Зависимость ударной вязкости от температуры

Испытания на ударную вязкость

Испытание материалов на ударную вязкость основано на разрушении стандартного образца с концентратором (надрезом) посередине ударом на маятниковом копре. При испытании на удар оценивают работоспособность металла в сложных условиях нагружения и выявляют его склонность к хрупкому разрушению.

Определение ударной вязкости стали

Лабораторная работа №15. Экспериментальное определению ударной вязкости для стали.

Цель работы – определить опытным путем ударную вязкость пластичного материала.

Ударная вязкость стали и металлов: что это такое, в чем измеряется и как обозначается

При создании высокопрочных деталей необходимо знать, как их ключевые свойства будут проявляться и изменяться на практике многолетней эксплуатации. Поэтому в фокусе нашего сегодняшнего внимания ударная вязкость материала, то есть его способность деформироваться пластически под воздействием динамических нагрузок.

Другими словами, это также эффективность сопротивления хрупкому типу разрушения – одному из самых опасных видов, при котором трещина очень быстро становится магистральной: мгновенно возникает, а разрастается за доли секунды. Если взять в качестве примера коммуникационную линию, то в ней при появлении такого повреждения меньше чем за минуту порвет сразу несколько труб.

Поэтому просто необходимо учитывать рассматриваемый параметр при проектировании каких-либо объектов из металлоконструкций, особенно сложных, предназначенных для использования в жестких климатических условиях: при низких температурах, при постоянно меняющемся микроклимате, при высоком механическом давлении, физических воздействиях и так далее.

Основные сведения

При выборе материала для деталей, подвергающихся динамическим воздействиям, руководствуются так называемой ударной пробой. Она заключается в том, что образцы материала подвергают разрушению изгибным ударом, измеряя количество энергии, затраченной на разрушение образца.

Способность материала сопротивляться ударным нагрузкам характеризуется ударной вязкостью и определяется отношением работы W, затраченной на разрушение образца, к площади поперечного сечения А в месте излома:

Чем больше ударная вязкость aк, тем лучше материал сопротивляется динамическим нагрузкам. В технических условиях указывается наименьшее значение ударной вязкости при комнатной температуре для сталей; оно находится в интервале 0,6 — 1,0 Дж/мм 2 .

Согласно ГОСТ 9454-78 образцы для испытания должны иметь стандартные размеры и установленный надрез. Основной стандартный образец указан на рис. 15.1. Определяется ударная вязкость не менее чем на шести образцах.

Испытание образца ударной нагрузкой

Рис. 15.1. Испытание образца ударной нагрузкой

Удар падающего маятника должен приходиться по ослабленному месту (сечению); в зоне надреза создается объемное напряженное состояние с большой концентрацией напряжений.

Стальной образец для испытания на ударную вязкость

При понижении температуры (уже до -20°С) ударная вязкость уменьшается и при достижении так называемой критической температуры (порядка -40, -60°С), резко снижается (в 2 — 4 раза). Поэтому для материалов, работающих при низких температурах, исследование влияния температуры обязательно. Испытания при комнатной температуре косвенно характеризуют работу материала и при низкой температуре.

Характерен вид места разрушения образца: при вязком разрушении поверхность излома матовая, волокнистая, мелкозернистая, при хрупком разрушения — зернистая, блестящая, с малозаметными остаточными деформациями.

Что называют ударной вязкостью – это

ударная вязкость

Начнем с определения: это показатель количества работы (энергии), необходимой для хрупкого разрушения материала. Вычисляется опытным путем, по результатам комплексных тестов, проводимых методом маятникового копра.

Все проверки выполняются на стандартизованных образцах – стержнях квадратного сечения с нанесенным на какой-то из его граней искусственным концентратором напряжения. Последний может быть выполнен:

  • в виде литеры V или U;
  • а также в форме усталостной трещины.

В итоге выявляют не только интересный нам параметр, но также качество и характер деформации поверхности, а затем и соотношение составляющих повреждения. Это может быть или исключительно визуальный анализ, или более глубокий, с оценкой текстуры и слоев при помощи цифровых и компьютерных технологий.

