Теоретические основы испытания материалов на ударную вязкость

ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ

Цель работы

Изучение методики определения основных механических характеристик металлических материалов.

Рабочее задание

Измерить ударную вязкость металла при испытании не менее 3-х стандартных образцов на маятниковом копре.

Оборудование и материалы

Виртуальный лабораторный комплекс, маятниковый копёр МК-ЗОА

 

Теоретические основы испытания материалов на ударную вязкость

Для оценки свойств материала при динамических нагрузках недостаточно механических характеристик, определяемых при статических испытаниях. При больших скоростях нагружения, например, при ударе, увеличивается опасность хрупкого разрушения. Эта опасность особенно возрастает при наличии в детали различного рода надрезов (отверстия, галтели, канавки и пр.), которые вызывают концентрацию напряжений (неравномерное распределение напряжений). Надрез позволяет сосредоточить всю деформацию, поглощающую удар, в одном месте. Кроме того, наличие надреза ставит материал в более тяжёлые условия работы, т.к. надрез значительно ослабляет сечение и вызывает повышение напряжений от изгиба.

При испытании образца маятник освобождается от защелки (6), падая, ударяет образец, разрушает его и взлетает на некоторый угол, которым и определяется работа, затраченная на разрушение образца. В копре на оси маятника жестко закреплен поводок (9). При прямом и обратном движении маятника поводок увлекает за собой соответственно одну или другую стрелку шкалы (13) и оставляет их в положении, фиксирующем нож, служащий бойком при испытании (рис. 5). Внизу на уровне вертикально висящего маятника к колоннам станины прикреплены две стальные закаленные опоры (10), на которые помещают испытываемый образец (11). Под опорами между колоннами проходит тормозной ремень (12), который, прижимаясь к маятнику, качающемуся после удара, вызывает его торможение. Тормозной ремень приводится в действие педалью (1). Копер состоит из чугунной станины в виде массивной плиты (2) с двумя вертикальными колоннами (3). В верхней части колонн на горизонтальной оси подвешен укрепленный в шарикоподшипниках маятник с грузом в виде стального плоского диска с вырезом (5), в котором закреплен стальной закаленный нож, служащий бойком при испытании. Внизу на уровне вертикально висящего маятника к колоннам станины прикреплены две стальные закаленные опоры (10), на которые помещают испытываемый образец (11). Под опорами между колоннами проходит тормозной ремень (12), который, прижимаясь к маятнику, качающемуся после удара, вызывает его торможение. Тормозной ремень приводится в действие при помощи педали (1).

Перед испытанием маятник поднимают на исходную высоту и удерживают его в этом положении защелкой (6). В копре МК-ЗОА эта высота зависит от того, в каком положении установлена защелка подъемной рамы (7) в храповике.

 

При записи значения максимальной энергии удара маятника в джоулях следует округлять соответственно до 5; 10; 50; 100; 150 и 300 Дж.

Максимальная энергия удара маятника должна быть такой, чтобы значение работы удара составляло не менее 10% от максимальной энергии удара применяемого маятника.

Скорость движения маятника в момент удара, погрешность градуировки шкал копра, требования к термостатам, обеспечивающим равномерное охлаждение или нагрев образца, термометры для измерения температуры контрольных образцов также регламентированы ГОСТом.

 

Работа удара

Ударной вязкостью (КС) называется отношение работы (К), необходимой для разрушения образца, к площади поперечного сечения А₀ в месте надреза. Ударную вязкость (КС) в Дж/м² (кгс×м/см²) оценивают по формуле:

 

КС = К/S_o,

где К– работа удара, Дж (кгс×м).

Работу разрушения образца определяют на маятниковом копре и рассчитывают по формуле:

А_н = Р (h₁ - h₂),

где Р – вес груза маятника, h₁, h₂ – высоты подъема груза до и после разрушения образца.

S₀ – начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, м²(см²), вычисляемая по формуле:

S₀=НВ-h,

где Н – начальная высота рабочей части образца, м(см); В – начальная ширина образца, м(см); h–глубина концентратора. Н и В измеряют с абсолютной погрешностью не более ±0,05 мм.

Значение КС записывается в протоколе с округлением до 1 Дж/см², при КС>10 Дж/см² или до 0,1 Дж/см² при КС<10 Дж/см².

Ударную вязкость обозначают сочетанием букв и цифр. Первые две буквы КС обозначают символ ударной вязкости, третья буква – вид концентратора; первая цифра – максимальная энергия удара маятника, вторая – глубина концентратора и третья – ширина образца. Например: КСТ+100 150/3/7,5 – ударная вязкость, определённая на образце с концентратором вида Т, при температуре плюс 100°С, максимальная энергия удара маятника 150 Дж, глубина концентратора 3 мм, ширина образца 7,5 мм.

Если испытания проводятся при комнатной температуре (t = 20 ± 10°С), то температура в обозначениях не проставляется.

Маятниковый копер МК-ЗОА

Основные термины:

Галтели - Скругление внутренних углов на деталях машин для защиты от механических повреждений путём более равномерного распределения напряжений на них.

Динамическое испытание, измерение силы воздействия движущихся тел на среду, сопротивляющуюся их движению. При помощи динамических испытаний выясняют, например, воздействие автомобиля на мост, по которому он проезжает, либо силу удара шасси самолета о землю при посадке.

Концентраторы напряжений – местные резкие изменения однородности (формы и, следовательно, жесткости) конструкции, приводящие к резкому местному (локальному) повышению напряжений в конструкции.

Ударная вязкость, способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки.

Усталостная трещина. Трещина, возникающая в результате усталости металла.

 

 

Контрольные вопросы:

 

1. Ударная вязкость, способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки.

2. Они могут быть вызваны неоднородностью структуры объекта испытаний, качеством поверхности; приборами.

3. Обычно оценивается работой, необходимой для деформации и разрушения призматического образца с односторонним поперечным надрезом при испытании на ударный изгиб, условно отнесённой к сечению образца в основании надреза.

4. Большинство образцов для механических испытаний нормализовано в соответствующих ГОСТ и технич. условиях. Образцы для испытания на растяжение при комнатной темп-ре описаны в ГОСТ 1497—61, при повышенных темп-рах — в ГОСТ 9651—61. Подобные образцы используются также при определении длит, прочности (ГОСТ 10145—62) и ползучести (ГОСТ 3248—60). Для обеспечения сравнимости результатов испытаний на растяжение установлены определенные соотношения размеров образцов.

5. В ходе эксплуатации современные маятниковые копры могут наносить более десяти ударов в секунду. Удары производятся небольшим молотом, закрепленным на специальной штанге. После каждого удара маятниковые копры высчитывают энергию разрушения при помощи современного микропроцессора. После таких расчетов любой пользователь устройства сможет быстро пересчитать полученный параметр в ударную вязкость. Для получения информации об уже готовом изделии, необходимо подвергнуть его испытанию на двухопорный изгиб при ударе. Он позволит на деле доказать механические свойства испытуемого металла или его сплава.

6. К = GH -Gh = G(H - h)