Механические испытания на удар

Обычные ударные испытания образцов, осуществляемые на маятниковых копрах, призваны оценить склонность материала к хрупкому разрушению и относятся по своим скоростным показателям (скорость удара 5-7 м/с) к квазистатическому нагружению. Ниже будет рассмотрено поведение металлических материалов при квазистатическом ударном нагружении. Метод основан на разрушении при изгибе образца с концентратором в виде надреза одним ударом маятника копра. Надрез в стандартных образцах облегчает хрупкое разрушение материалов. В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе на разрушение образца (работу удара) , и ударную вязкость . Под ударной вязкостью следует понимать работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора. Единицей измерения ударной вязкости является Дж/см².

В зависимости от вида концентратора ( -, или -образный надрез) ударная вязкость обозначается как , или . Выбор вида концентратора осуществляется в зависимости от требований к изделию: - при обычных испытаниях металлов и сплавов; - для конструкций повышенной степени надежности (летательные аппараты, транспортные средства, трубопроводы, сосуды давления); - для особо отвестственных конструкций.

Для определения вязкости хрупких материалов (инструментальных сталей с твердостью более 50 ) применяют гладкие образцы и ударная вязкость обозначается .

Обычно испытывается призматический образец квадратного сечения 10х10 мм и длиной 55 мм с краевым надрезом глубиной 2 мм в середине образца. На рис.15.3 представлена схема нагружения образца при испытании его на удар.

Рис.15.3

В зоне концентрации напряжений происходит локализация деформации, и возникает объемное растяжение, вследствие стеснения деформации в поперечном направлении. Это в сочетании с высокой скоростью деформирования (порядка 10² 1/с) способствует проявлению хрупкости материала. Хотя ударная вязкость как свойство материала носит условный характер, она оказалась весьма чувствительной к особенностям структуры материала и механического его поведения. Например, различие в комплексе свойств при деформировании и разрушении мелкозернистого и крупнозернистого железа четко выявляется ударной вязкостью, тогда как статические характеристики этого не отражают (табл.15.1)

Таблица 15.1

Структура железа	, МПа	, МПа	, %	, %	, Дж/см2
Мелкозернистая			35, 3	72, 2	13, 1
Крупнозернистая			36, 9	66, 7	2, 6

Испытанию на удар подвергаются практически все материалы. При поставках металла ударная вязкость является настолько же обязательной характеристикой металла, как , и . Она характеризует способность материала сопротивляться хрупкому разрушению (поглощать энергию удара за счет пластического деформирования) при заданной температуре испытания. В таблице 15.2 приведены значения ударной вязкости для углеродистых сталей.

Таблица 15.2 Ударная вязкость некоторых сталей

Содержание в стали углерода	Термообработка
отжиг	закалка и отпуск
, МПа	, Дж/см2	, МПа	, Дж/см2
0, 15	350-450	2, 5	360-500	2, 5
0, 15-0, 20	400-500	2, 2	450-650	2, 0
0, 20-0, 30	500-600	2, 0	550-750	1, 5
0, 30-0, 40	600-700	1, 6	700-850	1, 2
0, 40-0, 50	700-800	1, 2	800-950	0, 9
0, 50-0, 60	800-900	1, 0	900-1050	0, 5
0, 60-0, 70	850-950	0, 8		0, 3
0, 70		0, 6		0, 2

Ударная вязкость металла существенно зависит от температуры испытания. Это особенно относится к металлам и сплавам с о.ц.к. решеткой, состояние которых изменяется с понижением температуры от вязкого к хрупкому. Испытания показывают, что при понижении температуры сначала наблюдается постепенное снижение ударной вязкости, при определенной температуре она достигает своего наименьшего значения, которое при дальнейшем понижении температуры не изменяется.

Температуры и называют соответственно верхней и нижней температурами хрупкости, а само явление хладноломкостью. Порог хладноломкости определяется типом кристаллической решетки, количеством примесей внедрения, при этом зависимость наблюдается обратная – чем ниже порог хладноломкости, тем выше ударная вязкость, т.е. ударная вязкость есть функция порога хладноломкости.

Для металла в хрупком состоянии характерны низкие значения ударной вязкости, мало изменяющиеся в широком диапазоне изменения температуры (так называемое «нижнее плато» значений ударной вязкости). При вязком состоянии характерны высокие значения ударной вязкости («верхнее плато»). Переход из одного состояния в другое происходит в определенном температурном интервале – температурном интервале хрупко-вязкого перехода.

Для объяснения перехода металлов из хрупкого состояния в вязко-пластичное привлекается известная схема А.Ф.Иоффе, которая учитывает особенности деформирования и разрушения металлических материалов: возможность разрушения путем отрыва (хрупкий характер разрушения) и путем среза (вязкий характер разрушения). Отмечается слабая зависимость сопротивления отрыву от температуры при значительном разбросе этой характеристики и существенное снижение сопротивления течению и сопротивления срезу с повышением температуры (рис.15.4).

Рис.15.4

Указанное изменение характеристик прочности и пластичности предопределяют суммарное изменение ударной вязкости, например , в зависимости от температуры в весьма жестких условиях нагружения, когда довольно четко выявляется так называемая критическая температура хрупкости, или температура хрупко-вязкого перехода . У разных материалов проявляются свои особенности хрупко-вязкого перехода: скачкообразный переход при определенной температуре (рис.15.5, а); наличие области разброса в пределах экстремальных значений, определяющей интервал хрупко-вязкого перехода (рис. 15.5, б); суженная область разброса в определенном интервале температур (рис. 15.5, в).

Рис.15.5

Хрупко-вязкий переход проявляется в изменении характера излома от хрупкого к вязкому, который также происходит в определенном температурном интервале. В качестве критерия для определения обычно используются сразу два показателя: уровень ударной вязкости в зависимости от предела текучести материала и процент вязкой фазы в изломе. Например, для материалов энергетического оборудования обусловлена определенным уровнем для конкретного материала и не менее 50% вязкой фазы в изломе при температуре +30 ⁰С. Следует отметить, что критическая температура хрупко-вязкого перехода – одна из основных комплексных механических характеристик малоуглеродистых и низколегированных сталей. Следует добиваться использования материала в температурной области, где проявляется вязкий характер его разрушения.