Механические свойства материалов (стр. 10 )

Разновидностью испытаний на кручение является проба на скручивание проволоки диаметром менее 10 мм. Образец длиной 100 диаметров зажимается в твердых губках захватов и скручивается в результате вращения одного из них с постоянной скоростью (30…90 об/мин). В результате испытания определяют число оборотов активного захвата до момента разрушения проволоки. Это число и считают критерием качества (пластичность).

4.7 Вязкохрупкий переход и критическая температура хрупкости

Динамические испытания применяют для оценки способности металлических материалов переносить ударные нагрузки и для выявления их склонности к хрупкому разрушению. Наиболее распространены ударные испытания на изгиб образцов с надрезом. Используются также методы динамического растяжения, сжатия и кручения.

Скорости деформирования и деформации при динамических испытаниях на несколько порядков больше, чем при статических.

Одной из важнейших задач ударных испытаний является оценка склонности к хрупкому разрушению. Достигается это при построении температурной зависимости ударной вязкости и определением температуры вязкохрупкого перехода Тхр. Зная Тхр и рабочую температуру Тр испытуемого материала, можно оценить его температурный запас вязкости:

χ= Тр-Тхр/Тр.

Чем больше χ, тем меньше опасность хрупкого разрушения.

Поскольку хрупкий и вязкий характер разрушения при ударном изгибе четко различается по виду излома (блестящий “кристаллический” или матовый волокнистый), температуру перехода Тхр можно определять по структуре излома. За Тхр принимают температуру, при которой в изломе появляются первые участки хрупкого разрушения или он становится полностью хрупким. Возможна также оценка Тхр как температуры, соответствующей равным долям хрупких и вязких участков разрушения в изломе.

Динамические испытания на изгиб надрезанных образцов являются самыми жесткими среди стандартных испытаний. Для оценки температуры вязкохрупкого перехода эти испытания применяют в тех случаях, когда статические испытания не позволяют выявить эту температуру (образцы пластичны вплоть до глубоких отрицательных температур). Полезны они и для оценки этой температуры у материалов, которые могут подвергаться ударным нагружениям в процессе эксплуатации. Наконец, ударные испытания часто используют для определения “максимальной” Тхр. Переход в хрупкое состояние в условиях динамического нагружения происходит при более высоких температурах, чем при статических испытаниях. Поэтому оценка склонности к хрупкому разрушению в наиболее жестких условиях представляет самостоятельный интерес.

Определение температуры вязкохрупкого перехода по температурной зависимости ударной вязкости имеет ряд принципиальных недостатков. Главный из них заключается в том, что ударная вязкость характеризует суммарное сопротивление образца пластической деформации и разрушению. Определением же Тхр мы стремимся оценить только сопротивление разрушению, то есть распространению трещины. Для того чтобы выделить эту составляющую полной работы Ап, используют следующий метод. На копре с постепенно увеличивающимся запасом работы маятника (увеличением угла подъема маятника α) испытывают несколько образцов и строят зависимость угла загиба от полной работы Ап (рисунок 24).

 

Рисунок 24 – Схема к определению составляющих работы ударного изгиба

Если образцы (при малых углах подъема маятника) не разрушаются, то величину Ап принимают равной запасу работы маятника РН=L·(1-cosα). Угол загиба практически линейно возрастает до определенной величины βmax по мере увеличения поглощенной энергии, а затем остается постоянной. Момент достижения βmax соответствует минимальной работе Ап, при которой уже происходит разрушение. Можно считать, что после появления трещины у надреза ее дальнейшее распространение не требует дополнительной пластической деформации образца. Тогда работу удара, которая затрачивается только на разрушение (распространение трещины), можно определить как:

Аразр=Ап-Аупр-Апл,

где Ап – полная работа, затраченная маятником (правее точки b на рисунке 24 Ап=Ан);

Аупр – работа, затраченная на упругую деформацию (отрезок Оа, отсекаемый восходящей прямой ab на оси абсцисс);

Апл – работа, затраченная на пластическую деформацию.

Температуры, ниже которых Аразр материала близки к нулю, опасны для его практического использования, поскольку возникшая трещина может легко развиваться.

