Приложение Б (обязательное). Методы определения характеристик материалов, применяемых в расчетах на прочность

Приложение Б
(обязательное)

Методы определения характеристик материалов, применяемых в расчетах на прочность

Б.1 Общие положения

Б.1.1 В настоящем приложении изложены методы проведения испытаний и методические подходы к определению характеристик материалов, применяемых в расчетах на прочность.

Б.1.2 Для проведения прочностных расчетов используют численные значения физических и механических свойств материалов.

Б.1.3 Режимы и условия испытаний должны соответствовать требованиям А.4-А.9 (приложение А).

Б.1.4 Отбор проб, заготовок для образцов и испытательных образцов должен проводиться в соответствии с требованиями 6.4.

Б.2 Определение физических свойств материалов

Б.2.1 Определение модуля нормальной упругости

Б.2.1.1 Определение модуля нормальной упругости должно проводиться в соответствии с А.4 (приложение А).

Б.2.1.2 Измерение модуля нормальной упругости должно проводиться динамическим методом.

Б.2.1.3 Для измерений должны использоваться цилиндрические образцы диаметром 8 мм, длиной 200 мм. Отклонение от заданной температуры при измерениях не должно превышать  3 °С.

Б.2.1.4 При каждой температуре измерений должно быть получено не менее 10 значений измеряемой характеристики.

Б.2.1.5 Отбор проб, требования к образцам и их ориентации в исследуемом полуфабрикате, проведение испытаний и обработка результатов для определения расчетных значений модуля нормальной упругости должны соответствовать принятой для проведения испытаний аттестованной методике.

Б.2.2 Определение температурных коэффициентов термического расширения

Б.2.2.1 Определение температурных коэффициентов термического расширения должно проводиться в соответствии с А.4 (приложение А).

Б.2.2.2 Определение температурных коэффициентов термического расширения должно проводиться дилатометрическим методом, используя дилатометры с погрешностью измерения не более 3 %.

Б.2.2.3 По результатам испытаний определяются значения среднего и истинного температурных коэффициентов термического расширения.

Б.2.2.4 При каждой температуре измерений должно быть получено не менее 10 значений измеряемых характеристик.

Б.2.2.5 Отбор проб, требования к образцам и их ориентации в исследуемом полуфабрикате, проведение испытаний и обработка результатов для определения расчетных значений температурных коэффициентов термического расширения должны соответствовать принятой для проведения испытаний аттестованной методике.

Б.3 Определение механических свойств материалов при кратковременном растяжении

Б.3.1 Определение механических свойств при кратковременном растяжении должно проводиться в соответствии с А.5 (приложение А).

Б.3.2 Испытания и обработка результатов испытаний при кратковременном растяжении для определения механических характеристик материала полуфабрикатов, кроме труб, а также лент толщиной менее 0,5 мм при температуре  °С должны проводиться по ГОСТ 1497, при повышенных температурах до 1200 °С - по ГОСТ 9651, при пониженных температурах - по ГОСТ 11150.

Б.3.3 Испытания и обработка результатов испытаний при кратковременном растяжении для определения механических характеристик материала труб при температуре  °С должны проводиться по ГОСТ 10006, при повышенных температурах - по ГОСТ 19040.

Б.3.4 Испытания на растяжение тонких листов и лент толщиной до 3,0 мм включительно при температуре  °С должны проводиться по ГОСТ 11701.

Б.3.5 Испытания на растяжение проволоки диаметром или максимальным размером поперечного сечения толщиной до 16,0 мм включительно при температуре  °С должны проводиться по ГОСТ 10446.

Б.3.6 Испытания сварных соединений, их отдельных участков и наплавленного металла должны проводиться по ГОСТ 6996, ГОСТ Р ИСО 4136 и ГОСТ Р ИСО 5178.

Б.3.7 В результате испытаний на растяжение должны быть получены диаграммы растяжения (Р - l) или ( - ), где Р - нагрузка, l - удлинение, - напряжение, - деформация, и при каждой температуре испытания должны быть определены следующие характеристики механических свойств:

- предел пропорциональности, R_ре;

- условный предел текучести, R_p0,2;

- временное сопротивление (предел прочности), R_m;

- относительное равномерное удлинение, А_р;

- относительное удлинение после разрыва, A₀;

- относительное сужение поперечного сечения после разрыва, Z;

- диаграммы деформирования.

Б.3.8 В случае необходимости в результате испытаний материалов на растяжение по ГОСТ 1497 и ГОСТ 9651 определяется относительное равномерное сужение площади поперечного сечения Z_p. Z_p определяется пересчетом по относительному равномерному удлинению А_р, соответствующему максимальной нагрузке Р_b на диаграмме растяжения (Р - l или  - ) по формуле (Б.1).

.

