Механические испытания металла: растяжение, прочность, пластичность

• 0,2 %остаточного удлинения — по нему определяют условный предел текучести σ₀,₂
• 1 %наибольшая погрешность измерения усилия испытательной машиной по ГОСТ 1497-2023
• 35–1200 °Cтемпературы испытаний на растяжение при нагреве по ГОСТ 9651-84
• вдвое большеобразцов берут при повторных испытаниях, если первые не прошли

Зачем испытывать известную сталь

Стандарт на сталь задаёт химический состав и механические свойства, но гарантирует их для определённых условий — для образцов заданного размера после заданной термообработки. В детали свойства зависят от того, как прошли плавка и ковка, как выполнена термообработка и какое у заготовки сечение.

Сильнее всего сказывается сечение. Массивная заготовка при закалке остывает медленнее тонкой и хуже прокаливается в середине, а литая структура слитка прорабатывается там слабее. Поэтому ГОСТ 8479-70 для поковок категории прочности КП 245 при любом диаметре требует предела текучести не ниже 245 МПа и временного сопротивления не ниже 470 МПа, а нормы пластичности снижает ступенями: относительное удлинение — не меньше 22 % при диаметре до 100 мм, 19 % — свыше 100 до 300 мм, 17 % — свыше 300 до 500 мм и 15 % — свыше 500 до 800 мм.

Удлинение поковок КП 245 по ГОСТ 8479-70: чем толще поковка, тем ниже норма

• ≥ 22 %диаметр до 100 мм
• ≥ 19 %свыше 100 до 300 мм
• ≥ 17 %свыше 300 до 500 мм
• ≥ 15 %свыше 500 до 800 мм

Предел текучести — не ниже 245 МПа, временное сопротивление — не ниже 470 МПа при любом диаметре.

Испытание отвечает на вопрос, каким получился металл именно этой плавки, партии или детали. Оно разрушающее: образец растягивают до разрыва, поэтому испытывают не саму деталь, а образцы из металла, который её представляет. Отсюда главный вопрос всей процедуры — откуда этот металл взят.

Пробы: плавка, партия, изделие

Металл для испытаний отбирают в виде пробы — куска, отрезанного от проката, поковки или отливки. Из пробы вырезают заготовки, а из заготовок точат образцы. Где брать пробы, сколько и в каком направлении вырезать образцы, ГОСТ 1497-2023 оставляет стандартам на отбор проб и на металлопродукцию, а для ответственных изделий их задают технические условия и чертёж.

Металлургический завод испытывает прокат от плавки или партии и записывает результаты в сертификат. Поковки общего назначения испытывают от партии — например, поковок одной плавки, вместе прошедших термообработку, — а в высшей группе по ГОСТ 8479-70 испытывают каждую поковку. Для самых ответственных деталей пробу берут из припуска самой заготовки; где её располагать и на какой глубине вырезать образец, рассказано в статье «Как делают поковки».

Важно и направление. Ковка и прокатка создают в металле волокно, вытягивая включения вдоль течения металла. Поэтому образцы бывают продольные — вдоль волокна, поперечные — поперёк него, тангенциальные — по касательной к окружности кольца или диска — и радиальные. Вдоль волокна пластичность выше, и нормы ГОСТ 8479-70 даны для продольных образцов, а для остальных допускается их снижение. У толстого листа для ответственных сварных узлов бывают нужны и образцы по толщине: по их сужению судят, не расслоится ли лист под швом.

Свои пробы есть и у сварных швов. Вместе с изделием сваривают контрольные сварные соединения — из тех же материалов и по той же технологии — и термообрабатывают их вместе с изделием. Образцы поперёк шва показывают временное сопротивление и место разрыва, образцы целиком из металла шва — полный набор характеристик; подробнее — в статье «Сварка в атомном машиностроении».

Образцы: пятикратные и десятикратные

Образцы для растяжения бывают цилиндрические — их точат из прутков, поковок и толстых проб — и плоские, которые вырезают из листа, полосы или стенки трубы. Средняя, рабочая часть образца тоньше концов: за утолщённые головки его держат захваты машины. На рабочей части кернами или рисками отмечают расчётную длину l₀ — участок, по удлинению которого судят о пластичности.

