7.3.6. По данным таблицы 7.1 произвести расчет характеристик механических свойств (см.Работа 3). Значения механических свойств занести в таблицу 7.2.

Определить и занести в таблицу 7.2. отношение

σ_н / σ_гл

Таблица 7.2. Значения характеристик механических свойств

Тип образцов	δ5, %	Ψ,%	σ0.2, МПа	σВ, МПа	Sк, МПа
1.Гладкий
2.Надрез 150º
3.Надрез 60º

7.3.7.Сопоставить полученные данные и сделать выводы по влиянию угла надреза.

7.5. Требования к отчету

В отчете по работе должны быть представлены в виде схем диаграм­мы деформации, результаты их анализа, сведенные в таблицы и выводы.

7.4. Вопросы для подготовки

1. Почему необходимо учитывать влияние концентратора напряжет!» на механические свойства металлов?

2. Как влияет надрез на характер напряженного состояния по сече­нию?

3. Чем можно объяснить отсутствие связи между твердостью и преде­лом прочности на разрыв хрупких материалов? (За основу следует взять физическую сущность этих характеристик материала).

4. Как влияет острота надреза на прочность и пластичность?

5. Почему σ_0,2, σ _Т, σв могут строго характеризовать сопротивле­ние материалов разрушению

Лабораторная работа 8

Влияние структуры и размера зерна на ударную вязкость стали

8.1. Цель работы: ознакомиться с методом испытания стали на удар; исследовать влияние размера зерна на ударную вязкость; исследовать влияние микроструктуры на ударную вязкость.

8.2. Теоретическая часть

Испытание на ударную вязкость производится на маятниковом копре, позволяющем определить работу, затраченную на разрушение образца. При чем определяется удельная работа разрушения КСИ (КCV), которая называется ударной вязкостью:

КСU = , (8.1.)

где Ар - общая работа разрушения образца в кГм; F - площадь поперечного сечения образца в см². В системе СИ единицей измерения ударной вязкости является МДж/м². Чтобы перевести единицы измерения кгм/см² в МДж/м², следует полученную величину разделить на 10

Испытания на удар проводятся на стандартных образцах согласно ГОСТ 9454-78 (рисунок 8.1).

Рисунок 8.1. Образцы для испытания на удар

Испытание осуществляется на маятниковом копре МК-30 (рисунок 8.2). Работа деформации и разрушения образца отсчитывается по шкале, градуированной в килограммометрах, при помощи специального измерительного приспособления. При установке маятника в начальное положение ролик поднимает стрелку циферблата на величину, пропорциональную высоте подъема центра тяжести маятника. После разрушения ролик поднимает вторую стрелку циферблата на высоту, пропорциональную, неизрасходован­ной энергии. Разность между показателем стрелок на циферблате укажет на величину, пропорциональную разности высот центра тяжести маятника до и после удара, т.е. пропорционально работе, затраченной на деформацию и разрушение образца.

Градуировка на шкале циферблата сделана в килограммометрах.

Рисунок 8.2. Схема копра для испытания на удар

Рисунок 8.3. Схема шкалы циферблата маятникового копра

На значение ударной вязкости большое влияние оказывает структуру сплава, которая изменяется под влиянием тепловой обработки и легирования. Из структурных факторов важными являются: размер зерна, однородность твердого раствора, форма и размеры основной и упрочняющей зоны, состояние границ зерен, количество дефектов кристаллического строения металлов, количество, размеры, форма неметаллических включений и др.

В стали основными структурными составляющими являются феррит и цементит, которые могут образовывать смеси; перлит, сорбит, троостит. Если эти смеси являются продуктами распада аустенита, они имеют пластинчатое строение, если образуются (за исключением перлита) при распаде мартенсита (структуры закаленной стали) - имеют зернистое строение. Зернистая структура обеспечивает: больший запас ударной вязкости в сравнении с пластинчатой. Зарождение и развитие трещин легче проходит по пластинам структуры, чем между зернистыми выделениями какой-либо фазы. Чем меньше размер зерна в стали, тем больше ударная вязкость, так как границы зерен являются барьерами для развития трещин из одного зерна в другое.

8.З. Порядок проведения работы

8.3.1.. Получить три образца шипа марки стали 45 (4ОХ, 4ОХН и др.).

Один образец нагреть до 950-1000 °С, выдержать в течение часа, охладить на воздухе, второй нормализовать с температуры 860 °С (выдержка, 10 минут), третий закалить с 860 °С в воде и под­вергнуть отпуску при 650 °С в течение I часа, четвертый обра­зец той же стали размером 10 х 10 х 20 закалить в воде с 860 °С.

