Испытания на ударную вязкость и склонность

К ХРУПКОМУ РАЗРУШЕНИЮ

Цель работы: изучение физико-механических свойств материалов при динамических испытаниях на ударный изгиб.

Оборудование и материалы: твердомер Бринелля, твердомер Роквелла, лабораторные электропечи СНОЛ, бинокулярный микроскоп МБС-9, цифровой микроскоп «Микровизор металлографический», фрезерный станок, шлифовально-полировальный станок НЕРИС для приготовления микрошлифов, вытяжной шкаф, призматические образцы из отожженной малоуглеродистой стали.

Задания: 1. Изучить характе

·СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ·

Испытания на ударный изгиб для чёрных, цветных металлов и сплавов регламентируется ГОСТ 9454-78 (Приложение 2). Испытания проводятся в диапазоне температур о т минус 10 ⁰С до плюс 30 ⁰С. Метод основан на разрушении образца с концентратором посередине одним ударом маятникового копра (Рис.10.1). В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе или ударную вязкость.

Вязкость твёрдого тела – свойство необратимо поглощать энергию при пластическом деформировании вплоть до разрушения.

4.1. Типовая схема испытания:

- измерить размеры образца;

- проверить совпадение стрелочного указателя (Рис.10.1, поз.3) с нулевым делением круговой шкалы при свободно висящем маятнике;

Рис. 10.1. Маятниковый копёр для испытания материалов на ударную вязкость:
1 - маятник; 2 - образец; 3 - стрелка; 4 - шкала.

- установить образец на опоры надрезом в противоположную сторону

от маятника копра (Рис.10.2);

- поднять маятник на исходную высоту и зафиксировать на защёлку;

- настроить автоматизированную систему обработки результатов;

Рис. 10.2. Расположение образца перед началом испытания.

- произвести испытание, освободив маятник от защёлки;

- зафиксировать угол взлёта маятника после разрушения образца;

- сохранить результаты и вывести протокол испытаний.

Работа, затраченная на разрушение образца, будет равна разности энергии маятника до и после удара.

4.2. Силовое оборудование для испытаний.

Рисунок 10.3. Маятниковые копры для ударных испытаний: а) МК-15; б) МК-30.

Копёр состоит из чугунной станины в виде массивной плиты 2 с двумя вертикальными колоннами 3. В верхней части колонн на горизонтальной оси подвешен укреплённый в шарикоподшипниковых опорах маятник с грузом в виде стального плоского диска с вырезом 5, в котором закреплён стальной закалённый нож, служащий бойком при испытании (Рис 10.3).Внизу на уровне вертикально висящего маятника к колоннам станины прикреплены две стальные закалённые опоры 10, на которые помещают образец 11. Под опорами между колоннами проходит тормозной ремень 12, который, прижимаясь к маятнику, качающемуся после удара, вызывает его торможение. Тормозной ремень приводится в действие вручную рукояткой 1 (МК-15) или автоматической рукояткой 1(МК-30).

Защёлка 6 предназначена для фиксации копра маятника. При испытании маятник освобождается от защёлки 6, падая, ударяет образец, разрушает его и взлетает на некоторый угол. Угол взлёта определяется следующим образом. Стрелка 8, насаженная на оси маятника, свободно, но с некоторым трением в момент удара упирается в упор 7 у нулевого деления шкалы 9. При взлёте маятника стрелка остаётся неподвижной, а при обратном движении маятника, двигаясь, вследствие трения, вместе с маятником показывает угол взлёта маятника в градусах.

В копре МК-30А на оси маятника жёстко закреплён поводок 9. При прямом и обратном движении маятника поводок увлекает за собой соответственно одну или другую стрелки шкалы 10 и оставляет их в положении, фиксирующем работу (энергию) маятника до и после удара. Маятниковые копры различаются максимальной энергией удара маятника: 4,4 (0,5); 9,8 (1,0); 49,0 (5,0); 98,0 (10,0); 147 (15); 294 (300) Дж (кг×м).

На Рис.10.4 представлено оборудование популярных зарубежных фирм:

а)

б)

Рис. 10.4. Копры фирмы Instron: а) Dynatup° POE2000; б) копры серии SI .

Для получения надрезов на образцах используют специальные станки, Рис.10.5.Станок обладает очень точной механикой, что гарантирует правильность и воспроизводимость результатов испытаний.

На Рис. 10.6 изображён современный копёр той же фирмы Galdabini. Основные технические характеристики: потенциальная энергия, кДж - 25; 150; 300; 450; 600; допускаемое отклонение запаса потенциальной энергии маятника от номинального значения, % ±5;

Рис. 10.6. Маятниковый копер ф.Galdabini.

• потери энергии при свободном качании маятника за половину полного колебания, % 0,5;
• дискретность отсчета, Дж 0,1-0,3;
• предел допускаемой абсолютной погрешности измерения энергии, Дж ±0,5;
• скорость движения молотка в момент удара, м/сек 5,5;
• электропитание 380 В, 3 фазы, 50 Гц;
• мощность, кВт 0,5;
• масса станины, кг 650; 570.

Маятниковые копры Galdabini имеют следующие особенности:

• автоматическое возвращение молотка в первоначальную позицию после каждого испытания;
• загрузка образца может осуществляться с внешнего устройства с центрированием;

• цифровой контроллер с жидкокристаллическим дисплеем и клавиатурой, позволяющий выбрать тип испытания, рекомендуемый стандарт, показать результаты в последовательности и занести их в постоянную память;

• прибор может быть подключен к ПК;
• результаты могут быть распечатаны или обработаны при помощи программы, установленной на ПК;
• молоток может быть оборудован датчиком (фирмы CEAST) для анализа динамики разрушения образца;
• прибор соответствует стандартам: ГОСТ 10708-82, ASTM E-23, EN 10045/1 и имеет сертификат Госстандарта РФ.

4.3. Образцы.

ГОСТом 9454-78 предусмотрено использование 20 типов образцов, различающихся как собственными размерами, так и размерами концентраторов при трёх видах надрезов, Рис. 4.7.

Рис. 10.7. Образцы с концентраторами:

а) U-образный; б) Т-образный с усталостной

трещиной; в) V-образный.

4.4. Характеристики материала получаемые из испытаний.

1. Работа удара - обозначается буквами KU, KV, KT и цифрами. Первая буква К обозначает символ работы удара, вторая буква U, V, T- вид концентратора. Последующие цифры обозначают: максимальная энергия удара маятника, глубину концентратора, ширину образца. Например: KV^-40 50/2/2 – работа удара, определённая на образце с концентратором вида V при температуре минус 40 ⁰С. Максимальная энергия копра 50Дж, глубина концентратора 2 мм, ширина образца 2 мм. Если испытания проводятся при Т = 20 ± 10 ⁰С, то температура в обозначениях не проставляется.

Величина работы К, затраченной на излом образца, определяется как разность потенциальной энергии маятника в его положениях до и после удара (Рис. 4.8) и вычисляется по формуле:

К = Q∙(H₁–H₂),

где Q – вес маятника, Н;

H₁ – высота подъёма маятника до удара, м;

H₂ - высота подъёма маятника после удара, м.

Рис. 10.8. Схема определения энергии копра до и после удара.

Вводя соответствующие обозначения, получаем:

H₁ = R - R× sin (a-90⁰) = R (1-cosa),

H₂ = R - R× cosb = R (1-cosb),

где R – длина маятника (расстояние от центра тяжести маятника до его оси вращения). Следовательно, работа маятника:

К = Q× R× cosb = R(cosb-cosa).

