Краткие теоретические сведения. Ударная вязкость – работа удара, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора (надреза)

Ударная вязкость – работа удара, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора (надреза). Ударную вязкость обозначают буквами КС (символ ударной вязкости), третья буква – вид концентратора: KCU, KCV, KCT. Допускается обозначать ударную вязкость двумя индексами (a_i); первый (а) – символ ударной вязкости; второй (i) – символ типа образца.

Работа удара – работа, затрачиваемая на разрушение образца, обозначается двумя буквами (KU, KV, или KT) и цифрами. Первая буква (К) - символ работы удара, вторая буква (U, V или Т) – вида концентратора. Допускается обозначать работу удара двумя буквами А_i: первый (А) – символ работы удара, второй (i) – символ типа образца.

Хладноломкость – свойство металлического материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры.

Испытания металлов и сплавов, из которых изготовлены механизмы и оборудование, проводимые под действием статических нагрузок, не дают объективных данных для оценки надежности устройств в целом. Важное значение имеет определение механических характеристик в условиях, близких к реальным, когда под действием определенных факторов (действие концентраторов напряжений, увеличение скорости деформации, понижение температуры и др.) металлы переходят в хрупкое состояние и могут катастрофически (очень быстро) разрушаться. В связи с этим во многих технических условиях на изготовление различных изделий предусмотрены динамические испытания материалов – испытания на ударный изгиб (определение ударной вязкости).

Метод испытания на ударный изгиб при температуре от минус 100 °С до плюс 1200 °С регламентирован ГОСТ 9454-78. Метод основан на разрушении образца с концентратором посередине одним ударом маятникового копра (рис. 1).

Рис. 1. Схема маятникового копра и образца для определения ударной вязкости.

 

Копер имеет тяжелый маятник, который свободно качается вокруг оси. При помощи защелки маятник может быть свободно установлен на различной высоте. Если защелку освободить, то маятник упадет и по инерции взлетит на такую же высоту, на которую был поднят. Если на пути падения маятника встретится препятствие, то преодолев его, энергия падения маятника уменьшится, и он взлетит на меньшую высоту. Препятствием является образец, который устанавливают на пути падения маятника, надрезом в сторону, противоположную удару маятника. Падая, маятник ребром ломает образец.

Общий запас энергии маятника будет расходоваться на разрушение образца и на взлет маятника после разрушения. Поэтому если из общего запаса энергии маятника вычесть часть, затраченную на взлет после разрушения образца, то получится работа удара, затраченная на излом образца.

Стандартный образец устанавливают на две опоры и посередине наносят удар, приводящий к разрушению образца. По шкале маятникового копра определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний – ударную вязкость:

, (1)

где F - площадь поперечного сечения образца в месте концентратора (надреза), см²

 

F = h·b, (2)

 

где h – начальная высота рабочей части образца, см, (рис. 3, а);

b – начальная ширина образца, см.

 

В соответствии с ГОСТ 9454-78 предусмотрены испытания образцов с концентратором напряжений трех видов: U-образным (радиус надреза r = 1 мм); V-образным (r = 0,25 мм) и Т-образным (трещина усталости, созданная в основании надреза). Соответственно ударную вязкость обозначают: KCU, KCV, KCT.

Образцы с U-образным концентратором применяют при выборе и приемо-сдаточных испытаниях металлов и сплавов конструкций общего назначения; V-образным концентратором – для конструкций повышенной степени надежности (летательные аппараты, транспортные средства, трубопроводы, сосуды давления и т. п.); Т-образным – для особо ответственных конструкций, для эксплуатации которых оценка сопротивления развитию трещины имеет первостепенное значение.

 

Основным критерием ударной вязкости является KCU. Она состоит из двух составляющих:

 

KCU = KC_з + KC_р, (3)

 

где KC_з – работа зарождения трещины; KC_р.

 

КСТ – работа распространения трещины. Чем острее надрез, тем меньше KC_з. Критерий КСТ является критерием трещиностойкости, оценивающим сопротивление материала распространению трещины.

