4. Динамические испытания

Основным динамическим испытанием является метод испытания на ударный изгиб (ГОСТ 9454—78) с определением ударной вяз­кости металла. Метод основан на разрушении образца с надрезом одним ударом маятникового копра (рис. 49).

О бразец устанавливают на опорах копра и наносят удар по стороне образца, противоположной надрезу. Работа, затраченная на разрушение образца: K =Pg (H—h)=Pgl (cosα₂ — cosα₁), где Р — масса маятника; g — ускорение силы тяжести; H, h — высота подъема маятника до удара и после разрушения образца; l — длина маятника; α₁, α₂ — углы подъема маятника до удара и после разрушения образца. Величины Р, H, l, α₁ — постоянны, поэтому при испытаниях значение работы разрушения определяют с помощью специальных таблиц по значению α₂ (h).

Ударная вязкость КС определяется как отношение работы разрушения К, затраченной на деформацию и разрушение удар­ным изгибом надрезанного образца, к начальной площади попе­речного сечения образца в месте надреза S₀:

КС = K/S₀, Дж/см².

В зависимости от вида концентратора различают образцы трех типов: с радиусом дна надреза 1,0 (тип U); 0,25 мм (тип V) и ини­циированной трещиной (тип Т) (рис. 50).

Введение ударных испытаний образцов с трещинами является следствием того, что работоспособность материала определяется не столько сопротивлением зарождению трещины, сколько сопро­тивлением ее распространению. Обычные образцы имеют сечение 10x10 мм, но для особо ответственных случаев и для оценки работоспособности крупных деталей применяют образцы сече­нием 25x25 мм с инициированной трещиной. Чем острее надрез, тем более жестким испытаниям подвергается металл. Вид надреза входит в обозначение работы удара и ударной вязкости. Работу удара обозначают двумя буквами KU, KV, КТ, а ударную вяз­кость — тремя буквами KCU, KCV, КСТ. В этих обозначениях последние буквы являются символами концентратора.

Испытания ударной вязкости широко применяются для оценки склонности металла к хрупкому разрушению при низких темпера­турах, Преимуществом этого метода является простота экспери­мента, учет влияния скорости нагружения и концентрации напря­жений. Для оценки хладноломкости обычно проводят испытания серии образцов при понижающихся температурах. Полученные кривые зависимости ударной вязкости от температуры называют сериальными кривыми хладноломкости (рис. 51). С помощью кривых определяют температурный порог хладноломкости. При температуре эксплуатации ниже порога хладноломкости металл применять не следует.

Для проведения испытаний при низких температурах приме­няют копры двух типов. К первому, наиболее распространенному, относятся копры обычного типа, у которых система нагружения вынесена за пределы холодильной камеры. Второй тип копра представляет специальную уста­новку с размещением системы на­гружения внутри холодильной ка­меры. ГОСТ 22848—77 рекомендует испытания при температуре до 20 К проводить на обычных копрах, а для испытаний при 4 К применять специальные.

Н а копрах первого типа прово­дят испытания ударной вязкости с непосредственным переносом об­разца щипцами из емкости с ох­лаждающей жидкостью на опоры копра. Для сохранения темпера­туры образцы обматывают непроч­ной оболочкой — ватой, папирос­ной бумагой и др. При температу­рах ниже 77 К используют специ­альные контейнеры: бумажные, стеклянные и др. При определении ударной вязкости металла из полу­ченных значений работы вычитают работу разрушения контейнера. При испытаниях необходимо обес­печить минимальную продолжи­тельность от момента извлечения образца из холодильной камеры до проведения опыта. Время установ­ки охлажденного образца на опо­ры копра с момента извлечения из холодильной камеры до удара маятника должно быть не боль­ше 5 с.

Для испытаний в среде жидкого гелия используют пневмати­ческие копры конструкции Физико-технического института низких температур АН УССР (рис. 52). Кроме копра установка содержит пульт управления с регистрирующей аппаратурой, включающей осциллограф для записи диаграммы деформации.

Пневматический копер работает следующим образом. Молот поднимается в исходное положение, в котором он удерживается с помощью стопорного шарикового замка. При установке молота в исходное положение тяги поднимают наковальню с образцом. Благодаря этому наковальня перестает соприкасаться с динамо метром, установленным на основании копра, что снижает теплопритоки извне. При достижении образцом необходимой темпера­туры выключают стопорный замок. Рабочий ход молота происхо­дит под действием его силы тяжести и подачи воздуха в пневмо­цилиндр. В начале движения молота вследствие ослабления тяг наковальня опускается и плотно ложится на динамометр. При ударе ножа молота по образцу датчик деформации и тензодатчики динамометра передают электрические сигналы на осциллограф. После разрушения образцы попадают в приемный бункер. В конце хода молот тормозится гидроамортизатором и автоматически быстро возвращается в исходное положение. Кассетное устрой­ство позволяет при одной заливке хладагента испытывать 12 стан­дартных образцов.

Техническими условиями на поставку металлопродукции от­ветственного назначения обычно оговаривают минимально допу­стимое значение ударной вязкости при заданной температуре.

Оценку хладноломкости можно также проводить по виду из­лома разрушившегося образца. Метод основан на определении соотношения площадей вязких и хрупких участков излома удар­ных образцов. Вязкий излом имеет характерное волокнистое строение с пепельным оттенком. С понижением температуры коли­чество волокнистой составляющей в изломе снижается, появ­ляются кристаллические, блестящие участки. Обычно за критиче­скую температуру принимают такую, при которой доля волокни­стой структуры равна 50 %.

В ряде случаев целесообразно определять не только общую работу разрушения при ударном изгибе, но и ее составляющие - работу зарождения и работу развития трещины: КС = КС₃ + KС_р. Работа зарождения трещины зависит от радиуса надреза. Чем острее надрез, тем меньшая работа нужна для зарождения трещины. Работа развития трещины мало зависит от геометрии надреза и лучше характеризует склонность металла к хрупкому разрушению. Для ее определения обычно используют образцы с заранее инициированной трещиной.

Следует, однако, иметь в виду, что при испытании пластичных материалов работа разрушения образца с трещиной превышает истинную работу развития трещины на величину работы пласти­ческой деформации, расходуемой на изгибную и поперечную макродеформации.

Работу зарождения и работу развития трещины удобно опре­делять при испытаниях на ударный изгиб с помощью диаграмм нагрузка - прогиб, полученных фотографированием с экрана ос­циллографа.

А. П. Гуляев предложил приближенный метод определения составляющих ударной вязкости, основанный на предположе­нии о линейной зависимости ударной вязкости от радиуса надреза и равенства нулю работы зарождения трещины для образцов с радиусом надреза, равным нулю, или с трещиной. Тогда экстра­поляция данных испытаний образцов всего двух типов с радиусом 1 и 0,25 мм на нулевое значение радиуса надреза даст значение работы развития трещины.

Определение составляющих ударной вязкости позволяет вы­явить влияние различных факторов на обе стадии разрушения.