Твердость в предел прочности на растяжение
Применение зависимости «прочность-твердость» при обследовании стальных конструкций с помощью портативных твердомеров.
В настоящее время стальные конструкции широко применяются в качестве несущих элементов различных по назначению зданий и сооружений. Для поддержания нормального технического состояния имеется необходимость в контроле работы конструкций в течение всего срока эксплуатации. Особо важную роль данные о состоянии металла конструкций играют при реконструкции сооружений: они позволяют как сократить расход металла на усиление конструкции, так и правильно рассчитать нагрузки, которые обследуемая конструкция может воспринимать. Одним из основных параметров стальных конструкций, определяющим их работоспособность является прочность материала.
Традиционным методом определения прочности металла в конструкциях является отбор проб и их последующее испытание на растяжение по ГОСТ 1497-84 (ГОСТ 1497-84*. Металлы. Методы испытания на растяжение). Данный способ отличается тем, что полученное в результате значение прочности наиболее близко к истинному. Однако основными недостатками этого метода являются неизбежное ослабление элементов при отборе проб и высокая трудоемкость отбора, испытания и дальнейшего восстановления целостности элемента.
Связь между прочностью металла и его твердостью широко известна, а соотношение между данными параметрами для сталей указано в ГОСТ 22761-77 (ГОСТ 22761-77. Метод измерения твердости по Бринеллю переносными твердомерами статического действия). Однако в разных источниках приводятся различные аналитические зависимости. Например, в СТО 22-04-02 (СТО 22-04-02. Руководство по отбору микропроб, проб и определению механических свойств сталей в металлических конструкциях неразрушающим методом) приведена формула:
(1)
При этом зависимость рассматриваемых параметров, указанная в справочнике Морозова А.С., Ремнева В.В., Тонких Г.П. «Организация и проведение обследования технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений», имеет вид:
(2)
где К = 0,34 при НВ<175 и К = 0,36 при НВ>175.
Значения прочности, полученные по этим зависимостям, имеют существенные отличия и, в ряде случаев, значительно отличаются от истинной прочности испытываемого элемента. Например, в результате одного из проведенных авторами исследований на двутавре из стали Ст3сп, были получены значения твердости и прочности, представленные в таблице 1.
Таблица 1.
Твердость | Прочность | ||||
полученная пересчетом по эмпирическим зависимостям и таблицам | по данным сертификата | по данным испытания на разрыв по ГОСТ [1] | |||
по ГОСТ [2] | по СТО [3] | по справочнику [4] | |||
141,1 | 493 | 451 | 471 | 480 | 512,5 |
Как видно из данных, приведенных в таблице 1, определенные косвенным методом значения прочности имеют различия до 9% при разном способе пересчета и отличаются от истинного значения предела прочности на величину до 13%.
Известны исследования различных ученых, например, М.С.Дрозд «Определение механических свойств металла без разрушения», В.М.Хомич «Экспериментальное исследование взаимосвязи предела текучести и некоторых чисел твердости строительных сталей» и другие, направленные на уточнение и анализ зависимости «твердость-прочность». Однако большинство исследований основано на измерении твердости в лабораторных условиях по отобранным образцам, что также неизбежно приводит к ослаблению элемента конструкции.
Помимо вышеуказанного, в литературе отсутствуют методические указания по применению методов неразрушающего контроля твердости в полевых условиях (на строительной площадке или в эксплуатируемом здании). Нет рекомендаций по учету влияния на результат измерения факторов, возникающих при проведении измерений. К данным факторам в первом приближении относятся:
1. Расположение участка измерения;
2. Толщина испытываемого элемента;
3. Качество обработки испытываемой поверхности;
4. Напряженно-деформированное состояние элемента;
5. Наличие и величина остаточных напряжений;
6. Марка стали.
