ГлавнаяРазноеКакой параметр определяется при ударном изгибе

Способ испытания на ударный изгиб сварного соединения. Какой параметр определяется при ударном изгибе


Испытание материала на ударный изгиб

Цели работы. 1. Ознакомление с методикой проведения испытания материалов на ударный изгиб, с приборами и оборудованием.

2. Определение ударной вязкости стали.

Краткие теоретические сведения. В зависимости от внешних условий – температуры, скорости деформирования, типа напряжённого состояния и т.д. – материалы при разрушении могут в большей или меньшей степени проявлять свойства пластичности или хрупкости. При этом в одних условиях моменту разрушения предшествует значительная пластическая деформация, которая сопровождается интенсивным сдвигом частиц материала по плоскости наибольших касательных напряжений. Поверхность разрушения при этом матовая, в этих случаях можно говорить о пластичном (вязком) разрушении. В других случаях разрушение наступает внезапно и происходит по типу отрыва одних частиц образца от других при соответствующем нормальном растягива-ющем напряжении, без образования заметных остаточных деформаций. При этом поверхность разрушения блестящая, зернистая. В этих случаях говорят о хрупком разрушении.

Опыт эксплуатации машин показывает, что некоторые материалы при ударном нагружении в условиях концентрации напряжений имеют пониженные пластические свойства, т.е. в этих условиях материал проявляет склонность к хрупкому разрушению. Это позволяет создать специальный метод испытания материалов на чувствительность к хрупкому разрушению – испытание на ударный изгиб, которое заключается в определении энергии удара, затраченной на разрушение образца с надрезом. Сравнительной мерой данных испытаний служит ударная вязкость, которую относят к механическим характеристикам материала.

Под ударной вязкостью следует понимать энергию удара, отнесённую к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора:

, (1)

где – ударная вязкость материала;– энергия, затраченная на разрушение образца;– начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора.

В основании надреза при ударе имеет место значительная концентрация напряжений. При этом продольные волокна образца испытывают растяжение и стремятся вызвать уменьшение размеров в поперечных направлениях. Этому препятствует наличие надреза, благодаря чему появляются растягивающие напряжения

вперпендикулярных к волокнам направлениях. Таким образом создаётся объёмное напряжённое состояние всестороннего растяжения (рис. 1), при котором образование пластической деформации затрудняется, т.к. величина максимального касательного напряжения, равная полуразности наибольшего и наименьшего главных напряжений, по мере их приближения по величине друг к другу, стремится к нулю. Надрез способствует хрупкому разрушению

Рис. 1 образца.

При ударных испытаниях определяют не величину усилий или напряжений, возникающих в образце при ударе, а энергию, затраченную на его разрушение. Поэтому результаты этих испытаний нельзя непосредственно использовать при расчётах на прочность деталей машин и элементов конструкций, они служат лишь для качественной оценки материалов. Чем больше сопротивление материала ударной нагрузке, тем выше качество материала. Например, данные испытаний на удар могут быть показателем качества термообработки металлов, а также позволяют оценить влияние различных надрезов и резких изменений формы изделий.

Образцы, испытательная машина и измерительные приборы. Величина ударной вязкости зависит не только от материала образца, но и от его размеров и формы, формы ударяющего тела и его скорости. Испытание необходимо проводить в соответствии с требованиями ГОСТа для получения сравнимых результатов. Размеры и форма образцов должны соответствовать приведённым на рис. 2.

Рис. 2

Испытания на ударный двухопорный изгиб (метод Шарпи) проводят на маятниковом копре 2130КМ-0,3 (п. 1.4). Он предназначен для испытания образцов из металлов и сплавов в соответствии с ГОСТ 9454–78 при комнатной температуре.

Номинальные значения потенциальной энергии маятников 1501,5 и 3003,0 Дж. Скорость движения маятника в момент удара 5,40,1 м/с. Величина энергии, затраченная на разрушение образца, высвечивается на блоке измерения.

Порядок выполнения лабораторной работы. Штангенциркулем с точностью 0,05 мм замерить размеры поперечного сечения образца в зоне концентратора и занести их в лабораторный журнал.

Установить образец 1 с помощью шаблона, обеспечивающего симметричное расположение концентратора относительно опор 2. Испытание проводят при ударе маятника 3 со стороны, противоположной концентратору, в плоскости его симметрии (рис. 3).

Разрушить образец и занести в журнал величину энергии, затраченную на его разрушение.

Обработка результатов опыта. Подсчитать площадь поперечного сечения образца в месте концентратора и вычислить значение ударной вязкости стали (формула (1)). Результаты занести в лабораторный журнал.

Контрольные вопросы

  1. Какое свойство материала определяют при испытании на ударный изгиб?

  2. Что называют ударной вязкостью материала?

Рис. 3 3. Как производят определение

ударной вязкости?

4. С какой целью на образце делают надрез?

5. Какой характеристикой материала является ударная вязкость? Может ли она служить для количественной оценки прочности деталей машин и элементов конструкций?

6. Какую форму имеет стандартный образец для испытания на ударный изгиб?

7. Какова схема работы маятникового копра?

8. Как определяют энергию, затраченную на разрушение образца?

9. Как устанавливают образец на опорах?

10. Какой материал будет лучше работать при ударных нагрузках с большей или меньшей ударной вязкостью?

