Показатели механических свойств, определяемые при динамических испытаниях

Ударная вязкость и хрупкость. Вязкость противоположна хрупкости. Это способность материала сопротивляться разрушению, поглощая энергию удара. Например, стекло хрупкое, потому что оно не способно поглощать энергию за счет пластической деформации. При столь же резком ударе по листу мягкого алюминия не возникают большие напряжения, так как алюминий способен к пластической деформации, поглощающей энергию удара.

Существует много разных методов испытания металлов на ударную вязкость. При использовании метода Шарпи призматический образец металла с надрезом подставляют под удар отведенного маятника. Работу, затраченную на разрушение образца, определяют по расстоянию, на которое маятник отклоняется после удара. Такие испытания показывают, что стали и многие металлы ведут себя как хрупкие при пониженных температурах, но как вязкие – при повышенных. Переход от хрупкого поведения к вязкому часто происходит в довольно узком температурном диапазоне, среднюю точку которого называют температурой хрупко-вязкого перехода. Другие испытания на ударную вязкость тоже указывают на наличие такого перехода, но измеренная температура перехода изменяется от испытания к испытанию в зависимости от глубины надреза, размеров и формы образца, а также от метода и скорости ударного нагружения. Поскольку ни в одном из видов испытаний не воспроизводится весь диапазон рабочих условий, испытания на ударную вязкость ценны лишь тем, что позволяют сравнивать разные материалы. Тем не менее они дали много важной информации о влиянии сплавления, технологии изготовления и термообработки на склонность к хрупкому разрушению.

Хрупкое разрушение стали было причиной многочисленных аварий, таких, как неожиданные прорывы трубопроводов, взрывы сосудов давления и складских резервуаров, обвалы мостов. Среди самых известных примеров – большое количество морских судов типа «Либерти», обшивка которых неожиданно расходилась во время плавания. Как показало расследование, выход из строя судов «Либерти» был обусловлен, в частности, неправильной технологией сварки, оставлявшей внутренние напряжения, плохим контролем за составом сварного шва и дефектами конструкции. Сведения, полученные в результате лабораторных испытаний, позволили существенно уменьшить вероятность таких аварий. Температура хрупко-вязкого перехода некоторых материалов, например вольфрама, кремния и хрома, в обычных условиях значительно выше комнатной. Такие материалы обычно считаются хрупкими, и придавать им нужную форму за счет пластической деформации можно только при нагреве. В то же время медь, алюминий, свинец, никель, некоторые марки нержавеющих сталей и другие металлы и сплавы вообще не становятся хрупкими при понижении температуры. Хотя многое уже известно о хрупком разрушении, это явление нельзя еще считать полностью изученным.

Особенностью динамических испытаний является резкое приложение нагрузки к образцу. Динамические испытания на ударный изгиб проводят для определения ударной вязкости. Образцы для испытаний имеют надрез, который является концентратором напряжений. Метод основан на разрушении такого образца ударом маятникового копра (рис. 1.5).

а) б)

Рис. 1.5. Схема маятникового копра (а) и образец (б) для испытаний на ударную вязкость

Копер представляет собой две мощные станины, жестко закрепленные на фундаменте. Стандартный образец устанавливают на опоры между станинами, на угол α₁ поднимают маятник со стрелой вылета L и грузом Р и отпускают. Удар по образцу приводит к его разрушению, после чего маятник отклоняется на угол α₂. Определяют работу, затраченную на разрушение образца:

(1.15)

А = PL(cos α₁ – cos α₂), [Дж]

Отношение этой работы к площади рабочего поперечного сечения образца называется ударной вязкостью:

(1.16)

,

где F₀ – площадь поперечного сечения образца в месте надреза.

В зависимости от вида надреза ударная вязкость обозначается (ГОСТ 9454-78):

§ КСU – U–образный надрез при радиусе надреза r=1 мм,

§ KCV – V–образный надрез при радиусе надреза r=0,25 мм,

§ KCT – Т–образный надрез при концентраторе в виде трещины.

Ударная вязкость характеризует склонность металла к хрупкому разрушению, она включает работу зарождения трещины (а_з) и работу распространения трещины (а_р):

(1.17)

KC = а_з+ а_р.

Чем больше работа распространения трещины, тем меньше возможность внезапного хрупкого разрушения.

Ударная вязкость зависит от:

- природы материала и особенностей его обработки,

- наличия вредных примесей – сера и фосфор снижают ударную вязкость;

- размера зерна металла – измельчение зерна приводит к значительному повышению ударной вязкости;

- скорости деформации – чем выше скорость, тем ударная вязкость ниже;

- наличия концентраторов напряжений в изделии;

- температуры.

Ударная вязкость из всех характеристик механических свойств наиболее чувствительна к снижению температуры. Поэтому испытания на ударную вязкость при пониженных температурах используют для определения порога хладоломкости – температуры или интервала температур, в котором происходит снижение ударной вязкости. Хладноломкость – свойство материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры. Хладноломкость проявляется у железа, стали.

При уменьшении температуры ниже некоторого предельного значения опасность хрупкого разрушения резко возрастает. Порог хладноломкости – это температура (интервал температур), при котором происходит переход от вязкого разрушения к хрупкому, сопровождающийся резким снижением ударной вязкости. Нижний (t_н) и верхний (t_в) пределы порога хладноломкости определяют в серии ударных испытаний при разных температурах по полученной кривой температурной зависимости ударной вязкости (рис. 1.6).

Тип разрушения определяет вид излома металла (рис.1.7): вязкому разрушению соответствует вязкий излом, имеющий матовое, волокнистое строение, хрупкому разрушению – хрупкий излом с блестящим, кристаллическим строением. При переходе из вязкого состояния в хрупкое меняется вид излома металла: доля волокнистой составляющей в изломе уменьшается, а кристаллической - увеличивается. Поэтому температурный порог хладноломкости можно определить при исследовании изломов: в качестве порога хладноломкости при этом принимают температуру, соответствующую равным долям волокнистой и кристаллической составляющих в изломе. В этом случае он обозначается t₅₀, что означает 50%-ную долю волокна в изломе.

Рис. 1.6. Зависимость ударной вязкости от температуры и определение порога хладноломкости

Рис. 1.7. Вязкий (а) и хрупкий (б) изломы металла.

Рабочая температура эксплуатации изделия должна быть выше порога хладноломкости материала, который составляет для большинства сталей –40…–50°С. Чем выше температурный запас вязкости материала, т.е. разница между порогом хладноломкости и рабочей температурой, тем меньше риск катастрофического разрушения изделия.