зависимости от целей испытаний. В предельном случае они должны имитировать превалирующие факторы в условиях фактического использования материала или сравнимы с ожидаемыми условиями эксплуатации.
Интерпретацию полученных результатов применительно к ожидаемым условиям эксплуатации проводят с определенной осторожностью.
4.2. Образец нагружают после его помещения в коррозионную среду. Если необходимо нагрузить образец до коррозионного воздействия, он должен быть помещен в коррозионную среду в возможно короткий срок.
4.3. В местах захвата образцов не должно быть контакта с коррозионной средой для исключения следующих нежелательных эффектов:
на результаты испытаний может влиять контактная коррозия, если материал зажимного устройства отличается от материала испытываемого образца (влияние устраняют электрической изоляцией);
в ограниченных зазорах между захватами и образцами может возникать щелевая коррозия; неравномерное распределение напряжения преждевременно разрушает образец от КР в этих местах;
щелевая коррозия может также возникать в тех местах, где образец выходит из испытательной ячейки; для ее устранения используют специальную конструкцию ячейки, защитные покрытия или увеличивают сечение этой части образца.
4.4. При испытаниях нагруженных образцов рекомендуется параллельно испытывать ненагруженные образцы. В случаях испытания образцов с высоким уровнем внутренних остаточных напряжений (например, тонколистовые образцы, образцы со сварными соединениями) следует параллельно испытывать ненагруженные образцы.
Механические свойства металла могут снижаться при контакте металла с коррозионной средой даже при отсутствии приложенного напряжения, например, в результате образования питтингов, межкристаллитной коррозии и т.п. При этом эффект приложенного напряжения оценивают только при сравнении поведения напряженных и ненапряженных образцов.
4.5. Если испытания включают повышение нагрузки или деформации и образцы доводят до полного разрушения, рекомендуется испытывать эти образцы в инертной и коррозионной средах. Это позволяет оценить влияние коррозионной среды на основании данных испытаний в инертных условиях.
Примечание. Для высокопрочных алюминиевых сплавов результаты испытаний на воздухе неравнозначны с результатами испытаний в инертной среде.
4.6. Для уменьшения количества используемых образцов рекомендуется применять метод бинарного поиска для определения порогового напряжения по ГОСТ 9.901.1.
5. ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ
5.1. Для оценки чувствительности к КР используют, как правило, время до полного разрушения образца. Для исключения повторных испытаний при одинаковом уровне напряжений с целью оценки рассеяния результатов рекомендуется испытывать образцы с приложением различных начальных напряжений для определения порогового напряжения, при этом проводят несколько повторных испытаний при каждом начальном напряжении.
Примечание. Время до полного разрушения, кроме прочих факторов, зависит от начального приложенного напряжения и природа этой зависимости не одинакова для всех материалов во всех средах, сравнение этого параметра для разных материалов при одинаковом начальном приложении напряжения может привести к неправильной интерпретации результатов испытаний.
5.2. Если не произошло полного разрушения образца, испытания заканчивают в установленное в программе испытаний время. Все неразрушенные образцы следует исследовать на наличие трещин после удаления (при необходимости) продуктов коррозии по ГОСТ 9.907.
5.3. В качестве критерия для сравнительной оценки чувствительности к КР, особенно в начале образования трещин, используют количество трещин на единицу длины образца. При применении этого критерия следует использовать оптимальный стандартный метод определения количества трещин.
Примечание. При металлографическом исследовании образцов можно выявить небольшие трещины, не видимые невооруженным глазом.
5.4. Среднюю скорость развития трещин определяют делением длины самой большой трещины, измеренной на поверхностях излома полностью разрушенных образцов или на сечениях частично разрушенных образцов, на время испытания.
Примечание. Для этого параметра сделано допущение о возникновении трещины в начале испытания, что не всегда верно, но полученные данные, как правило, находятся в удовлетворительном согласовании с результатами более точных исследований.
5.5. Образцы, не полностью разрушившиеся при испытаниях, оценивают с помощью механических испытаний, выполненных после окончания коррозионных испытаний.
Примечание. Параметрами, наиболее часто свидетельствующими о наличии трещин, являются изменение значений предела прочности на растяжение и связанное с пластичностью изменение относительного сужения.
6. ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ
6.1. В протокол испытаний включают:
полную характеристику испытуемого материала, включая состав, термическую обработку, тип изделия и толщину сечения изделия, откуда был взят образец;
направление (ориентацию), тип и размеры образца и подготовку его поверхности;
методику нагружения;
испытательную среду и время выдержки;
методы обработки результатов испытаний (в том числе время до полного разрушения, количество и расположение трещин, среднюю скорость развития трещин, прочность и пластичность после испытаний).