(Б.1)

Б.4 Определение характеристик длительной прочности, длительной пластичности и ползучести

Б.4.1 Определение характеристик длительной прочности, длительной пластичности и ползучести должно проводиться в соответствии с А.7 (приложение А).

Б.4.2 Количество испытанных образцов в пределах одной плавки, представляющей марку стали или сплава данной категории прочности, должно составлять не менее 12. При каждом режиме (температура испытания, напряжение) должны испытываться не менее двух образцов. Если времена до разрушения образцов, испытанных на одном и том же режиме, различаются между собой более чем в два раза, то должны быть проведены дополнительные испытания на двух образцах.

При обработке результатов испытаний должны учитываться все результаты, полученные при основных и дополнительных испытаниях.

Б.4.3 В случае необходимости экстраполяции данных на установленный срок службы продукции могут быть применены методы, установленные в федеральных нормах и правилах в области использования атомной энергии, устанавливающих нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов АЭУ.

Б.4.4 Испытания на ползучесть должны проводиться по ГОСТ 3248.

По результатам испытаний при каждой температуре испытаний строятся первичные кривые ползучести и определяются условный предел ползучести материала, суммарная остаточная деформация и средняя скорость установившейся ползучести (из условия линейной аппроксимации).

Данные испытаний используются для получения уравнений ползучести и построения изохронных кривых ползучести.

Б.4.5 Испытания на длительную прочность должны проводиться по ГОСТ 10145.

При каждой температуре испытаний должны определяться условный предел длительной прочности, условный предел длительного относительного удлинения, условный предел длительного относительного сужения.

По результатам испытаний при каждой температуре испытаний устанавливаются зависимости между напряжением, относительным удлинением после разрушения (длительным относительным удлинением), относительным сужением площади поперечного сечения образца после разрушения (длительным относительным сужением) и временем до разрушения, проводят статистическую обработку данных и их экстраполяцию на установленный срок службы.

Б.4.6 При отсутствии прямых испытаний по определению характеристик жаропрочности материала категории прочности ниже категории прочности материала той же марки, прошедшего испытания на длительную прочность, его пределы длительной прочности допускается определять по значениям пределов длительной прочности материала той же марки более высокой категории прочности и значений временного сопротивления (предела прочности) и пределов текучести материалов обеих категорий прочности. Искомое значение принимается минимальным из двух (величин), определяемых по формулам:

,

(Б.2)

,

(Б.3)

где индекс 1 - категория прочности материала, для которого экспериментально получены характеристики жаропрочности (категория прочности 1);

индекс 2 - категория прочности материала, для которого рассчитываются характеристики жаропрочности (категория прочности 2);

, , , , , - соответственно предел длительной прочности, предел текучести и временное сопротивление (предел прочности) материалов категорий прочности 1 и 2 при расчетной температуре Т.

Таким же образом значение длительной пластичности (относительных удлинения и сужения) материала категории прочности 2 допускается определять по известным значениям пределов длительного относительного удлинения (сужения) материала при категории прочности 1, временного сопротивления (предела прочности) и предела текучести материалов категорий прочности 1 и 2. Искомое значение принимается минимальным из двух характеристик, определяемых по формулам:

- для предела длительного относительного удлинения

;

(Б.4)

,

(Б.5)

- для предела длительного относительного сужения

;

(Б.6)

,

(Б.7)

где , , , - соответственно пределы длительного относительного удлинения и длительного относительного сужения материалов категорий прочности 1 и 2 при расчетной температуре Т.

Б.5 Определение характеристик сопротивления хрупкому разрушению

Б.5.1 Определение характеристик сопротивления хрупкому разрушению должно проводиться в соответствии с А.6 (приложение А).

Б.5.2 Указанные в А.6 (приложение А) значения К_lc (или J_lc), , К_с, J_c должны определяться по ГОСТ 25.506.

Б.5.3 Определение критической температуры хрупкости

Б.5.3.1 Под критической температурой хрупкости понимается температура, принимаемая за температурную границу изменения характера разрушения материала от хрупкого к вязкому. Она определяется по энергии, затрачиваемой на разрушение, в качестве показателя которой принимается ударная вязкость, определенная на образцах KCV (Шарпи), и по виду излома образцов, в качестве показателя которого принимается доля вязкой составляющей в изломе или значение поперечного расширения образца в зоне излома.

Б.5.3.2 Для определения критической температуры хрупкости должны проводиться испытания образцов на ударный изгиб в выбранном интервале температур. Начальной температурой испытания является ожидаемая температура перехода в хрупкое состояние.

Б.5.3.3 Испытания на ударный изгиб должны проводиться по ГОСТ 9454.

Для основного металла при испытании на ударный изгиб должны использоваться образцы типа 11 по ГОСТ 9454, для сварных соединений - образцы типа IX по ГОСТ 6996.