Лабораторная работа № 7

studfiles.net

Способ испытания на ударный изгиб сварного соединения

Изобретение относится к испытательной технике. Сущность: изготавливают темплеты из сварных имитаторов. Производят травление для выявления контура ЗТВ, разметку и вырезку ударных образцов. Образцы испытывают с расчетом ударной вязкости. Причем образцы вырезают по направлению толщины сварного шва, располагая их так, чтобы надрез был перпендикулярен испытуемому участку ЗТВ. ЗТВ располагают в центре по длине надреза, а по бокам располагают металл сварного шва с одной стороны и основного, свариваемого металла с другой стороны. Технический результат: стабильность отбора проб и результатов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Способ относится к области машиностроения и может применяться при аттестации сварного соединения по качеству металла зоны термического влияния.

Испытания металла сварного соединения на ударный изгиб на образцах с надрезом широко применяются в технике. Стандартом ГОСТ 6996-66 предусматриваются методы определения механических свойств сварного соединения, при этом согласно п.5.7 "все образцы вырезаются поперек испытуемого участка сварного соединения". Имеется только упоминание о другой направленности вырезки образцов (п.5.3): "при расположении надреза поперек металла шва, зоны сплавления или зоны термического влияния в конце обозначения ставится буква П."

Известны и другие методы выявления охрупчивания околошовной зоны, например, испытанием на удар специальных жестко закрепленных сварных образцов (справочник: Металловедение и термическая обработка стали и чугуна. М.: Металлургиздат, 1956, с.224).

За прототип взят способ испытания по ГОСТ 6996-66 на ударный изгиб (на надрезанных образцах).

Недостаток прототипа: при определении ударной вязкости зоны термического влияния (ЗТВ) не обеспечивается стабильность результатов, т.к. надрез длиной 10 мм поперечного образца (п.5.7 ГОСТ 6996-66) невозможно расположить по ЗТВ, имеющей малую ширину (1-2 мм) и изогнутый характер.

Задача изобретения: обеспечить стабильность отбора проб при вырезке ударных образцов и, соответственно, стабильность результатов ударной вязкости ЗТВ.

Поставленная задача решается тем, что образец вырезают по направлению толщины сварного шва, располагая его так, чтобы надрез был перпендикулярен испытуемому участку ЗТВ, при этом ЗТВ располагают в центре по длине надреза, а по бокам располагают металл сварного шва (с одной стороны) и основного, свариваемого металла, (с другой стороны), обеспечивая толщину металла каждой боковой зоны не менее толщины ЗТВ.

Участие одновременно в изгибе при испытании металла трех зон соответствует положению механики разрушения - концентрации напряжений на границе двух структур и возможного здесь зарождения трещины при нагружении сварного соединения.

Для реализации способа выполняют операции:

1. Изготавливают иммитатор сварного соединения.

2. Из него изготавливают темплет толщиной, например, 15 мм.

3. Подготавливают микрошлиф одной плоскости темплета.

4. Протравливают участок сварного шва, ЗТВ, части сваренных деталей темплета для выявления ЗТВ.

5. Размечают ударные образцы.

6. Вырезают и изготавливают образцы.

7. Испытывают образцы на ударный изгиб с определением ударной вязкости.

Способ проверен практически при ремонте шаровых запорных газовых кранов типа "БОРЗИГ" ДУ700/1000, "КОБЕ".

Способ иллюстрируется двумя фигурами.

Фиг.1 - схема направления и расположения вырезки образцов.

Фиг.2 - сечение по излому испытанного образца (микрошлиф, ×2) с тремя зонами металла: ЗТВ (в центре), сварного шва и основного (по бокам).

ПРИМЕР. Из стали марки 09Г2С изготовили сварной иммитатор, после отжига (680°С 2 ч) вырезали 4 темплета, выявили травлением микрошлифа контуры ЗТВ, разметили и вырезали ударные образцы сечением 10×10 мм. Методом оптико-шлифовки вырезали надрезы радиусом 0,25 мм. Образцы испытали при температуре -60°С по ГОСТ 9454-78 и рассчитали ударную вязкость KCV-60, результаты - по таблице, откуда видно, что в соответствии с металлом фланца или корпуса ударная вязкость ЗТВ достаточно стабильна.

Ударная вязкость основы и ЗТВ, определяемой по-новому
 Ударная вязкость, KCV-60,Дж/см2, металла
ПоказательосновыЗТВ со стороны
корпусфланецкорпусафланца
По отдельным образцам10,0451150
5,4481476
13,0502529
23,043--
Среднее12,846,516,651,6

Технический результат предлагаемого способа заключается в более надежном отборе проб образцов с участием в изломе при ударном изгибе металла ЗТВ и за счет этого - повышении стабильности результатов испытания металла ЗТВ, а значит, совершенствовании производственного процесса ремонта шаровых газовых кранов. Повышается достоверность оценки сварного соединения на сопротивление разрушению.

1. Способ испытания на ударный изгиб сварного соединения, включающий изготовление темплетов из сварных имитаторов, их травление для выявления контура ЗТВ, разметку и вырезку ударных образцов, их испытание с расчетом ударной вязкости, отличающийся тем, что образец вырезают по направлению толщины сварного шва, располагая его так, чтобы надрез был перпендикулярен испытуемому участку ЗТВ, при этом ЗТВ располагают в центре по длине надреза, а по бокам располагают металл сварного шва (с одной стороны) и основного, свариваемого металла (с другой стороны).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщина металла каждой боковой зоны не менее толщины ЗТВ.

www.findpatent.ru

Все лабы по сопромату / ЛР7

Работа № 7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы

  1. ознакомиться с методикой определения ударной вязкости при изгибе.

  2. определить ударную вязкость конструкционных материалов.

