Методы испытания механических свойств при нормальных, высоких и низких температурах

Испытание на растяжение

Методом статических испытаний на растяжение при комнатной (20±5°) температуре по ГОСТ 1497—84 определяют: пределы пропорциональности σ_пц, упругости σ_уп, услов­ный σ_0,2и физический σ_т пределы текучести, временное сопротивле­ние разрыву σ_в, относительное удлинение б и сужение Ψпосле разрыва. Основной тип образца — цилиндрический с рабочим диамет­ром 10 мм, применяют также образцы других диаметров — d₀ (часто диаметром 5 мм), плоские образцы толщиной 0,5 мм и более. Начальная расчетная длина l₀ должна составлять 5,65√F₀ или 11,3√F₀ , где F₀— площадь поперечного сечения рабочей части об­разца до разрыва. Рабочая длина цилиндрических образцов дол­жна быть в пределах от l₀ + 0,5d₀ до l₀ + 2d₀, плоских образцов толщиной 4 мм и более — от l₀ + 1,5√F₀ до l₀ + 2,5√F_0.

При арбитражных испытаниях рабочая длина образцов должна соответствовать верхним из указанных пределов. Основные требова­ния, предъявляемые к установке образцов: способ крепления не должен допускать проскальзывания образцов в захватах, смятия опорных поверхностей, деформацию головок и разрушение образца в местах перехода от рабочей части к головкам и в головках. Раз­метку расчетной длины образца следует выполнять с точностью до 1%.,

Ниже приведена точность обмера образца, мм:

Начальная и конечная длина ………… 0,1

Диаметр цилиндрических образцов:

<10 мм ………………………………..…0,01

>10 мм ……………………………….… 0,05

плоских толщиной >2 мм   ………….. 0,05

Измерение образцов до испытания проводят не менее чем в трех местах (в середине образца и по краям рабочей части), площадь поперечного сечения вычисляют по наименьшим из полученных размеров. При проведении испытаний необходимо соблюдать на­дежное центрирование образца в захватах испытательной машины плавность нагружения. Скорость перемещения подвижного захвата не должна превышать 0,1 при испытании до предела текучести и за пределом текучести быть не менее 0,4 длины расчетной части образ­ца при выражении ее в миллиметрах в минуту. Могут быть предло­жены и другие скорости. При определении пределов упругости и текучести с помощью тензометров цена деления шкалы приборов не должна превышать 0,002 и 0,02 мм соответственно. Точность отсчета нагрузки при испытании — одно наименьшее деление шкалы силоизмерителя. Порядок проведения испытаний и расчет показателей механических свойств регламентированы в ГОСТ 1497—84.

Кратковременные статические испытания на растяжение при повышенных температурах (до 1200 °С) проводят в соответствии с ГОСТ 9651—84. Определяют: предел текучести (σ^t_0,2)  временное сопротивление разрыву (σ_в),относительное удлинение (δ^t) и суже­ние (Ψ^t)- Методика испытаний аналогична испытаниям при нормальной температуре. Отличие состоит в форме и размерах образца, наличии соответствующего нагревательного устройства и оборудования для контроля и поддержания заданного температур­ного режима испытаний. Для «горячих» испытаний применяются пропорциональные цилиндрические образцы с резьбовыми головка­ми и с расчетной длиной рабочей части l₀ = 5,65√F₀ (короткий) и l₀ = 11,3√F₀ (длинный).

Ниже приведены основные характеристики образцов, мм:

                                                                         Длинный                         Короткий

Начальный диаметр рабочей части                   5 и 10                               5 и 10

Резьба на головке                                                 М12                                М12

Длина резьбовой части головки                        14 и 15                            14 и 15

Расчетная длина                                                  50 и 100                          25 и 50

Общая длина                                                      101 и 160                         76 и 110

Нагревательное устройство (печь) должно обеспечивать равно­мерный нагрев до заданной температуры по всей рабочей длине образца и сохранять температуру в установленных пределах на протяжении всего испытания. Температуру измеряют одной термо­парой, установленной в средней части образца, и приборами класса точности не ниже 0,5%. Приборы подлежат систематической повер­ке в соответствии с инструкциями Госстандарта СССР. Допустимые отклонения от заданной температуры приведены ниже:

Температура нагрева, °С   .   .   .   .   . 600     600—900     900—1200

Допустимые отклонения, °С ' .   .   .   . ±3          ±5                     ±6

Продолжительность нагрева до температуры испытания не должна превышать 1 ч, а время выдержки 20—30 мин, если нет других указаний в НТД. Запись диаграмм выполняют в масштабе по оси деформации 12 : 1 или более подробном. Испытания на растя­жение при отрицательных температурах проводятся сравнительно редко.

