3.3. Определение механических характеристик материалов.

Для определения механических свойств материалов применяют методы испытания на образцах и неразрушающие методы. При диагностике текущего состояния материалов объекта образцы материалов вырезают из конструкции, предварительно останавливая объект (с последующим восстановлением поврежденных участков), а также проводят исследования на образцах-свидетелях.

Испытания на изгиб осуществляют на образцах круглого или прямоугольного поперечного сечения, положенных на две опоры и нагружаемых медленно возрастающей, приложенной по середине пролета, нагрузкой. Предел текучести при изгибе определяют при наличии на диаграмме нагрузка — перемещение площадки текучести ст_ти = Мт/W, где Мт - момент сил, соответствующий площадке текучести, W - момент сопротивления поперечного сечения образца.

Ударными испытаниями выявляют сопротивляемость материала динамическим нагрузкам и его склонность к хрупкому разрушению. Ударные испытания осуществляют на маятниковых копрах. Мерой сопротивлению удару служит удельная ударная вязкость а, — отно­шение работы, расходуемой для ударного излома образца, к его поперечному сечению.

Испытания на ползучесть проводят с целью оценки способности к пластическим деформациям под воздействием нагрузки при повышенных температурах. Эта способность оценивается пределом ползучести — величиной действующего при заданной температуре напряжения, при котором скорость ползучести за определенный промежуток времени не превосходит некоторой величины (например, от 10"'до 10 ^ч мм/мм в час).

Испытания на длительную прочность являются разновидностью испытаний на ползучесть, при которых испытуемый образец доводят до разрушения. В результате испытаний определяют время, необходимое для разрушения образца, при заданном напряжении и температуре, а также остаточное удлинение и поперечное сужение образца при разрушении.

Под усталостью понимают постепенное разрушение материала при большом числе повторно-переменных напряжений, а его свойство выдерживать, не разрушаясь, эти напряжения, носит название выносливость. Изменение состояния материала при усталостном процессе отражается на его механических свойствах, макроструктуре, микроструктуре и субструктуре. Эти изменения протекают по стадиям и зависят от влияния среды. На определенной стадии начинаются необратимые явления снижения сопротивления материала разрушению, характеризуемые как усталостные повреждения. Сначала в структурных составляющих материала и по границам их сопряжения (зерна поликристаллического металла, волокна и матрица композитов, молекулярные цепи полимеров) образуются микротрещины, которые в дальнейших стадиях перерастают в макротрещины. либо приводят к окончательному разрушению элемента конструкции.

Испытания на усталость проводят на образцах в форме галтелей! на специальных машинах для испытания на усталость. Образец нагружают консольно, либо чисто изгибом. Образец приводят во вращение. Напряжения изменяются во времени циклично. Форма цикла повторно-переменных нагрузок на образец может быть различная: симметричная, знакопостоянная, симметричная знако-j переменная, ассиметричная знакопостоянная. Целью испытаний; является определение для заданного типа цикла нагружения предела? выносливости о_а — наибольшего напряжения, допускающего! повторения N раз данного цикла без разрушения образца.

Для определения предела выносливости строится диаграмма; максимальное напряжение (или амплитуда цикла) — число циклов до; разрушения (кривая усталости). Эта диаграмма строится, как правило,! в логарифмических координатах lg o_a - lg N. За предел выносливости'; а_\ принимают значение, при котором не происходит разрушения (для многоцикловой усталости принимают значение N = 10"). Кривые усталости в области малоцикловой усталости (при разрушающем числе циклов 10⁴ и менее), за которую ответственны повторные' пластические деформации, строят в виде зависимости lg £ - lg N.

Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении проводят на образцах, плоской или цилиндрической формы с надрезом, предварительно наносимым в центре, по краю или периметру образца. Схемы нагружения образцов соответствуют разрыву, поперечному сдвигу или продольному сдвигу образца. |

Под трещиностойкостью материала понимают его способность сопротивляться развитию трещин при механических и других воздействиях. Испытания проводят на стандартных разрывных маши­нах, доводя образец до разрушения. По результатам испытаний определяют следующие основные характеристики трещин стойкости:

• силовые (коэффициент интенсивности напряжений К,' определяющий напряженно-деформационное состояние и смещение вблизи вершины трещины для упругого тела),

• деформационные (раскрытие трещины в вершине δ),

• энергетические (I-интервал — величина, характеризующая работу пластической деформации и разрушения, а также поле напряжений и деформаций при упругопластическом деформиро­вании вблизи вершины трещины).

Трещиностойкость оценивается по одной или нескольким из указанных характеристик.

Определение твердости материала. Под твердостью понимают способность металла сопротивляться вдавливанию в него другого тела различной формы (шарика, конуса, пирамиды) из другого более твердого материала, не получающего при данном давлении остаточной деформации. Величина твердости и ее размерность зависят от применяемого метода измерения. Твердость измеряется с помощью специальных приборов — твердомеров, общие требования к которым изложены в ГОСТ 23677-88.

