Определение механических характеристик материалов

 

Для определения механических свойств материалов применяют методы испытания на образцах и неразрушающие методы. При диагностике текущего состояния материалов объекта образцы материалов вырезают из конструкции, предварительно останавливая объект (с последующим восстановлением поврежденных участков), а также проводят исследования на образцах-свидетелях, работающих в идентичных с объектом условиях.

Методы испытаний материала регламентированы стандартами:

- на растяжение по ГОСТ 1497-90, ГОСТ 9651-90, ГОСТ И 150-90 (при пониженных температурах);

- на сжатие по ГОСТ 25.503-80;

- на изгиб по ГОСТ 14019-90;

- на ударный изгиб по ГОСТ 9454-88;

- на старение по ГОСТ 7268-87;

- на трещиностойкость по ГОСТ 25.506-85, РД 50-260-81, РД 50-344-82;

- на ползучесть по ГОСТ 3248-87;

- на длительную прочность по ГОСТ 10145-87;

- на усталость по ГОСТ 25.505-85, ГОСТ 25.504-89, РД 50-686-89, ГОСТ 25.507-85;

- на твердость по ГОСТ 9012-79, ГОСТ 9013-89, ГОСТ 2999-85, ГОСТ 9450-92, ГОСТ 22975-88, ГОСТ 22761-77, ГОСТ 22762-79, ГОСТ 18835-73, ГОСТ 19202-91, ГОСТ 20017-85, ГОСТ 21323-75;

- испытания сварных соединений по ГОСТ 6996-90.

Требования к приборам для механических испытаний установлены ГОСТ 10708-89.

Испытания на растяжение проводят на цилиндрических образцах в виде галтели установленных размеров с помощью машин для испытания на растяжение. Общие правила отбора проб, заготовок и образцов для механических и технологических испытаний установлены ГОСТ 7564-89. В результате испытаний снимается диаграмма напряжение-деформация, по которой определяют:

- предел прочности при растяжении -условное напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца;

- предел текучести - наименьшее напряжение, при котором, несмотря на продолжающуюся деформацию испытуемого образца, не происходит заметное увеличение нагрузки;

- условный предел текучести - соответствующий остаточной деформации, равной 0,2%;

- модуль упругости Е - отношение напряжения растяжения к соответствующей деформации;

- относительное удлинение при разрыве - выраженное в процентах отношение абсолютного удлинения к расчетной длине образца;

- относительное сужение при разрыве - выраженное в процентах отношение наибольшего уменьшения площади поперечного сечения образца к первоначальной площади его поперечного сечения.

Испытания на изгиб осуществляют на образцах круглого или прямоугольного поперечного сечения, положенных на две опоры и нагружаемых медленно возрастающей, приложенной по середине пролета, нагрузкой. Предел текучести при изгибе определяют при наличии на диаграмме нагрузка — перемещение площадки текучести , где -момент сил, соответствующий площадке текучести, W-момент сопротивления поперечного сечения образца.

Ударными испытаниями выявляют сопротивляемость материала динамическим нагрузкам и его склонность к хрупкому разрушению. Ударные испытания осуществляют на маятниковых копрах. Мерой сопротивлению удару служит удельная ударная вязкость а_н - отношение работы, расходуемой для ударного излома образца, к его поперечному сечению.

Испытания на ползучесть проводят с целью оценки способности к пластическим деформациям под воздействием нагрузки при повышенных температурах. Эта способность оценивается пределом ползучести - величиной действующего при заданной температуре напряжения, при котором скорость ползучести за определенный промежуток времени не превосходит некоторой величины (например, от 10^-5-до 10^-8 мм/мм в час).

Испытания на длительную прочность являются разновидностью испытаний на ползучесть, при которых испытуемый образец доводят до разрушения. В результате испытаний определяют время, необходимое для разрушения образца, при заданном напряжении и температуре, а также остаточное удлинение и поперечное сужение образца при разрушении.

Под усталостью понимают постепенное разрушение материала при большом числе повторно-переменных напряжений, а его свойство выдерживать, не разрушаясь, эти напряжения, носит название выносливость. Изменение состояния материала при усталостном процессе отражается на его механических свойствах, макроструктуре, микроструктуре и субструктуре. Эти изменения протекают по стадиям и зависят от влияния среды. На определенной стадии начинаются необратимые явления снижения сопротивления материала разрушению, характеризуемые как усталостные повреждения. Сначала в структурных составляющих материала и по границам их сопряжения (зерна поликристаллического металла, волокна и матрица композитов, молекулярные цепи полимеров) образуются микротрещины, которые в дальнейших стадиях перерастают в макротрещины, либо приводят к окончательному разрушению элемента конструкции.