Краткие теоретические сведения

Механические свойства материала в значительной степени зависят от скорости приложений нагрузки. Поэтому механические характеристики, полученные при статических испытаниях, не могут быть использованы для оценки сопротивляемости конструкции ударному нагружению, которое достаточно часто встречается в инженерной практике. Физические свойства большинства конструкционных материалов таковы, что с увеличением скорости деформирования у них в большей степени начинают проявляться хрупкие свойства. Это является одной из причин того, что удар относится к наиболее опасным видам нагружения конструкций.

Подударной вязкостью понимается способность материала сопротивляться ударному разрушению. Мерой такого сопротивления является работа (или энергия), которую необходимо совершить, чтобы разрушить образец. Понятно, что чем больше энергия такого разрушения, тем лучше материал сопротивляется удару, тем он более вязкий. Пластичные материалы являются более вязкими, чем хрупкие. Это объясняется тем, что при ударном разрушении пластичного материала работа разрушения затрачивается не только на разрыв межмолекулярных связей и образование трещины. Значительная ее часть расходуется на интенсивное пластическое деформирование материала в малой области вокруг вершины трещины (рис.20). В хрупких материалах пластических деформаций практически нет.

Количественной мерой ударной вязкости является работа, затраченная на образование поверхности трещины единичной площади. Ударная вязкость а равна отношению работы разрушения Кк площади поверхности трещины

. (16)

Чем выше а, тем лучше материал сопротивляется действию ударной нагрузки. Так государственный стандарт на котельную и мостовую стали требует, чтобы ударная вязкость у них была соответственно не ниже 6105 и 8105 Дж/м2.

Таким образом, ударная вязкость а имеет следующий физический смысл – это есть работа разрушения, необходимая для образования трещины с поверхностью равной единице.

Эксперименты показывают, что величина ударной вязкости зависит не только от материала образца, но и от его формы и размеров, а также от условий проведения испытаний – формы и размеров ударяющего тела, его скорости. Поэтому для получения сравнимых результатов испытания на ударную вязкость проводят в строгом соответствии с требованиями ГОСТ 9454-78. Согласно этому государственному стандарту испытания проводят на ударный изгиб.

Метод испытаний на ударный изгиб по ГОСТ 9454-78

Образцы для испытаний

Форма и размеры образцов, применяемых при испытаниях на ударный изгиб, устанавливаются данным государственным стандартом. В качестве основных применяют образцы квадратного поперечного сечения, ослабленные надрезом (концентратором напряжений) U- или V-образной формы. Чертежи образцов показаны на рис.21. Образцы с U-концентратором (рис.21,а) используют при предварительном выборе и приемочном контроле металлов и сплавов до установления норм на образцах с V-концентратором. Образцы с концентратором типа V (рис.21,б) применяются при выборе и приемочном контроле металлов и сплавов для конструкций повышенной степени надежности – сосуды и аппаратура высокого давления, летательные аппараты, транспортные средства и т.д. Надрез образца должен быть строго перпендикулярен его граням. Видимых глазом рисок на поверхности концентраторов быть не должно.

В материале образца на некоторой глубине от дна концентратора возникает объемное (трехосное) напряженное состояние с тремя растягивающими главными напряжениями (рис.22).

Такое напряженное состояние затрудняет образование пластических деформаций в этой зоне образца, что позволяет дополнительно оценить склонность материала к хрупкому разрушению.

Испытательные машины и методика испытаний

Для испытаний образцов на ударный изгиб согласно ГОСТ 9454-78 применяют маятниковые копры (рис.23) с максимальной энергией удара маятника не более 294 Дж (30 кГм). Допускается применять копры и с другой энергией удара. Максимальная энергия удара маятника должна быть такой, чтобы величина работы ударного разрушения составляла от нее не менее 10%. Скорость маятника в момент удара должна быть 50,5 м/с.

При работе на маятниковых копрах необходимо соблюдать дополнительные повышенные требования безопасности:

  1. все рабочие манипуляции с маятником производятся только преподавателем.

  2. необходимо оградить траекторию движения маятника копра.

  3. при проведении испытаний разрешается стоять только со стороны исходного взведенного положения маятника.

  4. при взведенном маятнике запрещается манипулировать в зоне его движения.

  5. вмомент спуска должно быть сделано предупреждение окружающим.

В данной работе применяется копер МК-30 с максимальной энергией удара 30 кГм (294 Дж). Схема копра приведена на рис.23,б.

Копер состоит из чугунной станины 1 с двумя вертикальными стойками 2. В верхней части этих стоек на горизонтальной оси подвешен тяжелый маятник 3. Он представляет собой тяжелый диск 4 с вырезом. На этой же оси подвешена подъемная рама 5, которую можно установить на любой высоте с помощью собачки храпового механизма 6.

Маятник крепится к подъемной раме и удерживается защелкой 7. В начале испытаний подъемную раму вместе с маятником вручную поднимают в верхнее исходное положение.

Образец 10 из испытуемого материала устанавливают на закаленные опоры, смонтированные на станине. Основные размеры опор и ножа маятника приведены на рис.23,а. При подъеме маятника специальный палец, закрепленный на нем, поднимает линейку 8, проградуированную в кГм. В исходном положении маятник поднят на высоту Н0, которой соответствует потенциальная энергия.

При освобождении защелки 6 маятник свободно падает и, встречая на своем пути образец, разрушает его. Затем, пролетая дальше, он поднимается на высоту Н1, которой соответствует энергия подъема маятника равнаК1. При этом палец маятника поднимает вдоль шкалы 8 указатель 9. В результате этот указатель остается в положении, показывающем разность энергий, затраченную на ударное разрушение образца

К = К0 – К1.

