Разрушающие испытания

Разрушающие испытания
1. Общие сведения о методах разрушающего контроля
2. Статические испытания на растяжение
3. Испытание на изгиб
4. Испытания на ударный изгиб
5. Твердометрия

1. Общие сведения о методах разрушающего контроля


К методам разрушающего контроля относятся испытания, в результате которых числовые значения физико-механических свойств получаются после разрушения образцов. По результатам таких испытаний можно судить о правильности подбора основных и сварочных материалов, выбранных технологиях и режимах сварки, осуществлять оценку квалификации сварщика. Механические испытания являются одним из основных МРК.
К механическим испытаниям относят:
· испытание сварного соединения в целом на различных его участках (наплавленного металла, основного металла, зоны термического влияния) на статическое (кратковременное) растяжение;
· статический изгиб;
· ударный изгиб (на надрезанных образцах);
· на стойкость против механического старения;
· измерение твердости металла на различных участках сварного соединения.
Контрольные образцы для механических испытаний варят из того же металла, тем же методом и тем же сварщиком, что и основное изделие. Применение МРК, исходя из их названия, ведет к разрушению исследуемой детали. В связи с этим, применение таких методов оправдано, в первую очередь, при отработке или аттестации новых технологий сварки.

2. Статические испытания на растяжение


В процессе испытания на растяжение образец деформируется, а затем разрушается.
Данное испытание позволяет получить следующие характеристики:
· предел пропорциональности (условный) σПЦ;
· предел упругости (условный) σ0.01;
· предел текучести (физический) σТ, кгс/мм2(Н/м2);
· предел текучести (условный) σ0.2, кгс/мм2(Н/м2);
· предел прочности (временное сопротивление)σв;кгс/мм2(Н/м2);
· относительное удлинение после разрыва δ, %;
· относительное сужение после разрыва ψ, %.
Внешний вид образца на статическое растяжение представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Цилиндрический образец для испытаний на статическое растяжение

На начальном этапе нагружения в образце присутствует одноосное напряженное состояние (рисунок 2). Далее начинается участок разрушения или участок местной текучести. На образце появляется местное утонение (шейка) (рисунок 3). 

Рисунок 2 – Равномерная деформация (ε) в исследуемом образце на начальном этапе нагружения (упругая и пластическая составляющая суммарно)
Рисунок 3 – Возникновение утонения на образце в процессе растяжения

В процессе испытаний записывается информация о зависимости между приложенной силой и удлинением, которая затем переводится в графический вид, представленный на рисунке 4.
На начальном участке диаграммы (участок ОА) между силой F и удлинением Δl соблюдается прямая пропорциональная зависимость – образец подчиняется закону Гука. Закон Гука говорит о прямой пропорциональной зависимости между напряжением σ и деформацией ε : σ=εE. Коэффициент пропорциональности Е называется модулем упругости первого рода.

Рисунок 4 – Диаграмма растяжения

В точке А диаграммы закон Гука нарушается: зависимость между силой и удлинением становится нелинейной. На диаграмме имеется горизонтальный участок (участок БВ), называемый площадкой текучести. В этой стадии испытания образец удлиняется (деформируется) практически при постоянной силе. Это явление называется текучестью, при этом образец деформируется равномерно и по всей длине рабочей части. В точке В площадка текучести заканчивается и начинается участок упрочнения. В конечной точке Д этого участка достигается максимальная сила, которую может выдержать образец.
На конечном участке ДЕ (после возникновения шейки) происходит локализация деформаций в шейке, остальная часть образца практически не деформируется. Деформация в шейке неоднородная, имеет существенный градиент вдоль оси образца. Напряженное состояние также становится неоднородным, кроме того оно изменятся качественно – становится трехосным. Внутри шейки напряженное состояние – трехосное растяжение.
Диаметр шейки уменьшается по мере деформирования образца, и образец разрывается по наименьшему сечению шейки. При разгружении образца в пределах участка ОА законы нагружения, разгружения и повторного нагружения совпадают.
Если при испытании на растяжение нагружение приостановить, напри-мер, в точке Г диаграммы и осуществить разгружение образца, то окажется, что диаграмма разгружения и диаграмма предыдущего нагружения не совпадают. Линия разгружения в этом случае – прямая, параллельная начальному линейному участку диаграммы растяжения образца. Такой характер деформирования образца при его разгружении называется законом разгружения. При повторном нагружении диаграмма до точки Г совпадает с линией разгружения, а затем будет совпадать с диаграммой растяжения образца при однократном нагружении. Такой характер деформирования называется законом повторного нагружения и заключается в пропорциональной зависимости силы и удлинения, которая сохраняется до значения силы, достигнутой при первичном нагружении.
При разгружении образца в пределах участка ОА законы нагружения, разгружения и повторного нагружения совпадают.
Классическая диаграмма, показанная на рисунке 4, в реальности не всегда имеет место. Так на рисунке 5 показана диаграмма, характерная для конструкционной стали. Но и на ней можно выделить соответсвующие характерные точки.