Чтобы результаты разных образцов можно было сравнивать, их делают пропорциональными: расчётную длину связывают с начальной площадью сечения F₀. У короткого образца l₀ = 5,65√F₀, у длинного — 11,3√F₀; для круглого сечения это пять и десять диаметров, отсюда названия «пятикратный» и «десятикратный». ГОСТ 1497-2023 считает предпочтительным короткий образец — например, диаметром 10 мм с расчётной длиной 50 мм.

Пятикратный и десятикратный образцы из одного металла дают разное удлинение. Перед разрывом большая часть деформации собирается в шейке, а на короткой базе её доля больше, поэтому у пятикратного образца удлинение выше. В протоколе и сертификате должно быть видно, на каком образце его получили: в прежних отечественных документах — δ₅ или δ₁₀, в международных — A или A11,3.

Короткий и длинный пропорциональные образцы

Удлинение сравнивают только на образцах одного типа: большая часть деформации собирается в шейке.

Образец должен показать свойства металла, а не следы своей обработки. Его точат с охлаждением и на режимах, при которых металл не перегревается и не наклёпывается: последний проход — не глубже 0,3 мм, а на рабочей части не должно быть поперечных рисок, видимых глазом. Плоские образцы, если нет других указаний, сохраняют поверхность проката, а зону нагрева от газовой резки пробы целиком снимают механической обработкой.

Диаграмма растяжения

Образец закрепляют в захватах испытательной машины и плавно растягивают до разрыва, записывая усилие и удлинение. Чтобы результат не зависел от размеров образца, усилие делят на начальную площадь сечения — получается напряжение в мегапаскалях, а удлинение относят к расчётной длине. Так строят диаграмму «напряжение — деформация».

Сначала идёт прямой упругий участок: напряжение растёт пропорционально деформации, и после разгрузки образец вернулся бы к исходной длине. Наклон прямой — модуль упругости; у стали он около 200 000 МПа, поэтому упругие деформации малы — доли процента.

У малоуглеродистой стали в отожжённом или нормализованном состоянии затем видна площадка текучести: образец удлиняется почти без роста усилия, металл «течёт». Напряжение, при котором это происходит, — физический предел текучести σт. Нередко перед площадкой усилие поднимается до пика и резко падает — тогда различают верхний и нижний пределы текучести.

Площадки нет у аустенитных нержавеющих сталей и у многих легированных после закалки и отпуска: кривая изгибается плавно. Для них определяют условный предел текучести σ0,2 — напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 %. Такие малые деформации измеряют экстензометром — датчиком, закреплённым прямо на рабочей части образца.

За пределом текучести металл упрочняется: чтобы растягивать его дальше, нужно всё большее усилие, а рабочая часть удлиняется равномерно. Когда усилие достигает максимума, деформация сосредотачивается в одном месте и образуется шейка. Наибольшее усилие, делённое на начальную площадь сечения, — временное сопротивление σв, его называют и пределом прочности. Дальше сечение в шейке быстро уменьшается, усилие падает, и образец рвётся.

После разрыва половинки складывают и измеряют конечную расчётную длину и наименьший диаметр шейки. Прирост длины, отнесённый к начальной, — относительное удлинение после разрыва δ, уменьшение площади сечения в шейке — относительное сужение ψ; обе величины выражают в процентах.

Испытание на растяжение (схема). Образец растягивают до разрыва и записывают диаграмму: сначала металл деформируется упруго, затем «течёт» почти без роста нагрузки — это площадка текучести, потом упрочняется до наибольшего напряжения — временного сопротивления, после чего на образце образуется шейка, и он рвётся. Удлинение после разрыва находят по меткам на образце.

Что показатели говорят конструктору

Пять показателей растяжения отвечают на разные вопросы. В сертификатах встречаются два набора обозначений: прежние отечественные и международные, как в стандартах ИСО. В протоколах до середины 2024 года стоит ссылка на ГОСТ 1497-84, позже — на сменивший его ГОСТ 1497-2023.