Имеется большой спектр приборов неразрушающего контроля твердости, позволяющих выполнять измерения в полевых условиях. К таким портативным твердомерам, в частности, относятся: ТЕМП-4, ТКМ-459, МЕТ-УД, Equotip и другие. Основные методы, применяемые в них – это ультразвуковой и динамический. В динамическом методе определяется косвенная характеристика – отношение скорости при ударе и отскоке индентора. В ультразвуковом методе измеряемым параметром является частота колебаний индентора, при его внедрении в образец на определенную глубину под действием постоянного усилия. Значения косвенных характеристик в дальнейшем переводятся в число твердости.
Цель настоящей работы – изучение влияния различных технологических факторов на погрешность измерения и достоверность определения прочности стали по измерению твердости.
Для достижения поставленной цели произведены лабораторные экспериментальные исследования на образцах из прокатных профилей различного поперечного сечения (двутавр, швеллер, уголок), выполненных из различных марок стали.
Для определения твердости металла в ходе исследований использованы портативные твердомеры ТЭМП-4 (динамический метод) и МЕТ-УД (динамический и ультразвуковой методы).
На первом этапе исследовалось влияние на результаты измерений вида обработки поверхности исследуемого объекта. Обработка поверхности при применении портативных твердомеров является обязательным условием, а от качества ее выполнения во многом будет зависеть точность результата измерения. Для реализации эксперимента, поверхность образцов была обработана тремя различными способами:
1. Зачистка от окрасочного слоя;
2. Зачистка от слоя окалины;
3. Шлифовка поверхности шлифовальными кругами различной зернистости.
Последний вид обработки исследовался более детально для изучения влияния зернистости шлифовальных кругов и шероховатости обработанной поверхности на результаты измерений.
На рис. 1 представлены графики результатов измерений твердости динамическим методом при различных видах обработки. Наглядно представлен разброс значений, характеризующий измерения при различных условиях.
Рис.1. График распределения значений твердости при различной обработке поверхности.
В результате исследований показано, что вид подготовки поверхности оказывает существенное влияние на погрешность измерений твердости ( рис.1). Коэффициент вариации результатов измерений в первых двух испытаниях составил 18,4% и 26,3% соответственно. Выявленный разброс данных не допустим для выполнения исследований. Шлифовка поверхности перед выполнением измерений является обязательным условием для применения портативных твердомеров.
Выявлено, что зернистость шлифовальных кругов (от Z-40 до Z-120) практически не оказывает влияния на дисперсию значений. Коэффициент вариации при обработке шлифованием составляет 3,4…5,0%. При этом шероховатость обработанной поверхности, по данным профилометрического анализа, составила 0,36…1,84 мкм, что является допустимым для применения как динамического, так и ультразвукового методов.
На втором этапе исследована погрешность измерений при различном расположении измеряемого участка по сечению элемента и применении различных методов исследования (рис. 2).
В результате испытания динамическим методом было выявлено, что результат измерений в упругой зоне профиля (край полки, середина стенки) в три-четыре раза ниже, чем в неупругой (зоны сопряжения стенки с полкой). В стенке значения выше вблизи полки, однако, в остальной части они примерно постоянны. В результате испытаний ультразвуковым методом выявлено, что значения твердости изменяются по всему сечению профиля не существенно.
Рис.2. Распределение результатов измерения твердости по сечению швеллера различными методами и приборами, МПа.
Разброс значений, полученных динамическим методом, вызван упругостью зоны измерений. Для снижения погрешности необходимо выполнять измерения в зоне, где упругость сечения элемента не оказывает заметного влияния – в зоне стыка полки и стенки. Кроме того, показано, что применение ультразвукового метода измерения не сопровождается высоким значением погрешности, вызванной различным расположением участка измерения.
Третьим этапом исследована погрешность измерения, вызванная остаточными напряжениями в околошовной зоне сварного шва. Для этого исследования на двутавровом образце был смоделирован валик сварного шва шириной 2см. Испытания проводились на расстоянии 0,5см от края шва и далее с шагом в 1см.
Рис.3. Распределение результатов измерения твердости в вблизи сварного шва, МПа.
Как показано на рисунке 3, при приближении к сварному шву значения измеренной твердости заметно увеличивается. Таким образом, можно сделать вывод, что участок измерения твердости необходимо располагать вне зоны влияния сварного шва, на удалении примерно три ширины шва. Однако данные исследования требуют продолжения и более подробной проработки при разных толщинах образцов и параметрах сварного шва.
По результатам выполненных исследований сформулированы следующие выводы:
1. Выполнение обработки поверхности образца шлифовкой является обязательным условием для проведения измерений. При этом зернистость шлифовальных кругов в определенном диапазоне не оказывает существенного влияния на погрешность измерений.
2. Меньшей погрешностью характеризуются измерения, выполняемые в наиболее жесткой части сечения профилей — в зоне стыка полки и стенки. Влияние данного фактора при использовании ультразвукового метода практически отсутствует.
3. Значение прочности стали наиболее близкое к истинной величине (по результатам испытаний) получено по пересчету твердости по таблице ГОСТ (ГОСТ 22761-77. Метод измерения твердости по Бринеллю переносными твердомерами статического действия).
4. Близость участка измерения к сварному шву оказывает значительное влияние на погрешность измерений. Повышенная твердость в зоне сварного шва сохраняется в зоне приблизительно равной трем ширинам шва.
5. В последующих этапах исследования планируется изучить влияние толщины элементов, температуры и марки стали на получаемые значения твердости. Конечной целью работы является разработка набора коэффициентов и рекомендаций по определению прочности путем измерения твердости для различных материалов.
А.В. Улыбин, начальник отдела
«Обследование зданий и сооружений» ПНИПКУ «Венчур», к.т.н.
П.А.Рогозин, инженер
Твердость | Прочность | ||||
полученная пересчетом по эмпирическим зависимостям и таблицам | по данным сертификата | по данным испытания на разрыв по ГОСТ [1] | |||
по ГОСТ [2] | по СТО [3] | по справочнику [4] | |||
141,1 | 493 | 451 | 471 | 480 | 512,5 |
Источник
14Ноя
By: Семантика
Без рубрики
Comment: 0
Содержание статьи
- Предел прочности
- Как производится испытание на прочность
- Виды ПП
- Предел прочности на растяжение стали
- Предел текучести и временное сопротивление
- Усталость стали
- Предел пропорциональности
- Как определяют свойства металлов
- Механические свойства
- Классы прочности и их обозначения
- Формула удельной прочности
- Использование свойств металлов
- Пути увеличения прочностных характеристик
При строительстве объектов обязательно необходимо использовать расчеты, включающие подробные характеристики стройматериалов. В обратном случае на опору может быть возложена слишком большая, непосильная нагрузка, из-за чего произойдет разрушения. Сегодня поговорим о пределе прочности материала при разрыве и натяжении, расскажем, что это такое и как работать с этим показанием.
Предел прочности
ПП – будем использовать это сокращение, а также можно говорить об официальном сочетании «временное сопротивление» – это максимальная механическая сила, которая может быть применена к объекту до начала его разрушения. В данном случае мы не говорим о химическом воздействии, но подразумеваем, что нагревание, неблагоприятные климатические условия, определенная среда могут либо улучшать свойства металла (а также дерева, пластмассы), либо ухудшать.
Ни один инженер не использует при проектировании крайние значения, потому что необходимо оставить допустимую погрешность – на окружающие факторы, на длительность эксплуатации. Рассказали, что называется пределом прочности, теперь перейдем к особенностям определения.
Как производится испытание на прочность
Изначально особенных мероприятий не было. Люди брали предмет, использовали его, а как только он ломался, анализировали поломку и снижали нагрузку на аналогичное изделие. Теперь процедура гораздо сложнее, однако, до настоящего времени самый объективный способ узнать ПП – эмпирический путь, то есть опыты и эксперименты.
Все испытания проходят в специальных условиях с большим количеством точной техники, которая фиксирует состояние, характеристики подопытного материала. Обычно он закреплен и испытывает различные воздействия – растяжение, сжатие. Их оказывают инструменты с высокой точностью – отмечается каждая тысячная ньютона из прикладываемой силы. Одновременно с этим фиксируется каждая деформация, когда она происходит. Еще один метод не лабораторный, а вычислительный. Но обычно математический анализ используется вместе с испытаниями.
Определение термина
Образец растягивается на испытательной машине. При этом сначала он удлиняется в размере, а поперечное сечение становится уже, а затем образуется шейка – место, где самый тонкий диаметр, именно здесь заготовка разорвется. Это актуально для вязких сплавов, в то время как хрупкие, к ним относится чугун и твердая сталь, растягиваются совсем незначительно без образования шейки. Подробнее посмотрим на видео:
Виды ПП
Временное сопротивление разрыву определяют по различным воздействиям, согласно этому его классифицируют по:
- сжатию – на образец действуют механические силы давления;
- изгибу – деталь сгибают в различные стороны;
- кручению – проверяется пригодность для использования в качестве крутящегося вала;
- растяжению – подробный пример проверки мы привели выше.
Предел прочности на растяжение стали
Стальные конструкции давно заменили прочие материалы, так как они обладают отличными эксплуатационными характеристиками – долговечностью, надежностью и безопасностью. В зависимости от применяемой технологии, он подразделяется на марки. От самой обычной с ПП в 300 Мпа, до наиболее твердой с высоким содержанием углерода – 900 Мпа. Это зависит от двух показателей:
- Какие способы термообработки применялись – отжиг, закалка, криообработка.
- Какие примеси содержатся в составе. Одни считаются вредными, от них избавляются для чистоты сплава, а вторые добавляют для укрепления.
Предел текучести и временное сопротивление
Новый термин обозначается в технической литературе буквой Т. Показатель актуален исключительно для пластичных материалов и обозначает, как долго может деформироваться образец без увеличения на него внешней нагрузки.
Обычно после преодоления этого порога кристаллическая решетка сильно меняется, перестраивается. Результатом выступают пластические деформации. Они не являются нежелательными, напротив, происходит самоупрочнение металла.
Усталость стали
Второе название – предел выносливости. Его обозначают буквой R. Это аналогичный показатель, то есть он определяет, какая сила может воздействовать на элемент, но не в единичном случае, а в цикле. То есть на подопытный эталон циклично, раз за разом действуют определенные давления. Среднее количество повторений – 10 в седьмой степени. Именно столько раз металл должен без деформаций и потери своих характеристик выдержать воздействие.
Если проводить эмпирические испытания, то потребуется множество времени – нужно проверить все значения силы, прикладывая ее по множеству циклов. Поэтому обычно коэффициент рассчитывается математически.
Предел пропорциональности
Это показатель, определяющий длительность оказываемых нагрузок к деформации тела. При этом оба значения должны изменяться в разный степени по закону Гука. Простыми словами: чем больше оказывается сжатие (растяжение), тем сильнее деформируется образец.
Значение каждого материала находится между абсолютной и классической упругостью. То есть если изменения обратимы, после того как сила перестала действовать (форма стала прежняя – пример, сжатие пружины), то такие параметры нельзя называть пропорциональными.
Как определяют свойства металлов
Проверяют не только то, что называют пределом прочности, но и остальные характеристики стали, например, твердость. Испытания проводят следующим образом: в образец вдавливают шарик или конус из алмаза – наиболее прочной породы. Чем крепче материал, тем меньше след остается. Более глубокие, с широким диаметром отпечатки остаются на мягких сплавах. Еще один опыт – на удар. Воздействие оказывается только после заранее сделанного надреза на заготовке. То есть разрушение проверяется для наиболее уязвимого участка.
Механические свойства
Различают 5 характеристик:
- Предел прочности стали при растяжении и на разрыв это – временное сопротивление внешним силам, напряжение, возникающее внутри.
- Пластичность – это возможность деформироваться, менять форму, но сохранять внутреннюю структуру.
- Твердость – готовность встретиться с более твердым материалом и не получить значительных ущербов.
- Ударная вязкость – способность сопротивляться ударам.
- Усталость – длительность сохранения качеств под воздействием цикличных нагрузок.
Классы прочности и их обозначения
Все категории записаны в нормативных документах – ГОСТах, по ним все российские предприниматели изготавливают любой металлопрокат и прочие металлические изделия. Вот соответствие обозначения и параметра в таблице:
| Класс | Временное сопротивление, Н/мм2 |
| 265 | 430 |
| 295 | 430 |
| 315 | 450 |
| 325 | 450 |
| 345 | 490 |
| 355 | 490 |
| 375 | 510 |
| 390 | 510 |
| 440 | 590 |
Видим, что для некоторых классов остается одинаковыми показатели ПП, это объясняется тем, что при равных значениях у них может различаться текучесть или относительное удлинение. В зависимости от этого возможна различная максимальная толщина металлопроката.
Формула удельной прочности
R с индексом «у» – обозначение данного параметра в физике. Рассчитывается как ПП (в записи – R) поделенное на плотность – d. То есть этот расчет имеет практическую ценность и учитывает теоретические знания о свойствах стали для применения в жизни. Инженеры могут сказать, как меняется временное сопротивление в зависимости от массы, объема изделия. Логично, что чем тоньше лист, тем легче его деформировать.
Формула выглядит так:
Ry = R/d
Здесь будет логичным объяснить, в чем измеряется удельный предел прочности. В Н/мм2 – это вытекает из предложенного алгоритма вычисления.
Использование свойств металлов
Два важных показателя – пластичность и ПП – взаимосвязаны. Материалы с большим первым параметром намного медленнее разрушаются. Они хорошо меняют свою форму, подвергаются различным видам металлообработке, в том числе объемной штамповке – поэтому из листов делают элементы кузова автомобиля. При малой пластичности сплавы называют хрупкими. Они могут быть очень твердыми, но при этом плохо тянуться, изгибаться и деформироваться, например, титан.
Сопротивление
Есть два типа:
- Нормативное – прописано для каждого типа стали в ГОСТах.
- Расчетное – получается после вычислений в конкретном проекте.
Первый вариант скорее теоретический, для практических задач используется второй.
Пути увеличения прочностных характеристик
Есть несколько способов это сделать, два основных:
- добавка примесей;
- термообработка, например, закал.
Иногда они используются вместе.
Общие сведения о сталях
Все они обладают химическими свойствами и механическими. Ниже подробнее поговорим о способах увеличения прочности, но для начала представим схему, на которой представлены все разновидности:
Также посмотрим более подробное видео:
Все они обладают химическими свойствами и механическими. Ниже подробнее поговорим о способах увеличения прочности, но для начала представим схему, на которой представлены все разновидности:
Углерод
Чем больше углеродность вещества, тем выше твердость и меньше пластичность. Но в составе не должно быть более 1% химического компонента, так как большее количество приводит к обратному эффекту.
Марганец
Очень полезная добавка, но при массовой доле не более двух процентов. Обычно Mn добавляют для улучшения качеств обрабатываемости. Материал становится более подвержен ковке и свариванию. Это объясняется вытеснением кислорода и серы.
Кремний
Эффективно повышает прочностные характеристики, при этом не затрагивая пластичность. Максимальное содержание – 0,6%, иногда достаточно и 0,1%. Хорошо сочетается с другими примесями, в совокупности можно увеличить устойчивость к коррозии.
Азот и кислород
Если они попадают в сплав, но ухудшают его характеристики, при изготовлении от них пытаются избавиться.
Легирующие добавки
Также можно встретить следующие примеси:
- Хром – увеличивает твёрдость.
- Молибден – защищает от ржавчины.
- Ванадий – для упругости.
- Никель – хорошо влияет на прокаливаемость, но может привести к хрупкости.
Эти и другие химические вещества должны применяться в строгих пропорциях в соответствии с формулами. В статье мы рассказали про предел прочности (кратковременное сопротивление) – что это, и как с ним работать. Также дали несколько таблиц, которым можно пользоваться при работе. В качестве завершения, давайте посмотрим видеоролик:
Чтобы уточнить интересующую вас информацию, свяжитесь с нашими менеджерами по телефонам 8 (908) 135-59-82; (473) 239-65-79; 8 (800) 707-53-38. Они ответят на все ваши вопросы.
Источник