Целисчев Лабораторный практикум Конструкционные материалы ядерных реакторов 2012

Механическими испытаниями материалов на растяжение определяют прочностные характеристики: предел пропорциональности, условный предел упругости, условный и физический пределы текучести, предел прочности (временное сопротивление разрыву), истинный предел прочности, истинное сопротивление разрыву, и характеристики пластичности: относительное (равномерное и сосредоточенное) удлинение и относительное сужение.

Условный предел пропорциональ-

ности σпц – условное напряжение, соответствующее концу линейного участка диаграммы растяжения.

Предел пропорциональности определяют графически по диаграмме растяжения (рис. 2.2).

Для этого проводят прямую AB, на которой откладывают отрезок KN = TK/2. Затем проводят касательную CD к кривой растяжения, параллельную прямой ON. Точка касания определяет усилие (Рпц). Предел пропорциональности рассчитывают по формуле

21

Предел текучести – это напряжение характеризующее переходный процесс от упругой к пластической деформации материала. По своему поведению при переходе от упругих к пластическим деформациям все металлы могут быть разделены на две группы. Большинство пластичных материалов при испытании на растяжение имеют постепенный переход в пластическую область (диаграмма растяжения I-го типа, без образования площадки текучести, (см. рис. 2.1). В этом случае определяют условный предел текучести при определенном допуске на остаточную деформацию σ0,2, по методике, аналогичной методике определения σ0,05 (см. рис. 2.3). Условный предел текучести рассчитывают по формуле

Некоторые сплавы, например: малоуглеродистые стали, высоколегированные конструкционные стали, латуни дают скачкообразный переход в пластическую область с появлением на диаграмме растяжения характерной площадки или зуба текучести (II тип). Такой тип диаграммы у пластичных материалов может проявляться при различных термообработках, температурах испытания и скоростях деформирования. Так называемые линии скольжения, которые являются следствиями плоскостей скольжения, появляются именно при напряжении, соответствующем площадке текучести. В этом

Предел прочности (временное сопротивление разрыву). Со-

противление материала значительным пластическим деформациям характеризуется пределом прочности (временное сопротивление) σв. Растягивающее усилие в этот момент деформации достигает своего максимального значения Pв (см. рис. 2.1), при этом происходит переход от равномерной деформации к локализованной: на образце образуется шейка. Предел прочности определяется по формуле

формации образца при непрерывном растяжении происходит его разрушение (разрыв) в области шейки при нагрузке (Pk). Истинное сопротивление разрыву определяется выражением

22

где Fk – площадь поперечного сечения образца в месте разрушения. Если построить диаграмму растяжения в координатах истинных напряжений и деформаций – S(σ) – δ(ε), то окажется, что истинное напряжение S непрерывно возрастает до момента разрушения об-

разца (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Диаграммы истинных и условных напряжений при испытаниях на растяжение

Это означает, что материал при пластической деформации упрочняется до разрушения. Для корректного построения диаграммы S(σ) – δ(ε) необходимо определить истинное напряжение в момент образования шейки (Sв). Для этого необходимо знать площадь поперечного сечения образца до момента образования шейки (Fв). Ее можно рассчитать, измеряя диаметр образца в месте равномерной деформации, и определяя затем относительное равномерное сужение по формуле

Отсюда Fв = F0 (1−ψp ) . Тогда истинное напряжение в момент

23

Относительное удлинение образца после разрыва определяется по формуле

где lk – расчетная длина образца после разрыва. Относительное сужение рассчитывается по формуле

где Fk – площадь поперечного сечения образца в месте разрыва.

Оборудование, приборы и материалы

Машина универсальная испытательная «INSTRON 1185». Электропечь с программируемым регулятором-измерителем

температуры типа ТП-700, класса 0,5, ГОСТ Р 15150. Термоэлектрические преобразователи первичные (термопары)

типа ТХК(L), 2-го класса, с пределом допускаемого отклонения при измерении температуры в диапазоне (100–375 оС) – (0,004 t) оС,

ГОСТ Р 50431.

Термоэлектрические преобразователи первичные (термопары) типа ТХА, 2-го класса, с пределом допускаемого отклонения при измерении температуры – (0,004 t) оС в диапазоне температур свы-

ше 375 до 1200 оС, ГОСТ Р 50431.

