книги / Материалы для сооружения газонефтепроводов и хранилищ

Рис. 27. Образцы для испытания типа I цилиндрический (а) и плоский пропорцио­ нальный (б ):

D, D , В, И, Л^, И2 , Л3 — размеры головки образца; / —расстояние между головка­ ми; L — общая длина образца; dQ, bQ,aQ, lQ—рабочие размеры круглого и плос­

кого образцов

температуре для определения склонности стали к хрупкому разруше­ нию.

Испытания на выносливость (усталость) осуществляют для опреде­ ления способности стали сопротивляться многократному действию циклических знакопеременных нагрузок в течение длительного вре­

мени.

Испытание на растяжение. Стандартный цилиндрический или пло­ ский образец (рис. 27) подвергают действию осевой растягивающей си­ лы вплоть до разрыва. При этом происходит деформация образца — изменение его формы и размеров, т.е. изменение расстояния меж­ ду точками тела образца.

В процессе испытания автоматически записывается диаграмма растяжения образца, показывающая зависимость растягивающей силы Р от вызванного ею абсолютного удлинения образца вдоль его оси

51

а

р

О

Рис. 28. Диаграмма растяжения стали с площадкой текучести (а) и без нее (б)

д/ (рис. 28,я). Диаграмму растяжения часто изображают в коорди­ натах напряжение а - относительное удлинение 5 (рис. 28,6).

Возникающие в образце условные нормальные напряжения а определяются как отношение действующей силы Р к первоначальной

нарушается прямолинейная зависимость между нагрузкой и удлине­ нием так, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кри­ вой деформации P = f { А/ )в точке ,РПц с осью нагрузок, увеличивается на 50% от своего первоначального значения на линейном участке кри-

вой (оПц = -^пц / F0).

Предел упругости ауп — напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторого значения, определяемо­ го при Руп для каждого материала техническими условиями. Напри­ мер, остаточное удлинение составляет 0,05 % от начальной длины образца. Тогда предел упругости a0,os = ^o.os / F0 .

Предел текучести (физический) ат — наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения на­ грузки Рт (ах = Рт/ F0). На диаграмме растяжения наблюдается пло­ щадка текучести металла.

При испытании малопластичного или хрупкого металла, при ко­ тором площадка текучести четко не наблюдается или совсем не обнару­

52

живается, определяют условный предел текучести. а0 2 —напряжение, при котором образец получает остаточное удлинение, равное 0,2% первоначальной длины образца (а0,2 = Ро,г I Ро) •

Временное сопротивление (предел прочности при растяжении) ств — напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Рв = Ртах; пред­ шествующей разрушению образца (ав = Рв / FQ) .

Истинное сопротивление разрыву S K —напряжение, определяемое отношением нагрузки Рк в момент разрыва к площади минимального поперечного сечения образца после разрыва FK (S K = РК / FK).

Относительное удлинение (после разрыва) 5 - отношение прира­ щения длины образца после разрыва Д/ к его первоначальной длине

/ о [6=Д/ П о 100 %= (I к —I о) / I о 100%]

Относительное сужение (после разрыва) ф —отношение уменьше­ ния площади поперечного сечения образца после разрыва AF к перво­ начальной площади FQего поперечного сечения (ф = &F / F 0 100 %).

Если длину образца берут в соотношении с диаметром / 0 I dQ= = 10, т.е. когда образец длинный, то относительное удлинение обо­ значают 510. При Iо I dQ= 5, когда образец короткий, относительное удлинение будет 65. Относительным удлинением и сужением характери­ зуется пластичность стали.

Деформация образца под действием нагрузки, не превышающей предела текучести, — упругая деформация, исчезающая после снятия нагрузки.

Деформация образца под действием нагрузки, соответствующей пределу текучести или превышающей ее, —пластическая деформация, остающаяся после снятия нагрузки.

Испытание на твердость. Твердость - способность металла сопро­ тивляться внедрению в него более твердого наконечника — индентора, находящегося под нагрузкой. В качестве индентора обычно при­ меняют алмазные наконечники в форме пирамиды, конуса или закален­ ные стальные наконечники в форме шарика определенного диаметра. При внедрении твердый наконечник преодолевает вначале сопротив­ ление металла упругим деформациям и далее —при значительном по­ гружении в металл —сопротивление большим пластическим деформа­ циям. Значение сопротивления деформации служит мерой твердости металла.

Самое широкое распространение получил метод Бринелля. Твер­ дость измеряют на приборе Бринелля вдавливанием стального закален­ ного шарика диаметром 10,5 или 2,5 мм. Диаметр шарика и нагрузку выбирают в зависимости от толщины и твердости материала изде­ лия. После измерения на поверхности металла остается лунка (отпеча­ ток) . Диаметр сферического отпечатка измеряют специальной лупой с делениями, а твердость металла находят по специальным таблицам. Методом Бринелля определяют твердость мягких материалов — до

53

450 единиц стальным шариком диаметром 10 мм. Единицу твердости обозначают индексом НВ и выражают значением нагрузки, приходящей­ ся на 1 мм2 поверхности сферического отпечатка, образующегося на испытуемом металле. Так как измерение твердости по методу Бринелля основано на сопротивлении в месте контакта значительной пластической деформации, то между числом твердости НВ и времен­ ным сопротивлением ов для пластичных металлов существует зависи­ мость ов = к НВ (где к = 0,36 для стали).

Твердость металла методом Роквелла определяют вдавливанием алмазного конуса с углом при вершине 120° (для твердых материа­ лов) или стального закаленного шарика диаметром 1,5875 мм (для мягких материалов). За число твердости HR принимают величину, определяемую непосредственно на индикаторной шкале прибора Рок­ велла (С, В и А ). Единицу твердости обозначают в зависимости от нагрузки и индикаторной шкалы С, В и А прибора: HRC —внедрение алмазного конуса при нагрузке 1500 Н (на шкале С) ; HRB —внедре­ ние стального шарика при нагрузке 1000 Н (на шкале В) и HRA — внедрение алмазного конуса при нагрузке 600 Н (на шкале А ).

Твердость металла и тонких покрытий до 1000 единиц определяют на приборе Виккерса алмазной четырехгранной пирамидой под нагруз­ кой от 10 до 1000 Н. Единицу твердости обозначают индексом HV. Она представляет собой нагрузку, приходящуюся на 1 мм2 боковой по­ верхности полученного пирамидального отпечатка. Твердость определя­ ют по диагоналям отпечатка на металле с помощью специальных таб­ лиц.

Твердость микроскопически малых объемов металла определяют испытанием на микротвердость вдавливанием четырехгранной пира­ миды под нагрузкой 0,05—5 Н по диагоналям отпечатка.

Испытание на ударную вязкость. Ударная вязкость характеризует склонность металла к хрупкому разрушению. Резкие переходы сечений в металлических конструкциях и деталях машин, поверхностные по­ вреждения, микротрещины и другие дефекты способствуют переходу металла в хрупкое состояние. Чтобы создать в образце при испытании на ударную вязкость подобие такого рода дефектов, на нем делают концентраторы различной формы: U, V и Т (рис. 29). Ударную вяз­ кость определяют при динамических испытаниях на ударный изгиб образцов на специальных машинах —маятниковых копрах при темпе­ ратуре, пониженной до 100° С и повышенной до 1000° С. Применяют образцы 20 типов, отличающихся размерами В X Я X L (В —ширина; Н - высота; L —длина), высотой рабочего сечения Н х, глубиной над­ реза h !, глубиной концентратора h и радиусом закругления концентра­ тора R (табл. 3). При испытании образец кладут на две опоры и разру­ шают по середине падающим маятником. Ударную вязкость, определяе­ мую при комнатной температуре, обозначают КС или а н. При этом

54

Рис. 29. Ударные образцы с концентраторами различной формы:

/ —\J\ 2 — V; 3 — Т; а —надрез формы Т для образцов типов с 1S по 19; б — над­ рез формы Т для образцов типа 20

В X Н = 10 X 10 мм, L = 55 мм и глубина концентратора равна 2 мм (см. табл. 3, тип 1).