Испытания на усталость проводят на образцах в форме галтелей на специальных машинах для испытания на усталость. Образец нагружают консольно, либо чисто изгибом. Образец приводят во вращение. Напряжения изменяются во времени циклично. Форма цикла повторно-переменных нагрузок на образец может быть различная: симметричная, знакопостоянная, симметричная знакопеременная, ассиметричная знакопостоянная. Целью испытаний является определение для заданного типа цикла нагружения предела выносливости наибольшего напряжения, допускающего повторения N раз данного цикла без разрушения образца.

Для определения предела выносливости строится диаграмма максимальное напряжение (или амплитуда цикла)-число циклов до разрушения (кривая усталости). Эта диаграмма строится, как правило, в логарифмических координатах . За предел выносливости принимают значение, при котором не происходит разрушения (для многоцикловой усталости принимают значение N=10⁶). Кривые усталости в области малоцикловой усталости (при разрушающем числе циклов 10⁴ и менее), за которую ответственны повторные пластические деформации, строят в виде зависимости .

Определение характеристик трешиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении проводят на образцах плоской или цилиндрической формы с надрезом, предварительно наносимым в центре, по краю или периметру образца. Схемы нагружения образцов соответствуют разрыву, поперечному сдвигу или продольному сдвигу образца.

Под трещиностойкостью материала понимают его способность сопротивляться развитию трещин при механических и других воздействиях. Испытания проводят на стандартных разрывных машинах, доводя образец до разрушения. По результатам испытаний определяют следующие основные характеристики трешиностойкости:

- силовые (коэффициент интенсивности напряжений К, определяющий напряженно-деформационное состояние и смешение вблизи вершины трещины для упругого тела),

- деформационные (раскрытие трещины в вершине ),

- энергетические (I - интервал — величина, характеризующая работу пластической деформации и разрушения, а также поле напряжений и деформаций при упруго-пластическом деформировании вблизи вершины трещины).

Трещиностойкость оценивается по одной или нескольким из указанных характеристик.

Определение твердости материала. Под твердостью понимают способность металла сопротивляться вдавливанию в него другого тела различной формы (шарика, конуса, пирамиды) из другого более твердого материала, не получающего при данном давлении остаточной деформации. Величина твердости и ее размерность зависят от применяемого метода измерения. Твердость измеряется с помощью специальных приборов-твердомеров, общие требования к которым изложены в ГОСТ 23677-88.

Методы испытания на твердость регламентированы стандартами:

ГОСТ 9012-79 - по Бринелю,

ГОСТ 9013-89 - по Роквеллу,

ГОСТ 22915-83 - по Супер-Роквеллу,

ГОСТ 2999-85 - по Виккерсу,

ГОСТ 23273-84 - по Шору,

ГОСТ 9450-92-измерение микротвердости.

Замеры твердости основного металла и сварных соединений сосудов рекомендуется производить в следующих случаях:

- если показатель твердости является одной из определяющих характеристик свойств основного металла и сварных соединений по паспорту и в результате условий эксплуатации (температура, давление, среда) или в результате аварийной ситуаций могли произойти необратимые изменения этого показателя;

- для оценки механических свойств по показателю твердости в случае необходимых изменений этих свойств в результате условий эксплуатации сосуда или в результате аварийной ситуации;

- для оценки механических свойств, в случае необходимости идентификации основных и сварочных материалов при отсутствии сведений о них (например, при утрате и связанной с этим необходимостью восстановления паспорта сосуда), в случае необходимости идентификации импортных сталей.

Вероятность необратимых изменений и, соответственно, необходимость замера твердости в этом случае определяет специализированная организация выполняющая диагностирование сосудов.

Замеры твердости следует производить непосредственно на сосуде переносным твердомером отечественного или зарубежного изготовления, имеющим паспорт ежегодной метрологической Госповерки.

Для измерения твердости ударным методом деталей с толщиной менее 10 мм необходимо пользоваться только приборами с малой энергией удара типа «Экзотип» с индентором-датчиком «C», либо приборами типа «УЗИТ-2М» или ХПО-10.

В каждой точке (шов, зона термического влияния, основной металл) производится не менее 3-х замеров; в протокол заносятся минимальные, максимальные средние значения твердости.

