СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ МЕТАЛЛОВ НА ИЗГИБ С РАСТЯЖЕНИЕМ
METHOD OF TESTING METALS FOR BENDING WITH STRETCHING

Изобретение относится к области механических испытаний металлов и сплавов, а именно к испытаниям на изгиб с растяжением, и может быть использовано при испытании различных конструкций, работающих в сложных условиях нагружения, при расчетах на прочность конструкций, работающих в условиях изгиба с растяжением.
Известны методы механических испытаний образцов, различающиеся по характеру напряженного состояния: растяжение, сжатие, изгиб, кручение. Однако они позволяют оценить механические характеристики материалов только при одном виде нагружения. Известен способ определения штампуемости металла (патент РФ №2171976, G01N 3/28, опубл. 10.08.2001), в котором динамический изгиб выполняют непосредственно после растяжения, производимого до предельно равномерного для данного металла удлинения. Известен способ определения механических свойств металлов (заявка на изобретение №2012145523, G01N 3/08, опубл. 10.05.2014), включающий осевое растяжение плоских и круглых образцов с фиксированной скоростью деформации и температурой испытания, в котором коэффициент динамической вязкости металлов и эффективную энергию разрушения определяют по приведенным математическим зависимостям. Однако указанные способы не позволяют определить механические характеристики материала в сложных условиях нагружения при изгибе с одновременным растяжением.
Наиболее близким техническим решением является способ испытания металлов на изгиб по ГОСТ Р ИСО 7438-2013, принятый за прототип, который включает размещение концов образца из испытуемого металла на двух опорах и определение способности металлов подвергаться пластической деформации при изгибе образца путем воздействия деформирующим усилием по середине образца с помощью оправки. Этим способом можно определить только способность металлов выдерживать пластическую деформацию при изгибе, но он не позволяет определить механические характеристики металла.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в определении механических характеристик металла при одновременном изгибе с растяжением для обеспечения точности расчетов на прочность конструкций, работающих в условиях изгиба с растяжением.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе испытания металлов на изгиб с растяжением, включающем размещение концов образца из испытуемого металла на опорах, воздействие деформирующим усилием по середине образца с помощью оправки и обработку результатов, согласно изобретению, концы образца закрепляют в опорах при помощи захватов с обеспечением поворота каждого захвата, деформирование проводят до разрушения образца с обеспечением минимального трения между образцом и оправкой и по диаграмме нагружения определяют механические характеристики.
Деформирование проводят на оборудовании для статических испытаний с использованием изготовленного приспособления. Концы образца закрепляют в опорах при помощи захватов с обеспечением поворота каждого захвата в опоре, что позволяет одновременно использовать две схемы нагружения образца: изгиб и растяжение. При этом образец не подвергается деформированию (изгибу) по концам его рабочей части за счет обеспечения поворота каждого захвата. С помощью оправки деформирующим усилием воздействуют по середине образца до разрушения образца с обеспечением минимального трения между образцом и оправкой. В результате испытания регистрируют диаграмму нагружения образца, по которой определяют максимальную нагрузку при изгибе с растяжением до разрушения образца и величину его прогиба, определяемую по величине хода оправки. Причем создание минимального трения между образцом и оправкой позволяет с большей точностью определить эти характеристики, необходимые для выбора материала, способного выдерживать высокие нагрузки, и проведения расчетов на прочность конструкций, работающих в сложных условиях нагружения.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображено приспособление для осуществления способа испытания на изгиб с одновременным растяжением, на фиг. 2 изображен эскиз образца для проведения испытаний, на фиг. 3 показан образец после проведения испытания на изгиб с растяжением и на фиг. 4 - диаграмма нагружения образца при изгибе с растяжением.
Приспособление для реализации предлагаемого способа испытания (фиг. 1) включает основание 1, на котором жестко зафиксированы две опоры 2, выполненные с захватами 3 для закрепления концов образца 4. Захваты 3 размещены в опорах с обеспечением поворота. Оправкой 5 перпендикулярно поверхности образца 4 оказывают воздействие по середине образца. Образец 4 (фиг. 2) изготавливают из испытуемого металла и на концах выполняют, например, резьбу для закрепления образца в захватах.
Способ испытания на изгиб с растяжением проводили на комплексе для статических испытаний с использованием описанного выше приспособления. Каждый конец образца 4 закрепляют в захвате 3. При проведении испытания оправкой 5 перпендикулярно поверхности образца 4 оказывают воздействие по середине образца, оправка начинает давить на поверхность образца в точке, затем постепенно образец охватывает рабочую поверхность оправки, изгибается и растягивается до полного разрушения (фиг. 3). При этом каждый захват 3 с закрепленным в нем концом образца 4 осуществляет поворот в опоре, препятствуя изгибу (деформированию) образца 4 по концам его рабочей части. Для обеспечения минимального трения между оправкой и образцом и получения достоверных результатов на поверхность образца наносят смазку. В результате испытания регистрируют диаграмму нагружения образца (фиг. 4). По диаграмме нагружения определяют максимальную нагрузку при изгибе с растяжением до разрушения образца и перемещение оправки, необходимые для выбора материала, способного выдерживать высокие нагрузки, и проведения точных расчетов на прочность.
В испытательной лаборатории с использованием системы статических испытаний «SHIMADZU» было проведено испытание, в частности, цилиндрических образцов на изгиб с растяжением, изготовленных из листовой стали 3 и 40Х и из труб класса прочности Х80. Размеры образца: длина - 115 мм, диаметр рабочей части - 6 мм, длина рабочей части - 85 мм. Рабочую поверхность образца покрывали смазкой, например диоксидом молибдена. Оправка для воздействия на образец была выполнена радиусом 15 мм.
При проведении испытания оправка перемещается перпендикулярно поверхности образца, например, со скоростью 5 мм/мин и начинает воздействовать на поверхность по середине образца в точке, затем постепенно образец охватывает рабочую поверхность оправки, изгибается и растягивается до полного разрушения. Так как концы образца закреплены в захватах, выполненных с возможностью поворота в опорах, при испытании не происходит деформирования образца по концам его рабочей части. При испытании получают достоверные значения механических характеристик.
В результате испытания были получены диаграммы нагружения каждого образца, при анализе которых определили максимальную нагрузку, которую выдерживает образец, и перемещение оправки при разрушении каждого образца (см. таблицу).
Сравнение полученных показателей дает возможность выбора стали, способной выдерживать больший изгиб и высокие нагрузки, а также обеспечить точность расчетов на прочность конструкций, работающих в условиях изгиба с растяжением.
Использование предлагаемого способа испытания позволяет получить достоверные значения механических характеристик и обеспечить повышение точности расчетов на прочность конструкций, работающих в условиях изгиба с растяжением, в том числе труб, эксплуатирующихся в условиях наклонных скважин, а также проволоки, профиля и труб при изготовлении с намоткой на барабан.