Полную работу Ап (или ударную вязкость ан) можно разделить на составляющие, которые определяют работу зарождения а­з и работу распространения трещины ар. Это разделение ударной вязкости можно осуществлять в результате построения зависимости ан от радиуса кривизны надреза r. Действие острого надреза аналогично действию зародышевой трещины. Поэтому при значениях радиуса закругления надреза, меньше какого-то критического, величина ударной вязкости будет постоянна. В координатах ан - эта зависимость будет иметь вид, схематично показанный на рисунке 25. Постоянный уровень значений ударной вязкости при r<rкр соответствует ар, пропорциональной работе распространения трещины, а величина аз=ан-ар.

 

Рисунок 25 – Схема зависимости ударной вязкости от радиуса надреза r

Различные методы оценки ударной вязкости дают разные температурные области перехода из хрупкого состояния в пластичное.

4.8 Динамические испытания на изгиб образцов с надрезом

При динамических испытаниях закон подобия не действует. Здесь необходима жесткая унификация образцов. Основным образцом служит стержень с квадратным сечением 10×10 мм и длиной 55 мм (рисунок 26). Надрез наносится по середине длины. Он имеет ширину и глубину 2 мм и радиус закругления 1 мм. Возможно применение образцов той же длины и сечения, но с более глубокими надрезами (до 5 мм). Расстояние между опорами должно быть 40 мм. Изгибающий нож имеет сечение в виде треугольника с углом при вершине 300 и радиусом закругления 2,5 мм.

Испытания на изгиб проводятся на маятниковых копрах с предельной энергией, превышающей 900 Дж. При испытании 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 на высоте от 0,8 до 2,5 м, что соответствует скорости ножа маятника в момент удара от 4 до 7 м/с. По шкале фиксируется угол подъема маятника α. Затем крепящую защелку вынимают, маятник свободно падает под собственной тяжестью, наносит удар по образцу, изгибает и разрушает его, поднимаясь относительно вертикальной оси копра на угол β. Этот угол тем меньше, чем большая работа Ан затрачена маятником на деформацию и разрушение образца.

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

Ан=Р(Н-h),

где Р – вес маятника;

H и h – высоты подъема и взлета маятника.

Рисунок 26 – Схема ударного изгиба на маятниковом копре

Если длина маятника L, то

h=L(1-cosβ),

H=L(1-cosα),

и, следовательно,

Ан=РL(cosβ-cosα).

Последняя формула служит для расчета работы Ан по измеренным углам α и β (Р 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 сотрясение копра и фундамента, преодоление сопротивления воздуха, на трение в подшипниках, на упругую деформацию штанги маятника и др. В результате получаемые значения Ан оказываются завышенными на несколько процентов. Точность определения работы излома тем выше, чем меньше превышение запаса работы маятника над работой деформации и разрушения образца. Поэтому нужно стремиться, чтобы угол β после разрушения образца был небольшим.

Основная характеристика, получаемая в результате рассматриваемых испытаний – ударная вязкость:

ан=Ан/F,

где F – площадь поперечного сечения образца в месте надреза до испытания.

Стандартная размерность ударной вязкости кгс×м/см2 (1 кгс·м/см2~100 МДж/м2).

Ударные испытания можно проводить при отрицательных и повышенных температурах.

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 быстродействующий прибор для записи диаграмм. Обычно используют пьезокварцевые динамометры и шлейфовые осциллографы.

При ударных испытаниях на изгиб образцов с надрезом напряжения и пластическая деформация концентрируются в ограниченной части объема образца вокруг надреза. Именно здесь поглощается практически вся работа удара. Повышение ударной вязкости материала часто сопровождается увеличением деформируемого объема в области надреза.

Возникновение схемы объемного растяжения, концентрация напряжений у надреза и рост предела текучести в результате ускорения деформации создают благоприятные условия для хрупкого разрушения.

При расчете ударной вязкости полную работу деформации разрушения относят к площади поперечного сечения F в надрезе. При испытании стандартных образцов величина F постоянна и, следовательно, ударная вязкость прямо пропорциональна полной работе Ан. Поскольку в разных материалах или при различных температурах испытания пластически деформируются разные объемы, то при одинаковых значениях Ан получаются разные величины удельной работы (в расчете на единицу объема). Ударная вязкость же в этом случае оказывается одинаковой. Таким образом, характеристика ударной вязкости ан является условной и это необходимо учитывать при сопоставлении разных материалов.