Остановка маятника при обратном холостом ходе производится ременным тормозом.

Порядок выполнения работы:

  1. Измерить размеры поперечного сечения образца в месте надреза ВиН1и определить площадь будущей поперечной трещины:.

  2. Проверить показания измерительного устройства 8 при свободном падении маятника. Затраченная при этом работа Красходуется только на преодоление сил трения и ее величина не должна превышать 0,1 кГм.

  3. Установить образец на опоры так, чтобы обеспечить симметричное расположение концентратора относительно опор. Установку образца на опоры, подъем и пуск маятника приводит только преподаватель. Маятник копра ставится на защелку и вместе с подъемной рамой поднимается на высоту 1 – 1,2 м. Отпускают защелку. Маятник производит удар по образцу и разрушает его. После остановки маятника по шкале измерительного устройства определить К. По формуле (16) рассчитать ударную вязкость. Все результаты измерений и расчетов занести в таблицу.

Материал

Размеры образца,

м

Площадь

трещины

Атр, м2

К0,

Дж

К,

Дж

а,

Дж/м2

Н1

В

Сталь

Чугун

По результатам выполненной работы необходимо сделать вывод о том, какой из испытанных материалов предпочтительней использовать при изготовлении деталей, работающих при ударных нагрузках.

Содержание отчета

  1. Эскизы образцов с указанием размеров.

  2. Расчетные зависимости, использованные при выполнении работы.

  3. Таблица экспериментальных и расчетных данных.

  4. Выводы.

Контрольные вопросы

  1. Зависят ли механические характеристики от скорости приложения нагрузки?

  2. Что такое ударная вязкость, каков ее физический смысл и как она рассчитывается?

  3. Почему ударная вязкость пластичных материалов больше ударной вязкости хрупких материалов?

  4. Какие требования предъявляются к образцам для испытаний на ударный изгиб, какова их геометрия?

  5. Для чего в образце делается надрез в виде концентратора напряжений?

  6. Каков порядок проведения испытаний на ударный изгиб?

53

studfiles.net

11(15). Определение ударной вязкости при изгибе

С помощью динамических испытаний на ударный изгиб выявляют склонность материала к хрупкому разрушению. В нашей стране наиболее распространен метод Шарпи15, заключающийся в разрушении с помощьюмаятникового копра,одним ударом, лежащего концами на двух опорах специального образца – рис. 11.1. Для снижения разброса результатов при испытании металлов используют образцы с концентраторами напряжений – надрезами, а при испытании пластмасс – образцы с надрезами и без надрезов.

Для определения работы, затраченной на разрушение образца маятниковый копер снабжен устройством для отчета угла подъема маятника в исходном положении () и после разрушения образца (). Работа по разрушению образца равна разности потенциальных энергий маятника в исходном состоянииП0и в момент наивысшего подъема после разрушения образцаП1, которую можно выразить через углыи:

Аразр =П0–П1=mg (H – h)=mgl (соs– соs),Дж,

где m– масса маятника,g– ускорение свободного падения,Hиh– высоты подъема,l– плечо маятника – рис. 11.1.

Рис. 11.1. Схема определения ударной вязкости при изгибе

Работа разрушенияАразрв общем случае идет на образование и распространение трещины. Стандартные образцы для испытаний на ударную вязкость имеют вид прямоугольного бруска с надрезом посередине. Надрезы могут быть с U-образной и более острой V-образной вершиной, а если в образце с острой вершиной перед испытанием создана трещина, то его называют Т-образным – рис. 11.2.

Рис. 11.2. Вид образцов с U, V и Т-образным надрезом

Чем острее надрез, тем меньше работа разрушения. Наиболее часто применяют образцы с «мягким» U-образным надрезом, образцы с V-образным надрезом используют при испытании материалов, идущих на изготовление особо ответственных изделий (труб для магистральных газопроводов, ледовых буровых платформ и т. п.). Использование Т-образных образцов позволяет в чистом виде определить работу распространения трещины.

Ударная вязкость обозначается буквами КСс присоединением еще одной буквы, указывающей на вид используемого надреза (КСU, КСVиКСТ), и рассчитывается по формуле:

гдеF– площадь поперечного сечения образца в месте надреза – см. рис. 11.1.

Ударная вязкостьхарактеризует способность материала сопротивляться динамическим (в том числе ударным) нагрузкам, приводящим к зарождению и развитию трещин; используется для оценки служебных характеристик материалов, идущих на изготовление ответственных деталей (валов, шестерен, труб нефте- и газопроводов, несущих элементов буровых платформ и т. п.).

Ударная вязкость многих материалов (в том числе сталей) существенно снижается при понижении температуры, когда вязкое разрушение становится хрупким. Поэтому сериальные испытания на ударную вязкость при пониженных температурах широко используются для определения порога хладноломкости (критической температуры хрупкости)16.

12. Испытание на вязкость разрушения

Хрупкое разрушение судов, мостов, кранов, строительных и дорожных машин и т. д. обычно происходит при довольно низких напряжениях, лежащих в упругой области, без макропластической деформации. Очагом хрупкого разрушения являются имеющиеся в металле микротрещины или трещиноподобные дефекты, возникающие в процессе эксплуатации. Поэтому разрушение конструкции обусловлено в основном сопротивлением металла распространению уже имеющейся опасной, острой трещины (вязкостью разрушения), а не ее зарождением.

