Ударная вязкость материала

Цель работы: ознакомиться с методикой проведения динамических испытаний, приобрести навыки определения механических свойств при ударном нагружении.

3.1 Общие сведения

Среди многочисленных методов ударных испытаний наиболее широкое практическое применение нашел метод испытания на ударный изгиб с измерением величины ударной вязкости. Эта характеристика механических свойств играет огромную роль при оценке служебных свойств конструкционных, а также инструментальных сталей.

В процессе эксплуатации деталей могут возникнуть внешние факторы, под воздействием которых материал становится хрупким:

1. увеличение скорости деформирования (возникновение ударных нагрузок);

2. понижение температуры;

3. возникновение двухосного и трехосного напряженных состояний;

4. образование концентраторов напряжений – надрезов, раковин трещин и т. д.

Склонность стали к хрупкому разрушению, возрастает также при повышенном содержании фосфора, концентрирующегося по границам зерен, при крупнозернистой структуре, при наличии карбидов по границам зерен, полосчатости, т. е. под влиянием целого ряда внутренних, структурных факторов.

Определение ударной вязкости при динамических испытаниях на ударный изгиб является основным практическим методом оценки склонности стали к хрупкому разрушению, которое, в отличие от вязкого, происходит без заметной пластической деформации и развивается катастрофически быстро.

Охрупчивание стали при некоторых условиях отпуска называется отпускной хрупкостью. Понижение ударной вязкости при этом вызвано повышением температуры перехода в хрупкое состояние. Наблюдаются два вида отпускной хрупкости. Отпускная хрупкость первого рода (необратимая) и отпускная хрупкость второго рода (обратимая), определяемые путем испытаний на ударный изгиб при комнатной температуре.

Ударная вязкость в зависимости от температуры отпуска меняется немонотонно (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 – Зависимость ударной вязкости стали от температуры отпуска

Сталь, отпущенная в интервале температур порядка 300…350 ⁰С, имеет минимальную ударную вязкость. Отпускная хрупкость первого рода проявляется у большинства сталей независимо от их состава и скорости охлаждения. Считают, что это явление обусловлено выделениями частиц типа цементита по границам зерен, которые при дальнейшем повышении температуры вновь растворяются. При этом менее прочные приграничные участки становятся концентраторами напряжений, т. е. хрупкое состояние обусловлено возникновением объемно-напряженного состояния, получающегося при неоднородном распаде мартенсита. Сталь в состоянии необратимой отпускной хрупкости имеет блестящий межкристаллитный излом.

Хрупкость первого рода устраняется нагревом стали выше 400 ⁰С, снижающим твердость.

Хрупкость второго рода наблюдается в легированных сталях при охлаждении в печи или на воздухе после отпуска в интервале температур 500…550 ⁰С или при слишком длительной выдержке в этом температурном интервале.

В стали в состоянии отпускной хрупкости второго рода уменьшается работа зарождения и особенно распространения трещины.

При быстром охлаждении в воде этот вид хрупкости не возникает, излом стали – волокнистый, характерный для вязкого состояния. После медленного охлаждения с температуры 500…650 ⁰С сталь имеет хрупкий кристаллический излом. Хрупкость второго рода можно устранить повторным отпуском при 600…650 ⁰С с последующим обратным быстрым охлаждением.

Хрупкость второго рода часто встречается в сталях, содержащих повышенное количество Р и Аs или Mn, Si, Сr или при одновременном введении в сталь Cr и Ni (или Mn).

Появление отпускной хрупкости второго рода наиболее вероятно связано с диффузией растворенных атомов некоторых элементов и насыщением поверхностных слоев зерна этими элементами без выделения избыточных мелкодисперсных фаз (карбидов, фосфидов и т. д.). Особенно большое влияние оказывает обогащение пограничных зон фосфором, снижающим работу образования межзеренных трещин, вызывающих развитие отпускной хрупкости.

Ударной вязкостью А_Н называется величина работы, затраченная на деформацию ударным изгибом надрезанного образца, отнесенная к поперечному сечению F в месте надреза. С помощью испытаний на ударный изгиб выявляются такие дефекты как синеломкость, хладноломкость, обратимая и необратимая отпускная хрупкость и т. п.

Ударные испытания выявляют такие различия между материалами, которые не отражаются при обычных (статических) испытаниях гладких образцов. Например, значения предела прочности мало отличаются для мелкозернистого железа (36,5 кгс/мм²) и крупнозернистого железа (34,5 кгс/мм²), тогда как в значениях ударной вязкости имеется существенное различие: 13,1 кгс×м/см² и 2,6 кгс×м/см², соответственно.