В случае получения результатов измерения твердости, не соответствующих требованиям стандартов, производится не менее двух дополнительных замеров на расстоянии 20-50 мм от точек, показавших неудовлетворительный результат.

При подтверждении полученного значения твердости производится выявление размеров участка или длины шва с отклонениями по твердости. Количество дополнительных замеров твердости и их частоту определяют специалисты, проводившие обследование.

Зачистку площадок для измерения твердости следует производить шлифовальными машинами. Размер площадок определяется исходя из конструкции инденторов твердомера. Оптимальный размер 50x50 мм. Глубина вышлифовки при первой серии замеров твердости должна быть в пределах 0,5 мм, при второй серии замеров - 1,5 - 2,5 мм. Чистота поверхности должна быть не ниже R_а=2.5 мкм.

Преимуществом использования твердости в качестве оценки механических свойств материала является простота и высокая производительность метода измерения, выполняемого без разру­шения целостности конструкции.

Для измерения твердости в полевых условиях используют переносные твердомеры, работающие по принципу вдавливания индентора при постоянной нагрузке, вдавливания индентора при динамической нагрузке, по разности скоростей падения и отскока индентора от поверхности, резонансно-импендансного метода.

Измерение твердости по Бринелю переносными твердомерами статистического действия производится по ГОСТ 22761-77; методом ударного отпечатка-по ГОСТ 18661-73.

Переносные приборы, основанные на принципе измерения отпечатка индентора при постоянной нагрузке, имеют большие размеры и массу, поэтому в полевых условиях предпочтительны твердомеры на основе резонансно-импендансного метода. Принцип измерения твердости с помощью таких приборов следующий. Алмазная пирамида для измерения твердости по Виккерсу закрепляется на конце металлического стержня, который под действием пьезоэлектрической пластины колеблется с собственной резонансной частотой. При внедрении алмазной пирамиды в материал стержень меняет свою резонансную частоту. Между твердостью и изменением частоты существует прямая корреляция. Выпускаемые приборы измеряют твердость по Виккерсу, пересчитывают результаты в единицы твердости по Роквеллу, Бринелю, а также в значения предела прочности и текучести материала, имеют память и показывающий индикатор. Для измерения твердости в труднодоступных местах приборы снабжены набором зондов.

В основе измерения твердости по отскоку индентора лежит зависимость разности скорости падения и отскока от поверхности от твердости материала. Приборы, основанные на этих принципах, калибруются по мерам твердости ГОСТ 9031-90. На этих принципах выпускаются многочисленные твердомеры отечественного и зарубежного производства (фирм КРАУТКРАМЕР (Германия), АМДАТА и др).

Оценку механических свойств по показателям твердости производят аналоговым путем или по формулам, полученным расчетно-экспериментальным видом.

Временное сопротивление и предел текучести могут быть определены с помощью переносных твердомеров по ГОСТ 22763 и ГОСТ 22762.

Результаты замера твердости и перевода показателей твердости в показатели механических свойств оформляются в виде заключения, подписываемой специалистами организации, проводящей диагностирование сосудов.

 

ТВЕРДОМЕР ЭЛЕКТРОННЫЙ ДИНАМИЧЕСКИЙ

Предназначен для оперативного неразрушающего контроля твердости металлических деталей, сварных швов и конструкций в машиностроении, строительстве и других отраслях промышленности непосредственно в производственных условиях.

Прибор отличают малые габариты и масса, надежность и быстрота в работе, простота в эксплуатации.

Принцип измерения твердости основан на динамическом методе измерения твердости (метод Шора) и заключается в измерении потерь кинетической энергии при соударении индентора прибора с поверхностью измеряемой детали. Электронная схема прибора измеряет интервал времени между двумя последовательными ударами индентора по поверхности детали. При фиксированной энергии первоначального удара этот интервал времени однозначно определяет динамическую твердость материала детали.

Объекты измерения: сосуды давления различного назначения, трубопроводы, роторы турбин генераторов, прокатные валки, коленчатые валы, шестерни, детали различных транспортных средств, промышленные полуфабрикаты, в т.ч. отливки, поковки, листы, трубы и различные сварные соединения.

Стабильность показаний прибора гарантируется при массе измеряемой детали не менее 1,0 кг и шероховатости поверхности не грубее R_z 20.

Отсчет результатов - цифровой трехразрядный и производится в условных единицах ТЭД, которые могут быть приведены к стандартным единицам твердости по Бринеллю (НВ) или Роквеллу (HRC) при помощи переводной таблицы, расположенной на обратной стороне прибора.