11(15). Определение ударной вязкости при изгибе

С помощью динамических испытаний на ударный изгиб выявляют склонность материала к хрупкому разрушению. В нашей стране наиболее распространен метод Шарпи¹⁵, заключающийся в разрушении с помощью маятникового копра, одним ударом, лежащего концами на двух опорах специального образца – рис. 11.1. Для снижения разброса результатов при испытании металлов используют образцы с концентраторами напряжений – надрезами, а при испытании пластмасс – образцы с надрезами и без надрезов.

Для определения работы, затраченной на разрушение образца маятниковый копер снабжен устройством для отчета угла подъема маятника в исходном положении () и после разрушения образца (). Работа по разрушению образца равна разности потенциальных энергий маятника в исходном состоянии П₀ и в момент наивысшего подъема после разрушения образца П₁, которую можно выразить через углы  и :

А_разр = П₀ – П₁ = mg (H – h) = mgl (соs  – соs ), Дж,

где m – масса маятника, g – ускорение свободного падения, H и h – высоты подъема, l – плечо маятника – рис. 11.1.

Рис. 11.1. Схема определения ударной вязкости при изгибе

Р абота разрушения А_разр в общем случае идет на образование и распространение трещины. Стандартные образцы для испытаний на ударную вязкость имеют вид прямоугольного бруска с надрезом посередине. Надрезы могут быть с U-образной и более острой V-образной вершиной, а если в образце с острой вершиной перед испытанием создана трещина, то его называют Т-образным – рис. 11.2.

Р ис. 11.2. Вид образцов с U, V и Т-образным надрезом

Чем острее надрез, тем меньше работа разрушения. Наиболее часто применяют образцы с «мягким» U-образным надрезом, образцы с V-образным надрезом используют при испытании материалов, идущих на изготовление особо ответственных изделий (труб для магистральных газопроводов, ледовых буровых платформ и т. п.). Использование Т-образных образцов позволяет в чистом виде определить работу распространения трещины.

Ударная вязкость обозначается буквами КС с присоединением еще одной буквы, указывающей на вид используемого надреза (КСU, КСV и КСТ), и рассчитывается по формуле:

г де F – площадь поперечного сечения образца в месте надреза – см. рис. 11.1.

Ударная вязкость характеризует способность материала сопротивляться динамическим (в том числе ударным) нагрузкам, приводящим к зарождению и развитию трещин; используется для оценки служебных характеристик материалов, идущих на изготовление ответственных деталей (валов, шестерен, труб нефте- и газопроводов, несущих элементов буровых платформ и т. п.).

Ударная вязкость многих материалов (в том числе сталей) существенно снижается при понижении температуры, когда вязкое разрушение становится хрупким. Поэтому сериальные испытания на ударную вязкость при пониженных температурах широко используются для определения порога хладноломкости (критической температуры хрупкости)¹⁶.

12. Испытание на вязкость разрушения

Хрупкое разрушение судов, мостов, кранов, строительных и дорожных машин и т. д. обычно происходит при довольно низких напряжениях, лежащих в упругой области, без макропластической деформации. Очагом хрупкого разрушения являются имеющиеся в металле микротрещины или трещиноподобные дефекты, возникающие в процессе эксплуатации. Поэтому разрушение конструкции обусловлено в основном сопротивлением металла распространению уже имеющейся опасной, острой трещины (вязкостью разрушения), а не ее зарождением.

В соответствии с положениями линейной механики разрушения, разработанными Д. Ж. Ирвиным, явления, происходящие у устья трещины, могут быть описаны с помощью параметра К, который представляет собой коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины, или локальное повышение растягивающих напряжений у ведущего конца трещины: где Y – безразмерный коэффициент, зависящий от типа (размеров) образца и трещины; σ_н – номинальное (среднее) напряжение вдали от трещины, МПа; l – длина трещины, мм. Отсюда размерность К имеет вид: МПа∙мм^1/2.

Если высвобождающаяся при разрушении удельная упругая энергия достигает критического уровня, трещина будет расти самопроизвольно.

Силовое условие начала самопроизвольного разрушения – достижение величиной К критического значения К_с. Чаще всего К_с определяют в условиях плоского деформированного состояния, когда разрушение происходит путем отрыва – перпендикулярно к плоскости трещины. В этом случае коэффициент интенсивности напряжения, т. е. относительное повышение растягивающих напряжений в устье трещины, при переходе ее от стабильной к нестабильной стадии роста обозначают К_1с [МПа∙мм^1/2] и называют его вязкостью разрушения при плоской деформации.

И спытание на вязкость разрушения проводят по схеме внецентренного растяжения специальных образцов при изгибе. Для испытания применяют образцы с прямоугольным поперечным сечением и односторонним острым надрезом (рис. 12.1). Предварительно на пульсаторе от надреза наводится усталостная трещина. Затем образец подвергают растяжению при постепенно повышающейся нагрузке Р. При испытании строят диаграмму нагрузка Р – смещение V (смещение берегов трещины, т. е. расстояния между точками по обе стороны от трещины вследствие ее раскрытия). По этой диаграмме находят нагрузку Р_Q, отвечающую началу нестабильного развития трещины, и по ней рассчитывают К_1с.

Рис. 12.1. Схема нагружения образца при испытании на вязкость разрушения

Вязкость разрушения характеризует способность металла (сплава) противостоять развитию трещины. Поэтому нередко К_1с называют трещиностойкостью. Чем выше значение К_1с, тем меньше опасность хрупкого разрушения и выше надежность конструкции (машины), изготовляемой из этого материала.

В язкость разрушения является структурно чувствительной характеристикой, т. е. она зависит от всех тех воздействий, которым подвергается металл при обработке (деформационной, термической и т. п.). К_1с, как правило, тем ниже, чем выше предел текучести σ_0,2 (рис. 12.2). Поэтому для повышения конструктивной прочности нередко отказываются от высокопрочных материалов вследствие низкого значения их трещиностойкости К_1с и возможности хрупкого разрушения. Из рис. 12.2 также следует, что сталь по сравнению с титановыми, а тем более алюминиевыми сплавами, имеет большую вязкость разрушения К_1с.

Рис. 12.2. Зависимость вязкости разрушения К_1с от σ_0,2 для сталей (1), титановых (2) и алюминиевых (3) сплавов

Испытание на вязкость разрушения используют при экспертизе наиболее ответственных высокопрочных металлических материалов, идущих на изготовление сильно нагруженных конструкций (крупных сварных узлов, деталей самолетов, корпусов ракет, сосудов высокого давления, уникальных по своим размерам сооружений).