ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ.

Разрывная испытательная машина типа Р-20 предназначена для статических испытаний металлов, сплавов и изделий из них на растяжение. При применении дополнительных приспособлений могут производиться испытания на сплющивание и изгиб.

Машина (рис. 4.5) представляет собой установку, состоящую из нагружающего устройства и пульта управления. Нагружающее устройство предназначено для деформирования и разрушения испытываемого образца. Пульт управления служит для управления процессом нагружения образца и контроля за величинами нагрузок и деформаций. Пульт управления включает насосную установку с системой управления, силоизмеритель и диаграммный аппарат для записи диаграммы «нагрузка-деформация».

Нагружающее устройство выполнено вертикальным с гидравлическим приводом вертикального захвата и с механическим приводом нижнего захвата.

ИСПЫТАНИЯ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Наибольшее количество информации о механических свойствах металла (предел пропорциональности (условный), предел упругости (условный), предел текучести (физический или условный), временное сопротивление, истинное сопротивление разрыву, относительное удлинение после разрыва, относительное сужение после разрыва) дает испытание на растяжение. Для этого испытания из изучаемого металла изготавливают образцы специальной формы (рис. 4.6). При этом виде испытания предусматриваются следующие общие определения и обозначения:

· рабочая длина образца, l, мм – часть образца между его головками или участками для захвата с постоянной площадью поперечного сечения;

· начальная расчетная длина образца l₀, мм – участок образца, на котором определяется удлинение;

· конечная расчетная длина образца l_к, мм – длина расчетной части после разрыва образца;

· начальный диаметр в рабочей части цилиндрического образца d₀, мм;

· минимальный диаметр цилиндрического образца после его разрыва d_к, мм;

· начальная толщина в рабочей части плоского образца или полосы а₀, мм;

· начальная ширина в рабочей части плоского образца или полосы b₀, мм;

· начальная площадь поперечного сечения в рабочей части образца F₀, мм²;

· минимальная площадь поперечного сечения образца после его разрыва F_к, мм²;

· осевая растягивающая нагрузка Р, кгс, действующая на образец в данный момент испытания;

· начальный диаметр в рабочей части цилиндрического образца d₀, мм;

· минимальный диаметр цилиндрического образца после его разрыва d_к, мм;

· начальная толщина в рабочей части плоского образца или полосы а₀, мм;

· начальная ширина в рабочей части плоского образца или полосы b₀, мм;

· начальная площадь поперечного сечения в рабочей части образца F₀, мм²;

· минимальная площадь поперечного сечения образца после его разрыва F_к, мм²;

· осевая растягивающая нагрузка Р, кгс, действующая на образец в данный момент испытания;

· условное нормальное напряжение σ, кгс/мм² – напряжение, определяемое отношением нагрузки Р к начальной площади поперечного сечения образца F₀;

· истинное нормальное напряжение S, кгс/мм² – напряжение, определяемое отношением нагрузки Р к действительной для данного момента испытания площади поперечного сечения образца;

· абсолютное удлинение образца Δl, мм.

Характеристики механических свойств, получаемые при испытании на растяжение, имеют следующие обозначения и определения:

· предел пропорциональности (условный) σ_пц, кгс/мм² – напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации Р-Δl в точке Р_пц с осью нагрузок увеличивается на 50 % своего значения на линейном упругом участке;

· предел упругости (условный) σ_0,05, кгс/мм² – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05 % от длины участке образца, равного базе тензометра;

· предел текучести (физический) σ_Т, кгс/мм² – наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки;

· предел текучести (условный) σ_0,2, кгс/мм² – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от длины участка образца, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики;

· временное сопротивление σ_,В, кгс/мм² – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Р_max, предшествующей разрушению образца;

· истинное сопротивление разрыву S_к, кгс/мм² – напряжение, определяемое отношением нагрузки Р_к в момент разрыва к площади поперечного сечения образца в месте разрыва F_к;

· относительное удлинение после разрыва δ, % - отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальной величине;

· относительное сужение после разрыва ψ, % - отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения образца F₀.

