Стандарт регламентирует правила проведения статических испытаний на растяжение (при 20°С) тонких (≤3,0 мм) листов и лент из черных и цветных металлов для определения пакета физико-механических характеристик:
- Предела пропорциональности;
- Предела упругости;
- Предела текучести физического;
- Предела текучести условного;
- Временного сопротивления;
- Относительного равномерного удлинения;
- Относительного удлинения после разрыва.
Физико-механические свойства металла определяют важнейшие эксплуатационные характеристики, которые отвечают за безопасность и надежность машин, конструкций, механизмов и их деталей. Под механическими свойствами понимают параметры, которые предопределяют особенности поведения материала под нагрузкой.
Базовыми механическими качествами металлов являются:
- прочность – как способность сопротивляться деформации;
- пластичность, вязкость – склонность противостоять разрушению даже при наличии трещин.
Механические свойства металлов и их сплавов оценивают по ряду критериев, не зависящих от особенностей конструкций и характера их службы:
- статические испытания на сжатие, растяжение, твердость, изгиб;
- динамические испытания на ударный изгиб образцов с надсечкой.
В процессе проведения статических испытаний определяют пластические и прочностные характеристики, используемые для дальнейших расчетов, но часто сами не определяющие надежность металлов непосредственно в эксплуатационных условиях. Результаты статических исследований можно использовать исключительно для простых изделий, работающих в условиях статической нагрузки в узком температурном диапазоне.
Конструктивная прочность металла, максимально коррелирующая с эксплуатационными свойствами деталей оценивается по двум базовым группам критериев:
- стабильность металлических материалов (вязкость разрушения; усилия, распространяющие трещины и др.), противостоящая внезапным разрушениям;
- долговечность изделий (износостойкость, сопротивление напряжениям, возникающим при циклических нагрузках и пр.).
Практическое применение металловедения требует знаний как стандартных механических свойств, так и параметров конструкционной прочности. Важную информацию о материале позволяют получить стендовые, натурные, эксплуатационные испытания, выявляющие технологические и конструктивные дефекты; величину, распределение остаточных напряжений и иные критерии оценки конструкционной прочности.
Испытания, учитывающие все разнообразие условий эксплуатации металлов, классифицируют:
- По характеру внешнего воздействия:
- динамические (краткосрочные);
- статические.
- По типу напряженного состояния:
- под воздействием растягивающей и сжимающей нагрузок, при кручении, изгибе, срезе;
- в условиях комплексного напряженного состояния.
- Технологические испытания:
- испытания для контроля пластичности;
- измерение твердости; испытания на вытяжку (метод Эриксена).
- Испытания переменной нагрузкой:
- испытания на усталость;
- испытания на статическую усталость.
Методика проведения усталостных испытаний.
Методы испытаний отличаются:
- Характером изменения напряжения во времени (симметричный, антисимметричный и т.д.);
- Видом напряженного состояния: (растяжение, сжатие, изгиб, кручение), имитирующего условия эксплуатации;
- Наличием или отсутствием концентраторов напряжения;
- Температурой и внешней средой испытания.
Для определения предела выносливости (σ-1), необходимо задать базу испытаний и выполнить серию экспериментов при различных амплитудах приложенного напряжения.
Обычно база испытаний устанавливается:
- Для черных металлов Nциклов = 10*106 циклов;
- Для цветных металлов Nциклов = (50*100)*106 циклов.
Из испытуемого материала изготавливают 8…10 образцов диаметром 5…10 мм.
Испытания производят, например, по схеме чистого консольного изгиба при вращении.
Испытания начинают с больших напряжений по величине σ1≈(0,7…0,8) * σ8, оценивают N1.
Последовательно переходят к более малым напряжениям σ2˂ σ1, оценивают N2 и т.д.
Испытания заканчивают при напряжениях по величине σn≈(0,3…0,5) * σB
Испытания можно считать законченными, если разность напряжений (Δσ) между не разрушившимся образцом и разрушившимся при чуть большем напряжении не превосходит 10 МПА, Δσ ≤ 10 Мпа. Строят кривую усталости в координатах σ = f (N) (напряжение – число циклов до разрушения).
Принято кружками обозначать разрушенные образцы, а кружками со стрелками – не разрушенные.
Определение долговечности:
Испытания на усталость, ползучесть, износ.
Усталость металла -это его разрушение под действием повторных или знакопеременных напряжений.
- Испытания ударом:
- на растяжение;
- на изгиб (ударная вязкость);
- повторными ударами.
