Андрей Смирнов
Время чтения: ~13 мин.
Просмотров: 1

Особенности испытания на ударный изгиб. Как определяется ударная вязкость оборудования?

Ударная вязкость стали и металлов: что это такое, в чем измеряется и как обозначается

При создании высокопрочных деталей необходимо знать, как их ключевые свойства будут проявляться и изменяться на практике многолетней эксплуатации. Поэтому в фокусе нашего сегодняшнего внимания ударная вязкость материала, то есть его способность деформироваться пластически под воздействием динамических нагрузок.

Другими словами, это также эффективность сопротивления хрупкому типу разрушения – одному из самых опасных видов, при котором трещина очень быстро становится магистральной: мгновенно возникает, а разрастается за доли секунды. Если взять в качестве примера коммуникационную линию, то в ней при появлении такого повреждения меньше чем за минуту порвет сразу несколько труб.

Поэтому просто необходимо учитывать рассматриваемый параметр при проектировании каких-либо объектов из металлоконструкций, особенно сложных, предназначенных для использования в жестких климатических условиях: при низких температурах, при постоянно меняющемся микроклимате, при высоком механическом давлении, физических воздействиях и так далее.

Особенности испытания на ударный изгиб. Как определяется ударная вязкость оборудования?

Ударная вязкость оборудования – важная характеристика многих конструкционных сталей. Чтобы определить ударную вязкость изделия в центре Кипсал проводятся испытания на ударный изгиб.

Тестирование образцов проходит при помощь маятникового копра. Благодаря ему специалисты Кипсал могут определить количество работы, которое необходимо применить, чтобы разрушить испытываемое оборудование.

Одной из самых главных характеристик качества стали считается её сопротивляемость к хрупкому разрушению. Именно эта характеристика выражается в величине ударной вязкости.

ударная вязкость оборудования проверяется с помощью испытания на ударный изгиб

Хрупкое разрушение в определении ударной вязкости оборудования

Хрупкое разрушение оборудования является наиболее опасных из всех видов разрушения. Его невозможно обнаружить на ранних стадиях разрастания повреждения. Трещины хрупкого разрушения появляются практически мгновенно, как при скорости звука. Поэтому ударная вязкость должна быть определена до тиражирования выпускаемого продукта из стали.

Образцы для испытания на ударную вязкость

Большие и глубокие трещины в оборудовании возникают из-за того, что в поврежденном месте постепенно начинают скапливаться сотни и тысячи микротрещин. Для проведения исследования ударной вязкости продукта на образце создается искусственный дефект (надрез).

Для тестирования создаются надрезы разного типа:

  1. Образец Менаже – надрез полукруглой формы, обозначаемый латинской буквой U.
  2. Образец Шарпи — острый надрез, который обознается латинской буквой V.

Тип надреза для исследования ударной вязкости выбирается на основании технического задания.

Ударная вязкость и температурный режим

На ударную вязкость тестируемого объекта сильно влияет температурный режим. В условиях низких температур ударная вязкость становится ниже, также меняется характер разрушения оборудования с вязкой деформации на хрупкую. Такой эффект возникает за счет явления хладноломкости металлов.

Что такое ударная вязкость металлов и как её испытывают

При создании высокотвердых, прочных материалов необходимо учитывать такое их свойство как вязкость или сопротивление хрупкому разрушению, определяющее способность материала пластически деформироваться в условиях динамических нагрузок.

Хрупкий тип разрушения — самый опасный, так как трещина возникает мгновенно, в течение долей секунды, быстро растет, превращаясь в так называемую магистральную трещину. В случае линий трубопровода магистральная трещина может пройти вдоль нескольких труб за считанные секунды.

Особое внимание на возможность сталей сопротивляться хрупкому разрушению уделяют при расчете металлоконструкций, предназначенных для эксплуатации в условиях северных широт, так как низкие температуры способствуют охрупчиванию металла. В ходе инженерных расчетов используют такой критерий, как ударная вязкость, которая количественно описывает сопротивление материала хрупкому разрушению.

Определение ударной вязкости и изгиба в лаборатории: нормативная база

Ударная вязкость — это способность материала поглощать энергию ударных нагрузок, что является одним из важных показателей прочности. Этот параметр того или иного материала чаще всего определяется путем ударного изгиба прямоугольного образца, при этом оценивается работа до разрыва, либо разрушения определенного образца при ударной нагрузке, которая и является показателем ударной вязкости.

Металлоконструкции часто сопряжены с повышенным уровнем опасности вследствие разрушений или аварийной ситуаций. Поэтому, для испытаний металлов и сварных соединений разработана чёткая нормативно-техническая документация и соответствующие ГОСТы. Для металлов, испытания на ударный изгиб регламентированы: ГОСТ 9454. Для сварных соединений ГОСТ 6996.

Стандарты распространяются на чёрные, цветные металлы, сплавы. Рабочая температура определяется в соответствии с НД и проводится при положительных и отрицательных температурах от + 20 до – 196°С.

