При статических испытаниях на растяжение

 

 

Учебно-методическое пособие

к выполнению лабораторной работы

по дисциплине «Основы теории надежности»

 

 

       

 

   

   

 

 

Уфа 2018

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по направлению 21.03.01 «Нефтегазовое дело» профилю «Сооружение и ремонт объектов систем трубопроводного транспорта» для проведения лабораторной работы по дисциплине «Основы теории надежности», изучающей надежность и долговечность объектов транспорта и хранения нефти, газа, нефтепродуктов и воды.

Пособие используется при выполнении лабораторной работы по определению механических характеристик металлов труб, сосудов и резервуаров путем статических испытаний на растяжение по ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение».

 

Составители:             Рафиков С.К., канд. техн. наук, доц. каф. СТ

                                    Шарнина Г.С., канд. техн. наук,  доц. каф. СТ

 

Рецензент:                Мустафин Ф.М., докт. техн. наук, проф. зав. каф. СТ

                                 Собачкин А.С., канд. техн. наук, доц. каф. СТ

 

 

 

 

© ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2018.

СОДЕРЖАНИЕ

		Стр.
Цель работы		4
	Введение	4
1	Термины, обозначения и определения	4
2	Требования к форме, размерам и методам изготовления образцов для испытаний	6
3	Оборудование для испытаний	7
4	Подготовка к проведению испытания	8
5	Проведение испытаний и обработка результатов	9
	Контрольные вопросы	18
	Список литературы	19
	Приложения	20

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение методов испытания металла труб, сосудов, резервуаров и других листовых конструкций на статическое растяжение с целью определения механических характеристик стали.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Настоящее учебно-методическое пособие используется для изучения методов испытания металла труб, сосудов, резервуаров и других листовых конструкций на статическое растяжение с целью определения следующих механических характеристик стали:

предела пропорциональности;

модуля упругости;

предела текучести физического;

предела текучести условного;

временного сопротивления;

относительного равномерного удлинения;

относительного удлинения после разрыва;

относительного сужения поперечного сечения после разрыва.

Статическими называют такие испытания, при которых испытуемый материал подвергают воздействиюпостоянной силы пли силы, возрастающей весьма медленно. Статические испытания проводятся при однократном и достаточно медленном действии нагрузки на изделие (образец).

Для полного выявления механических свойств необходимо проводить испытания материала при различных способах нагружения (растяжение, сжатие, кручение, изгиб и т.п.) сразличным соотношением максимальных касательных и максимальных нормальных (растягивающих) напряжений. При этом касательные напряжения определяют главным образом возможность пластической деформации и после её развития возможность разрушения вследствие среза. Нормальные напряжения определяют преимущественно опасность хрупкого разрушения вследствие отрыва.

При статических испытаниях обычно пренебрегают силами инерции движущихся частей испытательной машины.

Деформации при статических испытаниях определяют измерением размеров деформированных образцов микрометром или штангенциркулем, а также по показаниям механических или электрических тензометров, укрепленных на образце.

К основным разновидностям статических испытаний относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

Статические испытания на одноосное растяжение - наиболее распространенный вид испытаний для оценки механических свойств металлов и сплавов - сравнительно легко подвергается анализу, позволяет но результатам одного опыта определять сразу несколько важныхмеханических характеристик материала, являющихся критерием его качества и необходимых для конструкторских расчетов.

Методы испытаний на растяжение стандартизированы. Имеются отдельные стандарты на испытания при комнатной температуре (ГОСТ 1497 - 84), при повышенных до 1200°С (ГОСТ 9651 - 84) и пониженных от 10 до -100°С (ГОСТ 11150 – 84) температурах; на испытания на растяжение тонких листов и лент (ГОСТ 11701 - 84). В них сформулированы определения характеристик, оцениваемых прииспытании, даны типовые формы и размеры образцов, основные требования к испытательному оборудованию, методика проведения испытания и подсчета результатов.

Термины, обозначения и определения, применяемые в настоящем учебно-методическом пособии, приведены в таблице 1.