Рисунок 5 – Диаграмма растяжения образцов материалов из конструкционной стали

Предел пропорциональности
Пределом пропорциональности называется наибольшее напряжение, до которого справедлив закон Гука. Для определения предела пропорциональности вводится понятие условного предела пропорциональности.
Условным пределом пропорциональности называется напряжение σПЦ, при котором тангенс угла наклона касательной к диаграмме растяжения в 1,5 раза больше тангенса угла наклона линейного участка этой диаграммы (рисунок 6). Предел gропорциональности оценивают как напряжение, при котором отступление от прямой пропорциональной зависимости между напряжением и деформацией достигает определенной величины.
При некотором превышении предела пропорциональности все деформации продолжают оставаться упругими, т.е. полностью исчезающими, если напряжение снизить до нуля.

Рисунок 6 – Определение предела пропорциональности

Предел упругости
Наибольшее напряжение, до которого все деформации в материале упругие, называется пределом упругости. Для определения предела упругости вводится понятие условного предела упругости.  
Условным пределом упругости σ0.01 называется напряжение, при котором остаточная (пластическая) деформация составляет 0,01%. Для нахождения на диаграмме растяжения материала точки А, соответствующей условному пределу упругости, необходимо воспользоваться законом разгружения и повторного нагружения.  
Предел текучести
Площадке текучести диаграммы растяжения низкоуглеродистой стали соответствует напряжение σТ, называемое пределом текучести.
Пределом текучести (физическим) σТ, называется напряжение, при кото-ром в материале начинают интенсивно накапливаться остаточные (пластические) деформации, причем этот процесс идет при практически постоянном напряжении.  
Физический предел текучести оценивают при растяжении как частное от деления нагрузки РТ (соответствует площадке текучести или явно выраженной остановке стрелки шкалы силоизмерительного устройства испытательной машины) к начальной площади поперечного сечения образца (F0): σ=PT/F0.
При отсутствии площадки текучести (рисунок 7) определяют условный предел текучести.  
Условным пределом текучести σ0.2 называется напряжение, при котором остаточная (пластическая) деформация составляет 0,2%. Для нахождения на диаграмме точки Б, соответствующей условному пределу текучести, необходимо воспользоваться законом разгружения и повторного нагружения.

Рисунок 7 – Определение условного предела текучести

Условный предел текучести оценивают при растяжении как частное от деления нагрузки Р0,2 (нагрузка, отвечающая пределу текучести при допуске 0,2% на величину остаточного удлинения) к начальной площади поперечного сечения образца (F0): σ=P0,2/F0.
Предел прочности
Диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали имеет вид, представленный на рисунке 4.
Участок ВД диаграммы растяжения материала имеет максимум в точке Д. Ордината этой точки соответствует условному пределу прочности σв(временному сопротивлению), которое определяется как:
σв=Fmax/A0, где А0 - начальная площадь поперечного сечения расчетного участка образца.
У материалов, находящихся при данных условиях в пластичном состоянии, предел прочности σв не равен действительному напряжению в материале образца, так как к моменту достижения Fmaxплощадь поперечного сечения образца существенно уменьшается.
Временное сопротивление разрыву при растяжении оценивают как частное от деления наибольшей нагрузки РВ, отнесенной условно к начальной площади поперечного сечения образца (F0)
σвв/F0
Относительное удлинение после разрыва (d) оценивают как отношение приращения длины образца (после разрыва) к его первоначальной длине, выраженное в процентах:
δ=(lK-l0)/l0∙100%, где:
lK– конечная расчетная длина образца после разрыва, мм; l0– начальная расчетная длина, мм.
Относительное сужение после разрыва (φ) оценивают как отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения образца, выраженное в процентах:
φ=(FK-F0)/F0∙100%, где:
F0– начальная площадь поперечного сечения образца, мм; FK– площадь поперечного сечения образца в месте разрыва (шейке), мм
Определение характеристик механических свойств (σт, σв, d, φ) проводят для наплавленного металла, металла шва и различных участков околошовной зоны.
При испытании сварного соединения на статическое растяжение определяют только временное сопротивление (σв) наиболее слабого участка.

