4.4. Испытания на трещиностойкость

Трещиностойкостью называют свойство материалов сопротивляться развитию трещин при механических и других воздействиях. Трещины в ма­териалах могут быть металлургического и технологического происхождения, а также возникать и развиваться в процессе эксплуатации. В случае возмож­ности хрупкого разрушения для безопасной работы элементов конструкций и машин необходимо количественно оценивать размеры допустимых трещиноподобных дефектов. Количественной характеристикой трещиностойкости материала является критический коэффициент интенсивности напряжений в условиях плоской деформации^) в вершине трещины К_1с. На практике К_1с используют для определения связи между разрушающими напряже­ниями и размерами дефектов в элементе конструкции. Определяют К_1с испытанием специальных образцов с предварительно выращенной усталостной трещиной (ГОСТ 25506-85). На рис.4.5 изображена схема компактного об­разца с надрезом и выращенной усталостной трещиной для определения К_1с.

Рис.4.5.Схема прямоугольного компактного образца для определения К_1с: 1 – трещина усталости;

2 - датчик раскрытия

Рис.4.6.Схемы внецентренного растяжения образца (а) и типичной диаграммы P–V (б)

Об­разец подвергается внецентренному растяжению (рис.4.6, а) с автоматической регистрацией диаграммы “нагрузка Р – раскрытие берегов надреза образца V” (рис.4.6, б). При обработке диаграммы из начала коорди­нат проводят секущую, тан­генс угла наклона которой на 5% меньше тангенса угла на­клона начального прямолиней­ного участка диаграммы. Опре­деляют нагрузку PQ (рис.4.6, б), затем по излому разрушен­ного образца оценивают длину трещины l. По полученным значениям PQ и l рассчитывают коэффициент интенсивности напряжений K_Q , МПа·м^1/2:

,

где t, W – толщина и ширина образца соответственно; f(1/W) – функция значений 1/W.

Значение K_Q принимается за критический коэффициент интенсивности напряжений К_1с, если выполняются условия:

; ;,

где t_c – толщина разрушенного образца в зоне максимального сужения. Если условия не выполняются, то необходимо взять образец с большей толщиной и повторить испытания.

Значения критического коэффициента интенсивности напряжений К_1с и предела текучести _, определенные при комнатной температуре для некоторых конструкционных материалов, приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1.

Значения К_1с и _ для некоторых конструкционных материалов

Название материала	Марка	К1с, МПа·м1/2	, МПа
Легированная сталь Титановый сплав Алюминиевый сплав	25ХНЗМФА ВТЗ-1 Д16	120 52 33	745 1010 290

4.5. Испытания на ударную вязкость

Для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению широко применяют испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, в результате которых определяют ударную вязкость. Ударная вязкость оценивает­ся работой, затраченной на ударный излом образца и отнесенной к площади его поперечного сечения в месте надреза.

Согласно ГОСТ 9454-78, для определения ударной вязкости применя­ют призматические образцы с надрезами различных типов. Самыми распро­страненными типами являются образцы с U-образным (рис.4.7, а) и V-образ-ным (рис.4.7, б) надрезами. Испытания на ударную вязкость проводят на маятниковом копре (рис.4.8).

Работа А, Дж, затраченная на ударный излом образца, может быть оп­ределена по следующей формуле:

,

где G – вес маятника; h₁ — высота подъема маятника до испытаний; h₂ – высота подъема маятника после испытаний.

R 0,25

Рис.4.7. Образцы для испытаний на ударную вязкость:

а – с U-образным надрезом; б – с V-образным надрезом

Рис.4.8. Схема испытаний на ударную вязкость:

а – схема маятникового копра; б – расположение образца на копре;

1 – корпус; 2 – маятник; 3 – образец

Указатель на шкале копра фиксирует величину работы А и проградуирован с учетом потерь (трение в подшипниках, сопротивление стрелки ука­зателя, сопротивление воздуха и др.).

Ударная вязкость обозначается символом КС, Дж/см² (или МДж/м² ), и подсчитывает­ся как отношение работы к площади поперечного сечения образца в надре­зе. К символу ударной вязкости добавляется обозначение надреза (KCU или KCV).

Ударная вязкость является сложной механической характе­ристикой и состоит из двух составляющих: удельной работы зарождения трещины КС₃ и удельной работы ее распространения КС_Р, т. е.

КС = КС₃ + КС_р.

У хрупких материалов основная часть работы идет на зарожде­ние трещины, у пла­стичных материалов работа распространения трещины имеет преобладаю­щее значение.