Метод испытаний металлов на ползучесть

 Испытания на твердость  часто берут на вооружение  отделы технического контроля  на производствах. В тех случаях,  когда одной из операций является  термообработка, нередко предусматривается  сплошной контроль на твердость  всей продукции, выходящей с  автоматической линии. Такой контроль  качества невозможно осуществить  другими описанными выше методами  механических испытаний.

Испытания на излом.

В таких испытаниях образец  с шейкой разрушают резким ударом, а затем излом исследуют под  микроскопом, выявляя поры, включения, волосовины, флокены и сегрегацию.

Подобные испытания позволяют  приблизительно оценить размер зерна, толщину закаленного слоя, глубину  цементации или разуглероживания и  другие элементы гросс-структуры в  сталях.

Оптические и  физические методы.

Микроскопическое  исследование.

Металлургический и (в  меньшей степени) поляризационный  микроскопы часто позволяют надежно  судить о качестве материала и  его пригодности для рассматриваемого вида применения. При этом удается  определить структурные характеристики, в частности размеры и форму  зерен, фазовые соотношения, наличие  и распределение диспергированных инородных материалов.

Радиографический  контроль.

Жесткое рентгеновское или  гамма-излучение направляется на испытуемую деталь с одной стороны и регистрируется на фотопленке, расположенной по другую сторону. На полученной теневой рентгено- или гаммаграмме выявляются такие  несовершенства, как поры, сегрегация и трещины. Произведя облучение  в двух разных направлениях, можно  определить точное расположение дефекта. Такой метод часто применяется  для контроля качества сварных швов.

Магнитно-порошковый контроль.

Этот метод контроля пригоден лишь для ферромагнитных металлов –  железа, никеля, кобальта – и их сплавов. Чаще всего он применяется для  сталей: некоторые виды поверхностных  и внутренних дефектов удается выявить  нанесением магнитного порошка на предварительно намагниченный образец.

Ультразвуковой  контроль.

Если в металл послать  короткий импульс ультразвука, то он частично отразится от внутреннего  дефекта – трещины или включения. Отраженные ультразвуковые сигналы  регистрируются приемным преобразователем, усиливаются и представляются на экране электронного осциллографа. По измеренному времени их прихода  к поверхности можно вычислить  глубину дефекта, от которого отразился  сигнал, если известна скорость звука  в данном металле. Контроль проводится весьма быстро и зачастую не требует  выведения детали из эксплуатации.

Специальные методы.

