К вопросу о методике определения ударной вязкости металлов и сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

К ВОПРОСУ О МЕТОДИКЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Пучков Павел Владимирович, кандидат наук, преподаватель

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России

В данной статье пойдет речь о методике определения ударной вязкости материалов, рассмотрены условия испытания, используемое оборудование, представлены расчеты, обозначения и единицы измерения ударной вязкости.

В процессе эксплуатации делали пожарной и аварийно-спасательной техники подвергаются действию не только статических, плавно возрастающих нагрузок, но и испытывают динамические (ударные), действующие резко и возрастающие от нуля до своего максимального значения с большой скоростью. Под влиянием ударных нагрузок может произойти разрушение детали. Поэтому необходимо знать, насколько хорошо конструкционный материал сопротивляется таким нагрузкам. Для оценки способности сопротивляться динамическим (ударным) нагрузкам производят механические испытания материалов на ударную вязкость в рабочем диапазоне температур детали. Ударная вязкость -- это способность материала сопротивляться ударным нагрузкам. Она характеризует способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счёт пластической деформации без нарушения сплошности строения, т.е. является энергетической характеристикой материала и выражается в единицах работы (энергии), приходящейся на разрушение единицы объёма материала образца.

Вязкость металлов и сплавов определяется их химическим составом, термической обработкой и другими внутренними факторами. Вязкость также зависит от условий, в которых работает металл (окружающей температуры, скорости нагружения, наличия концентраторов напряжения).

Ударная вязкость характеризует надёжность материала при динамических нагрузках, его способность сопротивляться хрупкому разрушению. Основным динамическим испытанием является метод испытания на ударный изгиб с определением ударной вязкости материала. Эти испытания позволяют определять способность металла противодействовать динамическим нагрузкам и выявлять склонность металла к хрупкому разрушению при различных температурах. В настоящее время наиболее распространенными методами испытаний материалов на ударную вязкость являются метод испытания по Шарпи (см. рис.1) и метод испытания по Изоду (см. рис. 2)

Рисунок 1. Определение ударной вязкости материалов по методу Шарпи

Рисунок 2. Определение ударной вязкости материалов по методу Изода

Испытания на ударный изгиб проводят на приборе, называемом маятниковым копром. Простейший маятниковый копёр представлен на рис. 3.

Рисунок 3. Маятниковый копер: 1 -- станина; 2 -- маятник; 3 -- шкала; 4 -- образец; 5 -- ремень ручного тормоза; 6 -- рычаг ручного тормоза

Каждый копер имеет тяжёлый маятник 2, который свободно качается вокруг оси. При помощи специальной защёлки маятник может быть установлен на разной высоте. Если защёлку освободить, то маятник упадёт и взлетит по инерции на такую же высоту, на которую он был поднят. Если на пути падения маятника встретится препятствие в виде образца, то часть энергии падения затратится на преодоление этого препятствия, и маятник взлетит уже на меньшую высоту.

Метод испытания материалов на ударную вязкость основан на разрушении одним ударом маятникового копра стандартных образцов с надрезом определённой формы и размеров (см. рис. 4).

Рисунок 4. Образец для испытания на ударный изгиб

Схема испытаний на ударную вязкость представлена на рис. 5.

Рисунок 5. Схема испытаний на ударную вязкость

При испытаниях образец 4 устанавливают на пути падения маятника на две опоры станины 1 копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника (см. рис. 6).

Рисунок 6. Схема установки образца при испытании на ударную вязкость

Далее маятник 2 поднимают на определённую высоту, отклоняя под определённым углом б. Падая с высоты H, маятник изгибает образец и разрушает его. Затем по инерции поднимается на высоту h под углом в. Останавливают маятник ручкой тормоза.

Следовательно, общий запас энергии маятника будет расходоваться на изгиб и разрушение образца, а также на последующий взлёт (рис.5).

Если из общего запаса энергии маятника вычесть часть, затраченную на взлёт после разрушения образца, то получим энергию (работу) удара, затраченную на разрушение образца. Работа удара W, Дж (кгс·м), затраченная на разрушение образца, определится из разности энергий маятника в положении его до и после удара:

W = PgL (H -- h), (1)

где Р -- масса маятника, кг; g = 9,81 -- ускорения свободного падения, м²/с; Н -- высота подъёма маятника до удара, м; h -- высота подъёма маятника после удара, м; L -- длина маятника, м.

Высоту H и h можно определить, зная длину маятника L и его углы первоначального подъёма б и последующего взлёта в:

H = L (1 -- cos б), (2)

h = L (1 -- cos в), (3)

где б -- угол подъёма маятника до удара; в -- угол подъёма маятника после разрушения образца.