 

Разрушение может быть двух видов: хрупкое и вязкое.

Трещина при хрупком разрушении острая, часто ветвящаяся, распространяется быстро, в устье трещины зона пластической деформации небольшой протяженности. При вязком разрушении пластическая зона, идущая впереди распространяющейся трещины велика, а сама трещина затупляется у своей вершины.

Оценить характер разрушения можно по виду излома. Волокнистый (матовый) излом характеризуется наличием волокон, образующихся при пластической деформации зерен в процессе разрушения. Он имеет матовую шероховатую поверхность в случае распространения разрушения в плоскости, перпендикулярной направлению действия максимальных растягивающих напряжений. Когда разрушение совпадает с направлением действия касательных напряжений, волокнистый излом приобретает более блестящий, шелковистый вид. Хрупкий (кристаллический) излом характеризуется наличием на поверхности плоских блестящих участков (фасеток). Качественную оценку характера разрушения можно сделать визуально по величине волокнистой составляющей излома:

 

 

, (4)

 

где F _вяз– площадь поверхности излома, где проходило вязкое разрушение;

F - общая площадь поверхности излома.

 

Ударная вязкость из всех характеристик механических свойств наиболее чувствительна к снижению температуры. Поэтому испытания на ударную вязкость при пониженных температурах используют для определения порога хладноломкости – температуры или интервала температур, в котором происходит снижение ударной вязкости и разрушение становится преимущественно хрупким. Порог хладноломкости – количественная характеристика хладноломкости.

Хладноломкость проявляется у железа, стали, металлов и сплавов, имеющих ОЦК или ГП решетку. Она отсутствует у металлов с ГЦК решеткой.

Для определения температурного порога хладноломкости проводят оценку ударной вязкости при различных температурах и строят так называемые сериальные кривые: кривую зависимости ударной вязкости от температуры испытаний и кривую зависимости процента волокна в изломе от температуры испытаний. Порог хладноломкости обозначают температурой t₅₀, при которой в изломе образца имеется 50 % волокнистой составляющей и КСТ снижается наполовину (рис. 2.). Зная температурный порог хладноломкости можно определить температурный запас вязкости – интервал температур между порогом хладноломкости (t₅₀) и рабочей температурой эксплуатации материала (t_р):

 

(5)

 

При этом, чем ниже температура перехода в хрупкое состояние по отношению к рабочей температуре, тем больше температурный запас вязкости и выше гарантия от хрупкого разрушения.

Для ответственных деталей за критическую температуру хрупкости принимают температуру, при которой в изломе 90 % волокна, ее называют t ₉₀ – верхний порог хладноломкости.

Нижнему порогу хладноломкости t ₁₀ соответствует не более 10 % волокна в изломе.

По изменению геометрических размеров поперечного сечения образцов в месте надреза после испытаний можно оценить также деформационную характеристикупластичности при ударном изгибе y:

 

(6)

 

где B₂ – ширина образца в сечении с надрезом на стороне, с которой наносился удар;

B₁ – ширина образца на стороне, противоположной той, на которую наносился удар (рис. 3);

b – ширина образца до испытаний.

 

По результатам испытания на ударный изгиб можно установить такие свойства материалов, как хладноломкость, красноломкость, отпускную хрупкость и др., которые при статических испытаниях не всегда можно обнаружить. Известно, что деформируемые цветные сплавы меди, алюминия и др. нецелесообразно подвергать испытаниям на ударный изгиб, так как они при любых температурах не обнаруживают перехода в хрупкое состояние. Нет необходимости в проведении ударных испытаний некоторых литых сплавов (чугун, литые алюминиевые и магниевые сплавы), которые разрушаются хрупко при статических испытаниях на растяжение.

 

 

 

Рис. 2. Влияние температуры испытаний на процент вязкой составляющей в изломе (В) и ударную вязкость материала KCU, KCT

 

 

Рис. 3. Сечения образца для испытания на ударный изгиб:

а - до испытания; б - после испытания