Термометр с погрешностью измерения ± 1 оС, ГОСТ 28489. Гигрометр психрометрический типа ВИТ-1, с ценой деления

0,2 оС, ТУ 25-11-1645.

Микрометр МК-25 с ценой деления 0,01 мм, ГОСТ 6507. Штангенциркуль электронный ЩЦ-11 с ценой деления 0,01 мм,

ГОСТ 166.

Индикатор часового типа ИЧ с ценой деления 0,01 мм, ГОСТ

577.

Все основное оборудование и средства измерения (испытательная машина, термопары, гигрометр, микрометр, штангенциркуль, индикатор часового типа) должны иметь действующие свидетельства о поверке (аттестации), выданные ФГУ «РОСТЕСТ», или иным органом, имеющим аккредитацию на право проведения поверки средств измерений и испытательного оборудования.

Примечания. 1. Допускается использовать средства измерений с характеристиками не хуже указанных.

24

2. Допускается использовать другие вспомогательные устройства с характеристиками не хуже указанных.

Образцы для испытаний (рис. 2.5) изготавливаются из труб отвечающих требованиям соответствующих технических условий по геометрическим размерам и сплошности, отобранных для определения механических свойств.

Захваты для испытаний кольцевых об- Рис. 2.5. Кольцевой образец разцов представляют собой конструкцию

приведенную на рис. 2.6. Крепление образцов в захватах показано на рис. 2.7.

Содержание и порядок выполнения работы

В настоящее время не существует отечественных стандартов, определяющих процедуру испытаний на растяжение особотонкостенных труб в поперечном направлении. В тоже время, характеристики механических свойств, полученные при растяжении в поперечном направлении образцов от особотонкостенных труб, широко используются при расчетных обоснованиях эксплуатационной надежности оболочек твэлов всех типов реакторов. Проведение испытаний регламентировано только методиками выполнения испытаний.

25

Типовая методика устанавливает инструкцию выполнения испытаний на растяжение в поперечном направлении образцов от

особотонкостенных труб (кольцевые образцы) при комнатной 20 +−1510

оС и повышенных до 900 оС температурах.

Методика предназначена для определения следующих характеристик механических свойств:

-временного сопротивления σв;

-условного или физического предела текучести σ0,2 или σт;

-относительного удлинения после разрыва δ.

Методика устанавливает правила подготовки образцов, требования к оборудованию и приспособлениям, правила проведения испытаний, расчетов и оформления и контроля точности результатов испытаний.

Требования безопасности

К выполнению работ на испытательных машинах допускаются лица, прошедшие инструктаж по безопасности труда на рабочем месте.

Помещения лабораторий, их оснащение, отопление, водоснабжение и канализация должны соответствовать общим требованиям безопасности к конструкции, оснащению и организации работ, обеспечивающих безопасность, охрану здоровья и работоспособность персонала, ГОСТ 12.2.061.

При работе на установке руководствоваться требованиями «Правил устройства электроустановок (ПУЭ)», утвержденных Главгосэнергонадзором, ГОСТ 12.2.007, ГОСТ 21130, ГОСТ 12.1.019, «Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей», утвержденных Главгосэнергонадзором.

Подготовка к проведению испытаний

Измерение геометрических размеров. Наружный диаметр D0 измеряют микрометром МК25 в двух взаимно перпендикулярных направлениях; и определяют среднее арифметическое.

Толщину стенки ti измеряют индикатором часового типа ИЧ в двух взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 2.8) и определяют среднее арифметическое каждой пары измерений.

26

За начальные наружный диаметр D0 и начальную толщину стенки t0 принимают наименьшие из полученных значений.

Ширину кольца В0 измеряют микрометром МК25.

Начальную площадь поперечного сечения А0, мм2, вычисляют по формуле

и округляют до числа, кратного 0,01 мм2.

Рис. 2.8. Пример внешнего вида приспособления для замера стенки кольцевого образца

Проведение испытаний

Условия проведения испытаний:

Температура окружающей среды, °С……..20 +−1510

Относительная влажность, не более, % …...80 Измерения. Испытания образцов проводят в специальных опор-

ных захватах (см. рис. 2.6, 2.7), закрепленных на испытательной машине.