 

ТЕРМИНЫ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Таблица 1

Термин	Определение
Рабочая длина образца l	Часть образца с постоянной площадью поперечного сечения между его головками или участками для захвата
Начальная расчетная длина образца l 0	Участок рабочей длины образца между нанесенными метками до испытания, на которое определяется удлинение
Конечная расчетная длина образца l к	Длина расчетной части после разрыва образца
Начальный диаметр образца d 0	Диаметр рабочей части цилиндрического образца до испытания
Диаметр образца после разрыва d к	Минимальный диаметр рабочей части цилиндрического образца после разрыва
Начальная толщина образца а 0	Толщина рабочей части плоского образца до испытания
Толщина образца после разрыва а к	Минимальная толщина рабочей части плоского образца после разрыва
Начальная ширина образца b0	Ширина рабочей части плоского образца до испытания
Ширина образца после разрыва b к	Минимальная ширина рабочей части плоского образца после разрыва
Начальная площадь поперечного сечения образца F 0	Площадь поперечного сечения рабочей части образца до испытания
Площадь поперечного сечения образца после разрыва F к	Минимальная площадь поперечного сечения рабочей части образца после разрыва
Осевое растягивающее усилие Р	Усилие, действующее на образец, в данный момент испытания
Напряжение s	Напряжение, определяемое отношением осевого растягивающего усилия Р к начальной площади поперечного сечения рабочей части образца F 0
Абсолютное удлинение образца D l	Приращение начальной расчетной длины образца в любой момент испытания
Предел пропорциональности sпц	Напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между усилием и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой «усилие - удлинение» в точке Р пц с осью усилий увеличивается на 50 % от своего значения на упругом (линейном) участке
Модуль упругости Е	Отношение приращения напряжения к соответствующему приращению удлинения в пределах упругой деформации
Предел текучести физический (нижний предел текучести) sт	Наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающего усилия
Верхний предел текучести sтв	Напряжение, соответствующее первому пику усилия, зарегистрированному до начала текучести рабочей части образца
Временное сопротивление (предел прочности) sв	Напряжение, соответствующее наибольшему усилию Р max, предшествующему разрыву образца
Относительное равномерное удлинение dр	Отношение приращения длины участка в рабочей части образца после разрыва, на котором определяется относительное равномерное удлинение, к длине до испытания, выраженное в процентах
Относительное удлинение после разрыва d	Отношение приращения расчетной длины образца (l к - l 0) после разрушения к начальной расчетной длине l 0, выраженное в процентах
Относительное сужение после разрыва Ψ	Отношение разности F 0 и минимальной F кплощади поперечного сечения образца после разрушения к начальной площади поперечного сечения образца F 0 выраженное в процентах
Предел текучести условный с допуском на величину пластической деформации при нагружении s0,2	Напряжение, при котором пластическая деформация образца достигает 0,2 % от рабочей длины образца l или начальной расчетной длины по тензометру l e
Начальная расчетная длина по тензометру l e	Длина рабочей части образца, равная базе тензометра
Скорость деформирования	Величина изменения расстояния между установленными точками образца в единицу времени (ГОСТ 14766)
Скорость нагружения	Величина изменения усилия (или напряжения) в единицу времени
Начальная длина расчетного участка l нр	Участок на начальной расчетной длине образца l 0, на котором определяется относительное равномерное удлинение d
Конечная длина расчетного участка l кр	Участок на конечной расчетной длине образца после разрыва l к, на котором определяется относительное равномерное удлинение dр

ТРЕБОВАНИЯ К ФОРМЕ, РАЗМЕРАМ И МЕТОДАМ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ

2.1. Вырезку заготовок для образцов проводят на металлорежущих станках, ножницах, штампах путем применения кислородной и анодно-механической резки и другими способами, предусматривая припуски на зону металла с измененными свойствами при нагреве и наклепе.

Места вырезки заготовок для образцов, количество их, направление продольной оси образцов по отношению к заготовке, величины припусков при вырезке должны быть указаны в нормативно-технической документации на правила отбора проб, заготовок и образцов или на металлопродукцию.