Ударная вязкость КС представляет собой работу удара К, затра­ ченную на разрушение образца ударом маятникового копра и отне­ сенную к площадке поперечного сечения образца в месте надреза

So •

(4

КС = a„KIS0,

где S0 = H ,B (см. рис. 29).

Величина К определяется как разность энергии маятника в поло­ жении его до и после удара.

В момент удара напряжения концентрируются в месте концентра­ тора образца, в связи с этим ударная вязкость в значительной степе­ ни зависит от его формы. При концентраторе формы U ударную вязкость обозначают KCU, при концентраторе формы V KCV Кон­ центратор формы U глубиной 2 мм имеют широко известные во всем мире ударные образцы типа Менаже и концентратор формы V глубиной 2 мм - образцы типа Шарпи. При концентраторе формы Т ударную вязкость обозначают КСТ.

55

Для получения сравнимых результатов ударные испытания дли разных сталей необходимо проводить на одинаковых типах образцов (по размеру и форме концентратора) и при одинаковых температу­ рах.

Испытание на усталость (выносливость). Нагрузки в строительных конструкциях и деталях машин во время их службы могут изменяться не только по значению, но и по знаку. Знакопеременные нагрузки вы­ зывают в металле переменные пульсирующие напряжения, также изменяющие свои значения и знак. Эти переменные напряжения мо­ гут приводить к внезапному разрушению отдельных деталей и узлов конструкций при значениях, не превышающих предела текучести и даже ниже предела упругости, после непродолжительного срока службы.

Явление снижения прочности металла под действием знакопе­ ременной нагрузки называют усталостью (выносливостью). Перемен­ ная нагрузка изменяется циклически, т.е. увеличивается от определен­ ного значения, проходит через максимум и затем уменьшается до ис­ ходного значения. В дальнейшем такой цикл повторяется.

Изменение нагрузки может происходить по симметричному циклу (рис. 30,д ), в котором максимальные сттах и минимальные amjn напряжения одинаковы по значению и противоположны по знаку (так что среднее напряжение равняется нулю), и несимметричному цик­ лу (рис. 30,6), в котором среднее напряжение о0 отлично от нуля. Симметричные циклы наиболее распространены и наиболее опасны для металла.

При исследованиях усталостного разрушения металлов установле­ но, что продолжительность срока службы деталей до излома зависит от максимального значения переменного напряжения, которое связано с числом перемен циклов нагружения до разрушения. Приведенная за­ висимость носит название кривой усталости (рис. 31). Начиная с некоторого напряжения, кривая усталости идет параллельно оси абс-

Рис. 30. Циклы нагружения при испытании на усталость:

а —симметричный; б - асимметричный; Т — период изменения нагрузки (цикл)

57

Рис. 31. Кривая усталости:

/ — зона возникновения трещины; II — зона распространения трещины; III — зона раз­ рушения

цисс. Значит, существует определенное .напряжение, при котором ме­ талл не разрушается, как бы велико ни было число циклов нагруже­ ния. Это напряжение, соответствующее горизонтальному участку кри­ вой усталости и не вызывающее разрушение при бесконечно большом

пространен метод испытания вращающегося образца знакопеременным изгибом.

Факторы, способствующие концентрации местных напряжений (резкое изменение сечений, неоднородность металла, наличие отвер­ стий, рисок, царапин, поверхностных напряжений), могут вызвать раз­ рушение металла при нагрузках, значительно меньших расчетных рабо­ чих нагрузок, повышают склонность к усталости.

Металл для строительных конструкций должен обладать высокими показателями прочности —временным сопротивлением ав и пределом текучести ат, достаточно высокой пластичностью —относительным уд­ линением 5, определяемыми при испытании на растяжение стандартных

оьразцов, а также должен иметь достаточно высокую ударную вязкость КС (а н) ?определяемую при испытаниях на ударный изгиб стандартных образцов, и в ряде случаев высокий предел выносливости а_ 1.