Для обеспечения соответствия начальной расчетной длины L0 (участок кольца на котором определяется удлинение) условным значениям L0 = 3В0 («короткий образец») или L0 = 6В0 («длинный образец»), образцы от труб различного диаметра испытываются на захватах с определенным диаметром опоры. Пример выбора L0 для образцов от оболочечных из сталей приведен в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Пример выбора начальной расчетной длины

27

Для образцов тонкостенных стальных труб, размеры которых не приведены в табл. 2.1, значения диаметра опор захвата dз и расчетной длины L0 определяются из условия

где Dср – средний диаметр образца, мм; d3 – диаметр опоры захвата, мм; K – коэффициент, равный 0,4 для колец диаметром 5,8 и 0,5

– для кольцевых образцов всех остальных диаметров (коэффициент получен экспериментально-расчетным методом по ранее аттестованным методикам).

Следует учитывать, что при повышении температуры возрастает значение K, поэтому, подставляя в (2.13) значение K = 0,6 можно вычислить расчетную длину L0 и ширину В0, позволяющие более точно определить характеристики пластичности.

Скорость перемещения активного захвата (Vдеф) устанавливается 1 мм/мин для «коротких» образцов и 5 мм/мин для «длинных».

Испытания универсальной машине «INSTRON 1185» проводятся в соответствии с требованиями установленными документами:

•машина универсальная испытательная «INSTRON 1185». Пульт оператора ПО-4;

•машина универсальная испытательная «INSTRON 1185». Приложение к паспорту;

•программно-технический комплекс «Металл».

Испытания при повышенных температурах проводят при следующих дополнительных условиях:

-для измерения температуры на образец устанавливают первичный преобразователь (термопару);

-горячий спай термопары должен иметь контакт с поверхностью образца и изолирован от инфракрасного излучения;

-образец, помещенный в нагревательное устройство, нагревают до заданной температуры и после выдержки на режиме в течение 15 мин начинают испытание;

-допускаемое отклонение температуры на образце в процессе испытания по ГОСТ 9651.

28

Рис. 2.9. Типичная диаграмма растяжения кольцевого образца

Результаты замеров и испытаний заносят в протокол испытаний.

29

Форма рабочего журнала (отчет)

Отчет должен содержать:

-титульный лист;

-цель работы и краткое теоретическое введение;

-контролируемые параметры и их определения;

-результат самостоятельной оценки параметров испытанного образца с обработкой диаграммы испытания и полученными характеристиками механических испытаний – для каждого студента;

-выводы: описание проделанного, выявленные отличительные особенности испытанных образцов, анализ семейства диаграмм испытаний.

Контрольные вопросы

1.Какие механические характеристики определяются при испытании образца на растяжение?

2.Что такое истинное сопротивление разрыву?

3.Напишите формулу расчета относительного удлинения.

4.Какие механические характеристики определяются на кольцевых образцах?

5.Что такое истинная диаграмма при испытаниях на растяжение?

6.Кто допускается к выполнению работ на испытательных машинах?

Список литературы

1.Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. Кн. 2. М.: Машиностроение, 1974.

2.ГОСТ 1497 Металлы. «Металлы. Метод испытаний на растяжение». М.: Издательство стандартов, 1994. С. 22.

3.ГОСТ 9651 Металлы. «Металлы. Метод испытаний на растяжение при повышенных температурах». М.: Издательство стандартов, 1994. С. 16.

4.ГОСТ Р 8.563-96 «Методики выполнения измерений». М.: Издательство стандартов, 1996. С. 19.

5.ОСТ 95 10351-2004 Отраслевая система обеспечения единства измерений «Общие требования к методикам выполнения измерений». М.: ЦНИИатоминформ, 2004. С. 79.

6.РД 95.992-89 Методические указания. Оболочки облученных и необлученных твэлов. Методы испытаний материалов. М: ВНИИНМ, 1989. С. 43.

7.ОИ.001.325-91 Методика выполнения испытаний для определения характеристик механических свойств при растяжении кольцевых образцов от труб из сплавов циркония. М : ВНИИНМ, 1991. С. 24

30