Динамические испытания на изгиб образцов с надрезом

При эксплуатации различные детали и конструкции часто подвергаются ударным нагрузкам. В качестве примера можно привести переезд автомобиля через выбоину на дороге, взлет и посадку самолетов, высокоскоростную обработку металла давлением (при ковке и штамповке) и др. Для оценки способности металлических материалов переносить ударные нагрузки используют динамические испытания, которые широко применяются также для выявления склонности металлов к хрупкому разрушению. Наиболее распространены ударные испытания на изгиб образцов с надрезом. Помимо их используются методы динамического растяжения, сжатия и кручения.

Скорости деформации при динамических испытаниях (10² с^-1) на несколько порядков больше, чем при статических (10^-4 – 10^-1 с^-1).

При динамических испытаниях закон подобия не действует. Поэтому здесь необходима жесткая унификация размеров образцов и условий проведения испытания. Основным образцом по ГОСТ 9454 – 78 служит стержень с квадратным сечением 10х10 мм и длиной 55 мм (рис. 1.21).

Рис. 1.21. Образец с U-образным надрезом для испытаний на ударный изгиб ГОСТ 9484 – 78 (образец Шарпи)

Если такой образец не разрушается при испытаниях, то на него в центральной части наносят надрез. В образцах Шарпи U-образный надрез наносится посередине длины (см. рис. 1.21). Он имеет ширину и глубину 2 и радиус закругления 1 мм.

Образцы с V-образным концентратором имеют те же габариты и отличаются только геометрией надреза.

Третий тип образцов, предусмотренный ГОСТ 9454-78, имеет Т-образный концентратор напряжений (надрез с усталостной трещиной). Длина L этих образцов тоже 55 мм, а высота сечения Н=11 мм при В=10; 7,5 или 5 мм. Допускается применение образцов с В=2 мм и Н=9 мм, В=Н=10 мм и B=H =25 мм. В последнем случае L=140 мм.

Образцы с V-образным концентратором (образцы Менаже) используются при контроле металлических материалов для ответственных конструкций (летательных аппаратов, транспортных средств и т.д.). Образцы Шарпи с U-образным надрезом рекомендуется применять при выборе и приемочном контроле металлов и сплавов до установления норм на образцы с V-образным концентратором. Образцы с трещиной предназначены для испытания материалов, работающих в особо ответственных конструкциях, где сопротивление развитию трещины имеет первостепенное значение.

Испытания на ударный изгиб проводят на маятниковых копрах с предельной энергией, не превышающей 300 Дж. При испытании образцов с L=55 мм расстояние между опорами должно быть 40 мм. Изгибающий нож имеет сечение в виде треугольника с углом при вершине 30° и радиусом закругления 2 мм. Схема испытания приведена на рис. 1.22.

Рис. 1.22. Схема ударного испытания на маятниковом копре

Образец кладут горизонтально в специальный шаблон, обеспечивающий установку надреза строго в середине пролета между опорами. Удар наносят со стороны, противоположной надрезу, в плоскости, перпендикулярной продольной оси образца.

Маятник копра закрепляется в исходном верхнем положении. По шкале фиксируется угол подъема маятника α. Затем крепящую защелку вынимают, маятник свободно падает под собственной тяжестью, ударяет по образцу, изгибает и разрушает его, поднимаясь относительно вертикальной оси копра на угол β. Этот угол тем меньше, чем большая работа К затраченная маятником на деформацию и разрушение образца. Скорость копра v _к (м/с) в момент удара по образцу зависит от высоты подъема Н (см. рис. 1.22): v _к = (2gH)^1⁄2, где g – ускорение свободного падения.

Величина работы деформации и разрушения определяется разностью потенциальных энергий маятника в начальный (после подъема на угол α) и конечный (после взлета на угол β) моменты испытания:

К=Р(Н — h),

где Р – масса маятника; H и h – высоты подъема и взлета маятника (см. рис. 1.22).

