Способ испытания на ударную вязкость для определения склонности к хрупкому разрушению тонколистового стального проката
TOUGHNESS TEST METHOD FOR DETERMINING TENDENCY TO BRITTLE FRACTURE OF SHEET STEEL ROLLED PRODUCTS

Изобретение относится к области строительства, а именно для определения с помощью механических испытаний на ударную вязкость пригодности элементов конструкций, изготовленных из тонколистового проката с целью применения в районах Севера и приравненных к ним местностях, где расчетная температура достигает минус 65°C.
А именно изобретение относится к способу испытания (на ударную вязкость для определения склонности к хрупкому разрушению) тонколистового стального проката толщиной от 0,4 до 3,5 мм при отрицательных температурах, в котором с целью предотвращения потери устойчивости плоских образцов с U- и V-образным надрезом при испытании образцы собирают в пакет (тип образца №4 по ГОСТ 9454-78) толщиной не менее 3,0 мм и заневоливают (скрепляют) его с помощью двух болтов (винтов) диаметром 2,0-3 мм, расположенных на расстоянии 17,5 мм от оси надреза.
Уровень техники
Аналогичные задачи для металлических элементов конструкций пытались решить несколькими способами, в том числе экспериментальным и экспериментально-расчетным:
- ГОСТ 9454-78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах» допускает применение образцов толщиной 2 мм (тип 4 по ГОСТ 9454-78), однако при проведении испытаний образцы теряют устойчивость (гнутся), не обеспечивая саму возможность использования этого метода.
- Способ, использующий для определения вязкости (работы деформации) величину площади под диаграммой растяжения гладких образцов [Золоторевский B.C. Механические свойства металлов // М.: Металлургия, - 1983, с. 183]. Однако характеристики механических свойств, предлагаемые в нем для определения площади, являются нестандартизованными, пригодными лишь для узких исследований и неприменимы в практических испытаниях металлов. В образцах отсутствует концентратор, который отражает вклад дефекта в сопротивление хрупкому разрушению.
- По способу В.А. Скуднова [Энергетика явлений и процессов в металловедении упрочняющих технологий и разрушении / Н. Новгород: НГТУ, 2007, с. 49] вязкость, определяемую как площадь под диаграммой растяжения, принимают как полную работу А, относят к деформируемому в испытании объему V образца, т.е. α=A/V. К числу недостатков этого метода следует отнести неучет работы, необходимой для совершения упругой деформации, и игнорирование фактора наличия концентратора у образца с надрезом нагружаемого изгибом. Обсуждаемый метод основан на использовании при растяжении гладкого образца.
- В Европе и США широко применяют конструкции из стальных тонкостенных оцинкованных холодногнутых профилей. Для их расчета при проектировании используют стандарты Евросоюза [Eurocode 3: Designofsteelstructure. EN 1993-1-3: 2004 Part 1-3: General rules. Supplementary rules for cold-formed members and sheeting. CEN. European Committee for Standardisation. 2004] и США [North American Specitication for The Design of Cold-formed Steel Structural members. 2001]. Однако эти стандарты не имеют рекомендаций в части проведения испытаний на сопротивление хрупкому разрушению. Расчетная температура для строительных конструкций в обоих стандартах Евросоюза и США принимается не ниже минус 50°C и, соответственно, испытания на ударную вязкость не проводятся.
- По ГОСТ 52246 для сталей марок 220-250 применение стальных конструкций из холодногнутых оцинкованных профилей ограничивается температурой минус 55°C, а для сталей марок 220-350 применение конструкций из холодногнутых оцинкованных профилей не регламентируется.
- Среди рассматриваемых способов определения ударной вязкости наиболее близким является способ по ГОСТ 9454-78, использующий образцы типа 4 с V- и U-образным надрезом с высотой образца 8 мм.
В отличие от известных ранее способов определения ударной вязкости заявленный способ позволяет проводить испытания на ударную вязкость тонколистового стального проката толщиной от 0,4 до 3,5 мм при отрицательных температурах до минус 65°C, что ранее не было известно. Трудность проведения испытания на ударную вязкость при температуре ниже минус 55°C заключается в повышении хрупкости тонкого листа стального проката.
Техническим результатом заявленного изобретения является возможность проведения испытания на ударную вязкость тонколистового стального проката толщиной от 0,4 до 3,5 мм при отрицательных температурах до минус 65°C.
Сущность изобретения
В связи с расширением хозяйственной деятельности в районах с расчетной температурой до минус 65°C, а также с повышением уровня требований по хладостойкости к используемым стальным материалам, настоятельно возникает проблема аттестации качества сталей по хладостойкости.
Эта аттестация проводится путем испытания призматических по форме образцов с V- или U-образными надрезами на ударный изгиб (трехточечная схема нагружения) в соответствии с ГОСТ 9454-78. Однако этот ГОСТ регламентирует испытания только для образцов толщиной 10; 7,5; 5 и 2 мм.
Для образцов толщиной 5-10 мм высота образца составляет 10 мм, а для образца толщиной 2 мм высота образца составляет 8 мм (тип 4 по ГОСТ 9454). Несмотря на это обстоятельство даже при толщине образца 2 мм, он теряет устойчивость (изгибается, скручивается), что не позволяет надежно и достоверно проводить оценку работы разрушения. По этой причине в нормативной литературе отсутствуют сведения об ударной вязкости для тонколистового проката.
Для исключения потери устойчивости ударных образцов с V- или U-образным надрезом толщиной до 2,5 мм изготавливают пакет образцов (по существу пакетный образец) толщиной не менее 3,0 мм. Метод вырезки листовых заготовок для изготовления соответствует требованиям для образца типа 4 по ГОСТ 9454-78. Метод вырезки заготовок для пакетного образца, технология вырезки и изготовление образцов также соответствуют требованиям ГОСТ 9454-78.
При изготовлении пакетного образца следует использовать один и тот же профиль проката с одинаковой толщиной.
Пакеты стягиваются винтами диаметром 2,0 мм через два отверстия диаметром 2,2 мм, расположенные на расстоянии 17,5 мм от оси надреза.
Для снижения разброса значений ударной вязкости поверхность торца образца со стороны удара копра подвергают механической зачистке заподлицо.
Наносят V- или U-образный надрез на пакетном образце со стороны, противоположной движению ударного механизма копра.
Испытания на ударный изгиб пакетного образца проводят с помощью копра с номинальной потенциальной энергией маятника 300 (30,0) Дж (кг⋅м).
Температура испытания варьируется от нуля до минус 65°C.
Работа разрушения стали для каждого пакета устанавливается путем деления общей работы разрушения на число слоев в пакете.
Основным признаком изобретения является разработка способа определения ударной вязкости тонкостенного проката толщиной от 0,4 до 2,9 мм на пакетных образцах толщиной не менее 3,0 мм, соединенных с помощью двух болтов диаметром 2,0 мм, которые устанавливают в отверстия диаметром 2,2 мм на расстоянии 17,5 мм от оси надреза образца.
Обобщая вышеуказанные признаки заявленного изобретения, сущность заявленного способа заключается в следующем.
На пластины из тонколистового стального проката с одинаковой толщиной наносят V- или U-образный надрез и, для исключения потери устойчивости, из пластин изготавливают призматический по форме пакет толщиной не менее 3,0 мм, в котором с одного торца расположен V- или U-образный надрез. Затем пакет стягивают винтами диаметром 2,0 мм через два отверстия диаметром 2,2 мм, расположенные на расстоянии 17,5 мм от оси надреза V- или U-образный надреза на пластинах. После этого, для снижения разброса значений ударной вязкости, поверхность торца пакета со стороны удара копра подвергают механической зачистке заподлицо и проводят испытание на ударный изгиб пакета с помощью копра с номинальной потенциальной энергией маятника 300 Дж. Причем удар копром осуществляют по торцу пакета, противоположному торцу с V- или U-образным надрезом.
Изменение количества образцов в пакете не изменяет схему изготовления пакетного образца.
Перечень чертежей и иных материалов
Для лучшего уяснения решаемой задачи прилагается схема изготовления пакетных образцов, состоящая из фигур 1-5.
На фигуре 1 проиллюстрирован сборочный чертеж пакета, состоящего из двух пластин толщиной 2,5 мм каждая и элементов соединения (винты М 2,2).
На фигуре 2 представлен чертеж ударного образца, изготовленного из пластины толщиной 2,5 мм с местами расположения отверстий и V- или U-образного надреза.
На фигуре 3 проиллюстрирована схема соединения элементов пакетного ударного образца. На схеме указано направление движения винтов (болтов) и гаек при скручивании пакета.
На фигуре 4 представлен общий вид пакетного ударного образца в аксонометрической проекции.
На фигуре 5 представлено поэлементное схематичное изображение пакетного ударного образца в сборе.
Сведения, подтверждающие возможность реализации изобретения
В 2016 г. пакетные образцы с надрезом типа Менаже (U-образный надрез) были использованы при оценке ударной вязкости тонколистового оцинкованного проката толщиной 0,4; 0,45; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 и 2,5 мм из марок сталей 200-350 по ГОСТ Р 52346. Температура испытания варьировалась от нуля до минус 65°C.
Впервые получены характеристики работы разрушения и, соответственно, ударной вязкости сталей марок 200-350, поставляемых по ГОСТ Р 52346 для расчетной температуры районов Крайнего Севера вплоть до температуры минус 65°C.