Межгосударственный стандарт ГОСТ 25.503-97 "Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие" (введен в действие постановлением Госстандарта РФ от 30 июня 1998 г. N 267)

Межгосударственный стандарт ГОСТ 25.503-97
"Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие"
(введен в действие постановлением Госстандарта РФ от 30 июня 1998 г. N 267)

Design calculation and strength testing. Methods of mechanical testing of metals. Method of compression testing

Дата введения 1999-07-01
Взамен ГОСТ 25.503-80

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает методы статических испытаний на сжатие при температуре для определения характеристик механических свойств черных и цветных металлов и сплавов.

Стандарт устанавливает методику испытания образцов на сжатие для построения кривой упрочнения, определения математической зависимости между напряжением течения и степенью деформации , и оценки параметров степенного уравнения ( - напряжение течения при - показатель деформационного упрочнения).

Механические характеристики, кривая упрочнения и ее параметры, определяемые в настоящем стандарте, могут быть использованы в случаях:

- выбора металлов, сплавов и обоснования конструктивных решений;

- статистического приемочного контроля нормирования механических характеристик и оценки качества металла;

- разработки технологических процессов и проектирования изделий;

- расчета на прочность деталей машин.

Требования, установленные в разделах 4, 5 и 6, являются обязательными, остальные требования - рекомендуемыми.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 1497-84 (ИСО 6892-84) Металлы. Методы испытания на растяжение;

ГОСТ 16504-81 Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения;

ГОСТ 18957-73* Тензометры для измерения линейных деформаций строительных материалов и конструкций. Общие технические условия;

ГОСТ 28840-90 Машины для испытаний материалов на растяжение, сжатие и изгиб. Общие технические требования.

3 Определения

3.1 В настоящем стандарте применяют следующие термины с соответствующими определениями:

3.1.1 диаграмма испытаний (сжатия): График зависимости нагрузки от абсолютной деформации (укорочения) образца;

3.1.2 кривая упрочнения: График зависимости напряжения течения от логарифмической деформации;

3.1.3 осевая сжимающая нагрузка: Нагрузка, действующая на образец в данный момент испытания;

3.1.4 условное номинальное напряжение : Напряжение, определяемое отношением нагрузки к начальной площади поперечного сечения;

3.1.5 напряжение течения : Напряжение, превышающее предел текучести, определяемое отношением нагрузки к действительной для данного момента испытаний площади поперечного сечения образца при равномерном деформировании;

3.1.6 предел пропорциональности при сжатии : Напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и абсолютным укорочением образца достигает такого значения, при котором тангенс угла наклона, образованного касательной к диаграмме F - в точке с осью нагрузок, увеличивается на 50% своего значения на линейном упругом участке;

3.1.7 предел упругости при сжатии : Напряжение, при котором относительная остаточная деформация (укорочение) образца () достигает 0,05% первоначальной расчетной высоты образца;

3.1.8 предел текучести (физический) при сжатии : Наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения сжимающей нагрузки;

3.1.9 условный предел текучести при сжатии : Напряжение, при котором относительная остаточная деформация (укорочение) образца достигает 0,2% первоначальной расчетной высоты образца;

3.1.10 предел прочности при сжатии : Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению;

3.1.11 показатель деформационного упрочнения n: Степенной показатель аппроксимирующего кривые упрочнения уравнения , характеризующий способность металла к упрочнению при равномерной пластической деформации.

4 Форма и размеры образцов

4.1 Испытания проводят на образцах четырех типов: цилиндрических и призматических (квадратных и прямоугольных), с гладкими торцами I-III типов (рисунок 1) и торцевыми выточками IV типа (рисунок 2).