В соответствии с положениями линейной механики разрушения, разработанными Д. Ж. Ирвиным, явления, происходящие у устья трещины, могут быть описаны с помощью параметра К, который представляет собойкоэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины, или локальное повышение растягивающих напряжений у ведущего конца трещины:гдеY– безразмерный коэффициент, зависящий от типа (размеров) образца и трещины; σн– номинальное (среднее) напряжение вдали от трещины, МПа;l– длина трещины, мм. Отсюда размерностьКимеет вид: МПа∙мм1/2.

Если высвобождающаяся при разрушении удельная упругая энергия достигает критического уровня, трещина будет расти самопроизвольно.

Силовое условие начала самопроизвольного разрушения – достижение величиной Ккритического значенияКс. Чаще всегоКсопределяют в условиях плоского деформированного состояния, когда разрушение происходит путем отрыва – перпендикулярно к плоскости трещины. В этом случае коэффициент интенсивности напряжения, т. е. относительное повышение растягивающих напряжений в устье трещины, при переходе ее от стабильной к нестабильной стадии роста обозначаютК1с[МПа∙мм1/2] и называют еговязкостью разрушения при плоской деформации.

Испытание на вязкость разрушения проводят по схеме внецентренного растяжения специальных образцов при изгибе. Для испытания применяют образцы с прямоугольным поперечным сечением и односторонним острым надрезом (рис. 12.1). Предварительно на пульсаторе от надреза наводится усталостная трещина. Затем образец подвергают растяжению при постепенно повышающейся нагрузкеР. При испытании строят диаграмму нагрузкаР – смещениеV(смещение берегов трещины, т. е. расстояния между точками по обе стороны от трещины вследствие ее раскрытия). По этой диаграмме находят нагрузкуРQ, отвечающую началу нестабильного развития трещины, и по ней рассчитываютК1с.

Рис. 12.1. Схема нагружения образца при испытании на вязкость разрушения

Вязкость разрушения характеризует способность металла (сплава) противостоять развитию трещины. Поэтому нередко К1сназываюттрещиностойкостью. Чем выше значениеК1с, тем меньше опасность хрупкого разрушения и выше надежность конструкции (машины), изготовляемой из этого материала.

Вязкость разрушения является структурно чувствительной характеристикой, т. е. она зависит от всех тех воздействий, которым подвергается металл при обработке (деформационной, термической и т. п.).К1с, как правило, тем ниже, чем выше предел текучести σ0,2(рис. 12.2). Поэтому для повышения конструктивной прочности нередко отказываются от высокопрочных материалов вследствие низкого значения их трещиностойкостиК1си возможности хрупкого разрушения. Из рис. 12.2 также следует, что сталь по сравнению с титановыми, а тем более алюминиевыми сплавами, имеет большую вязкость разрушенияК1с.

Рис. 12.2. Зависимость вязкости разрушения К1с от σ0,2 для сталей (1), титановых (2) и алюминиевых (3) сплавов

Испытание на вязкость разрушения используют при экспертизе наиболее ответственных высокопрочных металлических материалов, идущих на изготовление сильно нагруженных конструкций (крупных сварных узлов, деталей самолетов, корпусов ракет, сосудов высокого давления, уникальных по своим размерам сооружений).

studfiles.net

Что такое ударная вязкость металлов и как её испытывают :: SYL.ru

Физических параметров у любого материала очень много. Это не только длина, ширина и высота, но и другие, про которые мало кто догадывается. У металлов одним из самых важных физических параметров является ударная вязкость. Что это такое и почему она важна? Как её измеряют, а затем используют?

Что называют ударной вязкостью

Первоначально следует определиться с терминологической базой. Ударной вязкостью называют способность металла в процессе деформации поглощать механическую энергию, величина которой ведёт к разрушениям. Испытание проводится до момента разрушения или разрыва опытного образца и выражается в кДж/м2 или в Дж/см2. Обозначают ударную вязкость металлов буквами КС. В конце есть ещё третий символ, который указывает на вид надреза: V – является острым, U – имеет радиус закругления, Т – трещина.

Установление ударной вязкости может быть сделано с помощью разных лабораторных методов исследования, которые разнятся:

  1. Способами, которыми образец закрепляется на испытательном стенде.
  2. Объектом приложения нагрузки: маятник, гиря, молот.
  3. Отсутствием или наличием разрезов в местах, где прилагается удар.

Ударная вязкость металлов позволяет определить склонность к деформации. И в зависимости от типа разрушений, который потенциально будет оказываться на материал, и выбирают метод исследования. В статье будет рассмотрен вариант установления ударной вязкости с помощью маятника. Отличия других видов нагрузки заключаются в особенностях применения инструментов. Так, если воспользоваться небольшим молоточком, который будет наносить удары по образцу, то можно проверить подверженность разрушению при точечных ударах.

Маятниковый копер

Испытания на ударную вязкость осуществляются с помощью маятникового копра. Прежде чем на нём проводить эксперименты, необходимо изготовить образцы, которые будут иметь форму маленького бруса, у которого квадратное поперечное сечение. Для возможности сравнения результатов испытания должны проводиться в одинаковых условиях.

Разрушения, наносимые в ходе эксперимента, имеют различный характер, который зависит от характеристик металла. Так, при работе с хрупким материалом образец просто разломается, но его форма не будет изменена. Брусочки пластичных металлов будут иметь значительный изгиб в том месте, где будет излом.