8.3.2. Разрушить методом удара все три образца и подсчитать значения удельной работы разрушения. Данные занести в табл.8.1.

Таблица 8.1. Данные разрушения стали 45 методом удара

Режим термообработки	Ар, кГм	F, м2	КСU	МДж/ м2
Нормализация с 1000 °С
Нормализация с 860 °С
Улучшение

8.3.3. Из половинок ударных образцов изготовить микрошлифы, изучить структуру и определить размер зерна, кроме улучшенных. Данные занести в табл.8.2

Таблица 8.2. Размеры зерна и тип структуры в испытуемой стали

Режим термообработки	Вид микроструктуры	Размер зерна в стали
Нормализация с 1000 °С
Нормализация с 860 °С
Улучшение

8.3.4. Сделать вывод о влиянии типа структуры и размера зерна на ве­личину ударной вязкости.

8.3.5. Измерить и сопоставить величину утяжки образцов. Изучить и за­рисовать изломы образцов.

8.4. Требования к отчету

8.4.1. Определить цель.

8.4.2. Зарисовать эскизы образцов.

8.4.3. Привести результаты испытаний, сведенные в таблицы.

8.4.4. Дать анализ влияния структуры на ударную вязкость.

8.4.5. Сделать выводы

8.5. Вопросы для подготовки

1. Какой режим термической обработки обеспечивает пластинчатую структуру в стали 45?

2. Какой режим термической обработки обеспечивает зернистую

структуру в стали 45?

3. Как оценивается ударная вязкость образцов?

4. Как влияет пластинчатая форма карбидной фазы в сравнении с зернистой формой на ударную вязкость сталей?

5. Как влияет размер зерна на ударную вязкость стали?

б. Что такое "ударная вязкость"?

7. Единицы измерения ударной вязкости.

Лабораторная работа 9

Разделение ударной вязкости на ее составляющие

по методике Оттани и Дроздовского

9.1. Цель работы: ознакомиться с 2 методами определения составляющих ударной вяз­кости - работы зарождения и работы развития трещин.

9.2. Теоретическая часть

До настоящего времени в справочной литературе основным критерием вязкости (хрупкости) материала являлась ударная вязкость КСU . Однако значение КСU в общем случае есть интегральная величина, т.к.

А_разр = А_зар + А_разв, (9.1.)

где Азар - работа, затраченная на пластическую деформацию и зарожде­ние трещины в образце;

Аразв - работа, затраченная на распространение трещины, образовавшейся при приложении ударной нагрузки.

Если с поверх­ности металлов есть трещины, готовые концентраторы напряжений, то со­противление разрушению определяется работой развития (А_разв) этого концентрато­ра напряжений, а если трещин нет, то работой зарождения (А_зар) трещины.

Конечно, в реальных металлах всегда имеются структурные концентра­торы напряжений (посторонние включения, микротрещины, границы зерен и др.). Эти дефекты следует рассматривать как острые трещины. Следовательно, значение А_разр в большей степени характеризует сопротивление реального металла динамическим нагрузкам. Если два материала имеют оди­наковое значение КСU , нельзя быть уверенным в том, что в условиях действия ударных нагрузок эти материалы равноценны. Если основная часть энергии у одного материала ушла на пластическую деформацию, то этот ма­териал будет весьма хрупким.

Для определения составляющих ударной вязкости используется несколь­ко методов: 1) прямые Оттани и Дроздовского; 2) косвенные - Гуляе­ва и Лившица – Рахманова. В настоящее время предпочтение отдают прямым методам определения работы зарождения и развития трещин - методу Отта­ни и Дроздовского, они более точные и соответствуют реальным условиям.

Суть методики Оттани сводится к двукратному приложению нагрузки 1-я - при энергии маятника, недостаточной для разрушения, но достаточ­ной для наведения определенной глубины трещины; 2-я - при энергии маятника, достаточной для разрушения. Глубина возникшей при первом ударе трещины зависит от высоты подъема маятника. Путем погружения образца с наведенной трещиной в раствор CuCl₂ окрашивают трещину, при повторном ударе материал разрушают и оценивают глубину первоначальной трещины.

По результатам исследования строится график в координатах энергия - глубина трещины (рисунок 9.1).

Рисунок 9.l. Схема разделения ударной вязкости на составляющие (по Оттани)

Экстраполируя прямую на ось абсцисс, мы получаем работу зарож­дения трещины, работу развития получаем при вычитании из общей работы разрушения работу зарождения.

Согласно методике Дроздовского в образце нестандартных размеров 11 х 10 х 15 наносится вибратором у дна надреза усталостная трещина I мм глубины (рис.9.2).

Рисунок 9.2. Схема нестандартного образца с нанесенной усталостной

трещиной.

Разрушая этот нестандартный образец методом удара, мы получаем работу развития готовой трещины. Определив работу разрушения стандартного образца, вычитаем из нее работу развития трещины - получаем работу зарождения.

Работа развития трещин, определенная по методике Дроздовского имеет большие величины, чем та же работа на том же материале, определенная по методике Оттани, так как в ее значение входит некоторая работа, за­трачиваемая на деформацию металла до момента начала движения трещины, созданной циклическими нагружениями. Все же из-за простоты и меньшей трудоемкости предпочтение отдают методике Дроздовского.

9.З. Порядок проведения работы

9.3.1 Для определения составляющих ударной вязкости по методике

Оттани подготавливают 5 образцов и производят обмер их: ширину, высоту у дна надреза образцов.

9.3.2. Провести испытания на копре по Оттани при пяти разных положени­ях маятника, недостаточных для разрушения.

9.3.3. После испытания по методике Оттани поместить образцы в 10 % раствор CuCl₂, для окраски трещины. Просушить образцы в сушильном шкафу.

9.3,5, Провести разрушения образцов с трещиной. Снять показания рабо­ты, затраченной на разрушение.

9.3.б. Измерить глубину трещины по ее окраске.

9.3.7. Построить график в координатах энергия копра - глубина трещи­ны.

9.3.8. По графику, определить работу зарождения к развития трещин по методике Оттани.

9.3.9. Данные занести в таблицу. 9.I.

9.3.10, Для определения составляющих ударной вязкости по методике Дроздовского взять два стандартных образца. Провести промеры образцов по ширине и высоте у дна надреза.

9.3.11, Эти образцы испытать на удар. Определить среднее значение ра­боты разрушения.

9.3.12. Взять два нестандартных образца. На боковой поверхности образцов на расстоянии 8 мм от основания до надреза провести линию и на вибраторе зарядить усталостную трещину у дна надреза глубиной I мм до нанесенной на боковой грани образце линии см. рисунок 9.2.

Таблица 9.1. Величины составляющих ударную вязкость

Номер образца	Энергия копра	Глубина трещины	Составляющие ударной вязкости
			Азар, кгм	Аразв, кгм
Метод Оттани
1
2
3
4
5
Метод Дроздовского
1
2

9.3.13. Произвести испытание на удар нестандартных образцов при той же энергии копра, что и стандартных. Получим энергию развития трещин.

9.3.14. Полученные значения усреднить и вычесть из энергии разрушения стандартных образцов. Разность значений работы является рабо­той зарождения трещины.

9.3.15. Занести значения работы зарождения и развития трещин по Дроздовскому в табл.9.1. Сопоставить значения составляющих ударной вязкости, полученные по методике Дроздовского и Оттани. Сделать выводы.

9. 4. Требования к отчету

9.4.1. Описать методику проведения эксперимента.

9.4.2. Зарисовать эскизы образцов.

9.4.3. Привести таблицу полученных данных.

9.4.4. Сделать выводы.

9.5. Вопросы для подготовки

1. В чем заключается методика Оттани определения составляющих ударной вязкости?

2. Чем вызвана необходимость разделения ударной вязкости на со­ставляющие?

3. В каком случае сопротивление разрушению определяет составляю­щая зарождения трещины, в каком развитии?

4. В чем заключается методика Дроздовского определения состав­ляющих ударной вязкости.

5. В чем преимущество методики Оттани и в чем недостаток в срав­нении с методикой Дроздовского?

6. В чем различие ст:5ндартного образца от нестандартного?

7. Какую составляющую ударной вязкости определяют на основании испытания нестандартного образца?

8. В чем преимущество методики Дроздовского разделения ударной вязкости на составляющие перед методикой Оттани?

Лабораторная работа 10

Испытание на усталость стальных образцов с надрезом

10.l. Цель работы: знакомство о требованиями ГОСТа на усталостные испытания; изучение прин­ципа работы усталостной машины МУИ-6000; изучение методики испытания на усталость и методики обработки экспериментальных данных.