Форма и размеры образцов.Для испытаний на растяжение применяются образцы с начальной расчетной длиной или диаметром от 3 мм и более или толщиной от 0,5 мм и более. Первые образцы называются «короткими», вторые – «длинными».

Образцы из хрупких металлов допускается изготавливать с начальной расчетной длиной . При испытаниях в натуральном виде изделий допускается применение образцов с иной расчетной длиной (условной).

Рабочая длина испытываемых образцов должна составлять:

· для цилиндрических образцов – не менее l₀+d₀;

· для плоских образцов – не менее .

Проведение испытаний и подсчет результатов.Величина нагрузки при испытании отсчитывается с точностью до 0,5 наименьшего деления шкалы силоизмерителя.

Предел пропорциональности (условный) σ_пц определяется с помощью тензометра следующим образом.

На испытуемый образец после его установки в захваты испытательной машины и приложения к нему нагрузки соответствующей начальному напряжению σ₀ (не более 10 % от ожидаемого предела пропорциональности σ_пц), производится установка тензометров.

Нагружение образца производится любым способом, обеспечивающим медленное возрастание нагрузки и возможность приостановки нагрузки с точностью до наименьшего деления шкалы силоизмерителя. Время выдержки под нагрузкой для снятия показаний на каждой ступени нагружения должно составлять не более 5 – 7 секунд.

До нагрузок, составляющих 70 – 80 % нагрузки ожидаемого предела пропорциональности Р_пц, образец нагружается крупными ступенями. В дальнейшем нагружение производится мелкими (Δδ ≈ 2 кгс/мм²) ступенями.

Когда приращение удлинения при малой ступени нагружения превысит среднее значение приращения (при той же ступени нагрузки) на начальном линейном упругом участке в 2 – 3 раза, то испытание для определения предела пропорциональности прекращается.

На упругом участке определяется средняя величина приращения удлинения на малую степень нагружения. Найденную величину увеличивают в соответствии с заданным допуском. По результатам испытаний определяется нагрузка Р_пц, соответствующая подсчитанному значению приращения удлинения.

В тех случаях, когда необходимо уточнить численное значение определяемой характеристики, допускается использование линейной инетрполяции.

Предел пропорциональности (условный), вычисляется по формуле:

. (4.1)

Пример определения предела пропорциональности (условного).

Допуск на увеличение тангенса угла, образованного касательной к кривой деформации с осью нагрузок, - 50 % от его значения на линейном участке.

Испытуемый материал – сталь.

Размеры образца: диаметр d₀=10 мм начальная площадь поперечного сечения F₀ = 78,5 мм², начальная расчетная длина и база тензометра l₀ = 100 мм.

Начальное напряжение σ₀ =5 кгс/мм², что соответствует нагрузке Р₀= =392,5 кгс. Округленно принимаем Р₀ = 400 кгс.

Ожидаемый предел пропорциональности σ_пц = 70 кгс/мм². нагрузка Р, отвечающая 80 % нагрузке ожидаемого предела пропорциональности Р_пц, определяется из равенства:

Округленно принимаем Р равным 4000 кгс.

Для получения не менее четырех отсчетов в указанном интервале нагрузок крупная ступень нагружения определяется следующим образом:

кгс.

Дальнейшее нагружение производим мелкими ступенями по Р = 150 кгс (что соответствует приращению напряжения Δδ≈2 кгс/мм²) до заметного отклонения от закона пропорциональности со снятием показаний тензометров.

Результаты испытаний заносим в таблицу:

* - Цена деления шкалы тензометра 0,002 мм.

Средняя величина приращения удлинения Δl на малую ступень нагрузки Р = =150 кгс составляет:

деления шкалы.

Найденную величину приращения удлинения на малую ступень нагрузки на линейном участке согласно установленному допуску увеличиваем на 50 %.

Искомое удлинение на ступень нагрузки Р = 150 кгс составит:

4,5 х 1,5 = 6,8 делений шкалы.