Испытания при ударных нагрузках

Определение ударной вязко­сти при нормальной температуре в соответствии с ГОСТ 9454—78

осуществляют на стандартных образцах пяти типов (рис. 1), в основном применяют тип 1. Образцы клеймят номером плавки и по­рядковым номером на боковых сторонах или на стороне,противопо­ложной надрезу. Расстояние клейма от торца—не более 15 мм. К испытаниям не допускают образцы с дефектами изготовления (раз­меры, следы обработки на поверхности надреза в виде поперечных рисок, трещины, заусенцы на ребрах, клеймо на опорной поверхно­сти) и металла. В термически обработанных образцах канавки прорезают после термообработки. Образец помещают на опоры стани­ны маятникового копра надрезом внутрь, правильность установки проверяют специальным шаблоном. Расстояние между опорами должно составлять 404:0,5 мм, а между осями ножа и надреза об­разца — не превышать 0,2 мм. Перед каждой серией испытаний копер проверяется на свободном полете маятника от верхнего и нижнего положений. Показатель работы в обоих случаях должен соответствовать нулю с точностью до 1 Дж (точность определения работы удара). Скорость ножа маятника в момент удара должна быть в пределах 4—7 м/с, что соответствует его подъему на высоту 0,8—2,5 м (для копров с максимальной энергией в 300 Дж). После испытаний оценивают структуру излома.

Для испытаний при повышенных (до 1200 °С) температурах ис­пользуют трубчатые печи, которые устанавливают так, чтобы на­правляющий желоб трубки вплотную подходил к опорам копра и находился на одном уровне с ними. Горизонтальное положение ог­раничителя должно фиксировать такое положение образца, при котором он после нагрева в печи надежно встанет в установленное до испытания положения. После проверки установки ограничителя образец помещают в нагретую до заданной температуры печь, а ограничитель продвигают вплотную к направляющему желобу опо­ры копра. По истечении 10-мин выдержки образец с помощью металлического стержня выталкивается из печи на опоры копра до упора задней стенки ограничителя в фиксатор. Время от извлечения образца до удара маятника практически не превышает 5 с. Ис­пытание образцов из сильно окисляющихся сталей проводят в ней­тральных средах.

Для испытания при пониженных (до кипения жидкого азота) температурах вблизи копра устанавливают термостат для охлажде­ния образцов. Вся партия образцов, испытываемых при одной и той же температуре, должна подаваться на копер в одинаковых усло­виях. Перед испытанием один образец из партии с заточенным тор­цом устанавливают к фиксатору так, чтобы ось надреза образца и ось ножа маятника совпадали. Ограничитель фиксируется в поло­жении образца, при котором последний после охлаждения в термо­стате встанет в установленное для испытаний положение.

После установки ограничителя на копре эталонный образец и всю сверенную с ним партию (2—10 шт.) помещают в термостат за­точенными торцами в одну сторону, а ограничитель вплотную придвигают к направляющему желобу опоры копра. Хладоагентом в термостате является смесь спирта с жидким азотом или один жидкий азот. В связи с некоторым повышением температуры смеси после закладки образцов в термостат необходимо небольшими пор­циями при непрерывном помешивании доливать жидкий азот, пока температура не достигнет заданной. Отрицательные температуры измеряют платиновым пирометром сопротивления, работающим в паре с электронным мостом. После достижейия температуры термо­стата образец выдерживают 15 мин и затем быстро переносят в направляющий желоб заточенным торцом вперед. С помощью металлического стержня образец выталкивается на опоры до упора задней стенки органичителя в фиксатор, время от извлечения образ­ца из термостата до удара маятника не должно превышать 5 с. Все испытания на ударную вязкость должны проводиться в течение од-го удара маятника.

Испытания на длительную прочность

в соответствии с ГОСТ 10145—81 проводят с помощью машин типа МП-3, МП-4 при температурах до 1200 °С.