3. Испытание на изгиб

 
 
Испытание состоит в изгибе образца вокруг оправки под действием ста-тического 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. Испытание на изгиб проводят на универсальных испытательных машинах или прессах.
Испытание на статический изгиб может проводиться:
до определенного угла (рисунок 8);

Рисунок 8 – Испытания до определенного угла α

• до параллельности сторон (рисунок 9);

Рисунок 9 – Испытания на изгиб до параллельности сторон

• вплотную до соприкосновения сторон (рисунок 10).

Рисунок 10 – Испытания на изгиб вплотную до соприкосновения сторон

Обязательным условием проведения испытаний на статический изгиб является плавность нарастания нагрузки на образец. Испытания проводят со скоростью деформации не более 15 мм/мин.
Испытание на статический изгиб до появления первой трещины проводят по той же методике, что и изгиб до определенного угла. Угол изгиба измеряют после снятия нагрузки на специальном приспособлении.
Испытание на статический изгиб до параллельности сторон производят после предварительного изгиба образца на угол не менее 150°. Догиб продолжают между параллельными плоскостями до соприкосновения сторон образца с прокладкой толщиной, равной толщине (диаметру) оправки.

4. Испытания на ударный изгиб


Метод основан на разрушении образца с концентратором посередине одним ударом маятникового копра. Концы образца располагают на опорах. В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе (работу удара), или ударную вязкость.
Под ударной вязкостью следует понимать работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора.
Стальной образец имеет форму стержня квадратного сечения 10×10 мм и длину 55 мм. По методу Шарли образец лежит на опорах свободно и имеет надрез глубиной 2 мм на стороне, противоположной удару маятника. Надрез позволяет сосредоточить энергию удара в одном месте.
Ударная вязкость – механическая характеристика, оценивающая работу разрушения надрезанного образца при ударном изгибе на маятниковом копре. В Международной системе единиц (СИ) ударная вязкость выражается отношением работы U затраченной на разрушение образца, к площади поперечного сечения А в месте надреза. Единица измерения ударной вязкости – Дж/м2.
Проведение испытаний на ударный изгиб на маятниковых копрах (рисунок 11) с целью оценки склонности металла к хрупкому разрушению. Сравнение особенностей поломки материала от усталости и статической нагрузки. Определение критериев конструкционной прочности деталей.

Рисунок 11 – Схема испытаний на ударный изгиб: 1 - маятниковый копер; 2 - нож маятника; 3 – опоры с установленным на них образцом

Работа удара (K) определяется по шкале маятникового копра. Ударная вязкость (КС) оценивается как частное от деления работы удара к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора.
По температурной зависимости ударной вязкости оценивают склонность материала к хрупкому разрушению.
Температурой испытания на ударный изгиб считается температура образца в момент удара.
Ударную вязкость (КС) в Дж/м2 (кгс×м/см2) оценивают по формуле:
КС=К/S0, где
К – работа удара, Дж (кгс×м);
S0 – начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, м2 (см2), вычисляемая по формуле: S0 = Н·В, где Н – начальная высота рабочей части образца, м (см); В – начальная ширина образца, м (см). Н и В измеряют с абсолютной погрешностью не более ±0,05 мм.
Ударная вязкость обозначается сочетанием букв и цифр. Вид надреза в обраце определяет буквенное обозначения параметра ударной вязкости (рисунок 12).

