1.3.3. Определение ударной вязкости
Из динамических испытаний в практике основным и наиболее распространенным является метод испытания на ударный изгиб (ГОСТ 9454-78), при котором закон подобия не действует. Метод основан на том, что образец определенного размера с концентратором (надрезом) доводится до разрушения. Испытания производятся на специальных приборах – маятниковых копрах с изменяющимся запасом энергии до 294 Дж.
Для проведения испытаний образец устанавливают на опорах копра таким образом, чтобы надрез был со стороны, противоположной удару, и находился напротив острия ножа маятника (рис. 1.3,а). Для получения сопоставимых результатов испытания проводятся на стандартных образцах пяти типов с надрезами определенной формы и размеров. В качестве основного рекомендуется образец 1 типа (рис. 1.3,в). Качество исполнения надреза определяет точность испытаний, в связи с этим механическое исполнение концентратора выполняется с точностью и качеством согласно ГОСТ 9454-78. При этом риски в надрезе не должны быть видны невооруженным глазом.
Развитие функциональных возможностей металла, используемого в разнообразном качестве, предопределило использование концентраторов трех типов:
U – радиус дна надреза R = 1 мм; V – R = 0,25 мм и T – с инициированной трещиной.
В общем случае вязкость – это способность материала поглощать работу внешних сил за счет пластической деформации. При этом работа, затраченная на разрушение образца (рис. 1.3,б) определяется как
К = Рg(H – h) = Pgl(cos – cos ), (1.1)
где Р – масса маятника, кг;
g – ускорение силы тяжести, м/с2;
l – длина маятника, мм;
Н и h – высота подъема маятника до удара и после разрушения образца, мм.
Образец
Рис. 1.3. Определение ударной вязкости: а – расположение образца на опорах; б – схема испытаний ударной вязкости; в – типы образцов (I-V) для испытаний на ударную вязкость
При испытаниях величины P, H, l и являются постоянными, поэтому значение работы разрушения К определяют из специальных таблиц по значению (h).
Зная полную работу деформации и разрушения К, можно рассчитать основную характеристику, полученную в результате таких испытаний – ударную вязкость.
Ударная вязкость обозначается символом КС. Третья буква – вид концентратора.
Ударную вязкость вычисляют по формуле
КС = К/S0, (1.2)
где К – работа удара, Дж;
S0 – начальная площадь поперечного сечения образца в месте надреза, м2.
Стандартная размерность ударной вязкости Дж/м2 (или Дж/см2).
Выбор вида концентратора осуществляется в зависимости от требований к изделию: образцы Шарпи с U-образным надрезом применяются при обычных испытаниях металлов и сплавов; образцы с V-образным концентратором (образца Менаже) являются основными и используются при контроле металлических материалов для конструкций повышенной степени надежности (трубопроводы, транспортные средства, летательные аппараты и т.д.); образцы с Т-надрезом и инициированной трещиной предназначены для испытаний металлов и сплавов, работающих в особо ответственных конструкциях.
Введение ударных испытаний образцов с трещинами является следствием того, что работоспособность материала определяется не столько сопротивлением зарождению трещины, сколько сопротивлением ее распространению.
Для определения вязкости хрупких материалов (инструментальных сталей с твердостью более HRC 50) применяют гладкие образцы.
В некоторых случаях целесообразно определять не только общую работу разрушения при ударном изгибе, но и ее составляющие.
Общая работа разрушения состоит из работы, затрачиваемой на зарождение трещин (КСз), и работы на ее распространение (КСр), т.е. КС = КСз + КСр.
Для более полной и надежной характеристики металла в условиях динамического нагружения во многих случаях нужно знать величину этих составляющих общей работы разрушения. Такие испытания выполняются по специальным методикам. Определение составляющих ударной вязкости позволяет выявить влияние различных факторов на обе стадии разрушения.
Ударная вязкость зависит от температуры. В связи с этим испытания ударной вязкости широко применяются для оценки склонности металлов и сплавов к хрупкому разрушению в широком интервале температур. Методика испытаний на динамический изгиб при отрицательных температурах регламентирована ГОСТ 9455-78, при высокотемпературных испытаниях – ГОСТ 9454-78. Например, для оценки хладноломкости проводят серийные испытания при понижающихся температурах с использованием таких же образцов, что и при комнатной температуре. По полученным кривым зависимости ударной вязкости от температуры определяют температурный порог хладноломкости, которую характеризуют верхним Тв и нижним Тн порогами хладноломкости, т.е. температурами начала и конца перехода из вязкого в хрупкое состояние.