Существует ряд специализированных методов контроля, имеющих ограниченную применимость. К ним относится, например, метод прослушивания со стетоскопом, основанный на изменении вибрационных характеристик материала при  наличии внутренних дефектов. Иногда проводят испытания на циклическую вязкость для определения демпфирующей способности материала, т.е. его способности поглощать вибрации. Она оценивается по работе, превращающейся в теплоту в единице объема материала за один полный цикл обращения напряжения. Список государственных  стандартов, регламентирующих правила  проведения механических испытаний  металлов: ГОСТ Р 52727-2007: Техническая диагностика. Акустико-эмиссионная диагностика. Общие требования ГОСТ 9012-59: Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю ГОСТ Р 52731-2007: Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля механических напряжений. Общие требования ГОСТ 25.506-85: Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. ГОСТ 25.505-85: Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытаний на малоцикловую усталость при термомеханическом нагружении ГОСТ 25.503-97: Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие ГОСТ 25.502-79: Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость ГОСТ 1579-93: Проволока. Метод испытания на перегиб ГОСТ 14019-2003: Материалы металлические. Метод испытания на изгиб ГОСТ 10006-80: Трубы металлические. Метод испытания на растяжение ГОСТ 1497-84: Металлы. Методы испытаний на растяжение ГОСТ 30456-97: Металлопродукция. Методы испытания на ударный изгиб ГОСТ 22848-77: Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при температурах от минус 100 до минус 269 град. С ГОСТ Р 52764-2007: Материалы металлические. Метод испытания на перегиб листов и лент толщиной 3 мм и менее ГОСТ 30003-93: Металлы. Испытание на изгиб навивкой листов и лент толщиной менее 2,5 мм ГОСТ 25282-93: Порошки металлические. Метод определения прочности прессовок ГОСТ 26007-83: Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Методы испытания на релаксацию напряжений ГОСТ 10446-80: Проволока. Метод испытания на растяжение ГОСТ 8.398-80: Государственная система обеспечения единства измерений. Приборы для измерения твердости металлов и сплавов.Методы и средства поверки ГОСТ 23677-79: Твердомеры для металлов. Общие технические требования ГОСТ 22975-78: Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Роквеллу при малых нагрузках (по Супер-Роквеллу) ГОСТ 9013-59: Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу ГОСТ 28868-90: Металлы и сплавы цветные. Измерение твердости методом ударного отпечатка ГОСТ 9651-84: Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах ГОСТ 11150-84: Металлы. Методы испытания на растяжение при пониженных температурах ГОСТ 25095-82: Сплавы твердые спеченные. Метод определения модуля упругости (модуля Юнга) ГОСТ 10145-81: Металлы. Метод испытания на длительную прочность ГОСТ 9454-78: Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах ГОСТ 22761-77: Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Бринеллю переносными твердомерами статического действия ГОСТ 8818-73: Металлы. Метод испытания на расплющивание ГОСТ 18835-73: Металлы. Метод измерения пластической твердости ГОСТ 13813-68: Металлы. Метод испытания на перегиб листов и лент толщиной менее 4 мм ГОСТ 26446-85: Соединения паяные. Методы испытаний на усталость ГОСТ 11701-84: Металлы. Методы испытаний на растяжение тонких листов и лент ГОСТ 8.509-84: Государственная система обеспечения единства измерений. Машины для испытания металлов на длительную прочность и ползучесть. Методика поверки ГОСТ 8817-82: Металлы. Метод испытания на осадку ГОСТ 7268-82: Сталь. Метод определения склонности к механическому старению по испытанию на ударный изгиб ГОСТ 25172-82: Сплавы твердые спеченные. Метод определения твердости по Виккерсу ГОСТ 8.426-81: Государственная система обеспечения единства измерений. Приборы для измерения твердости металлов методом упругого отскока бойка (по Шору). Методы и средства поверки ГОСТ 3248-81: Металлы. Метод испытания на ползучесть ГОСТ 8693-80: Трубы металлические. Метод испытания на бортование ГОСТ 3565-80: Металлы. Метод испытания на кручение ГОСТ 10510-80: Металлы. Метод испытания на выдавливание листов и лент по Эриксену ГОСТ 23273-78: Металлы и сплавы. Измерение твердости методом упругого отскока бойка (по Шору) ГОСТ 22706-77: Металлы. Метод испытания на растяжение при температурах от минус 100 до минус 269 град. С ГОСТ 22762-77: Металлы и сплавы. Метод измерения твердости на пределе текучести вдавливанием шара ГОСТ 9450-76: Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников ГОСТ 2999-75: Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу ГОСТ 17367-71: Металлы. Метод испытания на абразивное изнашивание при трении о закрепленные абразивные частицы ГОСТ Р 50708-94: Проволока. Метод испытания на знакопеременное скручивание ГОСТ 8.044-80: Государственная система обеспечения единства измерений. Наконечники алмазные к приборам для измерения твердости металлов и сплавов. Методы и средства поверки ГОСТ 18661-73: Сталь. Измерение твердости методом ударного отпечатка ГОСТ 14019-80: Металлы. Методы испытания на изгиб ГОСТ 1579-80: Проволока. Метод испытания на перегиб ГОСТ 18227-85: Материалы порошковые. Метод испытания на растяжение ГОСТ 25.503-80: Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие ГОСТ 7564-73: Сталь. Общие правила отбора проб, заготовок и образцов для механических и технологических испытаний ГОСТ Р 53006-2008: Оценка ресурса потенциально опасных объектов на основе экспресс-методов. Общие требования ГОСТ Р 52890-2007: Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля напряжений в материале трубопроводов. Общие требования ГОСТ Р 53204-2008: Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля переменных механических напряжений. Общие требования ГОСТ Р 52891-2007: Контроль остаточных технологических напряжений методом лазерной интерферометрии. Общие требования ГОСТ Р 53205-2008: Контроль неразрушающий. Определение размеров зерен стали акустическим методом. Общие требования ГОСТ Р 52889-2007: Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля усилия затяжки резьбовых соединений. Общие требования ГОСТ 31244-2004: Контроль неразрушающий. Оценка физико-механических характеристик материала элементов технических систем акустическим методом. Общие требования ГОСТ Р ИСО 2566-2-2009: Сталь. Перевод значений относительного удлинения. Часть 2. Сталь аустенитная ГОСТ Р ИСО 2566-1-2009: Сталь. Перевод значений относительного удлинения. Часть 1. Сталь углеродистая и низколегированная ГОСТ Р 53568-2009: Контроль неразрушающий. Определение констант упругости третьего порядка акустическим методом. Общие требования