Искомая нагрузка, отвечающая пределу пропорциональности, находится на основании полученных результатов испытания. Для данного случая Р_пц = 5500 кгс.

Предел пропорциональности (условный) составляет:

кгс/мм².

Найденная нагрузка Р может быть уточнена путем применения метода линейной интерполяции:

5650 кгс – 5500 кгс = 150 кгс;

8 делений – 6,5 делений = 1,5 делений.

Добавочную нагрузку Р определяем из пропорции:

150 кгс – 1,5 делений

Р кгс – 0,3 делений,

где 0,3 деления – разность между заданным приращением удлинения (6,8 делений) и полученной разностью в 6,5 делений (при Р = 5500 кгс).

Добавочная нагрузка:

кгс.

Уточненная нагрузка Р_пц, соответствующая пределу пропорциональности (условному), составит:

кгс.

Предел пропорциональности σ_пц отвечающий вычисленной нагрузке:

кгс/мм².

Предел упругости (условный) σ_0,05 определяется следующим образом.

На испытуемый образец после его установки в захваты испытательной машины и приложения к нему нагрузки, отвечающей начальному напряжению σ₀ (не более 10 % от ожидаемого предела упругости σ_0,05), производится установка тензометра.

После установки тензометра образец необходимо нагрузить до напряжения σ₁=2σ₀ и после выдержки в течение 5 -7 секунд разгрузить до начального напряжения.

Начиная с нагрузки, составляющей 70 – 80 % нагрузки ожидаемого предела упругости Р_0,05, образец нагружают последовательно возрастающими нагрузками с измерением каждый раз остаточного удлинения после разгрузки до начального напряжения.

Испытание для определения предела упругости прекращается, когда остаточное удлинение при данной нагрузке превысит заданную величину допуска. По результатам испытаний определяется нагрузка Р_0,05, соответствующая заданному допуску на величину остаточного удлинения.

В тех случаях, когда необходимо уточнить численное значение определяемой характеристики, допускается использование линейной интерполяции.

Предел упругости (условный) σ_0,05, вычисляется по формуле:

. (4.2)

Пример определения предела упругости.

Размеры образца: диаметр d₀ = 10 мм, начальная площадь поперечного сечения F₀ = 78,5 мм², начальная расчетная длина и база тензометра l₀ = 100 мм.

Начальное напряжение σ₀ = 5 кгс/мм², что соответствует нагрузке Р₀ = =392,5 кгс. Округленно начальную нагрузку принимаем равной 400 кгс.

Допуск на величину остаточной деформации составляет 0,05 % от начальной расчетной длины образца (база тензометра).

Ожидаемый предел упругости σ_0,05 = 75 кгс/мм².

Определяем остаточное удлинение, равное 0,05 % от начальной расчетной длины образца, выраженное в делениях шкалы тензометра:

0,05 % от 100 мм составляет 0,05 мм. Так как одно деление шкалы тензометра соответствует 0,002 мм, то 0,05 мм составляет 25 делений шкалы тензометра.

Первую ступень нагрузки Р₁, составляющую 70 – 80 % нагрузки ожидаемого предела упругости Р_0,05, принимаем равной 4500 кгс.

В дальнейшем нагружение производим ступенями по Р = 150 кгс (Δσ ≈ 2 кгс/мм²) до тех пор, пока остаточное удлинение при Р₀ = 400 кгс достигнет или несколько превысит 25 делений шкалы тензометра.

За начальное принимаем произвольно выбранное по шкале тензометра деление «20».

Результаты испытания записываем в таблицу:

По результатам испытаний находим нагрузку, предшествующую

вычисленному необходимому значению остаточного удлинения (25 делений по шкале тензометра).

Нагрузка, отвечающая пределу упругости (условному) σ_0,05:

Р_0,05 = 5850 кгс.

Предел упругости

кгс/мм².