Б.5.3.4 На основании полученных результатов испытаний строятся зависимости ударной вязкости, вязкой составляющей в изломе и поперечного расширения образца от температуры испытаний.

Б.5.3.5 Значения вязкой составляющей в изломе должны определяться согласно ГОСТ 4543 (приложение Г).

Б.5.3.6 По заданным критериальным значениям ударной вязкости и вязкой составляющей в изломе, приведенным в таблицах Б.1 и Б.2, определяются значения критической температуры хрупкости.

Таблица Б.1 - Критериальные значения ударной вязкости при температуре Т_k, °С

Предел текучести при температуре 20 °С, Н/мм2	Ударная вязкость (KCV)I, Дж/см2
До 304 включ.	29
Более 304 до 402 включ.	39
Более 402 до 549 включ.	49
Более 549 до 687 включ.	59

Таблица Б.2 - Критериальные значения ударной вязкости при температуре (T_k + 30), °С

Предел текучести при температуре 20 °С, Н/мм2	Ударная вязкость (КСV)II, Дж/см2
До 304 включ.	44
Более 304 до 402 включ.	59
Более 402 до 549 включ.	74
Более 549 до 687 включ.	89

В качестве критической температуры хрупкости Т_k принимается температура, для которой выполняются следующие условия:

1) при температуре Т_k среднеарифметическое значение ударной вязкости должно быть не ниже значений, указанных в таблице Б.1, а минимальное значение ударной вязкости - не ниже 70 % значений, указанных в таблице Б.1;

2) при температуре (Т_k + 30) °С среднеарифметическое значение ударной вязкости должно быть не ниже значений, указанных в таблице Б.1, минимальное значение ударной вязкости - не ниже 70 % значений, указанных в таблице Б.2, минимальное значение вязкой составляющей в изломе - не ниже 50 %.

Б.5.3.7 Средние и минимальные значения поперечного расширения образца приводятся как справочные при критической температуре хрупкости Т_k и температуре (Т_k + 30) °С.

Допускается табличная форма представления полученных результатов испытаний ударной вязкости и вязкой составляющей в изломе.

Б.5.3.8 Отбор проб, требования к образцам и их ориентации в исследуемом полуфабрикате, проведение испытаний и обработка результатов для определения расчетных значений T_k0 должны соответствовать принятой для проведения испытаний аттестованной методике.

Б.5.4 Определение сдвига критической температуры хрупкости вследствие термического старения

Б.5.4.1 Сдвиг критической температуры хрупкости вследствие термического старения определяется по формуле

,

(Б.8)

где - критическая температура хрупкости материала, подвергавшегося термическому старению;

- критическая температура хрупкости материала в исходном состоянии (до старения).

Б.5.4.2 Определения должны проводиться по результатам испытаний на ударный изгиб образцов, подвергавшихся термическому старению.

Б.5.4.3 Определение значений и проводится по Б.5.3.

Б.5.4.4 Отбор проб, требования к образцам и их ориентации в исследуемом полуфабрикате, порядок проведения испытаний и обработка результатов для определения сдвига критической температуры хрупкости вследствие термического старения должны соответствовать принятой для проведения испытаний аттестованной методике.

Б.5.5 Определение сдвига критической температуры хрупкости вследствие накопления усталостных повреждений

Б.5.5.1 Сдвиг критической температуры хрупкости вследствие накопления усталостных повреждений определяется по формуле

,

(Б.9)

где - критическая температура хрупкости материала, подвергавшегося циклическому нагружению;

- критическая температура хрупкости материала в исходном состоянии (до циклического нагружения).

Б.5.5.2 Определение значений и проводится по Б.5.3.

Б.5.5.3 Определение должно проводиться по результатам испытаний на ударный изгиб образцов, подвергавшихся циклическому нагружению.

Б.5.5.4 Отбор проб, требования к образцам и их ориентации в исследуемом полуфабрикате, порядок проведения испытаний и обработка результатов для определения сдвига критической температуры хрупкости вследствие накопления усталостных повреждений должны соответствовать принятой для проведения испытаний аттестованной методике.

Б.5.6 Определение сдвига критической температуры хрупкости вследствие влияния облучения и коэффициента радиационного охрупчивания

Б.5.6.1 Сдвиг критической температуры хрупкости вследствие влияния облучения определяется по формуле

,

(Б.10)

где   0;

- критическая температура хрупкости материала после облучения;

- критическая температура хрупкости материала в исходном (до облучения) состоянии.

Б.5.6.2 Коэффициент радиационного охрупчивания определяется из соотношения

,

(Б.11)

где - флюенс нейтронов с энергией E > 0,5 МэВ, нейтр/м²;

 = 10²² нейтр/м²;

m - коэффициент.

Б.5.6.3 Определение значений Т_kи проводится по Б.5.3.