Текст документа сверен по:
официальное издание
М.: Издательство стандартов, 1990
Источник
Основным видом исследования механических свойств материалов является испытание на растяжение. Оно проводится на специальных испытательных машинах, создающих постепенно возрастающую нагрузку на испытываемый образец и осуществляющих в процессе нагружения регистрацию величины действующей на образец силы и его деформации.
Чаще всего применяют цилиндрические образцы (рис. 2.1, а), а при испытании листового материала – плоские (рис. 2.1, б).
Для цилиндрических образцов выдерживают определенное соотношение между расчетной длиной образца l0 и диаметром образца d0..Обычно l0 = 10 d0(длинный образец); реже l0 = 5d0 (короткий образец). Учитывая, что диаметр d0связан с площадью сечения образца формулой
,
связь между расчетной длиной l0 и площадью поперечного сечения образца можно выразить для длинного (десятикратного) образца зависимостью
, (2.1)
для короткого (пятикратного)
. (2.2)
Рисунок 2.1 – Цилиндрические (а) и плоские (б) образцы для испытания на растяжение
В качестве основных образцов при испытании на растяжение применяют цилиндрические образцы с диаметром d0 = 10 мм, расчетной длиной l0 = 100 мм и l0 = 50 мм. Допускается применение и других пропорциональных образцов, в которых выдержаны соотношения размеров в соответствии с формулами (2.1, 2.2).
Образец перед испытанием измеряется штангенциркулем и устанавливается в захваты испытательной машины, где к нему прикладывается осевая статическая нагрузка. Под действием приложенной силы образец удлиняется; с ростом силы растет и удлинение.
Специальное устройство, так называемый диаграммный аппарат, вычерчивает в определенном масштабе кривую в координатах Р.- , называемую диаграммой растяжения (первичная диаграмма)), вид которой зависит от свойств материала и размеров образца. Для малоуглеродистых сталей (сталь Ст2, Ст3 и др.) диаграмма имеет вид, показанный на рис. 2.2.
Из рисунка видно, что диаграмма имеет ряд характерных точек (1…5), соответствующих определенному состоянию металла образца.
На начальном участке диаграммы О-1 наблюдается линейная зависимость между силой Р и удлинением образца , т.е. деформируется материал упруго и подчиняется закону Гука. При дальнейшем увеличении силы (участок 1-2) закон Гука нарушается, однако материал деформируется упруго, поэтому, если разгрузить образец с точки 2, то перо записи диаграммы возвращается в начало координат.
Рисунок. 2.2 – Диаграмма растяжения (первичная диаграмма)
Участок 2-3 именуется площадкой текучести, т.к. здесь наблюдается пластическое течение материала (необратимое) при постоянной нагрузке. На этом участке металл переходит в новое качественное состояние. На гладкой полированной поверхности образца появляется сетка линий скольжения (так называемые линии Чернова–Людерса) – следствие сдвигов по плоскостям наибольших касательных напряжений. Линии скольжения составляют угол 45° с продольной осью образца;
Дальнейшее деформирование образца от точки 3 до точки 4 требует увеличения силы Р, причем зависимость между Р и становится нелинейной. В точке 4 усилие растяжения достигает своего наибольшего значения – Рmax. Материал на рассматриваемом участке упрочняется за счет явления наклепа.
От точки О до точки 4 образец на всей рабочей части равномерно удлиняется с соответствующим равномерным уменьшением сечения (диаметра).
Начиная с точки 4 растяжение образца приведет к образованию местного сужения (именуемое «шейкой»), кривая на диаграмме идет вниз и на точке 5 обрывается (образец разрушается в «шейке»).
Следует отметить, что разгрузка образца с любой точки диаграммы (напр. точки i) на участке диаграммы 2-5 приведет к исчезновению только упругой деформации (отрезок ), но останутся пластические (отрезок ОО1), и перо записи диаграммы уже не возвратится в начало координат, т.е. образец получит остаточное удлинение.
Вид разрушенного путем растяжения образца показан на рис. 2.3.
Пользуясь указанными характерными нагрузками, взятыми из диаграммы растяжения, и зная площадь сечения испытуемого образца , определяют основные характеристики прочности материала:
Источник
Машина для испытаний на растяжение с электромеханическим приводом
Статическое растяжение — одно из наиболее распространённых видов испытаний для определения механических свойств материалов.
Основные характеристики, определяемые при испытании[править | править код]
При статическом растяжении, как правило, определяются следующие характеристики материала.
- Характеристики прочности:
- предел пропорциональности,
- предел текучести,
- предел прочности (временное сопротивление разрушению),
- истинное сопротивление разрыву.
- Характеристики пластичности:
- относительное остаточное удлинение,
- относительное остаточное сужение.
- Характеристики упругости:
- модуль упругости (модуль Юнга).
