4

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Филиал государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

“Уфимский государственный нефтяной технический университет” в г. Салавате

(Филиал ГОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате)

Кафедра “Оборудование предприятий нефтехимии и нефтепереработки”

Согласовано утверждаю Зав. Кафедрой опнн, доцент Зам. Директора по учебной работе, ______________н.М. Захаров _______________г.И. Евдакимов

_______________ _______________

Методические указания к лабораторной работе № 8 испытание материалов на ударную вязкость

Дисциплина “Сопротивление материалов”

СОГЛАСОВАНО РАЗРАБОТАЛ

Инженер по охране труда Доцент кафедры ОПНН

____________ Г.В. Мангуткина ___________ Р.Р. Газиев

_____________ _____________

Салават 2008

Методические указания предназначены для студентов специальности 240801 “Машины и аппараты химических производств” очной, очно-заочной и заочной форм обучения к применению при выполнении лабораторных работ по дисциплине “Сопротивление материалов”. Указания могут быть также полезны студентам других специальностей, а также студентам старших курсов, выполняющим курсовые и дипломные работы с экспериментально-исследовательской частью.

© Филиал ГОУ ВПО “Уфимский государственный нефтяной технический университет” в г. Салавате , 2008

Лабораторная работа № 8

Испытание материалов на ударную вязкость

Цель работы: ознакомление с методом испытания материалов на удар при изгибе и определение механической характеристики материала - ударной вязкости.

1 Теоретическая часть

Большинство современных элементов конструкций и деталей машин эксплуатируется в условиях динамического нагружения. При этом поведение материалов будет отличаться от условий статического нагружения. Поэтому для оценки их свойств при динамических нагрузках недостаточно механических характеристик, определяемых при статических испытаниях - _пц , _упр , _т , _в, ,  (см. лабораторную работу № 1). В связи с этим для выявления динамических качеств материала производят специальные динамические испытания ударным нагружением.

Под динамическими испытаниями понимаются испытания, при которых скорость деформирования значительно больше, чем при обычных статических механических испытаниях. Динамический процесс деформации или разрушения может возникнуть как вследствие резкого возрастания внешней нагрузки, так и вследствие резкого понижения сопротивления тела, например при хрупком разрушении. Поэтому назначение динамических испытаний заключается:

- в определении механических свойств металлов и сплавов при повышенной скорости деформирования;

- в определении опасной хрупкости металлов и сплавов для сравнительной оценки их составов и установления критических температур хрупкости.

Опасность хрупкого разрушения особенно возрастает при наличии в детали различного рода надрезов, отверстий, выточек, галтелей, канавок и пр., которые вызывают концентрацию напряжений, т.е. неравномерное их распределение. Поэтому наиболее распространенным видом ударных испытаний является испытание на ударный изгиб образца с надрезом. Наличие надреза позволяет сосредоточить почти всю деформацию, поглощающую энергию удара, в одном месте и вызывает концентрацию напряжений, которая способствует хрупкому разрушению образца, т.к. вблизи дна надреза возникает объемное напряженное состояние, затрудняющее развитие пластической деформации.

Испытание металлов на ударную вязкость проводится по ГОСТ 9454 - 78 при нормальной (20  10^оС), повышенной (до 1200^оС) или пониженной (до -100^оС) температурах на специальных испытательных машинах - маятниковых копрах, соответствующих ГОСТ 10708-82. Метод основан на разрушении образца с концентратором посредине одним ударом маятникового копра. В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе К (работу удара), Дж, или ударную вязкость КС, Дж/мм².

Для определения ударной вязкости при изгибе используются призматические образцы с концентраторами трех видов (рисунок 1). Выбор вида концентратора осуществляется в зависимости от требований к изделию: U - при обычных испытаниях металлов и сплавов; V - для конструкций повышенной степени надежности (сосуды давления, трубопроводы, летательные аппараты, транспортные средства); Т (с инициированной усталостной трещиной) - для особо ответственных конструкций.

а L В

R

90⁰

L / 2

б L В

90⁰

L / 2

в

R R 0,1

45⁰10⁰ 45⁰2⁰

Рисунок 1 - Образцы для испытания на ударную вязкость

с U-образным (а), V-образным (б) надрезами и

с инициированной трещиной (в)

Размеры образцов для испытания должны соответствовать значениям, указанным в таблице 1, в зависимости от области применения исследуемых сталей.

