3. Випробування на ударну в'язкість

Ударна в'язкість КС (раніше позначалась а_н(_к)) - характеристика поведінки матеріалів під час дії динамічних навантажень. Це питома робота руйнування призматичного зразка з надрізом посередині, яке відбувається одним ударом маятникового копра (ГОСТ 9454-78):

де К - робота, витрачена на руйнування зразка від динамічного згину;

3₀- початкова площа поперечного перерізу зразка в місці

надрізу.

Для випробувань на ударну в'язкість рекомендуються зразки з концентраторами напружень трьох видів (рис. 70). Вони відрізняються формою надрізу: а) 0-подібний, з радіусом концентратора К=1 мм;

0) У-подібний, з радіусом К = 0,25 мм і кутом 45°; в) У-подібний, з наведеною втомною тріщиною.

Природно, що в залежності від виду концентраторів значення ударної в'язкості будуть різними, тому відповідно вона позначається: КСИ, КСУ, КСТ. На рис. 71 показано, як змінюється концентрація напружень від виду надрізу.

Основним критерієм ударної в'язкості в загальних випадках вважається КСИ Вимірюють її в МДж/м² (раніше в кГм/см²).

При експлуатації різних деталей машин і конструкцій часто

виникають різні перевантаження, які викликають локальне підвищення напружень в металі, тому ударні випробування при наявності концентраторів напружень, характеризуючих енергоємність руйнування, мають велике значення. Ударна в'язкість дозволяє виявити схильність матеріалу до крихкого руйнування (вона у матеріалі тим менша, чим більша КС). Значення ударної в'язкості не є основою розрахунків конструкцій, але треба знати, що

55

.'в

Ж

ш

НО,25 V
СЧ

А—

Рис. 70. Зразки для випробувань на удар: а) з ІІ-подібним надрізом; б) з У-подібним надрізом; в) з тріщиною.

Рис. 71. Концентрація напружень у вершині дефектів: а) надріз з наведеною тріщиною; б) надріз з радіусом закруглення К.

матеріали з однаковими значеннями міцності й пластичності часто мають різну ударну в'язкість. Для відповідальних конструкцій необхідно вибирати такий матеріал, щоб він мав разом з високим значенням міцності високу ударну в'язкість.

З.Критсрії надійності

Метали і їх сплави відрізняються недосконалістю будови, що обумовлено недосконалими способами їх виробництва і подальшої обробки. Незважаючи на суворий контроль якості, метал після обробки може мати багато невизначених дефектів, які під час експлуатації виробів стають причинами руйнування.

Осередком крихкого руйнування являються присутні в металі мікротріщини (тріщиноподібні дефекти), або ж дефекти (ті ж тріщини), що виникають в процесі експлуатації.

Руйнування характеризується двома критеріями:

а) роботою виникнення (зародження ) тріщини;

б) роботою розвитку (поширення) тріщини.

Особливе значення ці критерії мають для високоміцних металевих сплавів, коли через високий опір пластичній деформації начальні тріщини утворюються порівняно легко, і тому експлуатаційні властивості таких сплавів будуть в основному визначатись їх опором розповсюдженню тріщин.

До методів оцінки надійності відносяться випробування матеріалів на ударну в'язкість (КСУ, КСТ), а також визначення температурного порогу холодноламкості (Т₅₀).

Параметром КСУ оцінюють придатність матеріалу для сосудів тиску, трубопроводів та інших конструкцій підвищеної надійності.

Робота руйнування ударного зразка (КС), як було вказано вище, має дві складові:

КС=К₃+К_р ,

де К₃ - робота зародження тріщин; К_р — робота розповсюдження тріщин.

Параметр КСТ, який звичайно визначають на зразках з тріщиною втомленості (метод Б.А.Дроздовського), саме і характеризує роботу розвитку тріщини при ударному, згині, і дає оцінку здатності матеріалу гальмувати розпочате руйнування. Якщо матеріал

мас КСТ=0, то це означає, що процес його руйнування йде без витрати роботи. Такий матеріал дуже крихкий і ненадійний при експлуатації.

Формула для визначення питомої роботи розвитку тріщини:

К

КСТ= —,

де Зо - площа перерізу, що не має тріщини.

Додаткове випробування зразків типу б (рис. 70) дозволяє одержати значення ударної в'язкості КСУ, а потім за різницею КСУ і КСТ вичислити питому роботу зародження тріщини.

~

Рис. 72. Графік залежності ударної в’язкості від температури випробування: Тв-верхній поріг холодноламкості; Тн-нижній поріг холодноламкості.