Б.5.6.4 Отбор проб, требования к образцам и их ориентации в исследуемом полуфабрикате, порядок проведения испытаний, в том числе облучения образцов, и обработка результатов для определения сдвига критической температуры хрупкости вследствие влияния облучения и коэффициента радиационного охрупчивания должны соответствовать принятой для проведения испытаний аттестованной методике.

Б.6 Определение характеристик циклической прочности

Б.6.1 Общие положения

Б.6.1.1 Определение характеристик циклической прочности должно проводиться в соответствии с А.8 (приложение А).

Б.6.1.2 Основными характеристиками, подлежащими определению по результатам испытания металлов и их сварных соединений на циклическую прочность в малоцикловой и многоцикловой областях, являются:

- диаграмма статического и циклического деформирования до деформаций не менее 3 % и константы уравнений кривых деформирования при их степенной аппроксимации;

- кривые циклической прочности при нагружении с заданными деформациями и константы уравнений кривых циклической прочности при их степенной аппроксимации;

- кривые циклической прочности при нагружении с заданными усилиями и константы уравнений кривых циклической прочности при их степенной аппроксимации;

- предел выносливости материала при заданном числе циклов при симметричном нагружении;

- коэффициенты снижения циклической прочности сварного соединения и металла с наплавкой, ;

- кривые длительной циклической прочности конструкционных материалов и их сварных соединений;

- коэффициент снижения циклической прочности конструкционных материалов и их сварных соединений с учетом влияния нейтронного облучения;

- коэффициенты снижения циклической прочности конструкционных материалов и их сварных соединений с учетом влияния коррозионной среды.

Б.6.1.3 При испытаниях должны быть удовлетворены требования ГОСТ 25.502 и ГОСТ 25.505 к экспериментальному оборудованию, форме и размерам образцов, их изготовлению и чистоте поверхности.

Б.6.1.4 Для материала, испытываемого на циклическую прочность, должны быть получены характеристики кратковременной статической прочности и пластичности по Б.3 и характеристики длительной прочности и длительной пластичности при соответствующих температурах испытаний по Б.4.

Б.6.2 Циклическая прочность в малоцикловой области (малоцикловая усталость)

Б.6.2.1 Испытания на малоцикловую усталость должны проводиться по ГОСТ 25.502.

Б.6.2.2 Малоцикловое нагружение образцов осуществляется преимущественно в режиме осевого растяжения - сжатия с заданными амплитудами деформаций.

Допускается проведение испытаний при изгибе или кручении.

Б.6.2.3 Для материалов, склонных к циклическому разупрочнению (с отношением предела текучести к пределу прочности свыше 0,7), наряду с испытаниями, указанными в Б.6.2.2, следует проводить испытания с заданной амплитудой напряжений (усилий).

Б.6.2.4 Испытания на малоцикловую усталость должны проводиться на воздухе:

- при осевом растяжении - сжатии (основной вид нагружения);

- при амплитудах напряжений выше предела текучести и соответствующих деформациях;

- при симметричном цикле по контролируемому параметру (деформация или напряжение);

- при числе циклов нагружения от 10² до (не менее);

- при частоте нагружения до 1 Гц, исключающей саморазогрев образцов более чем на 30 °С.

Б.6.2.5 Характеристики сопротивления малоцикловой усталости должны определяться по результатам испытаний серии образцов, из них должно быть:

- не менее трех - для определения диаграмм деформирования;

- не менее десяти - для определения кривых циклической прочности по образованию трещин длиной от 0,5 до 2,0 мм при симметричном цикле деформаций или напряжений.

Б.6.2.6 При склонности образцов типа II и IV по ГОСТ 25.502 к потере устойчивости допускается сокращение длины рабочей части I образцов типа II до 2d (d - диаметр рабочей части) и типа IV до (b - высота; h - толщина рабочей части плоского образца).

Б.6.3 Циклическая прочность в многоцикловой области (многоцикловая усталость)

Б.6.3.1 Испытания на многоцикловую усталость должны проводиться по ГОСТ 25.502.

Б.6.3.2 Характеристики многоцикловой усталости в заданном диапазоне амплитуд напряжений (деформаций) и при заданной асимметрии должны быть получены по результатам испытаний серии образцов, число которых должно быть не менее 12.

Б.6.3.3 При многоцикловом нагружении образцов в качестве основного режима нагружения должен преимущественно применяться режим осевого растяжения - сжатия.

Б.6.3.4 Испытания на многоцикловую усталость должны проводиться на воздухе:

- при осевом растяжении - сжатии (основной вид нагружения);

- при симметричном цикле нагружения;

- при числе циклов нагружения для сталей свыше до 10⁷;

- при частоте нагружения до 200 Гц, исключающей саморазогрев образцов более чем на 30 °С от заданной температуры.

Б.6.3.5 При оценке чувствительности материала к