Прочностные показатели идут в расчёт. В нормах расчёта на прочность оборудования атомных станций допускаемое напряжение для элементов под давлением берут как меньшее из двух чисел: временное сопротивление при расчётной температуре, делённое на 2,6, и предел текучести при той же температуре, делённый на 1,5. Если бы у металла было σв = 470 МПа и σ0,2 = 245 МПа, получилось бы около 181 и 163 МПа, и расчёт взял бы 163 МПа.

В расчёт идут не результаты конкретного испытания, а минимальные значения из стандарта или технических условий на материал. Испытание лишь подтверждает, что металл им не уступает, поэтому нормы прочности и пластичности почти всегда записывают как «не менее»: запас сверх нормы допускаемое напряжение не увеличивает.

Пластичность в формулы не входит, но без неё прочность ненадёжна. Пластичный металл у отверстий, галтелей и мелких дефектов перераспределяет напряжения, а перегрузку выдаёт заметной деформацией, а не внезапным изломом. Удлинение важно и для технологии — гибки, развальцовки, раздачи.

Сопротивление хрупкому разрушению растяжение не показывает: пластичная на гладком образце сталь может хрупко сломаться при ударе по надрезу на холоде — об этом статья «Ударная вязкость и хладноломкость».

Испытания при рабочей температуре

Обычное растяжение по ГОСТ 1497-2023 проводят при температуре от 10 до 35 °C. Но вода первого контура ВВЭР нагрета примерно до 290–320 °C, расчётная температура многих элементов — около 350 °C, а с нагревом свойства стали меняются: предел текучести и временное сопротивление у большинства сталей снижаются. Поэтому нормы расчёта берут характеристики при расчётной температуре, а технические условия на металл атомного оборудования требуют часть образцов испытывать нагретыми.

Надёжно пересчитать свойства с комнатной температуры на рабочую нельзя: у углеродистых сталей, например, около 200–300 °C прочность может даже подрасти, а пластичность — упасть, это называют синеломкостью. Поэтому свойства при температуре измеряют.

Испытания при повышенной температуре ведут по ГОСТ 9651-84, который охватывает диапазон от 35 до 1200 °C. Образец растягивают в печи, установленной на машине, температуру контролируют термопарами, касающимися рабочей части, и перед нагружением дают образцу прогреться по всему сечению.

Температуры испытаний на растяжение и рабочие температуры ВВЭР

• 10–35 °Cобычное растяжение по ГОСТ 1497-2023
• ≈ 290–320 °Cвода первого контура ВВЭР
• ≈ 350 °Cрасчётная температура многих элементов
• до 1200 °Cверхняя граница ГОСТ 9651-84

Испытания при нагреве ведут по ГОСТ 9651-84 — от 35 до 1200 °C.

Температуры испытаний задают технические условия и чертёж — обычно комнатную и расчётную. Для оборудования, которое работает ещё горячее, например в реакторах на быстрых нейтронах, кратковременного растяжения мало: под нагрузкой металл медленно ползёт, и нужны испытания на ползучесть и длительную прочность, которые идут тысячи часов.

Машина, протокол и сертификат

Усилие на испытательной машине измеряет датчик силы, удлинение — экстензометр или датчик перемещения траверсы; по ГОСТ 1497-2023 машина должна измерять усилие с погрешностью не более 1 %. Машины и экстензометры поверяют или калибруют, как любые средства измерений, — о поверке и прослеживаемости рассказано в статье «Измерения и метрология».

Результаты записывают в протокол: марка стали, плавка и маркировка пробы, тип, направление и размеры образца, температура, найденные характеристики, сведения о машине. Некоторые результаты стандарт не засчитывает — например, если образец порвался в захватах, за пределами расчётной длины, по керну разметки или по металлургическому дефекту и при этом какой-то показатель не дотянул до нормы. Если разрыв пришёлся близко к метке, удлинение допускается пересчитать по рискам, заранее нанесённым вдоль рабочей части.