-70 -60 -50 -ЬО -ЗО -20 -Ю О _о Ю 20

Температура, С

Надійність деталей, конструкцій і споруд при експлуатації залежить також від порогу холодноламкості. Поріг холодноламкості визначають, коли випробовують на ударну в'язкість (КСІІ) стандартні зразки, нагріті або охолоджені до різних температур. Потім будують графік залежності ударної в'язкості від температури (рис. 72). Температуру при якій спостерігається значне падіння ударної в'язкості одного чи кількох зразків, являється порогом холодноламкості даного металу. Вона відповідає критичній температурі крихкості (Ткр). У надійних конструкційних матеріалів Ткр повинна знаходитись в районі температур, значно нижчих 0°С. Причину такої поведінки КСІІ пов'язують з різницею залежностей границі текучості й напруження руйнування від температури (рис. 73). При Т>Ткр руйнуванню буде передувати пластична деформація, і при

ОтСОр руйнування буде в'язким. При Т<Ткр буде с_р<а_т, тому руйнування буде крихким. Для багатьох сталей на кривих залежності КСИ

від температури важко визначити поріг холодноламкості, тому нерідко його визначають за видом зламу випробованих зразків. Будова зламів змінюється від волокнистого матового при в'язкому руйнуванні (Т>Ткр) до кристалічного блискучого при крихкому руйнуванні (ТсТкр). Поріг холодноламкості визначають інтервалом температур (Тв-Тн) або однією температурою Т50, при якій в зламі зразка залишається 50% волокнистої складової, що приблизно відповідає КСТ/2.

Д

Рис. 73. Схема переходу від в’язкого руйнування до крихкого.

ля відповідальних деталей за критичну температуру крихкості нерідко приймають температуру, при якій в зламі існує 90% волокна (Тод), а ударна в'язкість зберігає високе значення. Інколи визначають верхній Тв поріг холодноломкості, який відповідає 90% волокна, і нижній Тн, відповідаючий 10% волокна.

Надійність конструкції тим більше, чим більше різниця між температурою експлуатації і температурою порогу холодноламкості. Особливо велике значення приділяється визначенню порогу холодноламкості сталей, з яких виготовляють конструкції і машини, працюючі в умовах Півночі, а також сосуди для збереження і транспортування скраплених газів. Треба знати, що, чим вища міцність (о_в, Сод), тим вищим стає поріг холодноламкості, тому завжди актуальною є проблема створення високоміцних сплавів з низьким порогом холодноламкості.

Визначення ударної в'язкості на лабораторних зразках не може дати повноційної характеристики надійності роботи виробів при експлуатації. В зв'язку з цим дуже важливим напрямком в інженерній практиці є необхідність кількісної оцінки тріщино- стійкості, яка- базується на лінійній механіці руйнування. При цьому в інженерній теорії крихкого руйнування не приймається до уваги механізм утворення тріщин (вважають, що вони вже виникли після зварювання, термічної обробки або в процесі експлуатації), а розглядається тільки їх розповсюдження.

Саме розповсюдження тріщин має два етапа:

• етап стабільного розвитку;

• етап спонтанного розвитку.

До уваги приймається лише останній критичний етап руйнування - спонтанний ріст тріщини критичного розміру (£_кр).

Параметри тріщиностійкості були розроблені Д.Ірвіним на основі робот А.Гріфітса, який показав, що крихке руйнування зв'язане з присутністю в металі тріщин, які викликають локальну концентрацію напружень. Крихке руйнування відбувається в результаті са- модовільного спонтанного руху цих тріщин, який підтримується енергією, що накопичується в матеріалі внаслідок пружньої деформації. Явища, які мають місце поблизу гирла тріщини, можуть бути описані.за допомогою параметра К. Цей параметр представляє собою коефіцієнт інтенсивності напружень у вершині тріщини або локальне підвищення розтягуючих напружень поблизу ведучого кінця тріщини:

К=Ус„ х/дС ,

де У - безрозмірний коефіцієнт, що характеризує геометрію тріщини і тип зразка; о_н - номінальне (середнє) напруження віддалік від тріщини, МПа; С - довжина тріщини, мм.

Отже, розмірність К має вигляд МПа-мм'Д. Якщо вивільнена під час руйнування питома пружна енергія досягає критичного рівня, тріщина буде рости самодовільно. Силовими умовами початку самодовільного руйнування є досягнення величиною К критичного значення, тобто Кс (с- перша літера від "сгіІісаГ- критичний). Отже, якщо Уа_нх/дС <Кс, то руйнування не відбудеться.