1.4 Назначение и особенности испытания металлов  на ползучесть

 ГОСТ 3248-81

Длительное действие статической  нагрузки вызывает нарастающую во времени  пластическую деформацию металла. Это  явление называется ползучестью. В  зависимости от температуры и  величины напряжения процесс ползучести может протекать как медленно, так и быстро. Для оценки сопротивления материала накоплению пластической деформации во времени проводят специальные испытания на ползучесть.

Сущность испытания на ползучесть заключается в регистрации  нарастания во времени деформации образца, находящегося под постоянной нагрузкой  при постоянной температуре.

Наибольшее распространение  получил метод испытания на ползучесть при растяжении. Он регламентирован  ГОСТом 3248—81. Возможны также испытания  на ползучесть при других видах нагружения (сжатии, изгибе, кручении, с комбинированными нагрузками).

Данный стандарт устанавливает метод испытания на ползучесть черных и цветных металлов и сплавов при температуре до 1200 °С.

В результате испытания определяют предел ползучести материала, т.е. напряжения, при котором скорость или деформация ползучести за определенный промежуток времени не превышает заданной величины.

Характеристикой сопротивления  материала ползучести является условный предел ползучести — напряжение, которое  вызывает за установленное время  испытания при данной температуре  заданную деформацию образца или  заданную скорость ползучести на прямолинейном  участке кривой ползучести.

По ГОСТу 3248—81 рекомендуется определять предел ползучести при допусках на удлинение в пределах от 0,1 до 1% (наиболее распространенные значения допуска в зависимости от условий работы и назначения конструкции 0,1; 0,2; 0,5 и 1% при длительности испытания 10, 100, 300, 500, 1000, 3000, 5000, 10000 ч.

Для конструкций с особо длительным сроком службы продолжительность испытания может быть больше. В случае определения предела ползучести по скорости ползучести продолжительность испытания в соответствии с ГОСТом 3248—81 должна составлять не менее 2000 — 3000 ч при условии, что продолжительность прямолинейного участка кривой ползучести будет не менее 500 ч. 

2. Подготовка и проведение испытаний

2.1 Требования к образцам

ГОСТ 3248—81 рекомендует для  испытаний на ползучесть при растяжении три типа образцов: цилиндрические образцы диаметром 10 мм с расчетной длиной 100, 150 (нормальный образец) или 200 мм (удлиненный образец) и плоский образец шириной 15 мм с расчетной длиной 100мм. Толщина плоского образца определяется толщиной листа.

Возможно применение образцов другой формы и размеров при условии, что диаметр цилиндрических образцов не должен быть менее 5 мм, а отношение рабочей длины к диаметру должно равняться 5 или 10.

Допускаемые отклонения длины  рабочей части образца от заданной расчетной не должны превышать ±1%, диаметра образца ±0,02 мм, ширины плоских образцов ±0,1 мм. Допускаемое отклонение площади поперечного сечения ±0,5%. 
 
 
 
 
    Образцы для испытания

      на ползучесть.

На рисунках показаны наиболее распространенные типы образцов для  испытания на ползучесть при растяжении: цилиндрические с буртиками а, продольными сверлениями в головках б или плоский образец г.

Образец по форме и по размерам головок образца и переходной части от головки к его рабочей  длине определяется принятым способом крепления измерителя удлинений  на образце и способом крепления  образца в захватах испытательной  машины. Сопряжение головки образца  с его рабочей частью должно быть плавным.