Ниже даныразмеры цилиндрических образцов:

Прутки диаметром, мм......                                          8—10    10—12  12 и более   16 и более

Начальный диаметр рабочей части d₀ ,мм .            4                 5               5               10.

Начальная расчетная длина l₀ ,мм ...                         20           25             25               50

Тип резьбы на головках образца ....                             М8           М10        М12            М16

Сопряжение головки и рабочей части образца должно быть плавным. Допустимое отклонение в величине площади поперечного сечения по всей расчетной длине образца ±0,5%; допустимое бие­ние рабочей части поверхности образцов при проверке в центрах, а также отклонение от номинального диаметра — не более 0,03 мм. При испытаниях должны обеспечиваться постоянство нагрузки в течение всего времени испытания, плавность нагружения и разгружения, надежное центрирование и равномерный нагрев образца до заданной температуры и ее сохранение на протяжении всего испы­тания. Отклонение от заданной нагрузки на образец не должно пре­вышать ±1%.

Контроль температуры образца осуществляется тремя термопа­рами, две из которых прикрепляют к концам рабочей части образца, а третью (регулирующую) — к верхнему захвату машины. В про­цессе испытаний температура непрерывно записывается электрон­ными потенциометрами класса точности 0,5%; кроме того, ежечасно замеряют температуру с помощью переносного потенциометра того же класса точности и не реже одного раза в 15 мин контролируют работу каждой группы машин. Результаты измерений и наблюдений заносят в операционные карты, составляемые на каждый образец, и в операционный журнал. Контрольные термопары систематически проверяются с помощью образцовой термопары II разряда, их за­меняют через каждые 500 ч работы при температурах испытания 500—800 °С; при испытаниях до 850—1000 °С термопары заменяют­ся через каждые 100 ч.

Отклонения от заданной температуры не должны превышать ±3 °С при температуре испытания до 600 и ±4 °С при испытании в диапазоне 600—900 °С. Для лучшей организации работы по изме­рению температуры в ЛКИ должен быть участок КИП. Время испытания, проведенного при температурах с отклонениями более допустимых, исключают из общей продолжительности испытания. При вынужденном перерыве испытания образец необходимо разгру­зить, устранить причину перерыва, снова нагреть до заданной тем­пературы, выдержать при ней и плавно нагрузить. В этом случае результаты испытаний считаются действительными, если суммарная продолжительность их под нагрузкой при заданной температуре не ниже требований НТД. Результаты считаются недействительными при разрыве образца в галтели (за исключением случая, когда про­должительность испытания достигла значений, соответствующих требованиям НТД) и при разрыве образца по дефектам металлур­гического происхождения.

Испытание металла на ползучесть — это разновидность испыта­ний на длительную прочность. Оно служит для определения нара­стания деформации образца во времени при постоянных нагрузке и температуре. Применяют образцы: цилиндрические d₀ = 10,/ = 100 и 200 мм с резьбой М16; плоские — шириной 15, /о = 100 мм и тол­щиной, соответствующей толщине листа. Требования к качеству об­разцов, аппаратуре и машинам, порядку проведения испытания на ползучесть и точности измерений температуры в целом аналогичны рассмотренным. Отличие состоит в том, что после нагрева и выдер­жки в течение 1 ч к образцу плавно прилагают нагрузку в размере 10% общей нагрузки и снимают показания для измерения деформа­ции (приборы для измерения деформации должны обеспечивать точность отсчета не менее 0,002 мм). Если температура и деформа­ция остаются в течение 5 мин постоянными, прилагают остальную нагрузку и ступенями — через каждые 5, 10, 15 (чаще — через 60) мин ведут отсчет деформации. Продолжительность, температуру и степень деформации устанавливают НТД. По окончании испытания образец разгружают до величины предварительной нагрузки и опре­деляют абсолютную величину остаточного удлинения.