Для оценки надежности материала проводят динамические испытания (испытания при высокой скорости приложения нагрузки)
Испытания на удар при понижающейся температуре определяют порог хладноломкости.
Испытания на удар:
- Определяют ударную вязкость;
- Оценивают склонность металла к хрупкому разрушению;
- Не применяют для многих литых сплавов и цветных деформируемых сплавов.
- Натурные испытания – изучают поведение стандартных изделий в условиях, приближенных к реальной эксплуатации.
Расчет напряженных состояний металлов обычно производят в макрообъеме. Для изучения деформаций отдельных кристаллов применяют локальное наблюдение с помощью тензометров.
Для получения сопоставимых результатов выполняется унификация методов испытаний – в рамках государственных стандартов и международных рекомендаций.
В частности, изучение прочностных качеств тонких металлических листов и лент посредством определения предела пропорциональности (σпц) и упругости (σ0,05); предела физической текучести (σт) и условного предела текучести (σ0,02); временного сопротивления (σв) и относительного удлинения (δ) после разрыва производится на плоских пропорциональных образцах, размер и форма которых регламентированы требованиями ГОСТ 11701:
При подготовке образцов к изучению механических свойств производится измерение шаблонов по стандартной процедуре с заданной погрешностью, вычисляя затем площадь поперечного сечения (наименьшее из получившихся значений принимают за F0):
Металлическую ленту получают, расплющивая до нужного состояния проволоку. Площадь поперечного сечения F0 (мм2) вычисляется по формуле:
Для определения механических характеристик при статических испытаниях необходимо предварительно вычислить:
При выполнении исследований плоских образцов металла применяются специфические методики выполнения и особые термины:
В качестве примера исследования металлических тонких листов в соответствии с требованиями ГОСТ 11701, приведем расчет прочности малоуглеродистой тонколистовой стали. Первым этапом данной методики является приготовление образцов к испытаниям.
Исходные данные образца:
Относительное удлинение δ25 = 40%, δ1 = 10%, δ2 = 17%.
Размеры стальной ленты:
- ширина b0 = 12,5 мм,
- толщина a0 = 0,8 мм,
- начальная расчетная длина l0 = 25 (√͞F0 = 25 √͞0͞,8͞×͞12͞,5 = 79 мм), принимаем длину образца l0 = 80 мм.
Расчетные длины по тензометру: le = c×b0 = 50 мм; le1 = 55 мм; le2 = 58,5 мм.
На исходный образец длиной l0=80 мм через каждые 10 мм наносят 8 рисок. До начала испытаний микрометром в трех местах измеряют ширину рабочей части образца (в средней части, и по краям). Ширину рабочей части образца bо фиксируют как среднеарифметическое (например, 12,56 мм) значение. Далее на образец прикрепляют тензометр и подвергают нагружению.
При достижении lе1 = 55 мм, фиксируем нагрузку Р1 равную 310 кгс. При дальнейшем нагружении образца на расчетной длине lе2 фиксируют нагрузку Р2 = 325 кгс. Далее рассчитывают ширину участков образца b1 = 11,33 мм, и b2 = 11,32 мм, и получают bmax = 11,37 мм; а bmin = 11,30 мм.
Испытания стандартных образцов при стандартных нагрузках позволяют получить диаграмму зависимости относительного удлинения образцов (Ɛ) от приложенной нагрузки (σ):
На полученной диаграмме растяжения пластичной малоуглеродистой стали участок OA характеризует границы исполнения закона Гука (предел пропорциональности), где действуют упругие деформации, исчезающие после снятия нагрузки.
σу - предел упругости,
Участок CD – зона текучести, в которой материал самопроизвольно течёт без нагрузки, а поверхность образца становится матовой.
предел текучести;
участок DK – зона временного сопротивления;
предел прочности (предел временного сопротивления);
участок KR – зона формирования "шейки", в точке R происходит разрыв образца.
Относительные удлинения после разрыва δ пропорциональных образцов сравнимы лишь в случае сопоставимых длины l0 и площади поперечного сечения, или имеющих подобный коэффициент пропорциональности (например, отношение l0/F0).
Полученные результаты сводят в стандартный Протокол испытаний, в котором указывают все произведенные манипуляции и результаты вычислений:
Для проведения испытаний образцов тонколистовой стали по ГОСТ 11701 требуются стандартное сертифицированное оборудование, имеющее определенные характеристики погрешности измерений.
Мы предлагаем для проведения исследований такого рода универсальные разрывные машины, тензометры, универсальные испытательные машины, которые позволят просто и с требуемым качеством получать пакет физико-механических характеристик тонких стальных листов и лент.