В сертификате рядом с фактическим значением стоит норма, и сравнивать результат нужно с нормой для того же сечения, направления образца и температуры. В старых документах прочность бывает записана в кгс/мм²: 1 кгс/мм² — это 9,80665 МПа, около 9,8 МПа. Категория прочности поковки по ГОСТ 8479-70 сама подсказывает норму: число в обозначении КП 245 — это предел текучести, не менее 245 МПа.

Если результат не дотянул до нормы, металл бракуют не сразу. Испытание повторяют на удвоенном числе образцов от той же партии; если не пройдут и они, партию можно ещё раз термообработать и испытать заново — ГОСТ 8479-70 разрешает повторную термообработку поковок не больше двух раз.

Что важно изготовителю

Большинство неприятностей с испытаниями закладывается задолго до лаборатории — при заказе заготовки и в маршруте детали.

• Проба с запасом. Металла в пробе должно хватить на все образцы, включая повторные испытания на удвоенном числе. Если его не хватит, придётся ковать отдельную заготовку из той же плавки или жертвовать деталью.
• Маркировка. Перед отрезкой на пробу переносят клеймо — плавку, номер поковки или партии — под контролем ОТК. Проба без маркировки ничего не доказывает.
• Общая термообработка. Проба должна пройти ту же термообработку, что и деталь, — в одной садке и в том же сечении. Тонкая проба, закалённая отдельно, прокалится лучше массивной детали и покажет свойства, которых в детали нет.
• Требования в чертеже. Вид образца, место его вырезки и температуры испытаний указывают в чертеже или технических условиях. Если они не заданы, выбор остаётся за изготовителем, и спор начнётся на приёмке.
• Документы. Протокол должен ссылаться на ту же плавку, партию и пробу, что и клеймо на детали, а результаты — переходить в сертификат или паспорт изделия без изменений.

Термины

• ПробаЧасть металла, отрезанная от проката, поковки, отливки или контрольного сварного соединения, из которой изготавливают образцы.
• Пропорциональный образецОбразец, расчётная длина которого связана с площадью сечения: 5,65√F₀ у короткого и 11,3√F₀ у длинного.
• Физический предел текучестиНапряжение, при котором образец удлиняется без заметного роста нагрузки; обозначается σт.
• Условный предел текучестиНапряжение, при котором остаточное удлинение образца достигает 0,2 %; обозначается σ₀,₂ или Rp0,2.
• Временное сопротивлениеНапряжение, соответствующее наибольшему усилию перед разрывом образца, отнесённому к начальной площади сечения; σв или Rm.
• Относительное удлинениеПрирост расчётной длины образца после разрыва в процентах от начальной длины; δ или A.
• Относительное сужениеУменьшение площади сечения в шейке после разрыва в процентах от начальной площади; ψ или Z.
• ЭкстензометрДатчик, который закрепляют на рабочей части образца, чтобы точно измерять малые удлинения.

Частые вопросы

Чем предел текучести отличается от временного сопротивления?

Предел текучести — напряжение, при котором металл начинает заметно и необратимо деформироваться, а временное сопротивление — наибольшее напряжение перед разрушением, отнесённое к начальному сечению образца. По первому судят, когда деталь начнёт менять форму, по второму — сколько она выдержит до разрыва.

Что такое σ₀,₂?

Это условный предел текучести — напряжение, при котором остаточное удлинение образца достигает 0,2 %. Его определяют у металлов без площадки текучести, например у аустенитных нержавеющих сталей.

Почему удлинение δ₅ больше, чем δ₁₀?

Перед разрывом большая часть деформации собирается в шейке, а на коротком пятикратном образце её доля больше. Поэтому сравнивать удлинение можно только на образцах одного типа.

Зачем испытывать металл при повышенной температуре?

С нагревом свойства стали меняются, а расчёт на прочность оборудования ведут по характеристикам при расчётной температуре — для первого контура ВВЭР около 350 °C. Поэтому часть образцов испытывают нагретыми, по ГОСТ 9651-84.

Что делать, если образцы не прошли испытание?

Испытание повторяют на удвоенном числе образцов от той же партии. Если не проходят и они, партию можно повторно термообработать и испытать заново; для поковок ГОСТ 8479-70 разрешает повторную термообработку не больше двух раз.