Испытание на горячее скручивание

предназначено для оценки технологической пластичности металла при температурах до 1200 °С (иногда — выше) по двум показателям — числу скручива­ний образца до его разрушения и максимальному крутящему мо­менту, выраженному в ньютонах, умноженных на метр. Применяют­ся цилиндрические образцы do=10 мм и /₀ = 40 мм. Головки образца имеют резьбу Ml6. Испытательные машины снабжают потенциометрами, обеспечивающими контроль температуры образца (класс точности — 0,5%), замер крутящего момента и числа скру­чиваний. Во время испытания недопустимо продольное перемещение образца и его биение. Частота вращения активного захвата — не менее 60 об/мин. Обмеренный с точностью до 0,1 мм образец мон­тируют в удлинителях, помещают в нагретую печь, закрепляют в захватах машины и нагревают (прогрев 30, выдержка 10—15 мин). Машину включают после окончания нагрева. По диаграмме на шлейфе потенциометра определяют величину крутящего момента с точностью до 10 Нм и число скручиваний с точностью до 0,5 оборо­та. Для обеспечения правильной работы испытательной машины и надежности результатов по специальной методике для различных марок или групп марок стали строятся тарировочные графики: крутящий момент — в ньютонах, умноженных на метр (он же — в единицах шкалы потенциометра).

Испытание на усталость (выносливость)

Основные требования к условиям проведения этих испытаний изложены в ГОСТ 2860—65. Определяют предел усталости путем воздействия на вращаемый образец одной или двух изгибающих сил, вызывающих в образце напряжения (растяжение, сжатие), изменяющиеся по симметрич­ному циклу. Для испытаний используют машины типа НУ с часто­той вращения образца 3000 об/мин. База испытания — 10 млн. цик­лов. Предел усталости новых марок стали, а также любых сталей, для которых необходимо установить действительный предел вынос­ливости, определяют на шести образцах и более. Для испытания первого образца подсчитывают постоянное напряжение, равное 0,6% предела прочности при растяжении. Для второго и последую­щих образцов напряжение каждый раз повышается или понижается на 20 или 40 МПа в зависимости от числа циклов, разрушивших первый образец. Если первый образец не разрушился, на последую­щих образцах делается прирост напряжения на одну и ту же величину (20 или 40 МПа) до разрыва образца. Разность между напря­жениями для двух последних образцов (разрушившегося и неразрушившегося) не должна превышать 20 МПа. Испытывают образ­цы с do, равными 7,5 и 10 мм, с надрезом или без него (рис. 19), последнее определяется НТД. Размеры образцов проверяют с по­мощью инструментального микроскопа с коническими щупами с точностью 0,01 мм. Конусность цилиндрического образца не должна превышать 0,005 мм, биение в центрах 0,03 мм. Если в процессе испытания машина отключалась, то это испытание считается несостоявшимся. Повторно образец не испытывают.

Испытание на изгиб

Испытание на изгибхрупких материалов проводят с целью опре­деления склонности стали и других материалов к хрупкому разруше­нию. Дисковые образцы диаметром 60 и высотой 10 мм или образцы прямоугольного сечения (10х10х60 мм) испытывают на гидравли­ческой машине (например, типа «Амслер») со шкалами нагрузок 100 или 200 кН. Образцы устанавливаются на две опоры, расстоя­ние между которыми равно 40 мм, и подвергают действию медленно возрастающей нагрузки (~2 мм/мин). Определяют наибольшую нагрузку в момент разрушения образца (Р) и подсчитывают сопро­тивление изгибу по следующим формулам:

для прямоугольных об­разцов — σ_изг = 3Рl/2Вh²;

для дисковых образцов — σ_изг = 8Pl/πd³,

где l — расстояние между опорами; В — ширина прямо­угольного образца; h— высота прямоугольного образца; d— диа­метр дискового образца. С помощью прогибомера измеряют стрелу прогиба (точность 0,5 мм), по внешнему виду образцов определяют характер разрушения.