Отбор образцов

К выбору брусочков подход должен быть основательным. Так, технология изготовления заготовок, место вырезки и ориентация оси концентратора прописана в ГОСТ 7565. Единственный вариант другого исполнения – когда предусмотрено иное в технической документации, выданной на продукцию. При создании образцов нужно следить, чтобы на нём не было наклепа, а также, чтобы он не нагревался настолько, чтобы изменялись его свойства. Число и тип заготовок, а также порядок проведения их повторных испытаний должны указываться в технической документации на разрабатываемую продукцию.

Подготовка к испытанию и его проведение

Прежде чем приступать к выяснению, какая ударная вязкость у металла, необходимо проверить, правильно ли расположен указатель работы во время свободного падения в маятнике. Для маятникового копра с цифровыми устройствами отчета указатель должен показывать значение «нуль». Проводится установление температур:

  1. За градус эксперимента принимают значение, которое есть в момент удара.
  2. Указывают комнатную температуру (20 градусов по Цельсию с отклонением не больше 10 градусов).
  3. При проведении эксперимента в условиях ниже комнатных, образец должен быть заранее переохлажден.
  4. Во время испытания в условиях выше комнатных, образец должен быть перегрет.

Порядок проведения эксперимента с образцом:

  1. Заготовка должна свободно лежать, будучи положенной на опоры копра. Устанавливается она на своё место при помощи шаблона, который в свою очередь обеспечивает симметричное расположение концентратора относительно опор, при этом погрешность не должна превышать 0,5 миллиметра. В случае использования торцевых ограничителей следует удостовериться, что они не будут заготовке мешать свободно деформироваться во время проведения экспериментов.
  2. Испытание на ударную вязкость происходит при прикосновении маятника. Он во время эксперимента движется со стороны, противоположной концентратору.
  3. Работа удара определяется при помощи шкалы маятникового копра или подобных отсчетных устройств, которые могут измерить ударную вязкость.

Результат значительным образом будет зависеть от целого ряда причин. К примеру, ударная вязкость стали в зависимости от температуры при переохлаждении может составлять от 300 до 1000 кДж/м2.

Обработка полученных результатов

Данные получены, сейчас необходимо присвоить ударную вязкость полученным значениям. Работа удара описывается двумя буквами. Сначала идёт К, которая является символом произошедшего действия. А вторая может меняться – U,V или Т – в зависимости от вида концентратора. Затем идут цифры, которыми обозначена максимальная энергия удара маятника, ширина образца и грубина концентратора.

Учитывая, что маятниковый копер имеет ограничения по прилагаемой силе, то образцы не всегда оказываются разрушенными полностью. В таких случаях считается, что установить показатель качества исследуемого материала не представилось возможным, а он сам – не найден. В протоколе исследования необходимо указать, что образец при приложении максимальной силы маятника не разрушился. Результаты эксперимента не учитываются в тех случаях, когда заготовка приходит в негодность из-за дефектов металлургического производства.

www.syl.ru

3-Ударная вязкость

РАБОТА №3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы. Ознакомиться с критериями для оценки сопротивления конструкционных материалов быстродействующим (динамическим) нагрузкам; практическое изучение методики динамических испытаний и определения ударной вязкости.

Общие сведения. Многие изделия подвергаются в процессе эксплуатации динамическим, в частности ударным, нагрузкам. Прочность и пластичность материалов, используемых в таких изделиях, уже не может оцениваться критериями, получаемыми в результате статических испытаний; нужен критерий динамической прочности – механическое сопротивление ударному разрушению.

По статистике для техники, работающей в условиях холодного климата в более 80% от всех случаев выхода из строя машин и агрегатов причиной является хрупкое разрушение от ударных нагрузок при низких температурах, в первую очередь деталей ходовой части, силовых элементов, несущих конструкций и т.д.

Предметы быта, различные приборы и конструкции, не предназначенные для работы с нагрузками, также ломаются чаще всего от случайных ударов. Существует в техническом жаргоне термин «эффект пьяного механика».

Следовательно, необходимы ударные испытания материалов и конструкций в различных условиях, моделирующих реальные эксплуатационные. Имеются различные методики, стандартизированные по международным и национальным нормативам, есть и применяемые только в отдельных фирмах.

Так, в концерне ФИАТ существует метод оценки стойкости на ударное разрушение автомобильных бензобаков, заключающийся в сбрасывании заполненных водой опытных образцов бензобаков с 10-го этажа на бетон.

Почти повсеместно используется в последнее время нестандартизованный метод пробоя падающим грузом для оценки стойкости на удар труб (рис.3.1), при котором на образец трубы с фиксированной высоты сбрасывается пробойник с меняющимся грузом. Определяется масса груза, при котором образуются трещины или достигается пробой в половине случаев падения. Аналогичный метод используется для оценки качества пленок и пластин.

Общепринятой характеристикой сопротивления материала ударному разрушению является ударная вязкость а целого образца или ан образца с надрезом. Она равна работе, расходуемой для разрушения образца, отнесенной к площади поперечного сечения образца (в месте надреза):

, Дж/м2

где Ан- работа, затраченная на деформацию и разрушение образца, в Дж ;

s - площадь поперечного сечения образца (в месте надреза) м2.

Стойкость на удар определяется суммой работ на деформацию и последующее разрушение (на прорастание магистральной трещины) единицы площади сечения :

А = Aдеф +Аразр.

По теории образец сначала деформируется, затем появляется трещина, которая должна прорасти через весь образец, на что также должна затрачиваться энергия, хотя бы на образование новых поверхностей. На графике зависимости силы сопротивления F образца от пути ударника х должна быть прямая линия от 0 до некоторого максимума, Fmax, после чего падение до нуля (точка К). Работа ударника на деформацию и разрушение образца здесь будет равна площади треугольника 0 -Fmax – К (рис. 3.2).

Как показали эксперименты по записи деформационных кривых, во многих случаях невозможно оценить работу на развитие трещины, так как после образования трещины она часто распространяется за счет накопленной ранее упругой энергии. Наибольшее сопротивление ударному разрушению оказывают вязкие материалы, которые успевают при ударе деформироваться и поглотить энергию на эту деформацию.

Прочность, определяемая максимальным напряжением, испытываемым материалом, имеет второстепенное значение. Поэтому стойкость на удар называют не ударной прочностью, а ударной вязкостью.

Вязкость материала зависит от скорости, с которой наносится удар, от температуры, формы и размеров образца. Ударная вязкость резко снижается при высоких ударных скоростях, при температурах значительно ниже 0С, а также при профиле детали, способствующем концентрации напряжений.

Очень хрупкие материалы (стекло, бетон, чугун, силумины, закаленная инструментальная сталь) обычно не испытывают на ударную вязкость. Но если материал назначается для конструкции, эксплуатация которой предусматривает даже просто возможность ударных нагрузок, то он должен в паспорте иметь данные по устойчивости на удар (а или ан) - ударную пробу.

Ударную вязкость определяют по разным методам, наиболее распространенными являются методы испытаний по Шарпи (трехточечный ударный изгиб) и по Изоду (ударный изгиб консольного образца) (рис. 3.4). По Шарпи испытывают образцы как с надрезом, так и без надреза, а по Изоду только с надрезом.

Испытания проводят обычно на маятниковых копрах. Копер - это молот, вращающийся как маятник на горизонтальной оси (рис.3.5). Высота начального подъема молота определяет запас энергииЕо (начальную потенциальную энергию Ео= mgho ). После удара и затраты энергии на деформацию и разрушение образца А, а также на преодоление сил трения Атр энергия молота уменьшится, молот поднимется на меньшую высоту, энергия будет Е1= mgh2. Испытательные молоты имеют шкалы энергии, по которым можно непосредственно определить Ео и Е1. Работа молота на деформацию и разрушение образца определится как А = Ео + Атр - Е1

Значение ударной вязкости а рассчитывается как отношение работы разрушения на площадь сечения образца

,

где b и h – ширина и толщина образца (если с надрезом, то толщина в месте надреза)

Для испытания на ударную вязкость применяются стандартные образцы. Так, для стали образцы по Шарпи имеют согласно ГОСТ 9454-78 размеры, указанные на рис. 3.6 и табл. 3.1. Надрез делается на образце для создания в нем неравномерных напряжений, что в значительной степени способствует хрупкому разрушению. Форма, размеры и способ обработки места надреза оказывают большое влияние на результаты испытания. Чем глубже и острее надрез или чем грубее он сделан, тем меньшее значение ударной вязкости получается у образца при испытании. Надрез образца должен быть строго перпендикулярен к его граням. Радиус закругления принимают равным 10,07 мм.

Табл.3.1.. Стандартные образцы стали на ударный изгиб по Шарпи по ГОСТ 9454-78 размеры в мм).

Тип

образца

Длина, L

Ширина, B

Высота, Н

Высота рабочего

сечения, Н1

Концентратор U радиусом 10,07

1

55

100,10

10

80,10

2

55

7,50,10

10

80,10

3

55

50,05

10

80,10

4

55

20,05

8

60,10

5

55

100,10

10

70,10

6

55

7,50,10

10

70,10

7

55

50,05

10

70,10

8

55

100,10

10

50,10

9

55

7,50,10

10

50,10

10

55

50,05

10

50,10

Вопрос о концентраторе напряжений с методической точки зрения не вполне согласован между разными стандартами и странами. Пропил надреза в странах СНГ производится разово фрезой со стандартным радиусом закругления концов зубьев, что предусматривает периодическую по мере изнашивания перезаточку, а это является сложной в техническом плане операцией. Наиболее простой выход разработан французами, которые сначала делают сверление на нужном расстоянии от поверхности сквозной дырки определенного радиуса, затем любой пилой прорезают надрез до дырки.

Результаты испытания сильно зависят также от того, как образец вырезался: вдоль или поперек текстуры материала.

Испытания проводятся на маятниковом копре CHEAST RESIL 25 (рис.3.7). Копер предназначен для определения ударной вязкости различных материалов, работа на разрушение которых не превышает 25 Дж (пластмассы, керамика, древесина, литьевые сплавы и т.д.). Погрешность определения работы разрушения менее 2% предела шкалы.

Копер представляет собой прибор, регистрирующий автоматически угол поворота маятника. Прибор имеет встроенный процессор, который рассчитывает незамедлительно значение работы копра на разрушение образца и высвечивает его на дисплее.

При испытаниях по Шарпи применяется молот с запасом энергии 11 Дж. Скорость удара 3,46 м/с согласно американского стандарта ASTM D256, что вполне соответствует международному ISO 179 (3,15…3,85 м/с), но несколько выше нормы скорости удара для российского (2,8 м/с) и меньше немецкого DIN 53488 (3,6…4,0 м/с) стандартов.

Молот перед ударом поднимается на высоту выше оси почти горизонтально и ставится на защелку. Сбрасывание молота осуществляется одновременным нажатием двух кнопок внизу слева и справа прибора.

Копер имеет сетчатый кожух с боков и прозрачную поликарбонатную лицевую дверцу-крышку, предназначенные для защиты персонала от разлетающихся осколков. Причем сброс молота на образец может быть произведен только при закрытой дверце.

Оборудование, материалы и инструменты. Ударный копер, образцы различных материалов, штангенциркуль.

Порядок выполнения работы.

Изучить работу маятникового копра.

  1. Ознакомиться с правилами по технике безопасности при работе на маятниковых копрах.

  2. Включить установку (зеленая кнопка “MAIN SWITCH”).

  3. Установить ступенчатым регулятором шкалу 11 Дж, поставить двухпозиционный переключатель “SCALE SWITCH” вверх.

  4. Подготовить таблицу испытаний

    №

    Образец

    Работа копра на трение, Ао, Дж

    Расстояние между опорами, мм

    Размеры образца

    Работа копра А, Дж

    Ударная вязкость а, кДж/м2

    Толщина,

    мм

    Ширина,

    мм

    1

    2

    3

    Среднеарифметическая величина

    Среднеквадратичное отклонение

  5. Провести испытания молота без образца. Для этого поднять молот и поставить на защелку, закрыть дверцу. Нажатием одновременно обеих кнопок внизу с боков установки сбросить молот. Записать значение работы копра на трение Ао.

  6. Провести испытания образцов. Для этого измерить их ширину и высоту в месте надреза с точностью до 0,1 мм и подсчитать F - площадь поперечного сечения образцов в месте надреза. Поместить образец на опоры надрезом в сторону, противоположную удару, и установить его симметрично относительно опор и ножа маятника (рис.3.6). Произвести спуск молота. Записать общее значение работы копра (на деформацию и разрушение образца + трение самого прибора) А.

  7. Если разрушение образца (фактическое разделение на части) не произошло, то это означает, что высота подъема маятника была недостаточно для его разрушения. Такое испытание надо считать неудавшимся и его надо повторить на образцах с большим надрезом.

  8. Рассчитать значение ударной вязкости образца по формуле:

а = (А - Ао) / ( b * h )

  1. Повторить испытания для всех образцов.

  2. Определить среднеарифметическое значение

,

где n - количество образцов.

  1. Рассчитать среднеквадратичное отклонение по формуле

Контрольные вопросы и задания. 1.Значение ударного разрушения материалов и конструкций. 2. Диаграмма «деформация-напряжение» для ударного нагружения. 3. Ударная вязкость. 4. Хрупкое разрушение. 5. Вязкое разрушение. 6. Влияние концентратора напряжений на разрушение материала. 7. Методы испытаний на ударное разрушение материалов и конструкций. 8. Влияние скорости механического нагружения на механизм разрушения материала. 9. Влияние температуры на механизм разрушения материала. 10. Ударопрочные материалы.

studfiles.net

Проведение испытаний на ударный изгиб

Одним из наиболее важных критериев оценки ресурса корпусов реакторов ВВЭР-1000 ялвяется критическая температура хрупкости или температура вязко-хрупкого перехода (ВХП). В процессе эксплуатации реактора  критическая температура хрупкости смещается в область более высоких температур, что создает опасность хрупкого разрушения корпуса при проектной аварии.  Поэтому возникает необходимость в постоянном измерении данного параметра.

В настоящее время температура критической хрупкости определяется по испытаниям на ударный изгиб:  

  1. Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах.
    2. Метод основан на разрушении образца с концентратором напряжений посередине одним ударом маятникового копра. Концы образца располагают на опорах. В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе (работа удара), или ударную вязкость.

    В соответствии c ГОСТ 9454-78 проводится серия испытаний на маятниковом копре металлических образцов с записью диаграммы нагружения в цифровом виде на ПК. На основании полученных данных строится сериальная кривая зависимости энергии разрушения от температуры с последующим определением критической температуры хрупкости.

  2. Методика определения критической температуры хрупкости материалов корпусов реакторов по результатам испытаний малоразмерных образцов на ударный изгиб.
  • определяет требования к построению температурных зависимостей работы разрушения и поперечного расширения, а так же обработки экспериментальных данных для определения критической температуры хрупкости корпусных реакторных материалов Cr-Mo-V и Cr-Ni-Mo-V композиций и их сварных соединений по результатам испытаний образцов на ударный изгиб.
  • устанавливает зависимости, обеспечивающие консервативную оценку абсолютных значений критической температуры хрупкости Тк10х10 на основе значений критической температуры хрупкости Тк5х5 и Тк3х4, определенных по результатам испытаний на ударный изгиб малоразмерных образцов.
  • устанавливает порядок испытаний образцов на ударный изгиб для построения температурных зависимостей работы разрушения и поперечного расширения.
  • устанавливает корреляционные соотношения, обеспечивающие консервативную оценку Тк10х10 на основе значений критической температуры хрупкости Тк5х5 и Тк3х4.
  • определяет геометрические характеристики и требования к качеству изготовления малоразмерных образцов на ударный изгиб.

Используемое оборудование:

  • Маятниковый инструментированный копер «Zwick RKP 450»
Маятниковый копер с максимальной энергией удара 450 Дж предназначен для проведения испытаний по международным стандартам Шарпи и Изод, а также испытаний на ударное растяжение по Бруггеру.
  • Маятниковый инструментированный копер «Zwick RKP 300»
Маятниковый копер оснащен сменными маятниками с максимальной энергией удара на 150 и 300 Дж и предназначен для проведения испытаний по международным стандартам Шарпи и Изод.

irmt.ru