Лабораторная работа № 5 "Испытание металлов на ударный изгиб"

Цель работы:

Ознакомление с методикой испытания и экспериментальное определение ударной вязкости горячекатаной стали.

Приборы и оборудование:

Маятниковый копёр КИ, штангенциркуль, микрометр.

Общие положения:

Важной характеристикой стали, по которой оценивается ее способность оказывать сопротивление динамическим нагрузкам при эксплуатации и наличии концентраторов напряжения, является сопротивление хрупкому разрушению.

Вязкость - это термин, используемый для описания способности материала пластически деформироваться и поглощать энергию до и в процессе деформации. Вязкость, которой обладает определённая сталь в конструкции или при лабораторных испытаниях, есть переменная величина, зависящая от приложенных напряжений, скорости нагружения и температуры.

Известно, что разрушение в металле может быть хрупким, вязким и смешанным.

Вязкое разрушение сопровождается макроскопической пластической деформацией при зарождении и распространении трещины и окончательным разрушением отрывом. Типичные поверхности, по которым произошло вязкое разрушение, имеют волокнистое строение и матово-серый цвет. Такое разрушение наблюдается в том случае, если скольжение, деформация и отрыв кристаллов друг от друга происходят под действием напряжений среза.

Первым условием хрупкого разрушения является существование микротрещин, способных в определённых условиях развиться в быстро растущую трещину. Критические трещины могут существовать в исходном материале и возникать при слиянии или росте микротрещин, пор. Трещины зарождаются в местах концентраторов напряжений, вызванных особенностями конструкции детали, деформацией в процессе изготовления или работы, коррозией, сваркой и др. При хрупком разрушении поверхности разрушения состоят из светлых, отражающих свет фасеток без явных следов макроскопической деформации. Скол или хрупкое разрушение связаны с разрушением большинства зёрен по кристаллографическим плоскостям. При тщательном изучении излома видно, что хрупкое разрушение сопровождается микроскопической пластической деформацией.

Испытание на ударный изгиб имеет наибольшее значение для определения сопротивления хрупкому разрушению. При хрупком разрушении трещина, достигшая критического размера, распространяется самопроизвольно без поступления внешней энергии. В крупных сооружениях, например в магистральных нефте- газопроводах, разрушение в этом случае приобретает лавинообразный характер; при этом наносится значительный материальный ущерб, и зачастую, невосполнимый урон окружающей среде. Первые образцы для определения вязкости разрушения были предложены Шарпи и Изодом около 80 лет назад и с тех пор остаются на вооружении металлургов. Использование образцов с надрезом определяет склонность испытуемых материалов к хрупкому разрушению по следующим причинам: во-первых, благодаря надрезу устраняется поперечное сужение, и вместе с тем формируется объёмное напряжённое состояние, во-вторых, концентрация деформации в малом объёме вблизи надреза обеспечивает высокую локальную скорость деформации. Форма применяемых образцов по ГОСТ 9454 приведена на рис.1. Образцы с U-образным концентратором применяют при выборе, приёмо-сдаточных испытаниях металлов и сплавов, с V-образным надрезом - при выборе, приёмо-сдаточных испытаниях металлов и сплавов для конструкций повышенной надёжности и, наконец, с концентратором вида Т (усталостная трещина) - для особо ответственных конструкций.

На сопротивление стали хрупкому разрушению, как и на прочность, влияют одни и те же факторы: химический состав стали, условия горячей и холодной прокатки, термообработка и как функция перечисленного - структурные параметры: состояние твёрдого раствора, дисперсионное упрочнение, плотность дислокаций, размер зерна, субструктура, текстура. Поэтому повышение прочности в зависимости от используемого механизма упрочнения в той или иной степени оказывает влияние на сопротивление хрупкому разрушению.

Влияние легирующих элементов, условий деформации и термообработки проявляется через структурообразование: содержание перлита, размер структурных составляющих, прочность феррита, образование химических соединений (сульфиды, нитриды, карбиды. Механизм влияния структурных факторов на прочность стали обусловлен измельчением зерна и математически выражается известным уравнением Петча-Холла

=₀+k_уd^-1/2,

где  - предел текучести либо временное сопротивление разрыву;

₀ - напряжение от сопротивления движению дислокаций кристаллической решетки;

d - диаметр зерна (длина свободного пробега дислокаций);

k_у - коэффициент размера зерна, выражающий напряжение, требующееся для активации движения дислокаций.

Важно отметить, что с измельчением зерна повышается прочность стали и улучшается сопротивляемость хрупкому разрушению.