Естественно, данный показатель отличается в зависимости от материала. Потому помните, когда мы рассматриваем, что такое ударная вязкость стали, это эффективность сопротивления именно конкретно взятого металла или сплава и только его, а не всех вообще.

Методика проведения испытания

При испытании металлов на удар определяют ударную вязкость, которую обозначают КС. Ударная вязкость КС – это отношение работы К разрушения стандартного образца к площади его поперечного сечения F в месте надреза:

В зависимости от вида концентратора в образце (U, V, Т) в обозначении ударной вязкости вводят третий индекс, согласно виду концентратора: KCU, KCV, КСТ. Испытание на ударную вязкость проводят на копрах маятникового типа, как показано на схеме.

Схема испытания на ударную вязкость

Стандартный образец устанавливают на опорах стоек копра так, чтобы удар маятника 2 приходился против надреза. Маятник массой G при помощи специальной рукоятки поднимают на высоту Н в верхнее исходное положение I. При падении маятник ударяет по образцу, разрушает его и поднимается в положение II -высоту h. Для остановки маятника имеется тормоз.

Если запас потенциальной энергии маятника обозначить через GH, то работа, затраченная на деформацию и разрушение образца, равна разности энергии маятника в его положениях I и II (до и после удара), т. е.:

К = GH -Gh = G(H – h)

Выразив высоту маятника в положении до и после удара через силу маятника l и углы α и β, получим выражение для определе­ния работы, затраченной на деформацию и разрушение образца:

К= Gl (cos β – cos α),

где α — угол начального подъема маятника; β — угол подъема маят­ника после разрушения образца, фиксируемый на шкале 3. Масса груза и длина маятника известны. Угол α является величиной постоянной. Зная угол β по результатам испытаний, опре­деляют работу К и ударную вязкость КС.

Порядок выполнения и обработка результатов

После установки образца на опоры (рис. 15.1) и подъема маятника копра снимается значение энергий взведенного маятника Wвзв и заносится в журнал испытаний. Затем открывается предохранительный диск на раме копра и маятник, падая, разрушает образец.

На шкале отсчетного механизма по положению контрольной стрелки определяют величину Wост – остаточный запас энергии (работы) после удара. Определяется величина работы, затраченной на разрушение образца, W = Wвзв — Wост и ударная вязкость образца по формуле (15.1). Затем находится среднее для серии образцов значение ак и описывается характер разрушения образцов, эти данные заносятся в журнал испытаний.

Выполняемая работа позволяет также обнаружить пороки металла, которые являются скрытыми при статических механических испытаниях: трещины от закалки, рыхлость, усадочные трещины.

Критическая температура хрупкости

Окружающая среда напрямую влияет на сопротивление детали разрушению. Данная зависимость настолько очевидная, что была выделена в явление – под названием хладноломкость – и объясняется неизбежными деформациями при переходе в хрупкое состояние под воздействием мороза.

Температура, при которой наблюдается изменение и появляется повреждение, и считается критической. В технической литературе ее зачастую сокращают до аббревиатуры Тхр, а также записывают как «порог хладноломкости», который, помимо всего прочего, показывает, что составляющие в заготовке находятся в равных долях.

Данную величину находят опытным путем, проводя испытание материала на ударную вязкость – серию тестов с постепенным понижением терморежима, начиная от +20 градусов по Цельсию и заканчивая на -70 0С. По результатам выстраивают график, отражающий зависимость и показывающий точку перегиба – искомую Тхр. И чем этот показатель больше по своему значению, тем вероятнее, что под воздействием морозов в детали появится трещина (или другой сходный дефект).

Естественно, при прочих равных заготовки или целые функциональные узлы лучше делать из того сырья, порог хладноломкости которого сравнительно ниже, ведь тогда изделия можно будет эксплуатировать и в более жесткой климатической среде.