4.2 Тип и размер образца выбирают по таблице 1

Таблица 1

Тип образца	Начальный диаметр цилиндрического образца d_0, мм	Начальная толщина призматического образца a_0, мм	Рабочая (начальная расчетная) высота образца h(h_0)*, мм	Определяемая характеристика	Примечание
I	20	20	100	Модуль упругости, предел пропорциональности
II	6-30	5-30	h(h_0)=3d_0	Предел пропорциональности, предел упругости
III	6; 10; 15; 20; 25; 30	5; 10; 15; 20; 25; 30	Определяют по приложению А	Физический предел текучести, условный предел текучести. Построение кривой упрочнения до значений логарифмических деформаций epsilon_l<=2/3 х ln h_0/d_0**	Рисунок 1
IV	6 10 15 20 25 30	-		Построение кривой упрочнения	Рисунок 2. Толщину и высоту буртика определяют по приложению А
* Высоту призматического образца устанавливают исходя из его площади b x а, приравнивая ее к ближайшей площади через d_0. ** Для построения кривых упрочнения применяются только цилиндрические образцы.
Примечание - Ширину призматических образцов b определяют из b соотношения - = 1 - 1,5. a

4.3 Места вырезки заготовок для образцов и направление продольной оси образцов по отношению к заготовке должны быть приведены в нормативном документе на правила отбора проб, заготовок и образцов на металлопродукцию.

4.4 Образцы обрабатывают на металлорежущих станках. Глубина резания при последнем проходе не должна превышать 0,3 мм.

4.5 Термическую обработку металлов следует проводить до финишных операций механической обработки образцов.

4.6 Погрешность измерения диаметра и размеров поперечного сечения призматического образца до испытания не должна быть более, мм:

0,01 - для размеров до 10 мм;

0,05 - для размеров свыше 10 мм.

Измерение диаметра образцов до испытания проводят в двух взаимно перпендикулярных сечениях. Результаты измерений усредняют, вычисляют площадь поперечного сечения образца, округляя в соответствии с таблицей 2.

Таблица 2

Площадь поперечного сечения образца, мм2	Округление значения
Св. 20 до 100 включ.	0,1
" 100 " 200 "	0,5
" 200	1,0

4.7 Погрешность измерения высоты образца до испытания не должна быть более, мм:

0,01 - для образцов I и II типов;

0,01 - для образцов III типа, если испытания данного типа образца проводят при деформациях и более 0,05 мм для ;

0,05 - для образцов IV типа.

5 Требования к оборудованию и аппаратуре

5.1 Испытания проводят на машинах сжатия всех систем и машинах растяжения (зона сжатия), отвечающих требованиям настоящего стандарта и ГОСТ 28840-90.

5.2 При проведении испытаний на сжатие испытательная машина должна быть оснащена:

- преобразователем силы и тензометром или преобразователями силы и перемещений с самопишущим прибором - при определении механических характеристик , , . При этом установка тензометра проводится на образец в его расчетной части, а самопишущий прибор предназначен для записи диаграммы ;

- преобразователями силы и перемещений с самопишущим прибором - при определении механических характеристик , , и построении кривой упрочнения на образцах III типа. При этом преобразователь перемещений устанавливают на активном захвате испытательной машины. Допускается измерять абсолютную деформацию (укорочение) образца измерительными приборами и инструментом;

- преобразователем силы и измерительными приборами и инструментом - при построении кривой упрочнения на образцах IV типа.

5.2.1 Тензометры должны соответствовать требованиям ГОСТ 18957.

5.2.2 Суммарная погрешность измерения и регистрации перемещений с самопишущим прибором абсолютной деформации не должна превышать измеряемой величины.

5.2.3 Самопишущий прибор должен обеспечивать запись диаграммы со следующими параметрами:

- высотой ординаты диаграммы, соответствующей наибольшему предельному значению диапазона измерения нагрузок, не менее 250 мм;

- масштабами записи по оси абсолютной деформации от 10:1 до 800:1.

5.2.4 Цена деления шкал измерительных приборов и инструмента при измерении конечной высоты образца не должна превышать, мм:

5.2.5 Погрешность измерения конечного диаметра образца и размеров поперечного сечения призматического образца не должна быть более, мм:

0,01 - для размеров до 10 мм;

0,05 - для размеров свыше 10 мм.

6 Подготовка и проведение испытаний

6.1 Число образцов для оценки среднего значения механических характеристик , , , , и должно быть не менее пяти**, если в нормативном документе на поставку материалов не оговорено другое количество.

6.2 Число образцов для построения кривой упрочнения

6.2.1 Для построения кривой упрочнения на образцах III, IV типов с последующей обработкой результатов испытаний методами корреляционного анализа число образцов выбирают в зависимости от предполагаемого вида кривой упрочнения и ее участков (см. приложение Б). Для участка I кривой упрочнения (см. рисунок Б.1 а) испытывают не менее шести образцов, для участка II - не менее пяти образцов, для участка III - в зависимости от значения деформации, соответствующей данному участку (не менее одного образца на диапазон степеней деформации ). Для кривых упрочнения, приведенных на рисунках Б.1б-Б.1г и Б.1е-Б.1к, число образцов должно быть не менее 15, а для кривых, представленных на рисунке Б.1д, - не менее восьми образцов для каждого из участков кривой, отделенных друг от друга максимумами и минимумами.

6.2.2 При ограниченном объеме испытаний для построения кривой упрочнения на образцах III типа с последующим регрессионным анализом результатов испытания число образцов должно быть не менее пяти.

6.3 Испытания образцов на сжатие проводят в условиях, обеспечивающих минимальный эксцентриситет приложения нагрузки и безопасность проведения экспериментов. Рекомендуется использовать приспособление, приведенное в приложении В.

6.4 Твердость деформирующих плит должна превышать твердость упрочненных во время испытания образцов не менее чем на .

Толщину деформирующих плит устанавливают в зависимости от создаваемых усилий в образце и принимают равной 20-50 мм.

6.5 Необходимо контролировать соблюдение равномерности деформирования при испытании образцов на сжатие (отсутствие бочкообразования и вогнутости).

6.5.1 При определении модуля упругости , предела пропорциональности и упругости контроль осуществляют с помощью приборов, устанавливаемых на противоположных сторонах призматического и цилиндрического образцов, при этом нормируемая разность показаний двух приборов не должна превышать 10 (15) %.

6.5.2 При определении предела текучести , предела прочности и при построении кривой упрочнения контроль осуществляют по равенствам для цилиндрических и призматических образцов:

; ,

где - начальная расчетная высота цилиндрического и призматического образцов, по которой определяется укорочение (база тензометра), мм;

- конечная расчетная высота цилиндрического и призматического образцов после испытания до заданной деформации или при разрушении, мм;

- начальная площадь поперечного сечения цилиндрического образца, ();

- конечная площадь поперечного сечения цилиндрического образца после испытания до заданной деформации или при разрушении, ();

- конечная площадь поперечного сечения призматического образца после испытания до заданной деформации или при разрушении, (, , где - конечная толщина призматического образца, - конечная ширина призматического образца, мм);

- начальная площадь поперечного сечения призматического образца, ().

6.6 При испытании образцов I, II типов торцы образцов обезжиривают. Смазывание торцов смазочным материалом недопустимо.

6.7 При испытании образцов III типа допускается применение смазочного материала, а при испытании образцов IV типа применение смазки является обязательным.

6.7.1 При испытании образцов III типа в качестве смазочного материала применяют машинное масло с графитом, смазочно-охлаждающую жидкость марки В-32К и Укринол 5/5.

6.7.2 При испытании образцов IV типа в качестве смазочного материала применяют стеарин, парафин, парафино-стеариновую смесь или воск. На образцы смазочный материал наносят в жидком состоянии. Толщина смазочного материала должна соответствовать высоте буртиков.

6.7.3 Допускается применение других смазочных материалов, обеспечивающих уменьшение контактного трения между образцами и деформирующей плитой.

