1.4.2. Механические свойства, определяемые при динамических нагрузках

При работе деталей машин возможны динамические нагрузки, при которых многие металлы проявляют склонность к хрупкому разрушению. Опасность разрушения усиливают надрезы – концентраторы напряже­ний. Для оценки склонности металла к хрупкому разрушению под влия­нием этих факторов проводят динамические испытания на ударный изгиб на маятниковых копрах (рис. 1.23).

Стандартный образец устанавливают на две опоры и посредине наносят удар, приводящий к разрушению образ­ца. По шкале маятникового копра определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний – ударную вязкость:

, (1.8)

где S₀^' – площадь поперечного сечения образца в месте надреза.

Единица измерения ударной вязкости – мегаджоуль на квадратный метр (МДж/м²).

В соответствии с ГОСТ 9454 – 78 предусмотрены испытания образцов с концентратором напряжений трех видов: U-образным (радиус надреза r = 1 мм); V-образным (r = 0,25 мм) и Т-образным (трещина устало­сти, созданная в основании надреза). Соответственно ударную вязкость обозначают КCU, КСТ, КСV.

Рис. 1.23. Схема маятникового копра (а) и испытание под удар (б): 1 – образец;

2 – маятник; 3 – шкала; 4 – стрелка шкалы; 5 – тормоз

Основным критерием ударной вязкости является КСU. Она состоит из двух составляющих:

KCU = KC_З + KC_Р, (1.9)

где КС₃ – работа зарождения трещины; КС_р ≈ КСТ – работа рас­пространения трещины.

Чем острее надрез, тем меньше КС₃. Критерий КСТ является критерием трещиностойкости, оценивающим сопротивле­ние материала распространению трещины.

Ударная вязкость из всех характеристик механических свойств наи­более чувствительна к снижению температуры. Поэтому испытания на ударную вязкость при пониженных температурах используют для опре­деления порога хладноломкости – температуры или интервала темпера­тур, в котором происходит снижение ударной вязкости.

Хладноломкость – свойство металлического материала терять вяз­кость, хрупко разрушаться при понижении температуры. Хладнолом­кость проявляется у железа, стали, металлов и сплавов, имеющих ОЦК или ГП решетку. Она отсутствует у металлов с ГЦК решеткой.

Рис. 1.24. Влияние температуры испытания на процент вязкой составляющей в изломе (В) и ударную вязкость материла KCU, KCT

На переход от вязкого разру­шения к хрупкому указывают из­менения строения излома и рез­кое снижение ударной вязкости (рис. 1.24) в интервале темпера­тур (t_в – t_x) (граничные значе­ния температур вязкого и хруп­кого разрушения). Строение из­лома изменяется от волокнисто­го матового при вязком разруше­нии (t ≥ t_в) до кристаллическо­го блестящего цвета при хрупком раз­рушении (t ≤ t_x). Порог хлад­ноломкости обозначают интерва­лом температур (t_в – t_н) либо одной температурой t₅₀, при которой в изломе образца имеется 50% волокнистой составляющей и КСТ снижается наполовину.

ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ

1. Что такое механические свойства материалов?

2. Какие виды нагружения вы знаете, в чем их отличие?

3. Что такое статические испытания, какие свойства можно определить этим видом испытаний? В чем разница в понятиях σ_т и σ_о,2?

4. Что такое ударная вязкость KCU, как определить эту характеристику?

5. Какие свойства металла можно определить при усталостных испытаниях?

6. Что такое твердость материала?

7. Какие виды испытаний на твердость вы знаете?

8. Что такое KCU, KCV, КСТ материала?

9. Как проводятся испытания на твердость по Бринеллю?

10. Что такое - HRA, HRB и HRC?

11. Как происходит усталостное разрушение?

ЗАДАЧИ

Задача№ 1

При испытании на выносливость были изучены два образца - шлифован­ный и полированный. Какой из образцов имел более высокий предел выносли­вости и почему?

Задача № 2

У одного и того же материала были определены значения KCU, K.CV и КСТ. Какое из значений было самым высоким и почему?

Задача № 3

Необходимо замерить твердость у образцов из мягкого алюминиевого сплава и твердой закаленной стали. Какие методы замера твердости должны быть рекомендованы для этого и почему?

Задача № 4

Для вновь созданного металлического сплава необходимо определить ха­рактеристики прочности и пластичности. Какой метод испытаний вы рекомен­дуете и как проводится определение этих свойств?

Задача № 5

По диаграмме растяжения для разных сталей (рис. ...) определите харак­теристики σ_пц, σ_т (σ_о,2 ), σ_в ,ψ,δ, если образец имел исходный диаметр do = 5 мм при длине 1 = 25 мм.

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