Отсюда:

W = PgL (cos в -- cos б). (4)

Для маятникового копра P и L -- величины постоянные. Углы б и в определяют по шкале 3 прибора (см. рис. 7).

Рисунок 7. Копер маятниковый КМ-5

Для того чтобы не вычислять значение работы удара W по приведённой выше формуле, на практике пользуются специальными переводными таблицами, в которых для каждого угла подъёма маятника после разрушения образца в приведена величина работы удара W.

Основной характеристикой, получаемой в результате испытаний на ударный изгиб, служит ударная вязкость, которую принято обозначать KC.

Ударная вязкость КС определяется как работа W, затраченная на деформацию и разрушение ударным изгибом надрезанного образца, к его начальной площади поперечного сечения в месте надреза F₀:

, (5)

где F₀ -- первоначальная площадь поперечного сечения образца в месте надреза, см².

При записи ударной вязкости в её обозначение вводится третья буква, указывающая вид надреза на испытанном образце: U, V, T. Так запись KCU означает ударную вязкость образца с U-образным надрезом; KCV -- ударную вязкость образца с V-образным надрезом; KCT -- ударную вязкость образца с T-образным надрезом. Размерность ударной вязкости Дж/см².

Проведение испытаний на ударный изгиб образцов с T-образным надрезом является необходимым для того, чтобы определить сопротивление материала зарождению и распространению трещины (усталостной трещины) в условиях работы. Чем острее надрез, тем более жёстким испытаниям подвергается материал.

Преимуществом метода испытания на ударную вязкость является простота эксперимента, учёт влияния скорости нагружения и концентрации напряжений.

Детали машин, элементы конструкций инженерных сооружений могут работать не только при обычных температурах, но и при низких и повышенных. В связи с этим, для того, чтобы оценить поведение материала при таких температурах (в особых условиях эксплуатации), испытания на ударный изгиб проводят не только при комнатной температуре.

Для таких испытаний образцы нагревают или охлаждают до требуемой температуры, а затем быстро устанавливают на копёр и подвергают испытанию на ударный изгиб.

Испытания на ударную вязкость при различных температурах позволяют установить ряд следующих важных свойств материала:

1. способность материала выдерживать динамические (ударные) нагрузки;

2. склонность материалов к хрупкому разрушению при определённых температурах;

3. чувствительность материала к концентраторам напряжений (надрезам, выточкам и т. д.).

В связи с особенностью материалов изменять механические свойства при изменении температуры главными задачами испытаний на ударную вязкость являются:

1. выявление склонности материалов к хрупкому разрушению (хладноломкости);

2. определение критических порогов хладноломкости.

Порог хладноломкости -- температурный интервал Т_Н -- Т_В изменения характера разрушения материала с изменением температуры (см. рис. 8). Этот интервал является важным параметром конструкционной прочности материала, характеризующий его хладноломкость. Верхняя T_В и нижняя T_Н границы этого интервала соответствуют верхнему и нижнему порогам хладноломкости.

По данному температурному интервалу устанавливается склонность материалов к переходу из вязкого состояния в хрупкое.

Чем ниже порог хладноломкости, тем менее чувствителен материал к концентраторам напряжений (резкие переходы размеров и формы, отверстия, проточки, риски), а также к скорости деформации. Эксплуатировать материал при температурах ниже порога хладноломкости не следует.

Рисунок 8. Зависимость ударной вязкости от температуры

вязкость деталь металл температура

Согласно ГОСТ 9454 для металлов и сплавов, работающих в условиях атмосферных колебаний температур, ударную вязкость определяют в интервале температур от 50°C до -60°C.

Для надёжной работы деталей при отрицательных температурах необходимо, чтобы температурный порог хладноломкости был ниже температуры эксплуатации материала; чем он ниже, тем меньше опасность хрупкого разрушения.

Список литературы

1. Гуляев А.П. Металловедение. -- М.: Металлургия, 1986. -- 542 с.: ил.

2. Лахтин Ю.М. Материаловедение. -- М.: Машиностроение, 1993. -- 448 с.

3. Шульте Ю. А. Хладностойкие стали - М.: Металлургия, 1970. Ассонов А. Д. Технология термообработки деталей машин. - М.: Машиностроение 1969.

4. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов: Учебник для вузов. -- М.: Металлургия. 1979. -- 495 с.

5. Конструкционные материалы / Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше и др.; Под общ.ред. Б.Н. Арзамасова. -- М.: Машиностроение, 1990. -- 687 с.

Размещено на Allbest.ru