В данной работе испытание образцов выполняется по схеме трехточечного изгиба на маятниковом копре типа “МК-30А” с переменным запасом энергии от 0 до 300 Нм (30 кгсм).

Маятниковый копер (рисунок 2) состоит из чугунной станины 1, выполненной в виде массивной фундаментной плиты с двумя вертикальными колоннами, маятника и измерительного устройства. Маятник копра состоит из тяжелого молота 2, укрепленного на подвесках 4. Молот маятника имеет паз, в который вставлен закаленный нож 3. Перед началом испытаний маятник взводится и с помощью защелки 11 закрепляется на подъемной раме 10.

Таблица 1- Размеры образцов для испытаний на ударный изгиб

Тип образца	Тип концентратора	Радиус концентратора R, мм	Размеры образца, мм			Высота рабоч. сечения Н1, мм	Глубина надреза h1, мм	Глубина концентратора h, мм	Область применения образцов при испытании материалов
Длина L	Ширина В	Высота Н
1	U – образный надрез	1  0,07	55	10	10	8	-	-	Для выбора материалов и приемочного контроля материалов и сварных соединений (сдаточная характеристика)
2				7,5
3				5
4				2	8	6
5				10	10	7
6				7,5
7				5
8				10		5
9				7,5
10				5
11	V – образный надрез	0,25  0,025	55	10	10	8	-	-	Для выбора материалов и режимов сварки (факультативная характеристика)
12				7,5
13				5
14				2	8	6
15	Трещина	-	55	10	11	-	1,5	3	Для выбора материалов, режимов сварки и исследования причин разрушения (факультативная характеристика)
16				7,5
17				5
18				2	9
19				10	10		3,5	5
20			140	25			10	12,5

В свою очередь, подъемная рама может устанавливаться на различной высоте (до 2 м) и удерживаться в этом положении храповиком 9. При производстве испытаний на опоры станины 13 укладывается образец 12 таким образом, чтобы надрез был со стороны, противоположной удару, и находился против острия ножа маятника (рисунок 3). Для того, чтобы маятник не раскачивался после разрушения образца, копер снабжен ленточным тормозом 14.

Измерительное устройство 6 имеет две шкалы, расположенные симметрично относительно нулевой риски “0”. Две стрелки - левая 7 и правая 8 насажены на специальную втулку. Поводок 5, жестко сидящий на оси маятника, поочередно ведет ту или другую стрелку шкалы и останавливает их в положении, фиксирующем угол взвода и взлета маятника после излома образца. По шкале прибора (проградуированного в кгсм) можно определить запас энергии взведенного маятника и остаточный запас энергии после удара. Работа, затраченная на излом образца, определяется непосредственным вычитанием.

Маятник весом Q с длиной подвески l (рисунок 4) поднимают на высоту Н с углом отклонения , закрепляют храповиком. В этом положении маятник обладает известным запасом потенциальной энергии K₁ = QH, где H = l(1-cos). Затем освобождают маятник и он, свободно падая, ударяет по образцу, разрушая его. На это расходуется часть энергии.

Оставшаяся энергия поднимает маятник на некоторую высоту h, с углом отклонения . Оставшаяся энергия K₂ = Q l(1-cos ). Колическтво энергии, затраченное на разрушение образца, или работа удра, поглощенная образцом, вычисляется по формуле K = K₁ -K₂= = Q  ( H - h ), где К - абсолютная вязкость (Дж).

Ударная вязкость - способность материалов оказывать сопротивление действию ударных нагрузок - характеризуется относительной или удельной вязкостью. Ударная вязкость КС (Дж/мм²) определяется отношением абсолютной вязкости К - работы удара (Дж) к начальной площади А_К (мм²) поперечного сечения образца в месте концентратора

, (1)

(2)

где - начальная высота рабочей части образца, мм;

- начальная ширина образца, мм.

Работа удара или ударная вязкость соответственно обознчаются символами с указанием выбранного концентратора - KU, KV, KT или KCU, KCV, KCT. При особых условиях испытания вводится дополнительное цифровое обозначение ударной вязкости, например КСТ⁺¹⁰⁰ 150 / 3 / 7,5 - ударная вязкость, определенная на образце с концентратором вида Т при температуре испытания 100 ^ОС, максимальная энергия удара 150 Дж, глубина концентратора 3 мм, ширина образца 7,5 мм.

