Испытание на разрыв металла при повышенных температурах

Кратковременные испытания при повышенных температурах

Для характеристики механических свойств металла деталей машин и аппаратуры, работающих в условиях нагрева, проводят кратковременные или длительные испытания при повышенных температурах.

Кратковременным испытаниям подвергают стали, предназначенные для деталей машин и инструментов, испытывающих в эксплуатации воздействие высоких температур сравнительно короткое время. Эти испытания чаще всего производят на растяжение.

Образцы для таких испытаний имеют цилиндрическую (рис. 3.1, а и б) или плоскую (рис. 3.1, в) форму с начальной расчетной длиной /0 = 5,65(7го)0’5 (короткие образцы) при /0 = 11,3(/о)0,5 (длинные образцы).

Форма и размеры головок плоских и цилиндрических образцов, а также размеры переходных частей от головки образца к его рабочей части не являются обязательными, а определяются способом крепления образцов в захватных приспособлениях и свойствами испытуемого материала. Способ крепления образцов должен предупреждать эксцентричность приложения нагрузки, деформацию головок образца и проскальзывание образцов в захватных приспособлениях машины. На головках цилиндрических образцов имеется нарезка для закрепления их через промежуточные захваты в зажимы машины.

Рабочая длина образца должна составлять для цилиндрических образцов от /0 + 0,5гУ0 до /0 + 2d$, для плоских образцов от /0+ 1,5(/70)0’5до /0 + 2,5(/70)0’5. Установленная начальная расчетная длина образца ограничивается кернами или рисками.

Испытание может производиться на обычных разрывных и универсальных машинах, снабженных специальной печью, куда устанавливают образцы и нагревают до заданной температуры, а также на специальных машинах 1231У-10.

Рис. 3.1. Образцы для испытаний на растяжение при повышенных температурах:

а — цилиндрический нормального типа; б — цилиндрический для установки тензометра; в — плоский

Машина 1231 У-10 предназначена для кратковременных механических испытаний металлов в широком диапазоне нагрузок от 1,96 до 98—100 Н, скоростей деформирования от 0,005 до 500 мм/мин и температур от — 150 (123 К) до 1200 °С.

Установка состоит из испытательной секции и двух пультов управления термокрио- и гелиевой камерами и работает по принципу деформирования образца с постоянной заданной скоростью.

Машина оснащена тиристорным приводом, сменными малоинерционными электрическими силоизмерительными чиками, позволяющими производить испытания в широком диапазоне нагрузок, и навесными электрическими датчиками деформации, обеспечивающими измерение удлинения базы образца высокой точностью.

Комплект сменных захватов и приспособлений позволяет испытывать на растяжение, сжатие и изгиб образцы различных типоразмеров. Специальные регулирующие устройства расширяют испытательные возможности машины.

При проведении испытаний необходимо соблюдать следующие основные условия: надежное центрирование испытуемого образца, плавность возрастания нагрузки при нагружении образца, скорость испытания в соответствии со стандартами или техническими условиями, возможность приостанавливать нагружение с точностью до одного наименьшего деления шкалы силоизмерителя.

Деформацию при определении условного предела текучести cjq 2 измеряют тензометрами с ценой деления шкалы не более 0,б2 мм, а при определении предела упругости цена деления шкалы должна быть не более 0,002 мм.

Нагревательное устройство должно обеспечивать равномерный нагрев образца по всей его рабочей длине до заданной температуры и сохранение этой температуры в установленных пределах на протяжении всего испытания.

Для измерения температуры на образцах устанавливают термопары от одной до трех, в зависимости от величины расчетной длины образца. Спай термопары должен касаться образца и быть изолирован от радиационного нагрева. Измерение температуры следует производить приборами класса точности не ниже 0,5 %.

На результаты испытаний при повышенных температурах влияет скорость приложения нагрузки и продолжительность выдержки образца под нагрузкой при температуре испытания. Для стали влияние этих факторов становится значительным при нагреве выше 300—350 °С, а для легких металлов при температуре 100— 150 °С. Испытания производят после определенной выдержки образца (30—60 мин) при заданной температуре испытания.

Продолжительность нагрева до температуры испытания и время выдержки при заданной температуре должны быть указаны в стандартах или технических условиях на металлопродукцию. При отсутствии указаний продолжительность нагрева до температуры испытания должна быть не более 1 ч, а время выдержки 20—30 мин. Если образец не доводят до разрушения, то скорость разгружения мало влияет на результаты испытания.

Характеристики прочности и пластичности при кратковременных испытаниях в условиях высоких температур определяют таким же способом, как и при обычных испытаниях на растяжение.

Величину нагрузки при испытании отсчитывают с точностью до одного наименьшего деления шкалы силоизмерителя.

Предел упругости 05 определяют при помощи тензометров таким образом: после окончательной установки тензометра на испытываемый образец (при начальном напряжении образца cjq не более 10 % от ожидаемого предела упругости) производят его нагружение определенно подобранными ступенями.