Определение ударной вязкости при пониженных температурах

Ударная вязкость является показателем надежности работы металла в критических условиях, связанных с проявлением концентрации напряжений. Факторами, вызывающими концентрацию напряжений является высокая скорость нагружения, геометрические концентраторы и понижение температуры. С понижением температуры ударная вязкость снижается, поэтому, наряду с испытаниями при нормальной температуре, применяются ударные испытания с предварительным охлаждением до температур от -40 0 С до -80 0 С.

Для охлаждения металла применяются камеры холода, источником низкой температуры в которых, может являться жидкий азот или спирт.

Самое простое устройство для охлаждения стали – емкость, наполненная керосином и сухим льдом. Определенная пониженная температура достигается изменением количества сухого льда в смеси.

Определение порога хладноломкости стали

График порога хладноломкости стали

При пониженных температурах, кроме определения необходимой работы для разрушения образца, ещё определяется порог хладноломкости – температура резкого снижения вязкости.Данная характеристика определяется на серии образцов одной плавки. Испытания проводят при разных температурах. Таким образом получается некая диаграмма, по которой и определяется порог хладноломкости стали. Чем ниже порог хладноломкости, тем более надежна сталь при эксплуатации в определенных условиях. Температуре хладноломкости соответствует вид излома при котором доля хрупких и вязких участков находится в соотношении «50:50». Поэтому она называется также «температурой полухрупкости» -Т50. Разницу между реальной температурой эксплуатации и Т50 называют «запасом вязкости».

Также, испытания на ударную вязкость проводят и при повышенных температурах

Контрольные вопросы

  1. Что называется ударной вязкостью материала и что она характеризует?
  2. Как определяется ударная вязкость стали?
  3. Для чего образцы изготавливаются с надрезом?
  4. От чего зависит величина ударной вязкости и для каких материалов она больше?

Уважаемые студенты!
На нашем сайте можно получить помощь по техническим и другим предметам:
✔ Решение задач и контрольных
✔ Выполнение учебных работ
✔ Помощь на экзаменах

Почему у металлов различная хрупкость

При значительных нагрузках в условиях действия стабильно низких температур свое влияние оказывают следующие факторы:

  • Микроструктура – она может быть крупно- или мелкозернистой, высокой чистоты или достаточно сильнозагрязненной посторонними включениями, с твердыми фазами по границам или без них, с нежелательными примесями или без них.
  • Концентраторы критических воздействий – несплошные участки, трещины и разрывы, газовые пузыри и тому подобные дефекты. В одном сырье их больше, в другом – меньше.
  • Остаточные напряжения и тому подобные состояния, сохранившиеся после проведения всех необходимых операций на предыдущих стадиях технического процесса производства.

Вот от чего зависит ударная вязкость на практике, и следует помнить, что большинство из перечисленных выше факторов также меняются. Те же повреждения со временем развиваются, становясь серьезнее и нарушая структуру.

Относительная нестабильность свойств – именно та причина, по которой при выпуске деталей требуется выполнять проверки. По результатам тестов можно с высокой степенью точности установить, при какой температуре допустимо стабильно эксплуатировать заготовку. Поэтому необходимо подробно рассмотреть, как их проводить, какие образцы при этом использовать, что за предварительную подготовку осуществить и так далее.

Методы испытаний металлов на ударную вязкость

Сначала – немного классификации, чтобы вы понимали, по каким причинам стоит делать выбор в ту или иную пользу. Существующие сегодня варианты лабораторных изысканий разделяют на несколько групп по следующим критериям:

  • наличие/отсутствие концентратора напряжений, то есть надреза определенной формы на одной из граней в зоне нанесения удара;
  • вид закрепления – установка на опоры, погружение в холодильную емкость и тому подобное;
  • характер воздействия – нагрузка может передаваться за счет молота, гири, маятника или иного твердого тела.

ударная вязкость это

Также есть способы проверки, названные в честь тех, кто их ввел:

  • по Гарднеру;
  • по Шарпи;
  • по Изоду.