В противоположность измельчению зерна дисперсионное упрочнение повышает переходную температуру. Чем сильнее торможение движения дислокаций в решётке феррита, тем больше сталь склонна к хрупкому разрушению. Однако, установлено, что переходная температура не повышается, если упрочнение за счёт измельчения зерна составляет не менее 40 %. Если упрочнение твёрдого раствора и дисперсионное твердение вносят вклад более 60 % в общую величину упрочнения, последнее оказывает отрицательное влияние на склонность стали к хрупкому разрушению. Таким образом, измельчение зерна является наиболее желательным механизмом повышения прочности.

кристаллографических осей отдельных зёрен поликристаллов, что проявляется в предпочтительной их ориентации или кристаллографической текстуре. Кристаллографическая текстура определяет различия в прочности, пластичности и вязкости, обычно обнаруживаемые при ориентировке испытуемых образцов вдоль и поперёк направления течения металла при обработке. Перед деформацией материал содержит некоторые внутренние дефекты (поры, неметаллические включения и т.д.). Они представляют собой структурные элементы, которые искажаются и вытягиваются при течении металла в процессе обработки. В процессе эксплуатации поведение металла определяется концентрацией напряжений и деформаций около дефектов. В процессе разрушения зарождение и развитие трещины может происходить по наиболее лёгким путям в скоплениях частиц и по поверхностям раздела. Существование таких поверхностей, естественно, вытекает из направленности структуры в сочетании с низким сцеплением поверхностей раздела и частиц второй фазы. В структурах с сильно выраженной текстурой иногда может быть допущена межзёренная хрупкость.

Содержание и методика выполнения работы:

Форма и размеры образцов для испытания на ударный изгиб должны соответствовать ГОСТ 9454. Перед началом испытаний необходимо проверить положение указателя работы при свободном падении маятника. Указатель работы должен показывать "нуль" с отклонением до 0,5 % от максимальной энергии удара маятника. Температурой испытания следует считать температуру образца в момент удара. Испытания проводят при температурах от –20 ⁰С до +50 ⁰С. Для обеспечения температуры испытания образцы перед установкой в копёр должны быть переохлаждены (при температуре ниже комнатной) или перегреты (выше комнатной). Степень переохлаждения или перегрева должна обеспечивать требуемую температуру испытания и определяется экспериментально. Образец должен свободно лежать на опорах копра (см. рис. 2). Установка образца должна производиться с помощью шаблона, обеспечивающего симметричное расположение концентратора относительно опор с погрешностью 0,5 мм. При использовании торцевых ограничителей последние не должны мешать образцам свободно деформироваться.

Испытание должно проводиться при ударе маятника со стороны, противоположной концентратору, в плоскости его симметрии. Работу удара определяют по шкале маятникового копра и по формуле:

А=QR(cos-cos),

где Q - вес маятника, Н;

R - расстояние от центра тяжести маятника до его оси качания, м;

 и  - углы отклонения маятника (см. рис. 2), градусы.

За окончательный результат испытания принимают ударную вязкость. Ударную вязкость обозначают сочетанием букв и цифр. Первые две буквы КС обозначают символ ударной вязкости, третья буква - вид концентратора (U, V, T), далее идёт цифровой индекс, указывающий температуру испытания. Ударную вязкость вычисляют по формуле

КС=А/F₀,

где А - работа удара, Дж;

F₀ - начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, см², вычисляемая по формуле:

F₀=H₁B,

где H₁ - начальная высота рабочей части образца, см;

B - начальная ширина образца, см.

Если в результате испытания образец не разрушился полностью, то показатель качества материала считается не установленным. В этом случае в протоколе испытания указывают, что образец при максимальной энергии удара маятника не был разрушен.

Исходные данные и результаты испытания заносят в таблицу.

Таблица

№ п.п.	Темпе-ратура испы-тания, 0С	Шири-на образца, В, см	Высо-та образца, H, см	Глуби-на концентратора, h, см	Высо-та рабоче-го сечения, H1, см	Пло-щадь попе-речно-го сечения, F0, см2	Работа удара, А, Дж	Удар-ная вяз-кость, КС, Дж/см2
1
2
3
4
5
6
7

Контрольные вопросы.

1. Что такое анизотропия ударной вязкости и чем она обусловлена?

2. Как ударная вязкость зависит от температуры?

3. Какие технологические факторы горячей прокатки и как влияют на сопротивление стали хрупкому разрушению?

4. Какие и как технологические факторы холодной прокатки и термообработки влияют на сопротивление стали хрупкому разрушению?

5. Влияние структурных факторов на ударную вязкость. Механизмы упрочнения сталей.

Лабораторная работа № 6