Методы испытания на твердость регламентированы стандартами:

ГОСТ 9012-79 — по Бринелю,

ГОСТ 9013-89 - по Роквеллу,

ГОСТ 22915-83 - по Супер-Роквеллу,

ГОСТ 2999-85 - по Виккерсу,

ГОСТ 23273-84 - по Шору,

ГОСТ 9450-92 — измерение микро твердости.

При измерении твердости поверхность металла должна быть подготовлена (удалена окалина, поверхность отполирована до шероховатости не более Ra = 2.5 мкм по ГОСТ 2789-80). Перерасчет значений твердости,' определенных различными методами, производится по таблицам или эмпирическим формулам.

Твердость является мерой пластичности и связана с пределом текучести формулой с_т - С * HV.

Экспериментально могут быть установлены корреляционные :вязи между твердостью и прочностью.

Преимуществом использования твердости в качестве оценки механических свойств материала является простота и высокая производительность метода измерения, выполняемого без разрушения целостности конструкции.

Для измерения твердости и полевых условиях используют переносные твердомеры, работающие по принципу вдавливания индентора при постоянной нагрузке, вдавливания индентора при динамической нагрузке, по разности скоростей падения и отскока индентора от поверхности, резонансно-импендансного метода.

Измерение твердости по Брннелю переносными твердомерами статистического действия производится по ГОСТ 22761-77; методом ударного отпечатка — по ГОСТ 18661-73.

Переносные приборы, основанные на принципе измерения отпечатка индентора при постоянной нагрузке, имеют большие, размеры и массу, поэтому в полевых условиях предпочтительны; твердомеры на основе резонансно-импендансного метода. Принцип измерения твердости с помощью таких приборов следующий. Алмазная пирамида для измерения твердости по Виккерся закрепляется на конце металлического стержня, который пол действием пьезоэлектрической пластины колеблется с собственной резонансной частотой. При внедрении алмазной пирамиды в материал стержень меняет свою резонансную частоту. Между твердостью и изменением частоты существует прямая корреляция. Выпускаемые приборы измеряют твердость по Виккерсу, пересчи­тывают результаты в единицы твердости по Роквеллу, Бринелю, а также в значения предела прочности и текучести материала, имеют память и показывающий индикатор. Для измерения твердости в труднодоступных местах приборы снабжены набором зондов.

В основе измерения твердости по отскоку индентора лежит зависимость разности скорости падения и отскока от поверхности от твердости материала. Приборы, основанные на этих принципах калибруются по мерам твердости ГОСТ 9031-90. На этих принципах выпускаются многочисленные твердомеры отечественного и зарубежного производства (фирм КРАУТКРАМЕР (Германия) AM ДАТА и др).

К специальным методам измерения твердости относится метод определения усилия текучести для некоторых легированных сталей, применяемых в теплотехнике. Твердость измеряют на пределе текучести материала путем вдавливания шарика (ГОСТ 22762-77).

Измерение микро твердости царапаньем алмазными наконечниками (склерометрия) установлено ГОСТ 21318-82.

Методы определения механических свойств сварных швов регламентированы ГОСТ 6996-91.

Приборы для измерения твердости подлежат поверке в соответствии с ГОСТ 8.398-83 ГСИ (Приборы для измерения твердости металлов и сплавов. Методы и средства поверки) и ГОСТ 8.406-80 ГСИ (Твердомеры для резин. Методы и средства поверки). Для исследования структуры и механических свойств материа­лов используют также акустические методы (РД 26-11-87. Инструк­ция по акустическим методам контроля структуры и механических характеристик серых и высокопрочных чугунов.) С целью повышения достоверности оценки состояния конструкционного металла и ускорения диагностирования применяют методы диагностирования по комплексу физико-механических свойств. В основу "Методики экспресс-диагностических свойств металла сосудов, аппаратов и трубопроводов из конструкционных сталей приборами неразрушающего контроля и оценки допустимого срока работы в нефтеперерабатывающих (и родственных) производствах" (разработан предприятием "ИНТГХ" и согласован с ГГТН России2.11.94) положено допущение о том, что основным наиболее опасным видом структурной повреждаемости для металла являетс яего охрупчивание и снижение характеристик трещиностойкости, особенно при наличии и металле трещин и дефектов. Структурно-физическое состояние металла оценивается по трем условным категориям свойств в связи со степенью его структурного охрупчивания, оцениваемого по повышению температуры вязко-хрупкого перехода (смешение порога хладоломкости) и снижающего характеристики сопротивления хрупкому разрушений и трещиностойкости металла. Комплекс физических характеристик диагностируемого металла сравнивают с таким же комплексом металла-анналога образца в исходном и опасном структурно-охрупченном состоянии. По результатам сравнения устанавливают категорию свойствметалла эксплуатируемого оборудования.

4. ДЕФЕКТЫ В МЕТАЛЛАХ И

НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ ИХ

ОБНАРУЖЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