При этом металл для ответственных конструкций должен обладать высокой степенью однородности структуры и свойств как по попереч­ ному сечению, так и по всей длине. Однородными должны быть расчет­ ные параметры материала —предел текучести ати временное сопротив­ ление ав, относительное удлинение 5 и др. Если в каком-либо месте фактические показатели механических свойств будут ниже расчетных, то здесь возникает опасность нарушения плотности и прочности кон­ струкции. В применяемых на строительстве материалах наблюдается колебание значений фактической прочности и других показателей свой­ ств. Это учитывают при расчете конструкций параметром, называемым коэффициентом надежности по материалу к , который всегда бывает больше единицы (1,1-1,55).

58

Технологические свойства

Технологическими свойствами называют способность материала под­ вергаться различным видам обработки в процессе изготовления из него элементов или узлов конструкций —пластической деформации (гибке, вальцовке), сварке, термической обработке и др. По этим свойствам судят о технологических возможностях изготовления из данного ма­ териала элементов (деталей или узлов) конструкций, а также о стоимо­ сти изготовления.

Одним из важных технологических свойств строительной стали является ее способность выдерживать заданную пластическую дефор­ мацию в процессе деформирования элементов конструкции: при рулонировании полотнищ корпуса резервуаров, сваренных из листов; при формировании труб большого диаметра из листовых заготовок и т.д.

Технологические свойства определяются технологическими ис­ пытаниями (пробами), при которых металл подвергают определенным деформациям под действием плавно нарастающих усилий. Подобные воздействия прилагают к металлу при его обработке или монтаже на заводе или на строительной площадке. Технологические свойства оценивают по качеству поверхности образца металла после испытания, а именно по наличию выявленных при испытании поверхностных де­ фектов. Известны технологические испытания листовой стали и сор­ тового проката на изгиб, осадку, расплющивание и др.

Сталь резервуаров, газгольдеров и других ответственных строи­ тельных конструкций обязательно подвергают технологическому испытанию на изгиб для определения способности металла выдержи­ вать заданную пластическую деформацию, характеризуемую углом его изгиба, или для оценки предельной пластичности (рис. 32, а) . Предель­ ную пластичность оценивают с помощью угла изгиба до образования

ГОСТу.

Испытание на изгиб проводят в холодном и нагретом состояниях. Для этого изготовляют специальные образцы стандартных размеров и форм. Для вырезки образцов назначают места, где возможно худшее качество металла —края листов и концы полос или прутков. Образ-

59

Рис. 32. Схема испытания образца на изгиб

цы на изгиб испытывают: до заданного угла изгиба а (рис. 32, б);

в этом случае петли в месте изгиба (рис. 32, г ) ; до появления первой трещины в растянутой зоне образца и с фиксацией изгиба (рис. 32, <)) — предельная пластичность.

Выбор того или иного вида испытания определяется технически­ ми условиями и стандартами на материал. Толщина оправки d также задается техническими условиями или стандартами в зависимости от толщины испытываемого металла a (d = а , d = 2а, d = За и т.д.).

Радиус закругления оправки равен половине ее толщины, а ширина оправки и опор должна быть не больше ширины образца. Для испыта­ ний применяют прессы, специальные машины, тиски с закругленными губками, обеспечивающие плавность нарастания усилия на образец. Счи­ тают, что образец выдержал испытание, если на нем после испытания не обнаруживается трещин, надрывов или расслоений, видимых невоору­ женным глазом.

При испытании образца до заданного угла изгиба последний из­ меряют между одной стороной образца и продолжением другой без снятия нагрузки. При испытании на изгиб до появления первой трещи­ ны угол изгиба определяют после снятия нагрузки. Испытание на изгиб до параллельности сторон обычно проводят после предварительного изгиба на угол не менее 150° Догибают образец между параллель­ ными плоскостями с применением прокладки толщиной, равной тол­ щине (диаметру) оправки (см. рис. 32,в) Испытание на изгиб до со­ прикосновения сторон осуществляют после изгиба на угол не менее

6 0