Если длина маятника L, то h=L(1 — cos β), H=L(1 — cos α ) и, следовательно,

K=PL( cos β — cos α ).

Эта формула служит для расчета работы К по измеренным углам α и β (P и L постоянны для данного копра). Шкала копра может быть проградуирована в единицах работы, если угол подъема маятника α фиксирован.

Часть энергии удара затрачивается на преодоление сопротивления воздуха, на трение в подшипниках и в измерительном устройстве, на смятие образца на опорах и под ножом, на сообщение энергии обломкам образца и на упругую деформацию штанги маятника.

На копрах, применяемых при обычных испытаниях металлов, большинство этих потерь не поддается учету, в результате получаемые значения К оказываются завышенными на несколько процентов. Особенно велики потери энергии при несовпадении оси удара и середины надреза на образце. Поэтому величины ударной вязкости, определенные на различных копрах, могут отличаться друг от друга на 10 – 30 %. Точность определения работы излома тем выше, чем меньше превышение запаса работы маятника над работой деформации и разрушения образца; нужно стремиться, чтобы угол β после разрушения образца был небольшим.

Зная полную работу деформации и разрушения К, можно рассчитать основную характеристику, получаемую в результате рассматриваемых испытаний – ударную вязкость КС:

КС = K/F₀,

где F₀ – площадь поперечного сечения образца в месте надреза до испытания. Ударную вязкость часто обозначают как а (размерность Дж/м² или Дж/см²). В зависимости от вида концентратора в образце в обозначение ударной вязкости вводится третий индекс (U, V или Т ). Например, КСV — ударная вязкость, определенная на образце с V-образным концентратором при комнатной температуре.

Динамические испытания на изгиб надрезанных образцов являются самыми жесткими среди стандартных испытаний.

Ударные испытания, как и статические, можно проводить при отрицательных и повышенных температурах. Для обозначения ударной вязкости при пониженной или повышенной температурах используется цифровой индекс, соответствующий температуре испытания. Например, КСТ _-60 — ударная вязкость, определенная на образце с Т-образным концентратором при - 60°С.

В массовых динамических испытаниях на изгиб образцов с надрезом ударная вязкость — единственная выходная характеристика испытания. Диаграмма деформации обычно не записывается, так как это сопряжено со значительными экспериментальными трудностями. Общее время испытания измеряется долями секунды, поэтому для фиксации зависимости нагрузки от деформации требуются малоинерционные чувствительные датчики и быстродействующий прибор для записи диаграмм.

Рис. 1.23. Различные варианты температурной зависимости ударной вязкости а: 1 – вязкие материалы; 2 – хрупкие материалы; 3 – кривая хрупковязкого перехода

Одной из важнейших задач ударных испытаний является оценка склонности к хрупкому, разрушению. Эта задача решается построением температурной зависимости ударной вязкости и определением температуры хрупко-вязкого перехода. Возможны три типа кривых ударная вязкость – температура (рис. 1.23). Кривая 1 характерна для вязких даже при отрицательных температурах материалов, например металлов (медь, алюминий) и сплавов с ГЦК-решеткой (аустенитные стали). Кривая 2 получается при испытании хрупких в широком диапазоне температур материалов, например закаленных на мартенсит сталей. Наконец, кривая 3 характеризуется температурным интервалом хрупковязкого перехода, по ней можно оценить Т _хр. Такой тип кривых КС(Т) типичен для металлов с ОЦК- и ГПУ-решетками, многих сталей с ферритно-перлитной структурой. Зная Т _хр и рабочую температуру Т _р испытуемого материала, можно оценить его температурный запас вязкости: χ = (Т _р – Т _хр ) / Т _р. Чем больше χ, тем меньше опасность хрупкого разрушения. температурный запас вязкости: χ = (Т _р – Т _хр ) / Т _р. Чем больше χ, тем меньше опасность хрупкого разрушения.

Дата добавления: 2015-04-24