Образцы можно применять  двух видов: с обработанной поверхностью или с сохранением поверхностного слоя (например, образцы из листового  проката или образцы, изготовленные  методом точного литья) в соответствии с условиями поставки, применением  и технологией изготовления полуфабрикатов и изделий.

Образцы, имеющие коробление, механические повреждения, поверхностные  дефекты в виде инородных включений, расслоений, пор, раковин, трещин (возникающих  в результате механической или термической  обработки), испытаниям не подвергаются. Рихтовка или другой вид правки заготовок  или образцов для испытаний не допускается.

Если металл подлежит испытанию  в термообработанном виде, то термообработке подвергаются заготовки для образцов. Если после термообработки металл плохо  обрабатывается резанием, то эти заготовки предварительно должны быть доведены до размеров, включающих припуск на окончательную обработку и возможное коробление.

Требования к металлу  и размерам заготовок устанавливаются  стандартами или техническими условиями  на металлопродукцию.

При изготовлении образцов не должно происходить изменений  структуры и свойств испытуемого  металла (например, вследствие нагрева  или наклепа).

2.2 Требования к приборам для испытания металлов на ползучесть.

Технические требования к  машинам для испытания металлов на ползучесть должны соответствовать  ГОСТ 28845-90.

Существует несколько  конструктивных схем нагружения. Наибольшее распространение получило нагружение сменными грузами через рычажный механизм с верхним или нижним расположением рычага и соотношением плеч от 1:10 до 1 : 50. Помимо этой системы применяются непосредственное нагружение грузами (для образцов с малым поперечным сечением), нагружение винтовыми пружинами, а также иные системы, обеспечивающие постоянство нагрузки во времени (например, центробежной силой).

Соосность в системе нагружения достигается использованием захватов с шаровыми опорами, универсальных  шарниров и призматических опор. Проверку соосности проводят, измеряя упругие удлинения эталонного (а при необходимости рабочего) образца с двух диаметрально противоположных сторон экстензометрами или проволочными тензодатчиками при нормальной температуре. Разность этих удлинений не должна превышать 10% среднего арифметического значения деформации образца.

Для нагрева образцов при  испытании на ползучесть в большинстве  случаев используют печи электросопротивления. Значительно реже применяют нагрев пропусканием тока через образец, электроннолучевой, индукционный и др.

На рабочей части образца  должно быть установлено не менее  двух-трех термопар, распределенных равномерно по расчетной длине. Плотный контакт  горячего спая термопары с поверхностью образца обеспечивается чаще всего  или привязыванием спая к образцу  асбестовым шнуром или прижимом специальной пружиной. Горячий спай должен быть защищен от прямой радиации с поверхности нагревателя. Температура холодного спая термопар должна поддерживаться постоянной.

Для измерения температуры  термопары согласно ГОСТу 3248—81 должны использоваться приборы с погрешностью не более 0,5%. Как правило, для измерения и записи температуры во времени применяют электронные потенциометры. Основными элементами терморегулятора, обеспечивающего постоянство температуры печи, являются датчик температуры, измерительное устройство, определяющее отклонение температуры от заданной, и исполнительный механизм, который полностью выключает или включает ток в печи или переключает ток на максимальную или минимальную заданную величину.

Приборы для измерения деформации должны обеспечивать точность отсчета не менее 0,002 мм. Колебания температуры не должны влиять на показания приборов.

2.3 Машины для испытаний металлов на ползучесть

Типичными по своей конструкции  машинами для массовых стандартизированных испытаний металлов на ползучесть являются машины типа АИМА-5-1, машина ЦСТ-2/3, а для специальных испытаний в вакууме при весьма высоких температурах машина ПВ-1522.

Машина АИМА-5-1 предназначена  для испытаний плоских и цилиндрических образцов с расчетной длиной до 150 мм в интервале температур 300 — 1000° С при растяжении. Она состоит из двух самостоятельных идентичных секций, каждая из которых имеет рычажный механизм нагружения из трех рычагов с общим передаточным отношением 1 : 100 или 1 :20. Набором сменных грузов, устанавливаемых на подвеске рычажной системы, обеспечивается нагружение образца в интервале 300—30 000 н (30—3000 кГ).