6.8 При испытании образцов на сжатие до предела текучести скорость относительной деформации выбирают от до , за пределом текучести - не более , а для построения кривых упрочнения устанавливают от до . Скорость относительной деформации рекомендуется определять с учетом упругой податливости системы "испытательная машина - образец" (см. ГОСТ 1497-84). Если выбранная скорость относительной деформации в области текучести не может быть достигнута непосредственно регулированием испытательной машины, то ее устанавливают от 3 до 30 МПа/с [(от 0,3 до )] регулированием скорости нагружения до начала области текучести образца.

6.9 Определение механических характеристик

6.9.1 Механические характеристики , , , определяют:

- с помощью тензометров с ручным и автоматизированным съемом информации (аналитический и расчетный способ обработки);

- по записанной испытательной машиной автодиаграмме в координатах "усилие - абсолютная деформация ()" с учетом масштаба записи.

Запись диаграмм выполняется при ступенчатом нагружении с циклами разгрузки и непрерывном приложении возрастающего усилия в диапазонах указанных скоростей нагружения и деформирования. Масштаб записи:

- по оси деформации - не менее 100:1;

- по оси нагрузки 1 мм диаграммы должен соответствовать не более 10 МПа ().

Поле записи усилий и деформаций должно быть, как правило, не менее 250 х 350 мм.

6.9.2 Результаты испытаний каждого образца записывают в протокол испытаний (приложение Г), а результаты испытаний партии образцов - в сводный протокол испытаний (приложение Д).

6.9.3 Модуль упругости при сжатии определяют на образцах I типа. Порядок проведения испытаний образца и методика построения диаграммы испытаний по показаниям преобразователя силы и тензометра приведены ниже.

Образец нагружают до напряжения (напряжение соответствует ожидаемому значению предела пропорциональности).

При напряжении на образец устанавливают тензометры и нагружают ступенчато-возрастающим напряжением до . При этом перепад между соседними ступенями напряжения составляет .

По результатам испытаний строят диаграмму (рисунок 3). Модуль упругости при сжатии , МПа (), рассчитывают по формуле

, (1)

где - ступень нагрузки, Н (кгс);

- средняя абсолютная деформация (укорочение) образца при нагружении на , мм.

Для определения модуля упругости при сжатии по диаграмме , записанной на самопишущем приборе (см. 4.2), образец нагружают непрерывно до . Напряжение соответствует ожидаемому значению предела пропорциональности.

По диаграмме, используя формулу (1), определяем модуль упругости при сжатии .

6.9.4 Предел пропорциональности при сжатии определяют на образцах I и II типов. Порядок испытаний образца и методика построения диаграммы по показаниям преобразователя силы и тензометра приведены ниже.

Образец нагружают до напряжения (напряжение соответствует ожидаемому значению предела пропорциональности).

При напряжении на образец устанавливают тензометр и нагружают ступенчато-возрастающим напряжением до , при этом перепад между соседними ступенями напряжения составляет . Далее образец нагружают ступенями напряжения, равными . Когда значение абсолютной деформации (укорочение) образца на ступени напряжения, равной , превысит среднее значение абсолютной деформации (укорочение) образца (при той же ступени напряжения) на начальном линейном упругом участке в 2, 3 раза, испытания прекращают.

По результатам испытаний строят диаграмму и определяют предел пропорциональности при сжатии (рисунок 4). При построении диаграммы проводят прямую ОМ, совпадающую с начальным прямолинейным участком. Через точку О проводят ось ординат OF, а затем - прямую АВ на произвольном уровне, параллельную оси абсцисс. На этой прямой откладывают отрезок KN, равный половине отрезка АК. Через точку N и начало координат проводят прямую ON и параллельно ей - касательную CD к кривой. Точка касания определяет нагрузку , соответствующую пределу пропорциональности при сжатии , МПа (), рассчитанному по формуле

. (2)

Для определения предела пропорциональности при сжатии по диаграмме , записанной на самопишущем приборе (см. 4.2), образец нагружают непрерывно до напряжения, превышающего ожидаемое значение предела пропорциональности . По диаграмме, используя формулу (2) и проведя приведенные выше построения, определяют предел пропорциональности при сжатии .

6.9.5 Предел упругости при сжатии определяют на образцах II типа. Порядок испытаний по показаниям преобразователя силы и тензометра приведен ниже.

Образец нагружают до напряжения (напряжение соответствует ожидаемому значению предела упругости при сжатии).

При напряжении на образец устанавливают тензометр и нагружают ступенчато-возрастающим напряжением до . При этом перепад между соседними ступенями напряжения составляет . Далее с напряжения образец нагружают ступенями напряжения, равными . Испытания прекращают, когда остаточное укорочение образца превысит заданное значение допуска.

По результатам испытаний строят диаграмму и определяют предел упругости при сжатии (рисунок 5).

Для определения нагрузки рассчитывают абсолютную деформацию (укорочение образца) , исходя из базы тензометра. Найденное значение увеличивают пропорционально масштабу диаграммы по оси абсолютной деформации и отрезок полученной длины ОЕ откладывают по оси абсцисс вправо от точки О. Из точки Е проводят прямую ЕР, параллельную прямой ОА. Точка пересечения Р с диаграммой определяет высоту ординаты, т.е. нагрузку , соответствующую пределу упругости при сжатии , МПа (), рассчитанному по формуле

. (3)

Для определения предела упругости при сжатии по диаграмме , записанной на самопишущем приборе (см. 4.2), образец нагружают непрерывно до напряжения, превышающего ожидаемое значение предела упругости . По диаграмме, используя формулу (3) и рисунок 5, определяют предел упругости при сжатии .

6.9.6 Предел текучести (физический) при сжатии определяют на образцах III типа.

Образец непрерывно нагружают до напряжения, превышающего ожидаемое значение , и записывают диаграмму на самопишущем приборе (см. 4.2).

Пример определения нагрузки , соответствующей пределу текучести (физическому), приведен на рисунке 6.

"Рисунок 6. Определение нагрузки , соответствующей пределу текучести при сжатии"

Предел текучести (физический) , МПа (), рассчитывают по формуле

. (4)

6.9.7 Условный предел текучести при сжатии определяют на образцах III типа.

Образец непрерывно нагружают до напряжения, превышающего ожидаемое значение условного предела текучести , и записывают диаграмму на самопишущем приборе (см. 4.2).

Масштаб по оси деформации не менее 100:1, а по оси нагрузки - 1 мм диаграммы должен соответствовать не более 10 МПа (). Допускается определение по диаграммам, записанным с масштабом по оси удлинений 50:1 и 10:1, если исходная высота образца больше или равна 25 и 50 мм соответственно. Полученную диаграмму перестраивают с учетом жесткости испытательной машины. По диаграмме (рисунок 7) определяют нагрузку, соответствующую условному пределу текучести (физическому) при сжатии , рассчитанному по формуле

. (5)

По результатам испытаний строят диаграмму (рисунок 8) и определяют нагрузку, соответствующую условному пределу текучести при сжатии, который рассчитывают по формуле (5).

"Рисунок 7. Диаграмма испытаний для определения условного предела текучести при сжатии"

"Рисунок 8. Диаграмма испытаний для определения условного предела текучести при сжатии"

6.9.8 Предел прочности при сжатии определяют на образцах III типа.

Образец непрерывно нагружают до разрушения. Наибольшую нагрузку, предшествующую разрушению образца, принимают за нагрузку , соответствующую пределу прочности при сжатии , МПа (), рассчитанному по формуле

. (6)

6.10 Методика испытаний для построения кривой упрочнения

6.10.1 Для построения кривой упрочнения испытывают серию одинаковых цилиндрических образцов III и IV типов (см. раздел 3) на нескольких уровнях заданных нагрузок.