2. Ударная вязкость (KС) – отношение работы К, затраченной на разрушение образца, к площади поперечного сечения А₀ в месте надреза:

КС = К / А₀, А₀ = H₁×В,

где А₀-площадь поперечного сечения образца в плоскости надреза, м²;

H₁- начальная высота рабочей части образца, м;

В - начальная ширина образца, м.

Обычно ударную вязкость удобно записывать в единицах Дж/см². В протоколе испытаний КС обозначается сочетанием букв и цифр. Например: КСТ⁺¹⁰⁰ 150/3/7,5 – ударная вязкость, определённая на образце с концентратором напряжений вида Т при температуре плюс 100 ⁰С. Максимальная энергия удара маятника 150Дж, глубина надреза 3 мм, ширина образца 7,5 мм. Цифры не указывают при определении работы удара с энергией удара 294(30)Дж (кГ×м), при ширине образца 10 мм, глубине концентратора 2 мм, для U и V-образных надрезов и 3 мм для концентраторов вида Т.

4.4. Определение хладноломкости материалов с помощью испытаний на ударный изгиб.

Хладноломкость – способность материалов хрупко разрушаться при низких температурах.

Хрупкое разрушение – разрушение, не сопровождающееся макроско-пически выраженной остаточной деформацией и происходящее по механизму отрыва.

Хладноломкость материалов характеризуется критической темпера-турой хрупкости (Т_к0). Под Т_к0 понимается температура, принимаемая за температурную грани­цу изменения характера разрушения материала от хрупкого к вязкому. Она определяется:

v по энергии, затрачиваемой на разрушение, в качестве показателя которой принимается ударная вязкость;

v по виду излома образцов, в качестве показателя которого принимается доля вязкой составляющей в изломе или (значительно реже) значение поперечного расширения образца в зоне излома.

Для определения критической температуры хрупкости проводят испытания образцов с надрезом типа V на ударный изгиб в выбранном интервале температур. На основании полученных результатов испытаний строят зависимости ударной вязкости и/или вязкой составляющей в изломе (Рис. 4.9) от температуры испытаний. Значения критической температуры хрупкости определяют по заданным критериальным значениям ударной вязкости и/или вязкой составляющей в изломе. Например, соотношение 50% на 50% вязкой и хрупкой составляющих в изломе ударного образце означает достижение Т_к0 для данного материала по критерию содержания вязкой составляющей в изломе. На Рис.10.9 для стали с содержанием углерода С = 0,09% пороговая температура Т_к0 = 0 ⁰С, т.е. ниже этой температуры материал при ударном нагружении будет разрушаться хрупко и при низких энергетических затратах (Рис.10.9,а).

КСV, Дж/м²

-80 -40 0 40 80

Температура испытаний, 0С

Рис. 10.9. Сериальные диаграммы ударной вязкости образцов с V-надрезом

(а) и доля волокна (В, %) в изломе (б). Низкоуглеродистая сталь с 0,09 % С [2 ].

·ЗАДАНИЕ И ТРЕБОВАНИЯ К СОДЕРЖАНИЮ ОТЧЁТА·

1.Изучить характеристики вязкости материалов и метод их определения в ГОСТ 9454-78 (Приложение 2) при нагружении образцов по схеме ударного изгиба.

2.Составить краткий отчёт, который должен содержать:

- наименование практической работы;

- цель работы;

- краткая схема испытания;

- ответы на контрольные вопросы.

·КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ·

1. В чём заключается отличие вязкости твёрдого материала от вязкости жидкостей и газов?

2. Чем вызвана необходимость проведения испытаний на ударный изгиб?

3. Что больше – KCU или KCV одного и того же материала? Почему?

4. У каких материалов будет больше ударная вязкость:

с s_В = 300МПа и d = 32% или с s_В = 800МПа и d = 1,5%.

5. Возможна ли запись диаграммы нагружения при ударном изгибе?

6. Что характеризует критическая температура хрупкости?

7. Может ли Т_к0 быть выше комнатной температуры? Ответ обосновать.

Приложение № 1.