Нагружение проводят до тех пор, пока общее удлинение образца не превысит вычисленное удлинение с учетом заданного допуска. Для каждой ступени нагружения фиксируется величина нагрузки по шкале силоизмерителя испытательной машины и соответствующее ей удлинение по шкале тензометра. Количество ступеней выбирают из расчета получения не менее шести ступеней до нагрузки Ро,05’ соответствующей пределу упругости в заданном допуске.

Время снятия показаний на каждой ступени нагружения должно составлять не более 3 с.

По полученным результатам испытания строят диаграмму в координатах Р — А/ (рис. 3.2, а). Масштаб диаграммы по оси деформаций (ось абсцисс) должен составлять не менее 50:1. Высота ординаты, отвечающая нагрузке Рц 05 должна быть не менее 200 мм.

Для определения нагрузки Р0,05 вычисляют величину заданного остаточного удлинения, исходя из базы тензометра. Найденная

Рис. 3.2. Графическое определение нагрузки: а — предела упругости Ро,05» б — предела текучести Pq,2

величина увеличивается пропорционально масштабу диаграммы по оси деформации, а отрезок полученной длины ОЕ откладывают по оси абсцисс вправо от точки О.

Из точки Е проводят прямую ЕК, параллельную прямой ОА. Ордината точки пересечения прямой ЕК с кривой растяжения определяет нагрузку /*0,055 соответствующую пределу упругости.

Предел упругости вычисляют по формуле

где Fq — начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, мм2 (м2).

Предел текучести (физический) о*т, определяют по диаграмме растяжения, полученной на испытательной машине, если масштаб диаграммы обеспечивает соответствие 1 мм ординаты не более 9,8 МПа напряжения образца.

Предел текучести физический в МПа вычисляют пи формуле

Предел текучести условный 2 в МПа определяют следующими методами:

• • при помощи тензометра по методике, указаной для определения предела упругости;
• • по графическому методу при использовании машинных диаграмм, имеющих масштаб по оси деформации не менее 50:1.

Для определения нагрузки /*0 2 по машинной диаграмме вычисляют величину заданного остаточного удлинения, исходя из рабочей длины образца. Найденную величину увеличивают пропорционально масштабу диаграммы, а отрезок полученной длины ОЕ откладывают на оси абсцисс вправо от точки О (рис. 3.2, б). Начальную криволинейную часть диаграммы исключают. Из точки Е проводят прямую ЕК, параллельно прямой ОА. Точка пересечения К с кривой растяжения определяет высоту искомой ординаты, т. е. нагрузку Р0 2, соответствующую условному пределу текучести при заданном допуске на величину остаточного удлинения.

Допускается определять условный предел текучести 2 по машинным диаграммам с уменьшенным масштабом по оси деформаций, но не менее 10 : 1.

Предел текучести условный вычисляют по формуле

Условный предел текучести определяют только при отсутствии площадки текучести, если нет иных указаний в стандартах или технических условиях.

Временное сопротивление в МПа вычисляют по формуле

где Рмакс — наибольшая нагрузка, предшествовавшая разрушению образца.

Для определения длины расчетной части образца после разрыва порушенные части образца плотно складывают, так чтобы их оси образовывали прямую линию. Если расстояние от места разрыва до ближайшего керна (или риски), ограничивающего расчетную длину образца, меньше или равно Уз /о, допускают определение конечной расчетной длины образца с отнесением места разрыва к середине. Пересчет производится по методике, приведенной в ГОСТ 1407-73.

Если после испытания в месте разрыва образуется частичный зазор, обусловленный возможным выкрашиванием металла или другими причинами, то его включают в длину расчетной части образца после разрыва.

Относительное удлинение после разрыва в процентах вычисляют по формуле

где /к — конечная расчетная длина образца, т. е. длина расчетной части после разрыва образца; /0 — начальная расчетная длина образца до разрыва, т. е. участок образца, на котором определяется удлинение.

В протоколе испытаний и в сертификатах на поставляемый металл должно быть указано, на какой расчетной длине определялось относительное удлинение. Для этого обозначения относительного удлинения должны сопровождаться соответствующими индексами. При испытании образцов с начальной расчетной длиной /0 = = 5,65(/70)0’5, /0 = 11,3(/70)0’5 в качестве условных обозначений, указанных в соотношениях коэффициентов, служат числа 5, 10

Для определения относительного сужения после разрыва цилиндрического образца измеряют наименьший диаметр в месте разрыва в двух взаимно перпендикулярных направлениях. По среднему арифметическому двух полученных значений вычисляют площадь поперечного сечения. Определение относительного сужения после разрыва плоских образцов не рекомендуется.

Относительное сужение после разрыва |Д в процентах для цилиндрических образцов вычисляют по формуле

где FK — минимальная площадь поперечного сечения образца после разрыва.

Испытания считаются недействительными при разрыве образца по кернам, если при этом какая-либо характеристика по своей величине не отвечает установленным требованиям; при разрыве образца в захватах испытательной машины или за пределами рабочей части образца; при разрыве образца по дефектам металлургического производства (расслоям, газовым раковинам и др.); в случае нарушения температурного режима испытания.