Методы механических испытаний металлов. Вопросы. Проблемы

Вопросы механических испытаний металлов и регламентирование их технических характеристик в нормативных документах были, есть и остаются основой оценки и выбора металлов для различных систем и конструкций.

Рассмотрим ряд испытаний и выделим некоторые аспекты их реализации.

1. Испытание металлов на растяжение

1.1. При проведении испытания металлов на растяжение, кроме определения стандартных параметров, возможно и необходимо дополнительно фиксировать величину статической вязкости металла, которая определяется полной работой разрушения, отнесённой к деформируемому объёму или произведением среднего напряжения на величину относительного удлинения [1]. В данном сборнике автором предлагается определять минимальную величину статической вязкости (ранее называлась статической линейной вязкости) из выражения:

AC_min=σ_т*δ, (1)

где σ_{т (0,2-0,5)} - минимальное напряжение текучести (предел текучести).
δ - относительное удлинение (раздел сборника 4.4.).

Знание этого параметра позволит более точно оценивать требования по ударной вязкости, так как практика показала о существенном занижении уровня требований по ударной вязкости в стандартах в интервале нормальных температур ± 20 ⁰C. По сути, величина ударной вязкости в этом интервале температур всегда больше, чем статическая вязкость, что подтверждается серией испытаний (раздел сборника 4.2).

Занижение требований по ударной вязкости в соответствии с выражением (1) - это как бы занижение механических свойств металла, как прочности, так и пластичности.

1.2. Алогизм в терминологии метода испытаний на растяжение

При испытаниях на растяжение по стандартам ГОСТ 1497-84, ГОСТ 10006-80 определяют следующие прочностные характеристики:
- предел пропорциональности;
- предел текучести;
- временные сопротивления.
При анализе кривой усилия-деформации можно выделить следующие основные точки (стыки):
- переход из зоны упругости в зону текучести.
- переход из зоны текучести в зону разрушения.

Необходимо обратить внимание на следующие моменты:

- Во-первых, во всей отечественной технической литературе и, в том числе в российских стандартах, после зоны упругости, характеризуемой пределом упругости, следует зона текучести и термин предел текучести. Это не логично, так как в этом случае по логике должен появиться термин: минимальное напряжение текучести σ_{т (0,2-0,5)} .В зарубежных стандартах, в частности ISO 3183, после зоны упругости появляется термин: - напряжение текучести R_{0,2 (0,5)}, но не предел текучести.

- Во-вторых, следуя далее по диаграмме растяжение и там где усилие достигает максимума, появляется термин предел прочности или, хуже того, «какое-то» временное сопротивление.
В этой же точке, как правило, заканчивается зона равномерной пластической деформации и начинается зона разрушения. Напряжения в конце зоны текучести соответствуют пределу текучести, но не пределу прочности. Правильно это напряжение назвать максимальным напряжением текучести или предел текучести.

- В-третьих, в зоне сосредоточений деформации возникает напряжение соответствующие прочности металла при статическом разрушении, которое при знании деформации в зоне разрушения может быть оценено.
Таким образом, выделяются три зоны и соответствующие им напряжения:
- зона упругости - передел упругости - σ_у
- зона текучести - напряжение текучести - σ_т (минимальное и максимальное).
- зона разрушения - напряжение разрушения - прочность при разрушении - σ_раз
Такой расклад соответствует логике статического разрушения растяжением. Понятно, что менять все сложившиеся термины при испытании на статическое растяжение в один миг невозможно, но постепенно это надо начинать делать. Например, ввести термин минимальное напряжение текучести σ_{т (0,2-0,5)} , заменив существующий термин – «предел текучести».

2. Испытание металлов на растяжение ударом ОРУ

Большая часть статей данного сборника даёт информацию об этом методе. Материалы по данному виду испытаний: «Методика испытания на осевое растяжение ударом при комнатной, пониженной и повышенной температурах МИ 1.21.3—1.2012г.» и «Методика определения предела прочности методом испытаний на осевое растяжение ударом (ОРУ) МИ1.21.-30-2-2014г.», можно запросить в ОАО «РосНИТИ».

