Методы испытания материалов

     Ударная вязкость.

     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. Температура перехода для сталей, измеренная по методу Шарпи с V-образным надрезом, может достигать +90°С, но соответствующими легирующими присадками и термообработкой ее можно понизить до -130° С.  

     Динамические  испытания на изгиб образцов с  надрезом.

     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 10ХЮ мм и длиной 55 мм (рис. 7).

Рис. 7 Образец с U-образным надрезом для испытаний на ударный изгиб

      В образцах Шарпи U-образный надрез наносится посередине длины. 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 (надрез с усталостной трещиной).

     Образцы с V-образным концентратором (образцы Менаже) являются основными и 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 надрезом и трещиной предназначены для испытания материалов, работающих в особо ответственных конструкциях, где сопротивление развитию трещины имеет первостепенное значение.

     Испытания на изгиб проводят на маятниковых  копрах с предельной энергией, не превышающей 300 Дж.

     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. Затем крепящую защелку вынимают, маятник свободно падает под собственной тяжестью, ударяет по образцу, изгибает и разрушает его, поднимаясь относительно вертикальной оси копра на угол j Этот угол тем меньше, чем большая работа К затрачена маятником на деформацию и разрушение образца. Скорость копра v_K, м/с, в момент удара по образцу зависит от высоты подъема.

     Величина  работы деформации и разрушения определяется разностью потенциальных энергий  маятника в начальный (после подъема) и конечный (после взлета) моменты испытания: К=Р(Н—Л), где Р — вес маятника; Н и h — высоты подъема и взлета маятника.

     Эта формула и служит для расчета  работы К по измеренным углам (Р и L постоянны для данного копра). Шкала копра может быть проградуирована в единицах работы, если угол подъема маятника фиксирован. Часть энергии удара затрачивается на сотрясение копра и фундамента, 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 j после разрушения образца был небольшим.

     Зная  полную работу деформации и разрушения К, можно рассчитать основную характеристику, получаемую в результате рассматриваемых испытаний — ударную вязкость: КС = KIF, где F — площадь поперечного сечения образца в месте надреза до испытания. Стандартная размерность ударной вязкости Дж/м² или Дж/см².

     В зависимости от вида концентратора  в образце в обозначение ударной вязкости вводится третий индекс (U, V или T). Например, KCV — ударная вязкость, определенная на образце с V-образным концентратором при комнатной температуре.

     Ударные испытания, как и статические, можно  проводить при отрицательных и повышенных температурах. Методика этих испытаний регламентирована стандартами. По ГОСТ 9454—78 динамический изгиб при отрицательных температурах производят с использованием тех же образцов, что и при комнатной. Образец выдерживают в жидком хладагенте не менее 15 мин при температуре на 2—6°С ниже заданной, затем вынимают из ванны, устанавливают на копер и немедленно испытывают.

     Аналогичная методика используется при высокотемпературных  испытаниях (ГОСТ 9454—78). Предварительный  нагрев образцов рекомендуется вести  в муфельных печах, при необходимости в нейтральной атмосфере, перегревая образец относительно заданной температуре на 3—50 °С в зависимости от ее абсолютной величины. При этом время установки образца с момента выемки из печи до удара маятника должно быть не больше 3—5 с.

     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 ГОСТ 9454—78 рекомендуется при обозначении ударной вязкости указывать также максимальную энергию удара маятника, Дж, глубину концентратора, мм, в испытанном образце и его ширину, мм. Например, KCU⁺¹⁰⁰ 150/3/7,5—ударная вязкость, определенная на образце с U-образным концентратором при 100 °С на копре с максимальной энергией удара маятника 150 Дж при глубине концентратора 3 мм и ширине образца 7,5 мм. Если используется копер с максимальной энергией удара маятника 300 Дж и образец шириной 10 мм с глубиной концентратора 2 мм, то эти данные в обозначение ударной вязкости не вводятся (пишется просто KCU+¹⁰⁰).

     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. Обычно используют пьезокварцевые динамометры и шлейфовые осциллографы.

     Ударная вязкость — это сложная, комплексная  характеристика, зависящая от совокупности прочностных и пластических свойств материала.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Заключение 

     Изучение  механических свойств металлических  материалов необходимо для обеспечения  требуемого качества продукции. Вопрос качества продукции стал очень актуальным в настоящее время. Предприятия-изготовители занимаются постоянным изучением требований потребителей, для удовлетворения их потребностей и их предвосхищения. Проведение испытаний, имитирующих условия эксплуатации, с помощью современного оборудования позволяет с необходимой точностью определять механические свойства материалов. Результаты испытаний используются для дальнейшего применения в производстве, других испытаниях. 
 
 

      Список использованной литературы 

1. Золоторевский В. С. Механические свойства металлов. М., Металлургия, 1983
2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. М., 1979
3. Жуковец И.И. Механические испытания металлов. М., 1986

      Нормативные ссылки 

1.  ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на  растяжение
2. ГОСТ 9651-81 Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах.
3. ГОСТ 9454-78 Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах.
4. ГОСТ 14019-2003 Материалы металлические. Метод испытания на изгиб.
5. ГОСТ 11150-84 Металлы. Методы испытания на растяжение при пониженных температурах.
6. ГОСТ 8817-82 Металлы. Метод испытания на осадку.
7. ГОСТ 8818- Металлы. Метод испытания на сплющивание.
8. ГОСТ 6996-66 Сварные соединения. Методы определения механических свойств.
9. ГОСТ 10006-80 Трубы металлические. Метод испытания на растяжение.
10. ГОСТ 27208-87 Отливки из чугуна. Методы механических испытаний.
11. ГОСТ 25.503-97 Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний. Метод испытания на сжатие.
12. ГОСТ 5521-93 Прокат стальной для судостроения. Технические условия.
13. ГОСТ 8693-80 Трубы металлические. Метод испытания на бортование.
14. ГОСТ 8694-75 Трубы. Метод испытания на раздачу.
15. ГОСТ 8695-75 Трубы. Метод испытания на сплющивание.
16. ГОСТ 11706-78 Трубы. Метод испытания на раздачу кольца конусом.