Рисунок 12. Виды надрезов на образцах для испытания на ударный изгиб: а - U-образный надрез (KCU); б - V-образный надрез (KСV); в - надрез с трещиной (KСТ)

Например, KCU-40 300/2/1 – ударная вязкость, определенная на образце с концентратором  вида «U» при температуре минус 40°С. Максимальная энергия маятника 300 Дж, глубина концентратора 2 мм, ширина образца 10 мм.

5. Твердометрия


Одной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различных конструкциях и при различных условиях работы, является твердость. Испытания на твердость производятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.
Твердостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твердого тела. Для определения твердости в поверхность материала с определунной силой вдавливается тело (индентор), выполненное в виде стального шарика, алмазного конуса, пирамиды или иглы. По размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твердости материала. Таким образом, под твердостью понимают сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела – индентора. В зависимости от способа измерения твердости материала, количественно ее характеризуют числами твердости.
Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием индентора (способ вдавливания), ударом или же по отскоку наконечника – шарика.
Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием в испытываемый металл индентора в виде шарика, конуса и пирамиды (соответственно методы Бринелля, Роквелла и Виккерса.
Твердость по методу Бринелля измеряют вдавливанием в испытываемый образец стального шарика определенного диаметра D под действием заданной нагрузки P в течение определенного времени. В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка). Число твердости по Бринеллю, обозначаемое HB представляет собой отношение нагрузки P к площади поверхности сферического отпечатка F и измеряется в кгс/мм2 или МПа. Дметр шарика и нагрузка выбираются в соответствии с толщиной и твердостью образца.
При измерении твердости по методу Бринелля необходимо выполнять следующие условия:
• образцы с твердостью выше HB 450/650 кгс/мм2 испытывать запрещается;
• поверхность образца должна быть плоской и очищенной от окалины и других посторонних веществ;
• диаметры отпечатков должны находиться в пределах 0,2D<d<0,6D;
• образцы должны иметь толщину не менее 10-кратной глубины отпе-чатка (или менее диаметра шарика);
• расстояние между центрами соседних отпечатков и между центром отпечатка и краем образца должны быть не менее 4d;
• продолжительность выдержки под нагрузкой должна быть от 10 до 15 с для чёрных металлов, для цветных металлов и сплавов – от 10 до 180 с, в зависимости от материала и его твёрдости.
Твердость по Роквеллу - твердость, определяемая разностью между условной максимальной глубиной проникновения индентора и остаточной глубиной его внедрения под действием основной нагрузки F1, после снятия этой нагрузки, но при сохранении предварительной нагрузки F0. При этом методе индентором является алмазный конус или стальной закаленный шарик. В отличие от измерений по методу Бринелля твердость определяют по глубине отпечатка, а не по его площади. Глубина отпечатка измеряется в самом процессе вдавливания, что значительно упрощает испытания. Нагрузка прилагается последовательно в две стадии: сначала предварительная, обычно равная 10 кгс (для устранения влияния упругой деформации и различной степени шероховатости), а затем основная.
После приложения предварительной нагрузки индикатор, измеряющий глубину отпечатка, устанавливается на нуль. Когда отпечаток получен приложением окончательной нагрузки, основную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения наконечника h.
Твердомер Роквелла измеряет разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной и предварительной нагрузок. Каждое давление (единица шкалы) индикатора соответствует глубине вдавливания 2 мкм. Однако условное число твердости по Роквеллу (HR) представляет собой не указанную глубину вдавливания h, а величину 100 – h по черной шкале при измерении конусом и величину 130 – h по красной шкале при измерении шариком. Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и того физического смысла, который имеют числа твердости по Бринеллю, однако можно найти соотношение между ними с помощью специальных таблиц.
При измерении твердости методом Роквелла необходимо, чтобы на поверхности образца не было окалины, трещин, выбоин и др. Необходимо контролировать перпендикулярность приложения нагрузки и поверхности образца и устойчивость его положения на столике прибора. Расстояние отпечатка должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и не менее 4 мм при вдавливании шарика. Толщина образца должна не менее чем в 10 раз превышать глубину внедрения наконечника после снятия основной нагрузки. Твердость следует измерять не менее 3 раз на одном образце, усредняя полученные результаты.