При этом любая из вышеперечисленных разновидностей испытаний стали на ударную вязкость (и каких-либо других металлов тоже) сводится к попытке разрушения стандартного образца падающим предметом. Отличие только в специфике тестов, проводимых без надреза или с ним. Первый случай актуален только для листовых прокатных изделий, толщина которых одинакова по всей их площади, и его итоговые значения в несколько раз (до 10) превышают результаты в обычной среде, это нужно учитывать и соответствующим путем коррелировать дальнейшие расчеты.

Поскольку разница в нюансах, а не в принципе, рассмотрим один популярнейший метод, чтобы вы получили понимание о том, как проверки осуществляются в лабораторных условиях и насколько они точны.

Маятниковый копер

Это прибор, созданный специально для проведения испытаний, и его разновидности классифицируют по следующим показателям:

  • характер деформации – на кручение, растяжение, изгиб, срез, сжатие;
  • число ударов – один-единственный или несколько, совершаемых с определенным интервалом;
  • величина нагрузки – обычный (стандартный) поддерживает до 7 м/с, скоростной – уже значительно больше, 100-300 м/с, а в категорию сверхскоростных относят модели, выходящие за пределы 300 м/с;
  • условия выполнения тестов – рабочая температура, уровень влажности и так далее.

При этом практически любой копер состоит из опорных стоек, на которых закрепляется проверяемый стержень, и неподвижной оси – на ней на определенной высоте размещается боек с маятниковым эффектом. Простота конструкции делает ее достаточно надежной, а также уменьшает погрешность результатов.

В списке основных рабочих характеристик каждого такого прибора: диапазон измерений, максимальная мощность и скорость движения в момент контакта, наибольший потенциал фиксируемой энергии, габариты (в частности, масса) и расстояние между опорами.

ударная вязкость стали

Отбор образцов

Межгосударственный стандарт, говорящий, что такое ударная вязкость металла, это ГОСТ 9454, и в соответствии с ним подходящими для проведения испытаний считаются следующие варианты:

  • по Шарпи – заготовки длиной 55 мм, квадратного сечения (10 на 10 мм), с U-образным вырезом посередине, радиус которого 1 мм, а глубина пропила – 2 мм;
  • по Менаже – геометрия и габариты аналогичны предыдущему, только канавка (концентратор напряжения) уже в форме перевернутого треугольника (буквы V);
  • Т-образные – их ДхШхВ составляет 55 на 10 на 11 мм, и у каждого есть искусственно сделанная усталостная трещина, то есть специальный надрез.

Второй вид является наиболее часто используемым: он применим при отбраковке металлопродукции, эксплуатируемой в составе важных конструкциях, то есть в высокоточных приборах, медицинском или промышленном оборудовании, воздушных и наземных транспортных средствах. Третий ориентирован на еще более ответственные случаи, которых сравнительно немного, поэтому в количественном отношении он не получает такого распространения. Первый предназначен для всех остальных ситуаций.

Подготовка к проверке и ее проведение

испытание на ударную вязкость

В общем случае схема испытания на ударную вязкость выглядит следующим образом:

  1. Стержень закрепляется на опорных стойках – так, чтобы место контакта было строго напротив концентратора напряжения (с другой его стороны).
  2. Маятник (масса которого G, а сила L) приводится в исходное положение (верхнее, 1), то есть поднимается на высоту H.
  3. Провоцируется падение, в результате которого боек слетает, ударяет по образцу и совершает возвратное движение на расстояние h, то есть в позицию 2.
  4. Для окончательной остановки используется тормоз.

Все занятые положения фиксируются, после чего по разности потенциалов и вычисляется работа, необходимая для хрупкого разрушения. Сейчас посмотрим, как это происходит.

Стандартное обозначение ударной вязкости в расчетах – КС, запаса энергии маятника – GH.

Базовая формула выглядит так:

  • К – работа, приведшая к деформации образца;
  • F – площадь поперечного сечения стержня на участке с концентратором напряжений (известная величина).

