23.4 Испытания на растяжение, изгиб и сопротивление хрупкому разрушению. Их задачи, оцениваемые характеристики основного металла и сварных соединений. При испытании на растяжении

определяются характеристики прочности и пластичности.

Прочность – свойство материалов в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, воспринимать те или иные воздействия.

Механические свойства стали (в т. ч. и прочность) обычно определяют по условной диаграмме растяжения. Регламентирует следующие прочностные свойства:

– временное сопротивление разрыву (или предел прочности при растяжении) σ_В – условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке P_d, предшествующей разрушению образца: σ_b = P_d/F₀ кгс/мм²;

– предел текучести σ_Т (физический) – наи­меньшее условное напряжение, при котором образец деформируется без заметного уве­личения растягивающей нагрузки: σ_t=P_c/F₀ кгс/мм²; его определяют для низкоуглеро­дистой отожженной стали;

– предел текучести σ₀,₂ (условный) – на­пряжение, при котором остаточная дефор­мация составляет 0,2% первоначальной рас­четной длины; его определяют для большин­ства марок конструкционной среднеуглеродистой и легированной стали, у которых на диаграмме растяжения отсутствует «площад­ка текучести». Для определения условного предела текучести от начала координат диаграммы растяжения по оси абсцисс от­кладывают в соответствующем масштабе отрезок, составляющий 0,2% первоначаль­ной длины; через полученную точку прово­дят прямую, параллельную начальному ли­нейному участку диаграммы (до пе­ресечения с диаграммой). Ордината точки пересечения и соответствует условному пре­делу текучести σ_0,2. Предел текучести σ_0,2 можно определить по формуле σ_0,2 = P_0,2/F₀ кгс/мм²;

Пластичность – свойство твердых тел необратимо деформироваться под действием механических нагрузок. Отсутствие или небольшое значение пластичности называется хрупкостью.

При растяжении образца изучают зависимость между дейст­вующей нагрузкой и соответствующим удлинением. Графическое изображение этой зависимости называют диаграммой растяжения. Типичная для конструкционных сталей диаграмма растяжения по­казана на рис.

Рис.  Типичная диаграмма растяжения конструкционных сталей

По оси ординат отложены усилия Ρ в масштабе сил, а по оси абсцисс - удлинение образца Δl в масштабе удлинений. Получен­ная кривая условно может быть разделена на четыре участка.

Участок ОА - прямолинейный, носит название зоны упру­гости.

Участок АВ называется зоной текучести, а горизонтальный отрезок этого участка - площадкой текучести. Здесь происходит существенное изменение длины образца без заметного увеличения нагрузки. Наличие площадки текучести для материалов не является обязательным. Во многих случаях при испытаниях на растяжение площадки текучести нет. Такое типично для алюминия, отожжен­ной меди, для высококачественных легированных сталей и других материалов.

Участок ВС называется зоной упрочнения. Здесь удлинение образца сопровождается возрастанием нагрузки, но значительно более медленно (в сотни раз), чем на упругом участке.

Испытание на изгиб в холодном или нагретом состоянии проводится для определения способности листового металла принимать заданный по размерам и форме изгиб.

Испытание состоит в изгибе образца вокруг оправки под действием статического усилия и служит для определения способности металла выдерживать заданную пластическую деформацию, характеризуемую углом изгиба, или для оценки предельной пластичности металла, характеризуемой углом изгиба до появления первой трещины.

Для испытания на изгиб применяют образцы круглого или прямо­угольного (квадратного) поперечного сечения, которые помещают кон­цами на две опоры. Во избежание смятия в опорах лучше увеличить по­верхность контактов, уменьшив удельное давление на опоры.

Изгибающая сила уменьшается при увеличении пролета (расстояния между опорами), а также при выборе длинных образцов с соотношением l/h > 10.

При деформации изгиба нижние слои металла до нейтрального слоя испытывают растяжение, а верхние – сжатие. Между зонами рас­тяжения и сжатия располагается нейтральный недеформированный слой металла. Различают простой или плоский изгиб, при котором внешние силы лежат в одной из главных плоскостей бруса, и сложный, вызываемый силами, расположенными в разных плоскостях. 

Испытания на изгиб (ГОСТ 14019-80) проводятся по двум схемам:

1) сосредоточенной нагрузкой, приложенной в середине пролета (рис 1, а).

Рис 1. Схема испытаний на изгиб: а – сосредоточенный; б – чистый

В этом случае наибольший изгибающий момент:

М_изг =P l /4,

где Р – изгибающая нагрузка; l – расстояние между опорами, на которых установ­лен образец. 

2) двумя равными симметрично приложенными (на равных расстояниях от опор) сосредоточенными нагрузками, создающими на опре­деленном участке чистый изгиб (рис 1, б). Расстояние от опоры а целе­сообразно принимать равным 1/3 расчетной длины образца.

При чистом изгибе М_изг =Pa/2.

Результаты испытаний по второй схеме более точные, так как наиболь­шие напряжения возникают на определенном участке длины образца, и поэтому оценивается не одно (случайное) сечение, как в первом случае, а значительный объем образца.

При испытаниях на изгиб можно подсчитать напряжения, соответству­ющие различным нагрузкам, а также определить стрелу прогиба образца f. Это определение проводится либо по кривой, полученной на диаграм­мном приборе машины, либо с помощью специальных приборов – прогибомеров.

Рис.2. Диаграммы изгибов: а – пластичный  материал; б – малопластичный; в – хрупкий

На рис.2 представлены типичные диаграммы изгиба для пластичных (рис. 2, а), малопластичных (рис.2, б) и хрупких (рис.2, в) матери­алов. При изгибе хрупких материалов максимум нагрузки часто совпадает с появлением первой трещины. Иногда образование трещин сопровожда­ется резкими перегибами на ниспадающей ветви диаграммы. Предел прочности при изгибе в этом случае σизг = Mизг/W, где W (момент сопротивления) – геометрическая характеристика поперечного сечения бруса, показывающая сопротивляемость бруса изгибу в рассматри­ваемом сечении. Для образцов круглого сечения W= π d3/32, где d – диаметр образца. Для образцов прямоугольного сечения со сторонами b и h W=bh2/ 6, где h – высота бруса. При изгибе можно определить пределы пропорциональности, упругости и текучести с точным замером деформаций. Величина прогиба fразр характеризует пластичность; она зависит от материала, длины образца, момента инерции, от отношения высоты к шири­не и способа приложения нагрузки.

Сопротивление хрупкому разрушению

Хрупкому разрушению подвержены конструкции из металлических материалов с ограниченной пластичностью вследствие быстрого распространения в них трещин. Возникают же трещины обычно в локальных зонах высокой концентрации напряжений. Во избежание отказов такого рода необходимо использовать достаточно пластичные металлические материалы и проектировать конструкции так, чтобы в них не было зон концентрации напряжений.

Наиболее распространенным способом оценки склонности к хрупкому разрушению являются испытания серии образцов с V-образным надрезом на ударный изгиб при различных температурах. Критерий оценки - критическая температура перехода от вязкого к хрупкому разрушению Т_кр- или порог хладноломкости. Ткр соответствует температуре достижения определенной минимальной ударной вязкости, например равной 200 кДж/м² . Чем выше Т_кр, тем больше склонность металла к хрупкому разрушению . Т_кр служит для сравнительной оценки материалов, отличающихся составом и структурой . Применительно к испытанию сварных соединений V-образный надрез наносится в исследуемой зоне соединения: по оси сварного шва, зонам сплавления или термического влияния.

Сопротивление нестабильному распространению трещины, или трещиностойкость металла при статическом растяжении, оценивают по одному или нескольким критериям:

• силовому - критическом у коэффициенту интенсивности напряжений К_Iс;

• деформационному критическому раскрытию в вершине трещины δ_с;

• энергетическому - критическому значению J-интеграла J_Iс (работы пластической деформации и разрушения).

Известен способ испытания на сопротивление хрупкому разрушению материала конструкции, заключающийся в том, что в элементе конструкции в центральной его части выполняют надрезы, прикладывают к нему нагрузку и регистрируют нагрузку и параметры трещинообразования, по которым судят о сопротивлении материала хрупкому разрушению. Известным способом испытывают элементы конструкции, имеющие симметричное сечение и характеризующиеся постоянной толщиной.

Недостатком известного способа является невозможность опредвления сопротивления хрупкому разрушению материала конструкций в виде несимметричных оболочек и раэностенных сосудов.

Цель изобретения - расширение номенклатуры испытуемых конструкций путем обеспечения возможности испытания несимметричных оболочек и раэностенных сосудов.

Способ испытания на сопротивление хрупкому разрушению материала конструкции, заключающийся в том, что в элементе конструкции выполняют надрезы, прикладывают к нему нагрузку и регистрируют нагрузку и параметры трещинообразования, по которым судят о сопротивлении материала хрупкому разрушению, отличающийся тем, что, с целью расширения номенклатуры испытуемых конструкций, выполняют по крайней мере два надреза с торца элемента конструкции, нагрузку прикладывают к образованным надрезами консолям, а направление действия нагрузки выбирают из условия обеспечения требуемого соотношения напряжений в вершинах надрезов.