Преимущество метода Роквелла по сравнению с методом Бринелля:
• возможность проводить испытания высокой твёрдости путём отсчёта по шкале индикатора без вычисления или пользования специальными таблицами;
• малая повреждаемость поверхности в результате его применения;
• высокая производительность измерения.
При испытании на твердость по методу Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине равным 136ͦ.. После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d. Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки Р к измеренному значению диагонали отпечатка М. Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки P и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм2) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимают для сталей 10 – 15 с, а для цветных металлов – 30 с. Например, 450 HV10/15 означает, что число твердости по Виккерсу 450 получено при P = 10 кгс (98,1 Н), приложенной к алмазной пирамиде в течение 15 с.
При измерении твердости по Виккерсу должны быть соблюдены следу-ющие условия:
• плавное возрастание нагрузки до необходимого значения;
• обеспечение перпендикулятности приложения действующего усилия к испытуемой поверхности;
• поверхность испытуемого образца должна иметь шероховатость не более 0,16 мкм;
• поддержание постоянства приложенной нагрузки в течении установ-ленного времени;
• расстояние между центром отпечатка и краем образца или соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длины диагонали отпечатка;
• минимальная толщина образца должна быть для стальных изделий больше диагонали отпечатка в 1,2 раза; для изделий из цветных металлов – в 1,5 раза.
Преимущество метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.
Во многих случаях применение классических твердомеров для измерения может стать проблематичным. Во-первых, когда контролируемое изделие является крупногабаритным и его нельзя поднести к прибору. Кроме этого, вырезка фрагмента из изделия для последующего измерения твёрдости приводит к порче изделия. Во-вторых – когда требуется достаточно высокая производительность контроля.
Чтобы избежать тех недостатков, которые присущи классическим методам твердометрии, были разработаны твердомеры, использующие акустический и динамический методы.
Акустический метод основан на измерении относительных изменений механического импеданса колебательной системы преобразователя в зависимости от механических свойств поверхности образца. Акустический преобразователь представляет собой стержень из магнитострикционного материала (например, никеля), на конце которого укреплён индентор в виде алмазной призмы. К стержню прикреплён пьезоэлемент, возбуждающий в преобразователе продольные упругие колебания частотой 30-40 кГц. Стержень с индентором прижимают к контролируемому объекту с постоянной силой. При этом индентор внедряется в поверхность изделия тем глубже, чем меньше твёрдость его материала. Площадь зоны соприкосновения индентора с изделием с уменьшением твёрдости растёт, а модуль упругого сопротивления увеличивается.
Изменение импеданса определяют по изменению собственной частоты нагруженного преобразователя, которую измеряют частотомером . Шкалу индикатора градуируют в единицах твёрдости по Роквеллу.
Принцип работы динамических твердомеров (рисунок 13) основан на измерении отношения скоростей индентора при падении и отскоке его от поверхности контролируемого изделия. Отношение скоростей перемещения индентора при отскоке и падении характеризуют твёрдость контролируемого изделия.

Рисунок 13 – Динамический твердомер: а – принцип работы, б – внешний вид динамического твердомера МЕТ-Д1А

Преобразователь включает в себя механическую систему, обеспечиваю-щую перемещение индентора относительно поверхности контролируемого материала, и электрическую катушку. Во взведенном положении преобразователя цанга спускового механизма удерживает индентор. При нажатии спусковой кнопки цанга разжимается и индентор под действием предварительно сжатой пружины сбрасывается на контролируемую поверхность. На конце индентора расположен твердосплавный шарик, непосредственно контактирующий с испытуемым материалом. Внутри индентора находится постоянный магнит. При пересечении магнитным полем витков катушки в последней наводится э.д.с., пропорциональная скорости движения индентора.
Измеряемая твердость является функцией отношения сигналов U1 и U2, где U1- скорость сброса; U2- скорость отскока.
Широкое распространение испытаний на твердость объясняется рядом их преимуществ перед другими видами испытаний:
• простота измерений, которые не требуют специального образца и могут быть выполнены непосредственно на проверяемых деталях;
• высокая производительность;
• измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению;
• возможность ориентировочно оценить по твердости другие характеристики металла (например предел прочности).