Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Механические испытания на удар

Обычные ударные испытания образцов, осуществляемые на маятниковых копрах, призваны оценить склонность материала к хрупкому разрушению и относятся по своим скоростным показателям (скорость удара 5-7 м/с) к квазистатическому нагружению. Ниже будет рассмотрено поведение металлических материалов при квазистатическом ударном нагружении. Метод основан на разрушении при изгибе образца с концентратором в виде надреза одним ударом маятника копра. Надрез в стандартных образцах облегчает хрупкое разрушение материалов. В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе на разрушение образца (работу удара) , и ударную вязкость . Под ударной вязкостью следует понимать работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора. Единицей измерения ударной вязкости является Дж/см².

В зависимости от вида концентратора ( -, или -образный надрез) ударная вязкость обозначается как , или . Выбор вида концентратора осуществляется в зависимости от требований к изделию: - при обычных испытаниях металлов и сплавов; - для конструкций повышенной степени надежности (летательные аппараты, транспортные средства, трубопроводы, сосуды давления); - для особо отвестственных конструкций.

Для определения вязкости хрупких материалов (инструментальных сталей с твердостью более 50 ) применяют гладкие образцы и ударная вязкость обозначается .

Обычно испытывается призматический образец квадратного сечения 10х10 мм и длиной 55 мм с краевым надрезом глубиной 2 мм в середине образца. На рис.15.3 представлена схема нагружения образца при испытании его на удар.

Рис.15.3

В зоне концентрации напряжений происходит локализация деформации, и возникает объемное растяжение, вследствие стеснения деформации в поперечном направлении. Это в сочетании с высокой скоростью деформирования (порядка 10² 1/с) способствует проявлению хрупкости материала. Хотя ударная вязкость как свойство материала носит условный характер, она оказалась весьма чувствительной к особенностям структуры материала и механического его поведения. Например, различие в комплексе свойств при деформировании и разрушении мелкозернистого и крупнозернистого железа четко выявляется ударной вязкостью, тогда как статические характеристики этого не отражают (табл.15.1)

Таблица 15.1

Структура железа	, МПа	, МПа	,%	,%	, Дж/см2
Мелкозернистая			35,3	72,2	13,1
Крупнозернистая			36,9	66,7	2,6

Испытанию на удар подвергаются практически все материалы. При поставках металла ударная вязкость является настолько же обязательной характеристикой металла, как , и . Она характеризует способность материала сопротивляться хрупкому разрушению (поглощать энергию удара за счет пластического деформирования) при заданной температуре испытания. В таблице 15.2 приведены значения ударной вязкости для углеродистых сталей.

Таблица 15.2 Ударная вязкость некоторых сталей

Содержание в стали углерода	Термообработка
отжиг	закалка и отпуск
, МПа	, Дж/см2	, МПа	, Дж/см2
0,15	350-450	2,5	360-500	2,5
0,15-0,20	400-500	2,2	450-650	2,0
0,20-0,30	500-600	2,0	550-750	1,5
0,30-0,40	600-700	1,6	700-850	1,2
0,40-0,50	700-800	1,2	800-950	0,9
0,50-0,60	800-900	1,0	900-1050	0,5
0,60-0,70	850-950	0,8		0,3
0,70		0,6		0,2

Ударная вязкость металла существенно зависит от температуры испытания. Это особенно относится к металлам и сплавам с о.ц.к. решеткой, состояние которых изменяется с понижением температуры от вязкого к хрупкому. Испытания показывают, что при понижении температуры сначала наблюдается постепенное снижение ударной вязкости, при определенной температуре она достигает своего наименьшего значения, которое при дальнейшем понижении температуры не изменяется.

Температуры и называют соответственно верхней и нижней температурами хрупкости, а само явление хладноломкостью. Порог хладноломкости определяется типом кристаллической решетки, количеством примесей внедрения, при этом зависимость наблюдается обратная – чем ниже порог хладноломкости, тем выше ударная вязкость, т.е. ударная вязкость есть функция порога хладноломкости.

Для металла в хрупком состоянии характерны низкие значения ударной вязкости, мало изменяющиеся в широком диапазоне изменения температуры (так называемое «нижнее плато» значений ударной вязкости). При вязком состоянии характерны высокие значения ударной вязкости («верхнее плато»). Переход из одного состояния в другое происходит в определенном температурном интервале – температурном интервале хрупко-вязкого перехода.

Для объяснения перехода металлов из хрупкого состояния в вязко-пластичное привлекается известная схема А.Ф.Иоффе, которая учитывает особенности деформирования и разрушения металлических материалов: возможность разрушения путем отрыва (хрупкий характер разрушения) и путем среза (вязкий характер разрушения). Отмечается слабая зависимость сопротивления отрыву от температуры при значительном разбросе этой характеристики и существенное снижение сопротивления течению и сопротивления срезу с повышением температуры (рис.15.4).

Рис.15.4

Указанное изменение характеристик прочности и пластичности предопределяют суммарное изменение ударной вязкости, например , в зависимости от температуры в весьма жестких условиях нагружения, когда довольно четко выявляется так называемая критическая температура хрупкости, или температура хрупко-вязкого перехода . У разных материалов проявляются свои особенности хрупко-вязкого перехода: скачкообразный переход при определенной температуре (рис.15.5, а); наличие области разброса в пределах экстремальных значений, определяющей интервал хрупко-вязкого перехода (рис. 15.5, б); суженная область разброса в определенном интервале температур (рис. 15.5, в).

Рис.15.5

Хрупко-вязкий переход проявляется в изменении характера излома от хрупкого к вязкому, который также происходит в определенном температурном интервале. В качестве критерия для определения обычно используются сразу два показателя: уровень ударной вязкости в зависимости от предела текучести материала и процент вязкой фазы в изломе. Например, для материалов энергетического оборудования обусловлена определенным уровнем для конкретного материала и не менее 50% вязкой фазы в изломе при температуре +30 ⁰С. Следует отметить, что критическая температура хрупко-вязкого перехода – одна из основных комплексных механических характеристик малоуглеродистых и низколегированных сталей. Следует добиваться использования материала в температурной области, где проявляется вязкий характер его разрушения.