2.2. Образцы рекомендуется изготовлять на металлорежущих станках.

При изготовлении образцов принимают меры (охлаждение, соответствующие режимы обработки), исключающие возможность изменения свойств металла при нагреве или наклепе, возникающих в результате механической обработки. Глубина резания при последнем проходе не должна превышать 0,3 мм.

2.3. При отсутствии других указаний в нормативно-технической документации на металлопродукцию значение параметров шероховатости обработанных, поверхностей Ra образцов должно быть не более 1,25 мкм - для поверхности рабочей части цилиндрического образца и Rz не более 20 мкм - для боковых поверхностей в рабочей части плоского образца.

Требования к шероховатости поверхности литых образцов и готовых изделий должны соответствовать требованиям к шероховатости поверхности литых заготовок и металлопродукции, испытываемой без предварительной механической обработки.

2.4. При наличии указаний в нормативно-технической документации на правила отбора проб, заготовок и образцов или на металлопродукцию допускается испытывать сортовой прокат, литые образцы и готовые изделия без предварительной механической обработки с учетом допусков на размеры, предусмотренных для испытываемых изделий.

2.5. Испытания проводят на двух образцах, если иное количество не предусмотрено в нормативно-технической документации на металлопродукцию.

2.6. Для испытания на растяжение применяют пропорциональные цилиндрические или плоские образцы диаметром или толщиной в рабочей части 3,0 мм и более с начальной расчетной длиной l ₀ = 5,65 или l ₀ = 11,3 . Применение коротких образцов предпочтительнее.

Литые образцы и образцы из хрупких материалов допускается изготовлять с начальной расчетной длиной l ₀ = 2,82 .

2.7. Типы и размеры пропорциональных цилиндрических и плоских образцов приведены в приложениях 1 и 2 к настоящему учебно-методическому пособию.

Для плоских образцов соотношение между шириной и толщиной в рабочей части образца не должно превышать 8:1.

2.8. Форма и размеры головок и переходных частей цилиндрических и плоских образцов определяются способом крепления образцов в захватах испытательной машины. Способ крепления должен предупреждать проскальзывание образцов в захватах, смятие опорных поверхностей, деформацию головок и разрушение образца в местах перехода от рабочей части к головкам и в головках.

2.9. Предельные отклонения по размерам рабочей части цилиндрических и плоских образцов приведены в приложениях 1 и 2.

Для литых механически обработанных цилиндрических образцов предельные отклонения по диаметру удваиваются.

Предельные отклонения по толщине плоских образцов с механически не обработанными поверхностями должны соответствовать предельным отклонениям по толщине, установленным для металлопродукции.

Предельные отклонения по толщине плоских образцов с механически обработанными поверхностями - ±0,1 мм.

2.10. Рабочая длина образцов должна составлять:

от l ₀ + 0,5 d ₀ до l ₀ + 2 d ₀ - для цилиндрических образцов,

от l ₀ + 1,5 до l ₀ + 2,5 - для плоских образцов.

При разногласиях в оценке качества металла рабочая длина образцов должна составлять:

l ₀ + 2 d ₀ - для цилиндрических образцов,

l ₀ + 2 - для плоских образцов.

2.11. Образцы маркируют вне рабочей длины образца.

 

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ

3.1. В качестве испытательных машин применяют разрывные и универсальные испытательные машины, соответствующие требованиям ГОСТ 28840. В приложении 3 в качестве примера приведены назначение, область применения и основные характеристики машины испытательной на растяжение ИР-200М-авто.

При проведении испытаний должны соблюдаться следующие основные условия:

- надежное центрирование образца в захватах испытательной машины;

- плавность нагружения;

- скорость перемещения подвижного захвата при испытании до предела текучести – не более 0,1, за пределом текучести – не более 0,4 длины расчетной части образца, выраженная в мм/мин, если в стандартах или технических условиях на металлопродукцию не предусмотрены иные скорости перемещения подвижного захвата.

