Метод испытаний металлов на ползучесть

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное образовательное  учереждение

Высшего профессионального образования

«Ижевский государственный технический  университет

Имени М.Т.Калашникова»

Контрольная работа

На тему:

Метод испытаний металлов на ползучесть

ГОСТ 3248-81

Проверил преподаватель:                                       Выполнил:        

Ижевск 2013г.

Содержание

Введение…………………………………………………………………………3

1. Общие сведения об испытаниях металлов…………………………….3
1. Виды металлов…………………………………………………….3
2. Общие свойства металлов………………………………………...4
3. Методы испытаний металлов. Перечень стандартов,

 регламентирующих проведение испытаний металлов……………………..5

4. Назначение и особенности испытания металлов на

 ползучесть………………………………………………………………............14

2. Подготовка и проведение испытаний…………………………………..15
1. Требования к образцам для испытаний…...……………………..15
2.  Требования к приборам для испытаний металлов

 на ползучесть……………………………………………………………………17

3.  Машины для испытаний металлов на ползучесть……………...18
4.  Проведение испытаний……………………………………………20
3. Обработка результатов испытаний……………………………………..22
4. Форма записи результатов испытания металлов на ползучесть………………………24

Литература………………………………………………………………………27

Введение

Объектом наших испытаний  являются металлы и их сплавы.  Они повсеместно используются для  изготовления конструкций машин, оборудования, инструмента и т. д. Несмотря на широкий круг искусственно созданных материалов (керамики, клеев), металлы служат основным конструкционным материалом и в обозримом будущем по-прежнему будут доминировать.

Цель испытаний металлов состоит в том, чтобы оценить качество материала, определить его механические и эксплуатационные характеристики и выявить причины потери прочности.

Испытания на ползучесть при  растяжении (ГОСТ 3248—81) заключаются  в том, что испытуемый образец  в течение длительного времени  подвергается действию постоянного  растягивающего усилия при постоянной высокой температуре. В результате испытания определяют предел ползучести металла, т. е. наибольшее растягивающее  напряжение, при котором скорость или деформация ползучести за определенный промежуток времени не превышает  заданной величины. Предел ползучести материала используют при расчете  деталей на долговечность в работе при повышенных температурах.

1. Общие сведения об испытаниях металлов
1. Виды металлов

В природе металлы встречаются  как в чистом виде, так и в  рудах, оксидах и солях. В чистом виде встречаются химически устойчивые элементы ( Pt , Au , Ag , Cu ). Масса наибольшего самородка меди составляет 420 т, серебра - 13,5 т, золота - 112 кг. Из 111 открытых элементов, представленных в Периодической системе элементов Д. И.Менделеева, 76 являются металлами, Si , Ge , как , Se , Te - промежуточными между металлами и неметаллами, иногда их называют полуметаллами. Все элементы, расположенные левее мысленной линии, проведенной от бора до астата (от № 5 до № 85) относятся к металлам, а правее - в основном, к неметаллам. Эта граница недостаточно четко выражена, так как среди элементов, расположенных вблизи границы, находятся и полуметаллы.

Металлические материалы  обычно делятся на две большие  группы: железо и сплавы железа (сталь  и чугун) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы - цветными. Кроме того, все цветные металлы, применяемые в технике, в свою очередь, делятся на следующие группы:

- легкие металлы Mg, Be, Al, Ti с плотностью до 5 г / см ³ ;

- тяжелые металлы Pb, Mo, ​​Ag, Au, Pt, W, Та, Ir, Os с плотностью, превышающей 10 г / см ³ ;

- легкоплавкие металлы Sn, Pb, Zn с температурой плавления 232, 327; 410 ° С соответственно;

- тугоплавкие металлы W, Mo, Та, Nb с температурой плавления выше, чем у железа (> 1536 ° С);

- благородные металлы Au, Ag, Pt с высокой устойчивостью против коррозии;

- урановые металлы или актиноиды, используемые в атомной технике;

- редкоземельные металлы (РЗМ) - лантаноиды, применяемые для модифицирования стали;

- щелочные и щелочноземельные металлы Na, К, Li, Ca - в свободном состоянии применяются в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах; натрий также используется в качестве катализатора в производстве искусственного каучука, а литий для легирования легких и прочных алюминиевых сплавов, применяемых в самолетостроении.

2. Общие свойства металлов

Свойства металлов разнообразны. Ртуть замерзает при температуре минус 38,8 ° С, вольфрам выдерживает рабочую температуру до 2000 ° С ( Т _пл = 3420 ° С), литий, натрий, калий легче воды, а иридий и осмий - в 42 раза тяжелее лития. Электропроводность серебра в 130 раз выше, чем у марганца. Вместе с тем металлы имеют характерные общие свойства. К ним относятся:

- высокая пластичность;

- высокие тепло-и электропроводность;

- положительный температурный коэффициент электрического сопротивления, означающий рост сопротивления с повышением температуры и сверхпроводимость многих металлов (около 30) при температурах, близких к абсолютному нулю;

- хорошая отражательная способность (металлы непрозрачны и имеют характерный металлический блеск);

- термоэлектронная эмиссия, т. е. способность к испусканию электронов при нагреве;

- кристаллическое строение в твердом состоянии.

1.3 Методы испытаний металлов.

 Перечень стандартов, регламентирующих проведение испытаний  металлов.

Испытания металлов.

Цель испытаний металлов состоит в том, чтобы оценить их качеств, определить механические и эксплуатационные характеристики и выявить причины потери прочности.

Химические методы испытания металлов.