3. Испытание металлов на изгиб

Данный вид испытаний предназначен, в основном, для определения хрупкости металлов. Целесообразность проведения испытаний на изгиб определяется, прежде всего, широким распространением изгиба в практике нагружения деталей [2].

Невозможность довести пластичные материала до разрушения и определить максимальную пластичность и сопротивление разрушения ограничивает применение метода испытания на изгиб [3].

Из сказанного следует, что вопрос испытаний металлов на изгиб с определением механических характеристик при разрушении достаточно актуален.
В настоящее время нами начаты опытные работу по созданию метода изгиба с растяжением, который даёт ответ на поставленные вопросы при статических испытаниях.

В дальнейшем будет рассмотрен вопрос о создании метода испытания металлов изгибным с растяжением и при динамическом нагружении.

4. «Ударная вязкость» (ГОСТ 9454-79)

4.1. Изменение размерности параметра
Показатель ударной вязкости в стандарте ГОСТ 9454-78, имеет размерность Дж/см² , а данная размерность, то есть Дж/см² , не соответствует принятой размерности вязкости металла, которая определяется как работа разрушения (Дж) на деформируемый объем металла (см³), которая называется «Удельная работа разрушения» (Дж/см³). Обоснование изменения размерности показаны в разделе сборника 4.5.

4.2. Ударная вязкость и геометрические размеры труб
Во многих стандартах запада и соответственно им идентичных стандартах, национальных и межгосударственных, величина ударной вязкости является функцией диаметра и толщина стенки трубы.
Это не верно. Ударная вязкость зависит от механических свойств металла: его прочности и пластичности, величина которых являются первостепенными в ранге технических требований.

4.3. Ударная вязкость и размеры образцов
При определении ударной вязкости в ряде работ [5, 6] показано, что в случае определения при испытании объёма деформируемого металла величина ударной вязкости не зависит от размера образцов. Например, в работе M. Moser [5] это показано при испытании образцов «Шарпи» разной ширины, а в работе Sauerwald и Wieland [6] показано, что ударная вязкость сохраняется при изменении не только ширины, но и высоты образца. Это ещё раз подталкивает к необходимости изменения размерности ударной вязкости с Дж/см² к Дж/см³, когда учитывается объём деформируемого металла.

4.4. В ГОСТ 9454-79 предлагается использовать при испытании ряд различных образцов. В стандарте в приложении № 1 записано, что образцы с концентратором U используются при определении ударной вязкости металлов и сплавов. А использование концентратора V при выборе металлов и сплавов повышенной степени надёжности и в частности, трубопроводов.
Вот почему предлагается в стандарты для труб ввести испытания на удар только с концентратором V.

5. Метод определения характеристик трещиностойкости при статическом нагружении

Рассматривая вопрос определения характеристик трещиностойкости при статическом нагружении, по ГОСТ 25.506-85 «Метод механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении» считаем, что необходимо рассмотреть вопрос создания методики испытания при ударном приложении нагрузки, что особенно актуально для оценки трещиностойкости конструкций работающих под высоким давлением.

Литература:

1. Н.А. Шапошников «Механические испытания металлов. Маштиз. 1954г.
2. «Испытание материалов». Справочник. Москва Металлургия 1979г. стр. 36.
3. М.А. Бернштейн и др. «Механические свойства металлов». Москва. Металлургия 1979г.
4. А.Б. Фридман. «Механические свойства металлов». Москва. Машиностроение. Часть 2 1974г. стр. 48.
5. M. Moser Sf. u Eis. 43 (1923), 935.
6. Sauerwald u Wieland. Z. f. Metallkunde. 17 (1925). 493

Published on  December 11th, 2014