Испытание на чувствительность к механическому старению

В соответствии с ГОСТ 7268—67 чувствительность стали к механи­ческому старению определяют сравнением ударной вязкости образ­цов стали в исходном состоянии и подвергнутых деформации и последующему нагреву по специальным режимам. Из отобранных по ГОСТ 7564—73 заготовок вырезают две полосы, одна из которых предназначена для деформирования, другая — для изготовления ударных образцов в исходном состоянии. Полосу с нанесенной на нее расчетной длиной 120 или 160 мм деформируют растяжением для получения 10±0,5% остаточного удлинения. Расстояние от за­хватов до расчетной длины должно быть не менее 10 мм. Из дефор­мированной полосы вырезают заготовки для ударных образцов так, чтобы место вырезки не выходило за пределы расчетной длины по­лосы. Форма и размеры ударных образцов соответствуют ГОСТ 9454—78. Готовые деформированные образцы подвергают равномерному нагреву при 250±10 °С с выдержкой 1 ч и охлажде­нию на воздухе. Нормативно-технической документацией на метал­лопродукцию может предусматриваться другой режим старения и количество испытуемых образцов. Если такое указание отсутствует, то испытывают шесть образцов: три — в состоянии поставки метал­ла и три — после старения. Показатель чувствительности опреде­ляют по формуле, %:

C= ((а_н)_исх — (а_н)_ст) *100/(а_н)_исх,

где (а_н)_исх — среднее арифметическое значение ударной вязкости в исходном состоянии; (а_н)_ст — то же, после старения.

Испытание на изгиб полосовой и другой стали

Испытание на изгиб полосовой и другой стали служит для опре­деления способности металла выдерживать заданную пластическую деформацию, характеризуемую изломом изгиба, или для оценки предельной пластичности при изгибе. В соответствии с ГОСТ 14019—80 испытанию на изгиб подвергают ленты полосового, широкополосно­го, листового, сортового фасонного и периодического профилей, прокат из металлов и сплавов, а также поковки и отливки. Места вырезки   заготовок   для   изготовления   образцов   определяются

ГОСТ 7564—73. При испытании сортовой стали толщиной до 35 мм поперечное сечение образцов должно быть равно поперечному сече­нию проката. При испытании стали более крупных профилей изго­тавливают цилиндрические образцы диаметром 25 мм с сохранени­ем полоски поверхности проката или простроганные с одной сторо­ны образцы толщиной 20 и шириной не менее 30 мм. Качество поверхности образца должно соответстовать классу 4 по ГОСТ 2789—73. Испытание полосовой, широкополосной и листовой стали проводят на плоских образцах. При толщине проката до 30 мм образцы изготавливают с сохранением поверхностных слоев проката. Ширина образцов должна быть не менее двух толщин про­ката. Из проката толщиной более 30 мм изготавливают простроган­ные образцы толщиной 20 и шириной не менее 30 мм также с сохранением на одной стороне поверхности проката, которая при изгибе должна находиться снаружи. Общая длина образца для испытания на изгиб должна составлять 160—170 мм.

Испытание проводят при скорости, не превышающей 15 мм/мин, по одной из следующих схем:

изгиб на двух горизонтальных параллельных опорах до заданно­го угла между одной стороной образца и продолжением другой;

изгиб на двух горизонтальных параллельных опорах до появле­ния первой трещины, видимой невооруженным глазом. Угол измеряют после снятия нагрузки;

изгиб до параллельности сторон, предварительно образец заги­бают на угол не менее 150°, затем устанавливают прокладку и об­разец догибают до соприкоснования с ней;

изгиб до соприкосновения сторон образца с образованием петли, предварительный загиб — на угол не менее 150°.

Результаты испытаний определяют по НТД. Если специальных указаний нет, годными признаются образцы, не имеющие излома, расслоений, надрывов и трещин, видимых невооруженным глазом.

Перечисленные методы испытаний являются традиционными и наиболее распространенными при определении механических пока­зателей качества металлопродукции [44]. На металлургических и машиностроительных предприятиях применяют также ряд других испытаний, вт. ч. испытание сварных соединений на растяжение и загиб (ГОСТ 6996—66), определение предела прочности огнеупор­ных изделий сжатием (ГОСТ 4071—89), испытание металла на кру­чение (ГОСТ 3565—80), на срез (по отраслевым нормам), сжатие (ГОСТ 1497—84), устойчивость при высоких температурах (ГОСТ 9651—84), твердость (ГОСТ 9012—59, ГОСТ 9013—59, ГОСТ 2999—75). Развитие машиностроения вызвало необходимость разработки новых методов испытания механических свойств по це­лому ряду нетрадиционных характеристик, связанных с оценкой прочности деталей и конструкций, работающих в весьма широком диапазоне температур, деформаций и в агрессивных средах. Методы испытаний в этих и других условиях приводят в НТД и специаль­ных руководствах. Получают распространение комплексные синергетические методы.