3.2 Определение характеристик сопротивления разрушению

Для установления степени надежности материала определяют его сопротивление разрушению: вязкому (удельная энергия разрушения КС) и хрупкому (порог хладноломкости Т₅₀) при испытаниях на ударный изгиб.

3.2.1 Определение ударной вязкости при испытаниях на ударный изгиб по гост 9454-78

Метод основан на разрушении образца с надрезом (концентратором) посередине одним ударом маятникого копра, когда концы образца свободно лежат на опорах копра (рисунок 3). В результате испытаний определяют полную работу (К), затраченную на разрушение образца (работу удара), или удельную работу, т.е. ударную вязкость (КС).

		нож маятника образец опора
Рисунок 3 – Схема испытания на ударный изгиб на маятниковом копре

Образцы для испытаний на ударный изгиб имеют квадратное сечение и надрезы (концентраторы) следующих видов:

• U - образный (образец Менаже, рисунок 4, а);

• V - образный (образец Шарпи, рисунок 4, б);

• Т - образный (надрез V-образный с заранее нанесенной усталостной трещиной, рисунок 4, в).

Образцы с концентратором вида U используют при выборе или приемо-сдаточных испытаниях металлов и сплавов, а V – образным концентратором - при оценке возможности использования или приемо-сдаточных испытаниях материалов конструкций повышенной степени надежности: транспортных средств, трубопроводов, сосудов под давлением, летательных аппаратов и т.п. При испытаниях материалов для особо ответственных конструкций, при эксплуатации которых первостепенное значение имеет оценка сопротивления развитию трещины, а также при исследовании причин разрушения ответственных конструкций используют образцы с концентратором вида Т. Его получают в вершине начального надреза при циклическом изгибе образца в одной плоскости с числом циклов изгиба не менее 3000.

а	б
в
Рисунок 4 – Типы образцов для динамических испытаний металлов на удар: а – образец с U – образным надрезом; б – образец с V – образным надрезом; в – образец с Т – образным надрезом.

Для испытания используют маятниковые копры с максимальной энергией удара маятника от 4,9 (0,5) до 294 (30) Дж (кгс  м). Образец устанавливают горизонтально в специальный шаблон (рисунок 3), обеспечивающий установку надреза в середине пролета между опорами. Удар маятника наносят со стороны, противоположной надрезу, в плоскости его симметрии, и перпендикулярно продольной оси образца. Маятник закрепляется в исходном верхнем положении с высотой Н и углом подъема . Затем маятник отпускают, он свободно падает, ударяет по образцу, изгибает и разрушает его, поднимаясь после этого на высоту h и угол . Чем больше энергии затрачено на разрушение образца, тем меньше h и . Величина работы удара (энергии разрушения) К определяется как разность потенциальной энергии, запасенной при подъеме маятника К_п и остаточной энергии К_ост, которой обладает маятник после разрушения образца:

К = К_п – К_ост

Значения К_п и К_ост определяют по шкале копра, проградуированной в кгсм (Дж).

Работу удара обозначают двумя буквами и цифрами: первая буква (К) – символ работы удара, вторая буква (U или V или T) – вид концентратора; последующие цифры обозначают максимальную энергию удара маятника, глубину концентратора и ширину образца. Индекс указывает температуру испытаний, отличную от комнатной. Эти цифры не вносят в обозначение работы удара, если испытание проведено в “стандартных” условиях: копер имеет максимальную энергию удара маятника 294 Дж, глубина концентратора (U или V) 2 мм и 3 мм (Т) и ширина образца 10 мм.

• Например, символы КV^-40 50/2/5 обозначают работу удара, определенную на образце шириной 5 мм с концентратором вида V глубиной 2 мм при температуре минус 40^оС при максимальной энергии удара маятника 50 Дж.

Ударная вязкость – это работа удара, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора. Ударная вязкость имеет размерность Дж/см² (кгс·м/см²) и вычисляется по формуле:

КС = К/S_о

где К – работа удара, Дж (кгсм);

S_о – начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, см².

Ее обозначают путем прибавления к символу работы удара буквы С, причем стандартные условия так же не вводят в обозначение. Например:

• КСТ⁺¹⁰⁰ 150/3/7,5 – ударная вязкость, определенная на образце шириной 7,5 мм с концентратором типа Т, глубиной 3 мм при температуре плюс 100^оС и максимальной энергией удара маятника 450 Дж

• КСU – ударная вязкость, определенная на образце шириной 10 мм с концентратором типа U, глубиной 2 мм при комнатной температуре и максимальной энергией удара маятника 294 Дж.