Параметр Ірвіна Кс визначають експериментально. Частіше Кс визначають в умовах плоского деформаційного стану, коли руйнування відбувається шляхом відриву - перпендикулярно до площини тріщини. В такому разі коефіцієнт інтенсивності напруження, цебто відносне підвищення розтягуючих напружень у вістрі тріщини під час переходу її від стабільної до нестабільної стадії росту, позначають К_і_с (МПа-м'/₂) і називають в'язкістю руйнування при плоскій деформації.

Величина К _і_с визначає здатність металу (сплаву) протистояти розвиненню тріщини. Чим вище значення К _]_с, тим менша не

безпека крихкого руйнування і вища надійність конструкції машини, виготовляємо! з даного матеріалу.

В іншому вигляді формулу для визначення критичного коефіцієнта інтенсивного напруження в умовах плоскодеформованого стану можна записати:

К _] с Єс_Єр. ,

де О_сер - прикладне середнє напруження;

С_Кр.^_ критична довжина тріщини;

а - безрозмірний коефіцієнт, що характеризує геометрію тріщини.

К

Рис. 74. Залежність критичного розміру тріщини С_кр від К_і_с і напруження о:

1 - К_іс =1710 МПа мм7₂; 2 - К _,_с=2640 МПамм'/₂ (Л. Д. Воловик).

_]_с дозволяє при даному рівні напружень оцінити критичний розмір тріщини £_кр, що викликає крихке руйнування, або, навпаки, при наявності тріщини довжиною £ знайти величину руйнуючого напруження. Така залежність поміж £_кр, К_)_С і о представлена графічно на рис. 74. Із цього графіка видно, що при робочому напруженні 1000 МПа сталь з К_і_с = 1710 МПа мм‘/₂ може експлуатуватись при розмірі тріщини не більше 2,5 мм, в той час, як в сталі з К _і_с = 2640 МПа мм7₂ тріщини не будуть небезпечними аж до роз-міру 7мм. Взагалі при зростанні К _і_с зростає розмір допустимої тріщини С, тобто матеріал стає більш стійким проти крихкого руйнування. Тому для забезпечення більшої надійності виробу треба брати матеріал з високим значенням К_]_с, таблиця 4.

К _і_с знижується з підвищенням Со,2, тому в'язкість руйнування використовується для характеристики високоміцних матеріалів, які призначаються для виготовлення сильно навантажених конструкцій - крупних зварних вузлів, сосудів високого тиску, деталей літаків, кор-

мусів ракет. Для таких виробів розрахунок К _]_с необхідно проводити з високою точністю (±10%).

Для визначення К _і_с проводять випробування методом статичного навантаження зразків з гострим надрізом, в вершиш якого знаходиться втомна тріщина. Для випробувань рекомендується два типа зразків (рис. 75).

З

Рис. 75. Типи зразків для визначення в'язкості руйнування.

разки першого типу (а) призначені для випробування на згин за схемою рис. 76 а. Зразки другого типу (б) використовуються для випробувань на позацентрове розтягування за схемою рис. 76 б. При однакових розмірах поперечного перерізу зразків ці схеми випробувань ідентичні.

Величина ІС]_с стає залежною від розмірів і форми зразків, якщо не виконується знайдена емпірічно така умова:

/

)<(

^К-1с

Ь

Рис. 76. Схема навантаження зразків для визначення в'язкості руйнування.

а

0,2

>2,5(

Таблиця 4. Границя міцності і в'язкість руйнування К _і_с деяких конструкційних матеріалів

Матеріал	ов, МПа	К|С, МПа мм'/2
Алюмінієві сплави	300- 700	1500-660
Титанові сплави	700- 1400	2000- 1200
Сталі	1200- 2400	3000- 1000

Іншим параметрЬм тріщиностійкості, введеним Д.Ірвіним, є сила, необхідна для просування тріщини на одиницю довжини. В механіці руйнування вона позначається С (на честь Гріфітса). Параметр С (не треба плутати з модулем зсуву О) зв'язує воєдино довжину тріщини з напруженням деталі о. При цьому, чим більша потреба в зусиллі для просування тріщини на одиницю довжини, тим тріщина більш стійка, потому, для виготовлення надійних виробів треба вибирати матеріал з високим С. Параметр 0|_С визначають за формулою: С_і_с=К_|_с-Е