6.10.2 Кривую упрочнения строят в координатах: ордината - напряжение течения , абсцисса - логарифмическая деформация (рисунок 9) или в двойных логарифмических координатах (рисунок 10).

"Рисунок 9. Экспериментальная кривая упрочнения в координатах "

"Рисунок 10. Экспериментальная кривая упрочнения в логарифмических координатах"

Напряжение течения , МПа (), рассчитывают по формуле

, (7)

где F - осевая сжимающая нагрузка, Н (кгс).

Напряжение течения , МПа (), определяют графически по экспериментальной кривой упрочнения при логарифмической деформации (укорочении) образца , равной 1.

Логарифмическую деформацию (укорочение) , рассчитывают по формулам:

для образцов III типа

; (8)

для образцов IV типа

. (9)

Результаты испытаний каждого образца записывают в протокол испытаний (приложение Г), а результаты испытаний партии образцов - в сводный протокол (приложение Д).

Примечание - Допускается построение кривой упрочнения по относительной деформации (укорочение) ()

6.10.3 Порядок испытаний образца приведен ниже.

Нагружают образец до заданной нагрузки. Разгружают образец до нулевой нагрузки и измеряют конечный диаметр образца в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а для образцов III типа также конечную высоту образца . Конечный диаметр для образцов IV типа измеряют посредине осаженного образца (на расстоянии 0,5 от торцов).

Для определения образцов III типа измеряют диаметры осаженных образцов на обоих торцах в двух взаимно перпендикулярных направлениях и устанавливают среднее арифметическое значение конечного диаметра торцов , а посредине образца измеряют максимальное значение конечного диаметра осаженной заготовки , мм, рассчитывают по формуле

. (10)

Результаты измерений и усредняют. Конечную площадь поперечного сечения образца округляют, как приведено в таблице 2.

Для образцов IV типа одноразовое испытание проводят до момента исчезновения буртиков.

С целью достижения более высоких степеней равномерной деформации применяют двухступенчатую осадку, при этом значение логарифмической деформации между осадками должно быть не менее 0,45.

При двухступенчатом испытании проводят после первого осаживания перетачивание образцов для образования цилиндрической выточки (IV тип). Размеры буртиков образца выбирают по таблице 1. Отношение высоты переточенного образца к диаметру принимают по приложению А.

Для образцов III типа допускается применять промежуточное перетачивание для двухступенчатого осаживания, при этом логарифмическая степень деформации между ступенями должна быть не менее 0,45.

6.10.4 Напряжение течения и соответствующие ему значения логарифмических деформаций для заданных уровней нагрузок определяют по 6.10.2.

6.10.5 Строят кривую упрочнения (см. рисунки 9, 10). Методика обработки экспериментальных данных изложена в приложении Е.

6.10.6 В обоснованных случаях (при ограниченном количестве образцов или при использовании результатов для расчетов процессов, связанных со ступенчатым нагружением) образцы III типа допускается испытывать при ступенчатом увеличении нагрузки (рисунок 11). При этом результаты испытаний для построения кривой упрочнения обрабатывают методом регрессионного анализа (см. приложение Е).

"Рисунок 11. Проведение испытаний при ступенчатом увеличении нагрузки"

6.10.7 Испытание образцов считается недействительным:

- при отрыве буртиков у образцов IV типа во время нагружения;

- при разрушении образца по дефектам металлургического производства (расслой, газовые раковины, плены и т.д.).

Количество образцов для испытаний взамен признанных недействительными должно быть одинаковым.

6.11 При проведении испытаний образцов всех типов соблюдают все правила технической безопасности, предусмотренные при работе на данном оборудовании. Испытания образцов IV типа выполняют обязательно с использованием приспособления (см. приложение В).

______________________________

* На территории Российской Федерации отменен.

** Если разница в определяемых характеристиках не превышает 5%, можно ограничиться тремя образцами.