Если по условиям испытаний предел текучести определять не требуется, то скорость перемещения подвижного захвата может быть наибольшей из указанных, при условиях плавного ее достижения.

- возможность приостанавливать нагружение с точностью до одного наименьшего деления шкалы силоизмерения;

- плавность разгрузки.

3.2. Штангенциркули должны соответствовать требованиям ГОСТ 166.

3.3. Микрометры должны соответствовать требованиям ГОСТ 6507.

3.4. При определении предела пропорциональности и пределов текучести условных с допусками на величину пластической или полной деформации при нагружении или остаточной деформации при разгружении до 0,1 % относительная цена деления шкалы тензометра не должна превышать 0,005 % от начальной расчетной длины по тензометру l_e; при определении предела текучести условного с допуском на величину деформации от 0,1 до 1 % - не должна превышать 0,05 % от начальной расчетной длины по тензометру l_e.

3.5. Линейки металлические должны соответствовать требованиям ГОСТ 427.

 

ПОДГОТОВКА К ПРОВЕДЕНИЮ ИСПЫТАНИЯ

4.1. Для определения начальной площади поперечного сечения F ₀ необходимые геометрические размеры образцов измеряют с погрешностью не более ±0,5 %.

4.2. Измерение размеров образцов до испытания проводят не менее, чем в трех местах - в средней части и на границах рабочей длины.

За начальную площадь поперечного сечения образца в его рабочей части F ₀ принимают наименьшее из полученных значений на основании произведенных измерений с округлением по табл. 2.

Таблица 2

Площадь поперечного сечения образца F 0, мм^2	Округление
До 10,00 включ.	До 0,01
Св. 10,00 до 20,00 включ.	До 0,05
Св. 20,0 - 100,0 включ.	До 0,1
Св. 100,0 - 200,0 включ.	До 0,5
Св. 200	До 1

4.3. Величину начальной расчетной длины l ₀ округляют в большую сторону: для образцов с l ₀ = 5,65   - до ближайшего числа, кратного 5, если различие между вычисленным и установленным значениями l ₀ не превышает 10 %; для образцов с l ₀ = 11,3 - до ближайшего числа, кратного 10.

Начальную расчетную длину l ₀ погрешностью до 1 % ограничивают на рабочей длине образца кернами, рисками или иными метками и измеряют штангенциркулем или другими измерительными средствами с погрешностью измерения до 0,1 мм.

Для пересчета относительного удлинения после разрыва d с отнесением места разрыва к середине и для определения относительного равномерного удлинения d_p по всей рабочей длине образца рекомендуется наносить метки через каждые 5 или 10 мм.

Таблица3

Тип образца	Размеры образца (диаметр, толщина, ширина)	Предельные отклонения размера	Предельная разность наибольшего и наименьшего диаметра, наибольшей и наименьшей ширины по рабочей части
Цилиндрический обработанный	От 3 до 6 Св. 6 до 10 Св. 10 до 20 Св. 20 до 30	±0,06 ±0,075 ±0,09 ±0,105	0,03 0,03 0,04 0,05
Плоский обработанный с четырех сторон	От 3 до 6 Св. 6 до 10    Св. 10 до 20    Св. 20 до 30	±0,06 ±0,075 ±0,09 ±0,105	0,03 0,03 0,04 0,05
Плоский обработанный с двух боковых сторон	От 3 до 6 Св. 6до 10 Св. 10 до 20 Св. 20 до 30	- - - -	0,18 0,22 0,27 0,33

Нанесение меток проводят с помощью делительных машин или вручную с применением металлической линейки.

На образцах из малопластичных металлов метки наносят способами, исключающими повреждение поверхности рабочей части образца (накаткой делительных сеток или штрихов, красителем, карандашом).

4.4. Начальную площадь поперечного сечения F ₀ для образцов сложной формы определяют по расчетным формулам или по массе. Способ определения начальной площади поперечного сечения F ₀ для таких образцов должен быть оговорен в нормативно-технической документации на металлопродукцию.