Рисунок 2 - Общий вид маятникового копра МК - 30

F

Рисунок 3- Схема нагружения образца

Рисунок 4 - Схема работы маятникового копра

В некоторых случаях при определении суммарной работы разрушения (К), ее разделяют на работу зарождения (К_З) и работу распространения трещины (К_Р), т.е. К = К_З + К_Р. Различные материалы могут иметь одинаковую суммарную работу разрушения, но различное соотношение между работой зарождения и распространения трещины. Это связано с тем, что работа зарождения трещины затрачивается на упругое и пластическое деформирование образца в основании надреза и зависит от его остроты, а работа распространения трещины затрачивается на пластическое деформирование объемов металла, прилегающих к берегам трещины, и характеризует способность материала тормозить начавшееся разрушение. Причем, чем острее исходный надрез, тем меньше величина К_З и тем меньше величина К отличается от К_Р. При хрупком разрушении работа распространения трещины практически равна нулю, поэтому на практике обычно определяют суммарную работу разрушения.

Для выявления склонности металлов и сплавов к переходу в хрупкое состояние производятся серийные испытания на ударный изгиб при различных температурах, в результате которых строится температурная зависимость ударной вязкости КС – Т_ИСП. С этой целью образцы нагревают или охлаждают и сразу после этого разрушают. Необходимая температура в ванне с образцами до минус 60 ^ОС достигается применением смеси сухого льда с этиловым спиртом, а до более низких температур используется смесь жидкого азота со спиртом.

Д ля нагрева образцов используют муфельные печи или масляные ванны, расположенные близко к испытательному оборудованию. Продолжительность переноса и испытания нагретого или охлажденного образца не должна превышать 10…15 с, при необходимости допускается перегревать или переохлаждать образец на 5…10 ^ОС для точного обеспечения температуры испытания. При каждой температуре определяется ударная вязкость не менее чем на трех образцах.

При понижении температуры испытания наблюдается переход от вязкого разрушения к хрупкому, выражающееся в резком падении ударной вязкости КС и изменении характера излома (рисунок 5). Температура, соответствующая переходу металлов из вязкого состояния в хрупкое, называется критической температурой хрупкости и обуславливает порог хладноломкости. При этом обнаруживаются температурный интервал, характеризуемый соответственно верхним t_В и нижним t_H температурами хрупкости. Температурный интервал хладноломкости определяется типом кристаллической решетки, прочностью металла, количеством примесей внедрения и при этом наблюдается обратная зависимость, т.е., чем ниже порог хладноломкости, тем выше величина ударной вязкости. Так, например, хладноломкость характерна для металлов с объемно-центрированной или гексагональной кристаллической решеткой (большинство черных металлов, в частности сталь, цинковые сплавы), а металлы с гранецентрированной решеткой (цветные металлы) не обнаруживают хладноломкости ни при каком понижении температуры.

В переходной области у образца изменяется вид излома: волокнистый вид излома сменяется кристаллическим хрупким с характерным блеском. Несмотря на условность определения температурного интервала хрупкости (t_H - t_B), эта характеристика во многих случаях с достаточной для инженерных целей точностью разделяет температурную шкалу на две области.

К С

переходный интервал

интервал синеломкости

хрупкое вязкое

состоя- состояние

ние

t_H t_B

-100 0 20 200 T_ИСП ,^ОС

Рисунок 5 - Схематическая диаграмма изменения ударной вязкости

от температуры

При температурах ниже t_Н материал не может надежно работать, если действуют ударные нагрузки, а при температурах выше t_B надежность резко возрастает, причем, чем больше рабочая температура превышает критическую, тем меньше опасность хрупкого разрушения, которое может быть вызвано наличием более острого (чем у образцов) надреза или действием других охрупчивающих факторов.

Таким образом, динамические испытания на изгиб выявляют хрупкость в тех случаях, когда другими методами это свойство не обнаруживается. Так, при отпуске специальных сталей предлагаемым методом обнаруживается появление хрупкости. Ударными испытаниями при различных температурах пользуются также для установления температурного режима горячей обработки металлов под давлением (ковки, прокатки, волочения и др.).