Одно из важнейших достоинств ударных испытаний как метода оценки состояния металла – повышенная чувствительность. Так, например, колебания механических свойств около среднего значения для осевой стали (0,35 % С) составляют 99 % для А_Н, 15 % для σ_b, 8,8 % для δ и 5,7 % для ψ.

На величине ударной вязкости часто сказывается и способ выплавки стали: электросталь имеет наибольшую, бессемеровская – наименьшую, мартеновская – промежуточную величину ударной вязкости.

Ударная вязкость в значительной мере отражает состояние поверхности образца, т. к. распределение деформации в образце неравномерно и часто бывает сосредоточенно, в основном, в поверхностных слоях. Наличие твердых поверхностных слоев понижает ударную вязкость, а мягкие поверхностные слои повышают ее. Например, если надрезы на стальном образце, предназначенном для испытания на ударный изгиб, сделаны до термической обработки, то даже небольшое обезуглероживание поверхности, приводящее к образованию мягкого и пластичного феррита, может повысить ударную вязкость вдвое.

Поэтому при ударных испытаниях предписывается изготовлять надрез на ударных образцах (ГОСТ 9454-78) после их термической обработки.

Наряду с определением ударной вязкости значение имеет вид излома ударных образцов. В изломе не допускается крупнозернистость, шлаковины, расслоения и другие дефекты.

Наиболее простым из методов практического массового контроля является метод ударных испытаний при 20 ⁰С на маятниковых копрах.

Однако широкое применение нашли испытания при пониженных температурах, разработанные Н.Н. Давиденковым, так называемые “сериальные испытания”.

При проведении таких испытаний делается серия опытов на ударный изгиб при постепенно понижающейся температуре до перехода металла в хрупкое состояние, причем температура резкого уменьшения ударной вязкости служит мерой качества металла. Чем ниже эта температура – “критическая температура хрупкости” – тем выше сопротивление металла хрупкому разрушению.

Охлаждающими смесями могут быть: сухая углекислота, дающая температуру -70 ⁰С, жидкий воздух дает -183 ⁰С, жидкий азот позволяет получить температуру -195 ⁰С, жидкий водород, дающий -252 ⁰С.

Применение “сериальных испытаний” целесообразно только для типично хладноломких материалов с ОЦК-решеткой (Fe-α, Zn и сплавы на их основе), которые дают резкий переход в хрупкое состояние. Многие легированные стали, особенно содержащие Ni, при понижении температуры дают постепенное понижение вязкости и поэтому для них определение даже “критического интервала хрупкости” становится затруднительным. Некоторые сплавы, например Al+4 % Mg, остаются вязкими и разрушаются путем среза даже при жестких условиях (при одновременном действии удара, надреза и низкой температуры), поэтому для таких материалов применение ударных испытаний как сериальных, так и при 20⁰C нецелесообразно.

Нецелесообразно применять ударные испытания и для чугунов, литых алюминиевых и магниевых сплавов, т. к. сопротивление отрыву этих материалов достигается уже при статических нагрузках.

Таким образом, испытания на ударный изгиб являются одним из наиболее чувствительных методов контроля, чутко реагирующих на небольшие изменения состояния металла.

Ударные испытания являются ценным, а иногда необходимым дополнением к статическим испытаниям гладких образцов, главным образом для низко- и среднеуглеродистых сталей.

Для определения ударной вязкости применяют образцы специальной формы. Основной тип образца показан на рис. 3.2.

Испытания образцов на ударный изгиб проводятся на маятниковых копрах типа МК (МК-5, МК-15, МК-30 и др.), изготовляемых по ГОСТ 10708-63. Разрушение осуществляется маятником, свободно качающимся на горизонтальной оси, укрепленной в шарикоподшипниках на стойках копра.

Образец устанавливают на нижних опорах копра симметрично относительно опор и так, чтобы надрез был обращен в сторону, противоположную направлению удара (рис. 3.3).

Испытания на ударную вязкость или ударный изгиб (КС) проводятся для оценки надежности и работоспособности материалов в условиях динамического нагружения и их склонности к хрупкому разрушению, которые, в свою очередь, зависят от скорости изменения нагрузки и “мягкости” напряженного состояния. Поскольку вязкость (в том числе ударная) является интегральной характеристикой, зависящей одновременно от прочности и пластичности, то она более резко реагирует на изменения структурного состояния материалов, чем другие свойства, что особенно ярко проявляется при пониженных температурах.

Рисунок 3.2 – Форма и размеры образца для испытаний на ударную вязкость

Рисунок 3.3 – Схема расположения образца на опорах копра

При динамических испытаниях не соблюдается принцип подобия, поэтому они жестко унифицированы как по параметрам образцов, так и по условиям проведения экспериментов (ГОСТ 9454-78). Их проводят на маятниковых копрах (рис. 3.4) с использованием стандартных образцов с разной формой надрезов – U, V, T, копер состоит из тяжелого маятника, свободно качающегося на его оси, и специального шаблона, обеспечивающего установку надреза строго в середине пролета ножа маятника между опорами. При этом удар маятника производится со стороны, противоположной надрезу.

Согласно ГОСТ 9454-78 в качестве основного используется образец с U-образным надрезом, но в отдельных случаях применяются также образцы и с другой формой надрезов. V-образный выполняется с углом при вершине 45⁰ и радиусом закругления 0,25 мм, а роль T-образного надреза играет созданная на специальном приборе усталостная трещина. В соответствии с этим при записи ударной вязкости (КС) в ее обозначение вводится третья буква, указывающая вид надреза – KCU, KCV, KCT.

Параметром KCV оценивается пригодность материалов для сосудов давления, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности. Параметр KCT характеризует работу развития трещины при ударном изгибе и оценивает способность материала тормозить начавшееся разрушение. Он учитывается при выборе металлов и сплавов для конструкций особо ответственного назначения (летательные аппараты, роторы турбин и т. п.)

Описание: 333

Рисунок 3.4 – Схема ударного изгиба на маятниковом копре

3.2 Методика определения ударной вязкости

Разрушение образца осуществляется за счет потенциальной энергии падающего маятника при отключении его из положения равновесия на угол α или высоту Н (рис. 3.4). Общий запас энергии расходуется на изгиб и разрушение образца, а также последующий взлет маятника на высоту h, соответствующую углу отклонения β. Величина работы, затраченная на излом образца К, определяется из разности энергии маятника в положении его до и после удара:

, (12)

где Р – вес маятника,

Н – первоначальная высота подъема маятника,

h – высота взлета маятника после удара.

Вес маятника измеряется в ньютонах или килограммах, высота в метрах.

Если длина маятника L, то

, . (13)

Отсюда

, (14)

где P и L для данного копра – величины постоянные.

Углы α и β определяются по шкале прибора, однако на практике для каждого угла β величина работы определяется по специальным таблицам или шкала копра может быть проградуирована в единицах работы, если угол подъема маятника α фиксирован. Обычно он равен 150⁰.

Зная полную работу излома и разрушения К, можно рассчитать основную характеристику динамических испытаний – ударную вязкость а_Н. Ударная вязкость – это работа, израсходованная на ударный излом образца, отнесенная к площади его поперечного сечения в месте надреза:

а_Н =, (15)

где F – площадь сечения в месте надреза, см².

Таблица 3.1 – Результаты испытаний образцов на ударную вязкость

Материал	Размеры образца	F, см²	K, Дж	а_Н, Дж/м²
а, см	b, см

Стандартная размерность ударной вязкости МДж/м² или МДж/см². Ударные испытания, как и статические, проводятся при отрицательных и повышенных температурах. Диаграмма деформации обычно не записывается т.к. это связано с большими экспериментальными трудностями, поскольку время испытания исчисляется долями секунды.

Контрольные вопросы:

1. В каких случаях проводятся испытания на ударную вязкость?

2. Какие существуют методы определения работы удара?

3. Что такое ударная вязкость, и в каких единицах она измеряется?

4. В чем состоит принцип работы маятникового копра?

5. Для каких целей используются параметры KCV и KCT?

6. Какие материалы подвергаются испытаниям на ударную вязкость?

7. В чем сходство и различие статических и динамических испытаний?

Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Жуковец Н.И. Механические свойства металлов. – М.: Высшая школа, 1986. – 312 с.

4. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Механические свойства материалов». Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И., Атамбаев Ж.Н., КарГТУ, 2005 г.

Рекомендуем посмотреть лекцию "74 Предпринимательский договор".

Контрольные задания для СРС [1, 2, 12]

1.Особенности пластической деформации и разрушения при динамическом нагружении.

2. Температурный запас вязкости.

3. Полная работа при динамических испытаниях.

4. Схема напряжения, возникающая в образце при динамических испытаниях.

5.Оборудование для испытаний на ударную вязкость.

Поделитесь ссылкой: