100 Материаловедение: практикум

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Нормативные ссылки

ГОСТ 4647—80. Пластмассы. Метод определения ударной вязкости по Шарли.

ГОСТ 9454—78. Металлы. Метод испытаний на ударный из­гиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах.

Термины в определения

Ударная вязкость — способность материала при динамиче­ских испытаниях сопротивляться воздействию изгибающей на­грузки.

Динамические испытания — испытания, во время которых скорость нагружения более 10 мм/мин или нагрузка прилагается ударом.

Введение

Различные материалы при их использовании в виде изделий подвергаются как статическим, так и динамическим временным воздействиям. Ударная вязкость является интегральной характе­ристикой» учитывающей работу зарождения трещины и работу распространения вязкой трещины в материале. Значения вели­чины ударной вязкости используются для определения порога хладноломкости в металлических сплавах, а в горном деле эта величина для горных пород в большей степени» чем прочность» характеризует разрушаемость отдельностей массива взрывом. Для определения условия возникновения хрупкого состояния и опенки поведения материалов в условиях повышенной скорости деформирования проводят динамические испытания. Известны два способа динамических испытаний:

• на маятниковых копрах (по Шарпи);

• по консольному изгибу (по Изоду).

Цель лабораторной работы — определение ударной вязкости материалов по методу Шарпи.

1. Метод испытания

1.1. Общие сведения

Ударную вязкость пластмасс по Шарпи определяют на спе­циальном маятниковом копре. Испытание на маятниковом коп­ре основано на измерении работы, затраченной на разрушение образца, путем сопоставления энергии физического маятника в момент удара с энергией, которой маятник обладает после удара по образцу.

Величина ударной вязкости КС определяется как отношение энергии, затраченной на разрушение образца при испытании на двухопорный ударный изгиб, к площади его начального попереч­ного сечения в месте концентратора напряжений. Концентрато­рами напряжений в образцах для испытаний являются надрезы различной формы или нанесенная трещина усталости. В зависи­мости от вида концентратора напряжений ударную вязкость обозначают:

KCU — U-образный надрез с радиусом г_я ~ 1 мм;

KCV — V-образный надрез с г_п = 25 мм и углом 45^е;

КСТ— Т-образный надрез с усталостной трещиной.

В соответствии с ГОСТ 4647—80 ударную вязкость для ряда материалов (текстолит, асботекстолит и др.) допускается опреде­лять без надреза.

Единица измерения КС — Дж/м²; внесистемная единица — кгс' м/см².

Численные значения величины ударной вязкости для некото­рых материалов приведены в приложении.

1.2. Установка для испытаний

С помощью маятникового копра проводят испытания на двух­опорный изгиб. Колер снабжен набором сменных маятников, обладающих запасом потенциальной энергии — 1,0; 2,0; 4,0 Дж.

Диапазон измерения потенциальной энергии маятника — от 0 до 99,8% (99,8-0,2%).

Дискретность счета энергии для маятников с различным запа­сом потенциальной энергии, Дж: 1,0—0,002; 2,0—0,004; 4,0—0,008.

Скорость движения маятника в момент удара — 2,9±0,05 м/с.

Рис. 2.6.1. Внешний вид установки для испытаний на ударную вязкость: 1 — колер; 2 — пульт управления, 3 — ЦПУ; 4 — корпус; 5 — ось; 6 — маятник; 7 — опора; 8 — фиксатор; 9 — цифровое табло; 10 — переключатель диапа­зонов; 11 — выключатель «Сеть»; 12 — усилитель-согласователь Ф-270; 13 — трансформатор Ф-250

Расстояние между опорами — 40; 60; 70 и 100 мм.

Копер состоит из следующих частей (рис. 2.6,1): непосред­ственно копра 1> пульта управления 2, цифропечатающей ма­шинка (ЦПУ) 3.

На корпусе 4 копра в подшипниках установлена ось 5. На оси двумя винтами закрепляют один из трех маятников 6, при этом штифт, имеющийся на оси, должен находиться в централь­ном отверстии маятника. На опорных поверхностях корпуса специальными винтами крепят сменные опоры 7для испытания на двухопорный ударный изгиб и устанавливают на них образцы для испытания. Для спуска маятника на корпусе закреплен фик­сатор 8 там же под кожухом на одной оси с маятником располо­жен датчик работы. Он служит для получения и передачи в схему пульта управления электрических импульсов, число которых пропорционально численному значению работы, затраченной на разрушение образца. Датчик состоит из кронштейна с установ­ленными на нем фототриодами и светоизлучающими диодами. Шкала закреплена на одной оси с маятником (рис. 2.6.2).

Рис. 2.6.2. Схема датчиков получения частоты передачи информация: 1 — шкала; 2 — втулка; 3 — датчик роботы; 4 — датчик сигнала «Старт»; 5 — винт

1.3. Требования к образцам

Образцы для испытаний на ударную вязкость по Шарпи пред­ставляют собой пластинки размером h х b х а_, где h — толщина, b — высота, а — длина образца. Поперечные размеры образцов принимают на основе предварительных сведений о величине удар­ной вязкости данного вида материала. Длина образцов, как пра­вило, принимается равной 50±0,5; 60±0,5; 70±0,5 и 100±0,5 мм.

Испытания на ударную вязкость проводят на образцах, имею­щих концентраторы напряжений соответствующего вида.

1.4. Требования к порядку испытаний

Для проведения испытаний по методу Шарпи образец 1 (рис. 2.6.3, 2.6.4) укладывают на опоры 2 и 3 копра и разрушают ударом бойка 4 маятника 5, который, вращаясь вокруг оси О, свободно падает с некоторой высоты H, определяемой углом а зарядки (подъема) маятника.

Рис. 2,6.3. Схема испытания на копре:

1 - испытуемый образец; 2, 3 — опоры; 4 — боек маятника; 5 — маятник; 6 — тыльная сторона молота; а — угол зарядки маятника; — угол взлёта маятника; b — ширина об­разца; l — расстояние до центра удара; l_е — расстояние до центра тяжести; G — масса ма­ятника; H, H₁ — высоты центра тяжести ма­ятника, соответственно, при его подъеме и после разрушения им образца; h — толщина образца

Рис. 2.14. Схема испытания на копре (вид сверку): 1 — испытуемый образца; 2 — правая опора; 3 — левая опора;4 — боек

Основными характеристиками копра являются запас энергии, определяемый как произведение массы маятника на расстояние от оси качания его до центра тяжести, и расстояние от оси кача­ния маятника до центра удара, которое определяют по периоду колебании маятника. Маятник массой m_t поднятый на опреде­ленный угол и имеющий высоту центра тяжести H, будет обла­дать запасом энергии Е. После свободного падения и встречи с образцом маятник, затратив на разрушение образца часть запаса энергии, поднимается на некоторый угол, при котором его центр тяжести занимает высоту Я.

1.5. Порядок расчета величины ударной вязкости

Работу, затраченную на разрушение образца, определяют как разность запасов энергии маятника до и после удара по формуле

А = mg (H- ) (2.6,1)

где А — работа, затраченная на разрушение образца, Дж; т — масса маятника, кг; g — ускорение свободного падения, м/с²; H — высота подъема центра тяжести маятника относительно точки встречи бойка с образцом до удара, м; — высота подъема центра тяжести маятника относительно точки встречи бойка с образцом после удара, м.

Действительный запас потенциальной энергии определяют по формуле

Е= М[1 +mg( -90)], (2.6.2)

где Е — запас потенциальной энергии, Дж; М — момент маят­ника, Н*м; — угол зарядки маятника, который измеряется оптическим квадрантом КО-2 и рассчитывается как среднее зна­чение из трех измерений.

Отклонение запаса потенциальной энергии маятника от но­минального значения определяют по формуле

(2.6.3)

Где — отклонение запаса потенциальной энергии, %; Е_п — номи­нальное значение (1,0; 2,0; 4,0) запаса потенциальной энергии маятника, Дж.

Абсолютную погрешность измерителя затраченной работы копра определяют, сравнивая значения энергии, найденные по индикаторному устройству, со значениями, вычисленными по формуле

A_s = М [cos + sin ( - 90)], (2.6.4)

где — затраченная энергия, Дж; М — момент маятника, Н • м;

— среднее значение измеренного угла взлета, градус; — дей­ствительный угол взлета, градус.

Углы взлета измеряют оптическим квадрантом, среднее зна­чение берется по трем измерениям. Момент маятника рассчиты­вают по формуле, Н * м:

М=тgl (2.6.5)

где т — массы маятника в горизонтальном положении, опреде­ляемые на весах ВЛКТ-2/100 (среднее из трех измерений должно быть равно: для 1 Дж — 233±2,3 г; 2 Дж — 467+4,6 г; 4 Дж — 934±9,3 г); g — ускорение силы тяжести при свободном паде­нии, м/с²; — расстояние от оси качания маятника до середины образца (измеряется штангенциркулем; берется среднее из трех измерений), м.

Абсолютную погрешность рассчитывают по формуле

где — абсолютная погрешность, Дж; — затраченная энер­гия, определяемая по индикаторному устройству, Дж.

Ударную вязкость вычисляют по формуле

KCU = A/S, (2.6.7)

где КСU — ударная вязкость, Дж/м²; S — площадь поперечного сечения образца в плоскости удара, м²; S = b *h; h и b — толщи­на и ширина образца в плоскости удара, м.