- Прочие характеристики:
- коэффициент механической анизотропии
- коэффициент (модуль) упрочнения
Основные типы материалов[править | править код]
Принято разделять пластичные и хрупкие материалы. Основное отличие состоит в том, что первые деформируются в процессе испытаний с образованием пластических деформаций, а вторые практически без них вплоть до своего разрушения. За критерий для условной классификации материалов можно принять относительное остаточное удлинение δ = (lк − l0)/l0, где l0 и lк — начальная и конечная длина рабочей части образца), обычно вычисляемое в процентах. В соответствии с величиной остаточного удлинения материалы можно разделить на:
- пластичные (δ ≥ 10 %);
- малопластичные (5 % < δ < 10 %);
- хрупкие (δ ≤ 5 %).
Существующие материалы могут быть изотропными или анизотропными. В последнем случае из-за различия характеристик в различных направлениях необходимо произвести не одно, а несколько испытаний.
Образцы для испытаний на статическое растяжение[править | править код]
Цилиндрический пятикратный образец
Цилиндрический пятикратный образец после разрушения
Для испытаний на статическое растяжение используют образцы как с круглым, так и с прямоугольным сечением. Предъявляются повышенные требования к изготовлению образцов, как с точки зрения геометрии, так и с точки зрения обработки резанием. Требуется высокая однородность диаметра образца по его длине, соосность и высокое качество поверхности (малая шероховатость, отсутствие царапин и надрезов). При изготовлении образцов следует избегать перегрева материала и изменений его микроструктуры.
Образцы круглого сечения, как правило, имеют рабочую длину, равную четырём или пяти диаметрам — т. н. короткие образцы или десяти диаметрам — т. н. нормальные образцы. Перед началом испытания замеряется диаметр образца (обычно 6, 10 или 20 мм) для вычисления напряжения σ и для расчёта относительного остаточного сужения после разрушения образца. В случае использования экстензометра, длина рабочей части образца не замеряется, а деформация ε и относительное удлинение при разрушении регистрируются автоматически с помощью компьютера или измеряются по диаграмме σ — ε. При отсутствии экстензометра (не рекомендуется стандартом), отмечается рабочая длина образца, деформация ε рассчитывается по перемещениям конца образца (захвата), а относительное удлинение при разрушении рассчитывается путём замера разрушенного образца.
Диаграмма растяжения пластичного материала[править | править код]
Рис. 1. Типичная диаграмма σ — ε для малоуглеродистой стали
1. Предел прочности (временное сопротивление разрушению)
2. Предел текучести (верхний)
3. Точка разрушения
4. Область деформационного упрочнения
5. Образование шейки на образце
Рис. 2. Типичная диаграмма σ — ε для алюминиевых сплавов
1. Предел прочности (временное сопротивление разрушению)
2. Условный предел текучести (σ0.2)
3. Предел пропорциональности
4. Точка разрушения
5. Деформация при условном пределе текучести (обычно, 0,2 %)
Микроструктура доэвтектоидной стали (0,7 % углерода)
Обычно диаграмма растяжения является зависимостью приложенной нагрузки P от абсолютного удлинения Δl. Современные машины для механических испытаний позволяют записывать диаграмму в величинах напряжения σ (σ = P/A0, где A0 — исходная площадь поперечного сечения) и линейной деформации ε (ε = Δl/l0 ). Такая диаграмма носит название диаграммы условных напряжений, так как при этом не учитывается изменение площади поперечного сечения образца в процессе испытания.
Начальный участок является линейным (т. н. участок упругой деформации). На нём действует закон Гука:
Затем начинается область пластической деформации. Эта деформация остаётся и после снятия приложенной нагрузки. Переход в пластическую область обнаруживается не только по проявлению остаточных деформаций, но и по уменьшению наклона кривой с увеличением степени деформации. Данный участок диаграммы обычно называют площадкой (зоной) общей текучести, так как пластические деформации образуются по всей рабочей длине образца. С целью изучения и точного анализа диаграммы деформации, современные испытательные машины оснащены компьютеризированной записью результатов.
По наклону начального участка диаграммы рассчитывается модуль Юнга. Для малоуглеродистой стали наблюдается т. н. «зуб текучести» и затем площадка предела текучести. Явление «зуба» текучести связано с дислокационным механизмом деформации. На начальном участке плотность дислокаций является недостаточной для обеспечения более высокой степени деформации. После достижения точки верхнего предела текучести начинается интенсивное образование новых дислокаций, что приводит к падению напряжения. Дальнейшая деформация при пределе текучести происходит без роста напряжения . Зависимость предела текучести, от размера зерна, d, выражена соотношением Холла-Петча:
После достижения конца площадки текучести (деформация порядка 2 — 2,5 %) начинается деформационное упрочнение (участок упрочнения), видимое на диаграмме, как рост напряжения с ростом деформации. В этой области до достижения максимальной нагрузки (напряжения (σВ) макродеформация остаётся равномерной по длине испытуемого образца. После достижения точки предела прочности начинает образовываться т. н. «шейка» — область сосредоточенной деформации. Расположение «шейки» зависит от однородности геометрических размеров образца и качества его поверхности. Как правило, «шейка» и, в конечном счёте, место разрушения расположено в наиболее слабом сечении. Кроме того, важное значение имеет одноосность напряжённого состояния (отсутствие перекосов образца в испытательной машине). Для пластичных материалов при испытании на статическое растяжение одноосное напряжённое состояние сохраняется лишь до образования т. н. «шейки» (до достижения максимальной нагрузки и начала сосредоточенной деформации).