Химические испытания  обычно состоят в том, что стандартными методами качественного и количественного  химического анализа определяется состав материала и устанавливается  наличие или отсутствие нежелательных  и легирующих примесей. Они нередко  дополняются оценкой стойкости материалов (в частности с покрытиями) к коррозии под действием химических реагентов. При макро-травлении поверхность металлических материалов (особенно легированных сталей) подвергают селективному воздействию химических растворов для выявления пористости, сегрегации, линий скольжения, включений, а также гросс-структуры. Присутствие серы и фосфора во многих сплавах удается обнаружить методом контактных отпечатков, при котором поверхность металла прижимается к сенсибилизированной фотобумаге. С помощью специальных химических растворов оценивается подверженность материалов сезонному растрескиванию. Проба на искру позволяет быстро определить тип исследуемой стали.

Методы спектроскопического  анализа.

Эти методы особенно ценны тем, что позволяют оперативно проводить качественное определение малых количеств примесей, которые невозможно обнаружить другими химическими методами. Такие многоканальные приборы с фотоэлектрической регистрацией, как квантометры, полихроматоры и квантоваки, автоматически анализируют спектр металлического образца, после чего индикаторное устройство указывает содержание каждого присутствующего металла.

Список государственных  стандартов, регламентирующих проведение химического анализа металлов:

ГОСТ 28473-90: Стандарт устанавливает общие требования к химическим и физико-химическим методам анализа чугуна, стали, ферросплавов, хрома и марганца металлических.

ГОСТ 12344-2003: Стандарт устанавливает кулонометрический метод определения углерода и метод инфракрасной спектроскопии в легированных и высоколегированных сталях. 

ГОСТ 22306-77: Стандарт распространяется на металлы высокой и особой чистоты, в которых сумма нормируемых примесей составляет не более 0.001 %, и устанавливает общие требования к методам анализа.

ГОСТ 14204-69: Стандарт распространяется на стеклянный прибор для отделения мышьяка, применяемый при анализе нелегированной стали и чугуна, феррохрома, ферромолибдена, хрома металлического, сплавов жаропрочных на никелевой основе, изготовляемый для нужд народного хозяйства и экспорта.

Механические  методы испытания металлов.

Механические испытания  обычно проводят для выяснения поведения  материала в определенном напряженном  состоянии. Такие испытания дают важную информацию о прочности и  пластичности металла. В дополнение к стандартным видам испытаний  может применяться специально разработанное  оборудование, воспроизводящее те или  иные специфические условия эксплуатации изделия. Механические испытания могут  проводиться в условиях либо постепенного приложения напряжений (статической  нагрузки), либо ударного нагружения (динамической нагрузки).

Виды напряжений.

По характеру действия напряжения разделяются на растягивающие, сжимающие и сдвиговые. Скручивающие моменты вызывают особый вид сдвиговых  напряжений, а изгибающие моменты  – сочетание растягивающих и  сжимающих напряжений (обычно при  наличии сдвиговых). Все эти различные  виды напряжений могут быть созданы  в образце с помощью стандартного оборудования, позволяющего определять предельно допустимые и разрушающие  напряжения.

Испытания на растяжение.

Это – один из самых распространенных видов механических испытаний. Тщательно  подготовленный образец помещают в  захваты мощной машины, которая прикладывает к нему растягивающие усилия. Регистрируется удлинение, соответствующее каждому  значению растягивающего напряжения. По этим данным может быть построена  диаграмма напряжение – деформация. При малых напряжениях заданное увеличение напряжения вызывает лишь небольшое увеличение деформации, соответствующее упругому поведению металла.

Наклон линии напряжения – деформация - служит мерой модуля упругости, пока не будет достигнут предел упругости. Выше предела упругости начинается пластическое течение металла; удлинение быстро увеличивается до разрушения материала.

Предел прочности при  растяжении – это максимальное напряжение, которое металл выдерживает в  ходе испытания.

Испытания на ударную  вязкость.

Один из самых важных видов  динамических испытаний – испытания  на ударную вязкость, которые проводятся на маятниковых копрах с образцами, имеющими надрез, или без надреза. По весу маятника, его начальной  высоте и высоте подъема после  разрушения образца вычисляют соответствующую  работу удара (методы Шарпи и Изода).

Испытания на усталость.

Такие испытания имеют  целью исследование поведения металла  при циклическом приложении нагрузок и определение предела выносливости материала, т.е. напряжения, ниже которого материал не разрушается после заданного  числа циклов нагружения.

Чаще всего применяется  машина для испытания на усталость  при изгибе. При этом наружные волокна  цилиндрического образца подвергаются действию циклически меняющихся напряжений – то растягивающих, то сжимающих.

Испытания на глубокую вытяжку.

Образец листового металла  зажимается между двумя кольцами, и в него вдавливается шаровой  пуансон. Глубина вдавливания и  время до разрушения являются показателями пластичности материала.

Испытания на ползучесть.

В таких испытаниях оценивается  совместное влияние длительного  приложения нагрузки и повышенной температуры  на пластическое поведение материалов при напряжениях, не превышающих  предела текучести, определяемого  в испытаниях малой длительности.

Надежные результаты могут  быть получены лишь на оборудовании, обеспечивающем точный контроль за температурой образца  и точное измерение очень малых  изменений размеров. Длительность испытаний  на ползучесть обычно составляет несколько  тысяч часов.

Определение твердости.

Твердость чаще всего измеряют методами Роквелла и Бринелля, при  которых мерой твердости служит глубина вдавливания «индентора» (наконечника) определенной формы под  действием известной нагрузки. На склероскопе Шора твердость определяется по отскоку бойка с алмазным наконечником, падающего с определенной высоты на поверхность образца.

Твердость – очень хороший  показатель физического состояния  металла. По твердости данного металла  зачастую можно с уверенностью судить о его внутренней структуре.

 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.

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).