Найденная нагрузка Р_0,05 может быть уточнена путем интерполяции:

6000-5850 = 150 кгс

32,5 делений – 23,5 делений = 9,0 делений

Добавочную нагрузку ΔР определяем из пропорции:

150 кгс – 9делений

Р – 1,5 делений,

где 1,5 деления – разность между заданным числом делений (25) и полученным (23,5) после снятия нагрузки Р = 5850 кгс.

Добавочная нагрузка:

кгс.

Уточненный предел упругости:

кгс/мм²

или с округлением σ_0,05 = 75 кгс/мм².

Предел текучести (физический) σ_Т определяется следующими методами:

· по диаграмме растяжения (рис. 4.7), полученной на испытательной машине, если масштаб диаграммы обеспечивает соответствие 1 мм ординаты не более 1 кгс/мм² напряжения образца;

· при массовых испытаниях нагрузка Р_Т может быть определена по явно выраженной остановке стрелки силоизмерительного устройства испытательной машины, обусловленной деформацией образца без заметного увеличения нагрузки.

Предел текучести (физический) σ_Т вычисляется по формуле:

; (4.3)

Предел текучести (условный) σ_0,2 (или при ином допуске на величину остаточной деформации) определяется следующими методами:

· с помощью тензометров по методике, указанной для определения предела упругости;

· графическим методом при масштабе по оси деформации диаграмм не менее 50 : 1.

Для определения нагрузки Р_0,2 по диаграмме испытаний вычисляется величина заданного остаточного удлинения, исходя из рабочей длины образца. Найденная величина увеличивается пропорционально масштабу диаграммы, и отрезок полученной длины ОЕ откладывается по сои абсцисс вправо от точки О (рис. ___). Начальная криволинейная часть диаграммы исключается. Из точки Е проводится прямая ЕР параллельно прямой ОА. Точка пересечения Р (с кривой растяжения) определяет высоту ординаты, т.е. нагрузку Р_0,2, отвечающую пределу текучести при заданном допуске на величину остаточного удлинения.

Для определения временного сопротивления σ_в испытуемый образец подвергается растяжению под действием плавно возрастающей нагрузки до разрушения.

Наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, принимается за нагрузку P_max, соответствующую временному сопротивлению.

Временное сопротивление вычисляется по формуле:

. (4.4)

Для определения истинного сопротивления разрыву S_к испытуемый образец подвергается растяжению до разрушения под действием плавно приложенной нагрузки. Нагрузка в момент разрыва Р_к принимается за нагрузку, соответствующую истинному сопротивлению разрыва.

Истинное сопротивление разрыву S_к определяется по формуле:

. (4.5)

Для определения длины расчетной части образца после разрыва l_к разрушенные части последнего плотно складываются так, чтобы оси их образовывали прямую линию. Если после испытания в месте разрыва образуется зазор, обусловленный частичным выкрашиванием металла и другими причинами, то он включается в длину расчетной части образца после разрыва.

Относительное удлинение образца после разрыва δ вычисляется по формуле:

(4.6)

Для определения относительного сужения после разрыва цилиндрического образца измеряется минимальный диаметр в месте разрыва d_к в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

По среднему арифметическому из полученных значений вычисляется площадь поперечного сечения F_к.

Определение относительного сужения после разрыва для образцов с иной начальной формой поперечного сечения по рабочей части не рекомендуется.

При необходимости определения указанной характеристики для плоских образцов толщиной 2 мм вычисление площади поперечного сечения в месте разрыва производится путем умножения наибольшей ширины образца в месте разрыва на наименьшую толщину.

Относительное сужение после разрыва определяется по формуле:

(4.7)

Испытание считается недействительным:

· при разрыве образца по разметочным кернам (рискам), если при этом какая–либо механическая характеристика по своей величине не отвечает установленным требованиям;

· при разрыве образца в захватах испытательной машины или за пределами расчетной длины (если необходимо определить относительное удлинение);

· при разрыве образца по дефектам производства;

· при обнаружении двух и более шеек или двух (или более) мест разрыва;

· при обнаружении ошибок в проведении испытаний.

В указанных случаях испытание на растяжение должно быть повторено на образцах, изготовленных из той же партии или изделия.

