Испытание материала на ударный изгиб

Цели работы. 1. Ознакомление с методикой проведения испытания материалов на ударный изгиб, с приборами и оборудованием.

2. Определение ударной вязкости стали.

Краткие теоретические сведения. В зависимости от внешних условий – температуры, скорости деформирования, типа напряжённого состояния и т.д. – материалы при разрушении могут в большей или меньшей степени проявлять свойства пластичности или хрупкости. При этом в одних условиях моменту разрушения предшествует значительная пластическая деформация, которая сопровождается интенсивным сдвигом частиц материала по плоскости наибольших касательных напряжений. Поверхность разрушения при этом матовая, в этих случаях можно говорить о пластичном (вязком) разрушении. В других случаях разрушение наступает внезапно и происходит по типу отрыва одних частиц образца от других при соответствующем нормальном растягива-ющем напряжении, без образования заметных остаточных деформаций. При этом поверхность разрушения блестящая, зернистая. В этих случаях говорят о хрупком разрушении.

Опыт эксплуатации машин показывает, что некоторые материалы при ударном нагружении в условиях концентрации напряжений имеют пониженные пластические свойства, т.е. в этих условиях материал проявляет склонность к хрупкому разрушению. Это позволяет создать специальный метод испытания материалов на чувствительность к хрупкому разрушению – испытание на ударный изгиб, которое заключается в определении энергии удара, затраченной на разрушение образца с надрезом. Сравнительной мерой данных испытаний служит ударная вязкость, которую относят к механическим характеристикам материала.

Под ударной вязкостью следует понимать энергию удара, отнесённую к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора:

, (1)

где – ударная вязкость материала;– энергия, затраченная на разрушение образца;– начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора.

В основании надреза при ударе имеет место значительная концентрация напряжений. При этом продольные волокна образца испытывают растяжение и стремятся вызвать уменьшение размеров в поперечных направлениях. Этому препятствует наличие надреза, благодаря чему появляются растягивающие напряжения

вперпендикулярных к волокнам направлениях. Таким образом создаётся объёмное напряжённое состояние всестороннего растяжения (рис. 1), при котором образование пластической деформации затрудняется, т.к. величина максимального касательного напряжения, равная полуразности наибольшего и наименьшего главных напряжений, по мере их приближения по величине друг к другу, стремится к нулю. Надрез способствует хрупкому разрушению

Рис. 1 образца.

При ударных испытаниях определяют не величину усилий или напряжений, возникающих в образце при ударе, а энергию, затраченную на его разрушение. Поэтому результаты этих испытаний нельзя непосредственно использовать при расчётах на прочность деталей машин и элементов конструкций, они служат лишь для качественной оценки материалов. Чем больше сопротивление материала ударной нагрузке, тем выше качество материала. Например, данные испытаний на удар могут быть показателем качества термообработки металлов, а также позволяют оценить влияние различных надрезов и резких изменений формы изделий.

Образцы, испытательная машина и измерительные приборы. Величина ударной вязкости зависит не только от материала образца, но и от его размеров и формы, формы ударяющего тела и его скорости. Испытание необходимо проводить в соответствии с требованиями ГОСТа для получения сравнимых результатов. Размеры и форма образцов должны соответствовать приведённым на рис. 2.

Рис. 2

Испытания на ударный двухопорный изгиб (метод Шарпи) проводят на маятниковом копре 2130КМ-0,3 (п. 1.4). Он предназначен для испытания образцов из металлов и сплавов в соответствии с ГОСТ 9454–78 при комнатной температуре.

Номинальные значения потенциальной энергии маятников 1501,5 и 3003,0 Дж. Скорость движения маятника в момент удара 5,40,1 м/с. Величина энергии, затраченная на разрушение образца, высвечивается на блоке измерения.

Порядок выполнения лабораторной работы. Штангенциркулем с точностью 0,05 мм замерить размеры поперечного сечения образца в зоне концентратора и занести их в лабораторный журнал.

Установить образец 1 с помощью шаблона, обеспечивающего симметричное расположение концентратора относительно опор 2. Испытание проводят при ударе маятника 3 со стороны, противоположной концентратору, в плоскости его симметрии (рис. 3).

Разрушить образец и занести в журнал величину энергии, затраченную на его разрушение.

Обработка результатов опыта. Подсчитать площадь поперечного сечения образца в месте концентратора и вычислить значение ударной вязкости стали (формула (1)). Результаты занести в лабораторный журнал.

Контрольные вопросы

1. Какое свойство материала определяют при испытании на ударный изгиб?

2. Что называют ударной вязкостью материала?

Рис. 3 3. Как производят определение

ударной вязкости?

4. С какой целью на образце делают надрез?

5. Какой характеристикой материала является ударная вязкость? Может ли она служить для количественной оценки прочности деталей машин и элементов конструкций?

6. Какую форму имеет стандартный образец для испытания на ударный изгиб?

7. Какова схема работы маятникового копра?

8. Как определяют энергию, затраченную на разрушение образца?

9. Как устанавливают образец на опорах?

10. Какой материал будет лучше работать при ударных нагрузках с большей или меньшей ударной вязкостью?

Лабораторная работа № 7