10.2. Теоретическая часть

Усталостное разрушение металлов является специфическим разрушени­ем и обладает рядом особенностей:

- происходит в условиях циклических нагрузок, повторяющихся мно­гократно;

- происходит без внешних признаков пластической деформации;

- начинается с поверхности;

- возможно при величинах напряжений значительно меньших, чем значения статического предела прочности;

- имеет характерный излом, включающий 2 зоны;

Чувствительно к концентратору напряжений и сопротивление усталостному разрушению в сильной мере зависит от цикла нагружения. В зависимости от величины и знака напряжений различа­ют следующие циклы нагружения (рисунок 10.1):

- симметричный знакопеременный цикл нагружения;

- несимметричный знакопеременный цикл нагружения;

- от нулевой положительный;

- от нулевой отрицательный.

Самым жестким циклом нагружения является симметричный знакопере­менный цикл нагружения. Каждый цикл нагружения характеризуется максимальным и минимальным напряжением, средней величиной напряжений

(10.1.)

и амплитудой нагружения

(10.2.)

и коэффициентом асимметричности

(10.3.)

а- симметричный знакопеременный;

б- от нулевой положительный;

с- несимметричный знакопеременный;

d- от нулевой отрицательный.

Рисунок 10.1. Циклы нагружения при испытании на усталость:

1-материалов с физическим пределом выносливости;

2 -материалов, не имеющих физического предела выносливости.

Рисунок 10.2. Диаграмма усталости

Испытание на усталость является стандартным видом испытания. ГОСТ 2860-65 регламентирует условия испытания на усталость гладких и надрезанных образцов.

Основными требованиями ГОСТа являются:

1. Для построения кривой усталости и определения предела усталос­ти испытывают не менее 10 образцов, при этом каждый образец испытывают на одном уровне напряжений до разрушения или до базового числа циклов нагружения.

2. База испытания для определения предела усталости должна быть не ниже:

а) 10⁶ циклов для сталей;

б) 100*10⁶ циклов для легких и других цветных сплавов;

3. Образцы изготавливаются по второму классу точности.

4. Точность измерения образцов должна быть не ниже,

5. Установка и закрепление образцов не должны вызывать дополнительных напряжений от биения и несоосности образцов и захватов.

6. На уровне предела усталости необходимо испытывать минимум 2 об­разца.

7. Кривые усталости строятся в координатах σ – M.

Если кривая усталости выходит на горизонталь, то величина напряжения, соответствующая горизонтальному участку, определяет физический предел усталости, рис.10.2. (кривая I). Если на кривой нет горизонтального участка, то предел усталости определяется по базовому числу циклов на­гружения для данного сплава (кривая 2),

10.2. Порядок проведения работы

10.2.1. Произвести замеры трех образцов с надрезом в соответствии с ГОСТом и рисунками.

10.2.2. Рассчитать величины нагрузок из расчета прикладываемых напряже­ний 18, 20 и 22 кгс/мм по формуле:

σ = , (10.4.)

где Р - половина нагрузки машины;

σ_max - задавае­мый уровень напряжений;

d - диаметр образца;

ℓ- рас­стояние от точки опоры до точки приложения силы ( ℓ= 100мм).

10.2.3. Закрепить образцы в цангах и проверить вручную величину биения. Величина биения не должна превышать 0,1мм. Величину биения проверяют с помощью индикатора.

10.2.4. Включить машину и нагрузить образец.

10.2.5. Испытание проводить до разрушения образца.

10.2.6. После разрушения снять показания счетчика цикла.

10.2.7. Построить график в координатах.

10.2.8. По кривой усталости определить предел усталости.

10.2.9. Зарисовать изломы.

10.4. Требования к отчету

10.4.1. Изложить характерные особенности усталостного разрушения.

10.4.2. Дать характеристики циклов нагружения.

10.4.3. Результаты испытания.

10.4.4. Сделать вывод.

10.3. Вопросы для подготовки:

1. В чем различия усталостных испытаний от испытаний на растяже­ние и кручение?

2. Почему усталостное разрушение относится к опасным видам разру­шения?

3. Что такое физический предел усталости:

4. Какой из циклов нагружения является самым жестким?

5. Как определяется предел усталости: для металлов, у которых на кривой усталости нет горизонтального участка?

6. Что такое коэффициент асимметричности нагружения?

7. Где зарождается трещина при усталостном разрушении?

8. Назовите характерные особенности усталостного излома.

9. Почему усталостное разрушение чувствительно к концентратору

напряжений?

10.Как определяется амплитуда нагружения?