ИСПЫТАНИЕ НА ИЗГИБ

Испытание на изгиб служит для определения способности металла выдерживать заданную пластическую деформацию, характеризуемую углом изгиба, или для оценки предельной пластичности металла при изгибе.

Предельная пластичность характеризуется углом изгиба до образования первой трещины.

При испытании на изгиб предусмотрены следующие обозначения:

· толщина образца – а в мм;

· ширина образца – b в мм;

· длина образца – L в мм;

· диаметр опор – D в мм;

· угол изгиба – α в град;

· толщина оправки – d в мм;

· расстояние между опорами – l в мм;

· радиус закругления оправки – r в мм;

· угол между наклонными плоскостями приспособления V-образной формы – β в град.

Подготовка к испытаниям. При вырезке заготовок для образцов должны быть обеспечены припуски, предохраняющие металл образца от влияния нагрева и наклепа.

При изготовлении плоского образца на его гранях после механической обработки не должно быть поперечных рисок от режущего инструмента. Острые кромки образца должны быть притуплены. Радиус закругления не должен превышать 0,2 от толщины материала и должен быть не более 3 мм. Механическую обработку кромок производят вдоль образца. Допускается проведение испытания на образцах с непритупленными кромками, если при испытании таких образцов получают удовлетворительные результаты.

На средней трети длины образца не допускаются дефекты сварки, металлургического производства и механические повреждения.

Проведение испытаний. Образец с постоянной площадью поперечного сечения подвергают изгибу сосредоточенной нагрузкой в середине пролета между опорами (рис. 4.10).

Испытание на изгиб может проводиться:

· до заданного угла изгиба;

· до появления первой трещины в растянутой зоне образца с фиксацией угла изгиба;

· до параллельности сторон;

· до соприкосновения сторон.

Вид изгиба оговаривается в стандартах или технических условиях на изделие.

Испытания на изгиб производятся при плавном увеличении нагрузки на образец. При испытании до появления первой трещины с фиксацией угла изгиба скорость испытания не должна превышать 15 мм/мин.

При испытании на изгиб, образец подвергают деформированию, а силоизмеритель испытательной машины регистрирует силу сопротивления образца. Результаты испытания графически представлены в виде диаграммы изгиба (рис. 4.11). По оси абсцисс отложена деформация, а именно прогиб образца, а по оси ординат – сила сопротивления образца деформации, т.е. нагрузка на образец.

На диаграмме изгиба имеется начальный, прямолинейный участок (0-А), характеризующий работу металла в упругой стадии. Затем следует отклонение от линейного закона, свидетельствующее о появлении и развитии в металле пластической деформации (А-В).

Отклонение от пропорциональности между Р и f наступает в точке А (рис. 4.11). Если продолжить изгиб дальше до состояния, характеризующегося точкой В, а затем разгрузить образец, то появится остаточный прогиб f_ост. Нагружая образец снова, обнаруживаем, что пропорциональность между Р и f сохраняется теперь до точки В. Пока остаточный прогиб невелик, его можно не учитывать и принимать, что материал образца обладает упругостью до тех пор, пока не перешли на диаграмме за точку В. Нагрузка, соответствующая этой точке, называется нагрузкой при пределе упругости и обозначается Р_у.

При продолжении испытания на изгиб до точки С и последующем разгружении образец получит остаточный прогиб f_T. Нагрузку, соответствующую точке С, называют нагрузкой при пределе текучести.

Для определения предельных усилий при испытании на изгиб приняты остаточные деформации для предела упругости условно 0,05 % от начального состояния образца, а для предела текучести – 0,2 %.

Испытания на изгиб до заданного угла могут быть проведены следующим способом. Образец, лежащий на двух горизонтальных параллельных опорах, при помощи оправки изгибают до заданного угла α между одной стороной образца и продолжением другой (рис. 4.12). При установке на опоры продольная ось образца должна быть перпендикулярна оси изгиба. Угол изгиба измеряют без снятия нагрузки.

L £ D + 3а

Рис. 4.12. Схема проведения испытания на изгиб до заданного угла.

Ширина оправки и опор должна быть больше ширины образца. Толщину оправки устанавливают в соответствии с указаниями стандартов и технических условий на продукцию. При отсутствии таких указаний толщину оправки принимают равной двум толщинам (диаметрам) испытуемого образца. Радиус закругления части оправки должен быть равен половине ее толщины. Радиус закругления опор должен быть не менее толщины образца.

Расстояние между опорами, если оно не оговорено в стандартах или технических условиях на продукцию, принимают равным d+2,5а с округлением до 1 мм в большую сторону.

4.5. Методы технологических испытаний

Технологические методы испытаний используются для определения возможности применения металлов и сплавов в сварных конструкциях при определенном способе их производства. При этом, в отличие от методов механических испытаний, определяются не отдельные значения свойств с высокой точностью измерений, а пригодность материала или конструкций для конкретных производственных задач, исходя из условий их изготовления и эксплуатации.

Ниже изложены наиболее важные стандартизованные методы технологических испытаний.

4.5.1. Испытания на сопротивляемость образованию холодных трещин при сварке плавлением

Испытания проводятся в соответствии с ГОСТ 26388-84. Данный стандарт устанавливает методы испытаний на сопротивляемость основного металла из углеродистых и легированных сталей в зоне термического влияния и металла шва образованию холодных трещин при однопроходной сварке (в том числе при сварке коренного валика многопроходных швов).

Методы основаны на доведении металла зоны термического влияния или шва сварных образцов до образования холодных трещин под действием растягивающих напряжений от внешней постоянной нагрузки или под действием остаточных сварочных напряжений.

Машинный метод применяют при разногласиях в оценке качества сварных соединений.

Методы испытаний, предусмотренные в указанном выше стандарте, применяют при проведении исследовательских испытаний по оценке свариваемости металлов.

Стандарт определяет типы образцов (приводятся чертежи образцов) для испытаний стыковых и угловых сварных соединений для стали толщиной от 1 до 20 мм.

Стандарт рекомендует различные методики проведения испытаний, устанавливает показатели сопротивляемости металла сварных соединений и зоны термического влияния и металла шва образованию холодных трещин и способы обработки результатов.

4.5.2. Испытания на сопротивляемость образованию горячих трещин при сварке плавлением

Испытания проводятся в соответствии с ГОСТ 26389-84. Данный стандарт устанавливает методы испытаний на сопротивляемость образованию горячих трещин (ГТ) металла швов и зоны сплавления сварных соединений конструкционных сплавов толщиной 1,5 мм и более при всех способах сварки плавлением.

Машинные методы применяют при испытаниях образцов на сопротивляемость металла шва и зоны его сплавления с ОМ против образования трещин отдельных видов для выбора оптимального химического состава шва и режима сварки.

При машинных испытаниях испытуемый металл шва и зоны сплавления в процессе сварки деформируют приложением внешней нагрузки для определения сравнительно-количественных показателей: критического темпа (м/°С, %/°С) и критической скорости растяжения (м/с), при которых образуются горячие трещины. Чем выше данные показатели, тем соответственно выше стойкость металла сварных швов против образования ГТ.

Технологические методы предусматривают изготовление типовых сварных узлов определенных конструкций и технологию сварки, которые обусловливают повышенные значения темпа высокотемпературных деформаций, приводящих к образованию горячих трещин.

При этом определяются:

- критическая скорость сварки, при которой начинают образовываться трещины, м/ч;

- коэффициенты ширины образца, как отношение ее к длине сварного шва, %;

- периодичность трещин, %;

- площадь трещин, как отношение их суммарной площади к площади сварного шва вдоль его оси, %;

- длину трещин, как отношение их суммарной длины к длине сварного шва на образце, %.

По совокупности данных показателей оценивается сварных швов против образования ГТ.

В стандарте описывается изготовление различными способами сварки 12 типов образцов.

Стандарт определяет требования к аппаратуре для испытаний, порядок проведения испытаний, обработки результатов.