Энергия затрачивается при перемещении маятника из первой позиции во вторую в результате удара, поэтому:

K = G x H – G x h,

или, если преобразовать это соотношение:

также высоту бойка в двух положениях можно выразить через силу и углы, после чего наше уравнение будет выглядеть так:

K = G x L x (cos β – cos α), где:

  • β – конечный угол;
  • α – начальный.

Все показания и позиции в ходе теста фиксируются в обязательном порядке. Но прежде чем переходить к подстановке значений в формулу и к анализу полученных цифр, еще несколько слов о том, как обозначается ударная вязкость. Дело в том, что записывать ее можно еще и с третьим индексом, обозначающим тип использованного концентратора напряжений, – для большей информативности. В таком случае рассматриваемый нами показатель будет выглядеть в формулах как KCV (по Менаже), KCT или KCU (по Шарпи) соответственно.

Обработка результатов

Взглянем на итоговое уравнение. Какие величины известны? Это масса бойка (G) и длина маятника (L). Также постоянное значение у начального угла α, а конечный – β – находится в ходе теста.

Так что для подсчетов нет препятствий – есть (или появляются) все данные для определения энергии, затрачиваемой на хрупкое разрушение.

Теперь о том, в чем измеряется ударная вязкость, – в Дж/м2 – так как, по сути, она представляет собой работу, проведенную на определенной площади формы.

Также есть интересная особенность: начиная с определенной температуры, КС неуклонно снижается, поэтому, для точности и полноты оценки, ударные тесты необходимо осуществлять не только в нормальных условиях, но и со значительным охлаждением опытного образца – до -40…-80 градусов Цельсия.

С этой целью стержни помещаются в специальные морозильные камеры со спиртом или жидким азотом. Хотя можно отдать предпочтение более простому варианту – емкости, заполненной сухим льдом или керосином, она также позволяет добиться нужного терморежима.

Полезным будет и определение порога хладноломкости, то есть температуры, при которой наблюдается резкое падение КС. Для этого необходимо взять серию опытных образцов (обязательно из одной плавки), провести испытания, тщательно записывая результаты с малым шагом градусов, а потом сравнить цифры и выстроить на их основе диаграмму. По ней будет отчетливо видно, как на каком-то участке сравняется доля вязких и хрупких составляющий – эта точка и станет искомым показателем.

Другое распространенное название порога – «температура полухрупкости», которая, для сокращения, также часто записывается как Т50 – исходя из пропорции в 50 на 50%. Если вычесть ее из реальной эксплуатационной, получите запас вязкости. Чем он больше, тем надежнее считается материал (с оговоркой, что условия его использования останутся неизменными).

Наиболее наглядные результаты дадут литые сплавы магния и алюминия, а также чугун. Почему именно они? Потому что у них сопротивление отрыву характерно видно даже при статических нагрузках, не говоря уже о повышенных – есть на что ориентироваться.

Для достижения нужного уровня охлаждения можно использовать:

  • сухую углекислоту – обеспечит -70 0С;
  • жидкие газы – азот (даст -195 градусов по Цельсию), воздух (-183) или водород (-252).

Естественно, это довольно опасные вещества, поэтому работы с ними должны проходить только в лабораторных условиях и с соблюдением соответствующих положений техники безопасности.

Сравнение материалов по ударной вязкости

Можно проводить его опытным путем, самостоятельно выполняя тесты, записывая полученные результаты и так далее. Но гораздо быстрее и проще воспользоваться уже найденными в ходе проверок по методу Изода значениями, сведенными в специальную таблицу. Преимущественное место в ней занимают пластики, но и другие виды сырья тоже представлены.

В любом случае, вы сэкономите свое время, ведь останется только вычислить КС и порог хладноломкости для используемого сплава, а потом сравнить их с аналогичными и уже известными цифрами.

Мы постарались дать максимальное представление о способах испытаний, подсчетах, определении, особенностях. Подробно остановились даже на том, в каких единицах измеряется ударная вязкость (размерность ее – Дж/м2, напоминаем). Столько информации – чтобы вы точно понимали важность этого показателя и могли грамотно его учитывать при выборе материала для исполнения деталей.

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Егор Новиков
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий