Краткие теоретические сведения. Среди многочисленных методов ударных испытаний наиболее широкое практическое

Среди многочисленных методов ударных испытаний наиболее широкое практическое применение нашел метод испытания на ударный изгиб с измерением величины ударной вязкости. Эта характеристика 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:

- увеличение скорости деформирования (возникновение ударных нагрузок);

- понижение температуры;

- возникновение двухосного и трехосного напряженных состояний;

- образование концентраторов напряжений – надрезов, трещин и т. д.

Склонность стали к хрупкому разрушению возрастает также под воздействием внутренних факторов:

- повышенное содержание фосфора, концентрирующегося по границам зерен;

- крупнозернистая структура;

- наличие карбидов по границам зерен;

- полосчатость и т. д.

Определение ударной вязкости при динамических испытаниях на ударный изгиб является основным практическим методом оценки склонности стали к хрупкому разрушению.

Испытание на ударный изгиб основано на разрушении образца с концентратором напряжений ударом маятникового копра. Концы образца располагают на опорах (рис. 1). В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе, и рассчитывают ударную вязкость. Роль концентратора сводится к следующему. При испытаниях стальных образцов на ударный изгиб напряжения и деформации локализуются в ограниченном объеме металла вокруг надреза. Именно здесь поглощается практически вся работа удара. Чем глубже и острее надрез и больше ширина сечения образца, тем больше величина продольных и поперечных нормальных напряжений в районе вершины надреза и тем меньше работа удара. ГОСТ 9454-78 предполагает три вида (формы) концентраторов: U-образный с радиусом в вершине R=1 мм, V-образный с R = 0,25 мм и Т-образный с усталостной трещиной. В соответствии с этим, при записи ударной вязкости (КС) в ее обозначение вводится третья буква, указывающая вид надреза – KCU, KCV, KCT.

Рисунок 1 – Форма и размеры образца для испытаний на ударную вязкость	Рисунок 2 – Схема испытания на маятниковом копре

Величина KCU характеризует ударную вязкость материала при отсутствии ярко выраженного концентратора напряжения. Величина KCV характеризует ударную вязкость материала при наличии концентратора напряжения. Данный параметр используют, например, при оценке пригодности материалов для сосудов давления, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности. Известно, что работа разрушения состоит из работы зарождения трещины и работы распространения трещины. Величина KCT характеризует работу распространения трещины при ударном изгибе и оценивает способность материала сопротивляться начавшемуся разрушению. Он учитывается при выборе металлов и сплавов для конструкций особо ответственного назначения (летательные аппараты, роторы турбин и т. п.).

Испытания образцов на ударный изгиб проводятся на маятниковых копрах типа МК (например, МК-30) (рис. 2).

Копер состоит из тяжелого маятника, свободно качающегося вокруг оси, и специального шаблона, обеспечивающего установку надреза строго в середине пролета ножа маятника между опорами. При этом удар маятника производится со стороны, противоположной надрезу. Разрушение образца осуществляется маятником, свободно качающимся вокруг 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. 2).

При динамических испытаниях не соблюдается принцип подобия, поэтому они жестко унифицированы как по параметрам образцов, так и по условиям проведения экспериментов.

Разрушение образца осуществляется за счет потенциальной энергии падающего маятника при отклонении его из положения равновесия на угол α или высоту Н (рис. 2). 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 разрушение образца К, определяется из разности энергии маятника в положении до и после удара:

K = P(H - h), (1)

где Р – вес маятника (Н),

Н – первоначальная высота подъема маятника (м),

h – высота взлета маятника после удара (м).

Если длина маятника L, то

h = L(1 - cosb), (2)

H = L(1 - cosa), (3).

Отсюда

K = PL(cosb - cosa), (4)

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 150°.

Зная полную работу разрушения образца К, можно рассчитать основную характеристику динамических испытаний – ударную вязкость KCU, KCV или KCT. Ударная вязкость – это работа, израсходованная на разрушение образца, отнесенная к площади его поперечного сечения в месте надреза:

KCU = K/F (МДж/м²) (5),

где F – площадь сечения в месте надреза, м².

Испытания на ударную вязкость 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 ударная вязкость является интегральной характеристикой материала, 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.

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.

Определение критических температур хрупкости. Хладноломкость металлов.Явление хладноломкости заключается в переходе металлов при понижении температуры из пластического состояния в хрупкое. Охрупчивание материалов связано с достижением критической температуры хрупкости (порога хладноломкости). К хладноломким относятся материалы с ОЦК и ГПУ решетками. Материалы с ГЦК решеткой не проявляют ярко выраженных признаков хладноломкости.

На практике подавляющее большинство материалов с ОЦК решеткой теряют пластические свойства в интервале температур, называемом интервалом вязко-хрупкого перехода. Это проявляется в увеличении доли хрупкой составляющей на поверхности вязко-хрупких изломов при понижении температуры испытания. Поэтому вводят понятие верхней (Т_хр^в) и нижней (Т_хр^н) критических температур хрупкости. При этом, Т_хр^в характеризует начало охрупчивания материала при понижении температуры, а Т_хр^н – переход материала в хрупкое состояние.

Среди известных методов оценки критических температур хрупкости материалов можно выделить две основные группы.

К первой группе относятся методы, основанные на изучении температурной зависимости механических характеристик исследуемых материалов при динамическом нагружении. Основоположниками данного метода можно считать Людвига и Иоффе. Давиденков предложил для определения критических температур хрупкости использовать температурную зависимость ударной вязкости стандартных образцов. Данная кривая в интервале вязко-хрупкого перехода имеет S-образный характер и позволяет определять, как нижнюю (Т_хр^н), так и верхнюю (Т_хр^в) критические температуры хрупкости (рис. 3а). В настоящее время это самый распространенный метод, применяемый для текущего контроля качества плавки стали.

Ко второй группе относятся фрактографические методы определения критической температуры хрупкости, основанные на макро- и микрофрактографическом анализе изломов. Фрактографические методы определения критических температур хрупкости металлических материалов основаны на определении доли вязкой составляющей (В) в изломе (рис. 3б) или длины стабильной вязкой зоны l_c (рис. 4) в очаге разрушения (рис. 3в). При макрофрактографическом анализе под вязкой составляющей в изломе понимают участки поверхности разрушения, характеризующиеся при визуальном наблюдении волокнистым строением, а при микрофрактографическом исследовании – ямочным микрорельефом. Поэтому данные методы определения критических температур хрупкости применимы как для сосредоточенных, так и для рассредоточенных изломов.

а)	б)	в)	Рисунок 4 – Схема строения излома, полученного при ударном нагружении: θ – зона вытягивания, lc – вязкая зона стабильного роста трещины, λ – губы среза
Рисунок 3 – Температурные зависимости ударной вязкости (KCU) (а), вязкой составляющей в изломе (В) (б) и длины вязкой зоны (lс) (в)

Основным преимуществом фрактографических методов является то, что они позволяют оценивать критическую температуру хрупкости материала не только в образцах, но и в конструкциях при реальных условиях эксплуатации. Поэтому данные методы получили широкое распространение в практике диагностики разрушения.

Задание

При выполнении настоящей работы студенты должны:

1. Освоить методику ударных испытаний.

2. Определить ударную вязкость материалов.

3. Определить критические температуры хрупкости стали.