Испытания стали на растяжение

Среди методов исследований и оценки качества стальной продукции испытания на растяжение являются наиболее популярными. Этот метод определения механических характеристик металлов относится к группе статических и характеризует поведение изделия под воздействием нагрузок, направление и значение которых не изменяются значительно с течением времени. 

Испытанию на растяжение подвергаются практически все виды проката из стали, независимо от сферы их дальнейшего применения. Стандарты на толстый лист, горячекатаные и холоднокатаные рулоны, сортовой и фасонный прокат, арматуру и катанку, сварные и бесшовные трубы и прочую металлопродукцию четко оговаривают допустимые значения прочностных характеристик, которые оцениваются путем такого воздействия. А в строительных и других нормах проектирования на основе этих показателей оцениваются эксплуатационные характеристики готовых конструкций, деталей машин и агрегатов, зданий и сооружений. 

Стандарты Украины на проведение испытаний 

До 2008 года в нашей стране использовалась достаточно широкая гамма нормативно-технической документации (НТД), в которой приводились указания о том, как проводить испытания металлов на растяжение. Среди них: 

1. ДСТУ 4131-2002 «Трубы металлические. Методы испытания на растяжение при комнатной температуре»; 
2. ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение»; 
3. ГОСТ 11701-84 «Методы испытаний на растяжение тонких листов и лент»; 
4. ГОСТ 10006-80 «Трубы металлические. Методы испытания на растяжение». 

В 2008 году им всем на смену пришел гармонизированный стандарт ДСТУ EN 10002:2006, который основывался на идентичной европейской норме в редакции 1991 года. При этом отечественные органы стандартизации не стали сильно заморачиваться и из пяти частей оригинального международного нормативного документа гармонизировали только первую и пятую, описывающие испытание на растяжение металлов и сплавов при комнатной и повышенных температурах. Три остальные части (про оборудование и его поверку, нагрузки и другие нюансы исследований) наших экспертов не заинтересовали. 

С 2020 года в Украине вступил в действие новый гармонизированный стандарт, ДСТУ EN 6892. Он заменил вышеупомянутую евронорму. Оригинал, EN 6892, насчитывает четыре части, но в Украине все так же внедрили только две из них. В настоящее время у нас действуют: 

• ДСТУ EN ISO 6892-1:2022 «Металлические материалы. Испытание на растяжение. Часть 1. Метод испытания при комнатной температуре»; 

• ДСТУ EN ISO 6892-2:2020 «Металлические материалы. Испытание на растяжение. Часть 2. Метод испытания при повышенных температурах». 

Европейские документы, касающиеся процессов испытаний при пониженных температурах и в среде жидкого гелия, «остались за бортом» отечественной системы стандартизации. 

Не следует забывать и о том, что металлопрокат, который изготавливается в соответствии с требованиями других международных и национальных технических норм, может подвергаться испытаниям по методикам и на оборудовании, отличающимся от описанных в вышеприведенных ДСТУ. Поэтому, во избежание ошибок при определении качественных характеристик металла, потребителям и трейдерам следует детально изучать НТД на поставляемую продукцию. 

Сущность метода  

Испытание на растяжение стали получил столь широкую популярность благодаря относительно простому выполнению теста, легкости интерпретации его результатов и возможности получения сразу нескольких весомых характеристик в ходе одного исследования. Прочность на растяжение стали оценивается на специальных образцах: 

• Механически обработанные, цилиндрической формы (преимущественно для сортовой продукции, полуфабрикатов и плоского проката больших сечений); 

• Механически обработанные, плоской формы (для тонколистовой продукции и других изделий небольшой толщины); 

• Необработанные образцы, представляющие собой фрагмент готовой продукции без дополнительной механической обработки (арматурный прокат, катанка, проволока и др.). 

Цилиндрические и плоские образцы, кроме основной рабочей части, имеют специально подготовленные «головки» на концах для их фиксации в захватах испытательного оборудования. Главными исходными геометрическими параметрами образцов являются: 

• Начальная расчетная длина – участок образца, на котором будут определять удлинение; 

• Рабочая длина – часть образца между участками для захвата/ головками, имеющая постоянное поперечное сечение; 

• Начальный диаметр (для образцов цилиндрического типа) или начальная толщина рабочей части (для плоских образцов). 

Образцы строго стандартизованы, между их основными размерами существует определенное соотношение, которое варьируется в зависимости от требований конкретного нормативного документа. Наиболее часто используемыми являются пятикратные образцы (начальная расчетная длина в пять раз превышает начальный диаметр) и десятикратные (расчетная длина в 10 раз больше диаметра). 

Для выполнения теста используются специальные разрывные машины с механическим или гидравлическим приводом. Многие машины являются универсальными и могут применяться для других видов механических испытаний. Современные агрегаты работают в связке с персональными компьютерами, что позволяет полностью автоматизировать процесс выполнения растяжения и анализ полученных результатов. Ключевыми узлами механической части являются приводное устройство и силоизмерительный механизм. Силовые характеристики разрывной машины должны с определенным запасом превышать прочностные свойства того материала, который на ней испытывается. 

Испытательные образцы маркируются, измеряются и размечаются, после чего фиксируются в захватах испытательной машины. Один из захватов неподвижен, второй перемещается, обеспечивая плавное растяжение и деформирование образца. Силоизмеритель фиксирует силы сопротивления образца в процессе растяжения. Испытание образца на растяжение проводится до момента его разрыва. Программный модуль машины выполняет расчет характеристик как в процессе испытания, так и сразу после его окончания. Также в ходе исследования автоматически формируется диаграмма растяжения в координатах «нагрузка – абсолютное удлинение». 

Пример обработанного испытательного образца прямоугольного поперечного сечения 

В случае, если механические испытания стали на растяжение требуют применения повышенных и пониженных температур, используются дополнительные комплектующие разрывной машины: термостаты и печи для равномерного нагрева рабочей части образца, криокамеры и сосуды с охлаждающими средами для охлаждения и поддержания отрицательной температуры темплета во время испытания. 

Свойства, определяемые при испытании на растяжение 

Все свойства, которые оцениваются при таких исследованиях, можно разделить на три группы: прочностные, пластические и параметры вязкости. Прочностные характеризуют сопротивление материала образца деформации и разрушению. Пластичные показывают способность изменять форму и размеры под нагрузкой без образования трещин и разрывов. Об уровне вязкости материала в данном случае говорит удельная работа пластической деформации (работа, отнесенная к единице объема рабочей части), затраченная при растяжении образца. 

Ключевые механические свойства, которые определяются при растяжении 

Механические свойства могут определяться автоматически программным модулем испытательной машины либо рассчитываться вручную по полученной диаграмме растяжения образца. Тип диаграммы зависит от структуры и свойств испытуемого материала, соответственно изменяется и набор параметров, который можно по ней определить. 

Пример технических требований к стали 

В качестве примера рассмотрим требования стандарта ДСТУ EN 10025-2 к показателям прочности и пластичности сталей строительного назначения наиболее популярных классов прочности S235 и S355. 

Механические свойства сталей S235 и S355 в соответствии с требованиями ДСТУ EN 10025-2 

Как видно из представленной таблицы, регламентированные уровни прочности (временное сопротивление и предел текучести) и пластичности (относительное удлинение) зависят от толщины стального изделия: при увеличении габаритов минимальные допустимые показатели снижаются. Такая тенденция сохраняется не только для всех остальных марок стали по EN 10025, но и прослеживается в других международных и государственных стандартах.