Вид диаграммы деформации, приведённый на рис. 1 является типичным для О.Ц.К. материалов с низкой исходной плотностью дислокаций.
Для многих материалов, например, с Г. Ц. К. кристаллической решёткой, а также для материалов с высокой исходной плотностью дефектов, диаграмма имеет вид, показанный на рис. 2. Основное отличие — отсутствие явно выраженного предела текучести. В качестве предела текучести выбирается значение напряжения при остаточной деформации 0,2 % (σ0.2).
После достижения максимума нагрузки происходит падение нагрузки (и, соответственно, напряжения σ) за счёт локального уменьшения площади поперечного сечения образца. Соответствующий (последний) участок диаграммы называют зоной местной текучести, так как пластические деформации продолжают интенсивно развиваться только в области шейки.
Иногда используется диаграмма истинных напряжений, S — e (истинное напряжение S = P/A, где A — текущая площадь поперечного сечения образца; истинная деформация e = ln(l+Δl/l), где l — текущая длина образца). В этом случае, после достижения максимальной нагрузки не происходит падения напряжения, истинное напряжение растёт за счёт локального уменьшения сечения в «шейке» образца. Поэтому различие между диаграммами истинных и условных напряжений наблюдается только после предела прочности — до точки 1 они практически совпадают друг с другом.
Образцы из пластичного материала разрушаются по поперечному сечению с уменьшением диаметра в месте разрыва из-за образования «шейки».
Диаграмма растяжения хрупкого материала[править | править код]
Диаграмма растяжения и диаграмма условных напряжений хрупких материалов по виду напоминает диаграмму, показанную на рис. 2 за тем исключением, что не наблюдается снижения нагрузки (напряжения) вплоть до точки разрушения. Кроме того, данные материалы не получают таких больших удлинений как пластичные и по времени разрушаются гораздо быстрее. На диаграмме хрупких материалов уже на первом участке имеется ощутимое отклонение от прямолинейной зависимости между нагрузкой и удлинением (напряжением и деформацией), так что о соблюдении закона Гука можно говорить достаточно условно. Так как пластических деформаций хрупкий материал не получает, то в ходе испытания не определяют предела текучести. Не имеет особенного смысла также рассчитывать и относительное сужение образца, так как шейка не образуется и диаметр после разрыва практически не отличается от исходного.
Влияние скорости деформации и температуры на прочностные характеристики[править | править код]
Стандарты на проведение испытаний на статическое растяжение, как правило, ограничивают скорость деформации или скорость приложения нагрузки. Так, стандарт ASTM E-8 ограничивает скорость деформации величиной 0,03 — 0,07 мм/мин. Такое ограничение вызвано искажением результатов за счёт повышения прочности металлов с ростом скорости деформации (при постоянной температуре). При скоростях деформации до 1 сек скорость деформации практически не влияет на прочностные характеристики (в частности, на предел текучести) (источник???).
В общем виде можно выразить формулу влияния скорости деформации на предел текучести в виде:
где — скорость деформации; — астотный фактор, — активационный объём; — напряжение течения; — экстраполяция напряжения течения на нулевую скорость деформации.
Эта же зависимость даёт и зависимость напряжения течения от температуры. В области низких температур и при отсутствии фазовых превращений прочность кристаллических материалов повышается. Вклад в повышение прочности даёт и переход от термически активируемого процесса деформации за счёт движения дислокаций к механизму деформации путём двойникования.
Стандарты на проведение испытаний[править | править код]
- ГОСТ 6996-66
- ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение
- ГОСТ 11262-80 (СТ СЭВ 1199-78) Пластмассы. Метод испытания на растяжение
- ASTM E-8 и ASTM E-8M
Литература[править | править код]
- Я. Б. Фридман. Механические свойства металлов. 3-е изд. В 2-х ч. М.: Машиностроение, 1974
- М. Л. Бернштейн, В.А Займовский. Механические свойства металлов. 2-е изд. М.: Металлургия, 1979.
- А. Н. Васютин, А. С. Ключ. Влияние температуры и скорости деформации на сопротивление деформированию малоуглеродистых и низколегированных сталей. Заводская лаборатория, 1985, № 4.
См. также[править | править код]
- Растяжение-сжатие
Источник