Что называют ударной вязкостью

ударная вязкость

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.

Методика проведения испытания

При испытании металлов на удар определяют ударную вязкость, которую обозначают КС. Ударная вязкость КС — это отношение работы К разрушения стандартного образца к площади его поперечного сечения F в месте надреза:

В зависимости от вида концентратора в образце (U, V, Т) в обозначении ударной вязкости вводят третий индекс, согласно виду концентратора: KCU, KCV, КСТ. Испытание на ударную вязкость проводят на копрах маятникового типа, как показано на схеме.

Схема испытания на ударную вязкость

Стандартный образец устанавливают на опорах стоек копра так, чтобы удар маятника 2 приходился против надреза. Маятник массой G при помощи специальной рукоятки поднимают на высоту Н в верхнее исходное положение I. При падении маятник ударяет по образцу, разрушает его и поднимается в положение II -высоту h. Для остановки маятника имеется тормоз.

Если запас потенциальной энергии маятника обозначить через GH, то работа, затраченная на деформацию и разрушение образца, равна разности энергии маятника в его положениях I и II (до и после удара), т. е.:

К = GH -Gh = G(H — h)

Выразив высоту маятника в положении до и после удара через силу маятника l и углы α и β, получим выражение для определе­ния работы, затраченной на деформацию и разрушение образца:

К= Gl (cos β — cos α),

где α — угол начального подъема маятника; β — угол подъема маят­ника после разрушения образца, фиксируемый на шкале 3. Масса груза и длина маятника известны. Угол α является величиной постоянной. Зная угол β по результатам испытаний, опре­деляют работу К и ударную вязкость КС.

Критическая температура хрупкости

Окружающая среда напрямую влияет на сопротивление детали разрушению. Данная зависимость настолько очевидная, что была выделена в явление – под названием хладноломкость – и объясняется неизбежными деформациями при переходе в хрупкое состояние под воздействием мороза.

Температура, при которой наблюдается изменение и появляется повреждение, и считается критической. В технической литературе ее зачастую сокращают до аббревиатуры Тхр, а также записывают как «порог хладноломкости», который, помимо всего прочего, показывает, что составляющие в заготовке находятся в равных долях.

Данную величину находят опытным путем, проводя испытание материала на ударную вязкость – серию тестов с постепенным понижением терморежима, начиная от +20 градусов по Цельсию и заканчивая на -70 0С. По результатам выстраивают график, отражающий зависимость и показывающий точку перегиба – искомую Тхр. И чем этот показатель больше по своему значению, тем вероятнее, что под воздействием морозов в детали появится трещина (или другой сходный дефект).

Естественно, при прочих равных заготовки или целые функциональные узлы лучше делать из того сырья, порог хладноломкости которого сравнительно ниже, ведь тогда изделия можно будет эксплуатировать и в более жесткой климатической среде.

Почему у металлов различная хрупкость

При значительных нагрузках в условиях действия стабильно низких температур свое влияние оказывают следующие факторы:

  • Микроструктура – она может быть крупно- или мелкозернистой, высокой чистоты или достаточно сильнозагрязненной посторонними включениями, с твердыми фазами по границам или без них, с нежелательными примесями или без них.
  • Концентраторы критических воздействий – несплошные участки, трещины и разрывы, газовые пузыри и тому подобные дефекты. В одном сырье их больше, в другом – меньше.
  • Остаточные напряжения и тому подобные состояния, сохранившиеся после проведения всех необходимых операций на предыдущих стадиях технического процесса производства.

Вот от чего зависит ударная вязкость на практике, и следует помнить, что большинство из перечисленных выше факторов также меняются. Те же повреждения со временем развиваются, становясь серьезнее и нарушая структуру.

Относительная нестабильность свойств – именно та причина, по которой при выпуске деталей требуется выполнять проверки. По результатам тестов можно с высокой степенью точности установить, при какой температуре допустимо стабильно эксплуатировать заготовку. Поэтому необходимо подробно рассмотреть, как их проводить, какие образцы при этом использовать, что за предварительную подготовку осуществить и так далее.

Критическая температура хрупкости при проведении испытаний на ударный изгиб

Важнейшим показателем при проведении испытаний на ударный изгиб в лаборатории является такой параметр, как критическая температура хрупкости. Она показывает до какого момента разрушение образца происходит по вязкому механизму. Испытания проводятся в широком диапазоне температур, к примеру, от -20°С до +70°С и выявляют момент, когда в изломе образца присутствует 50% вязкости.

Данная характеристика крайне важна с учётом критических температур, в которых используется сталь и металлоконструкции в России.

Испытания на ударную вязкость в «Альянс Лабораторий»

В компании «Альянс Лабораторий» установлено современное оборудование для проведения разных видов испытаний металлов, сварных соединений. Все опыты проходят по правилам действующих нормативно-технических документов и выполняются профильными специалистами.

Вы получаете результаты в полном объёме, в оговоренные сроки и по разумным расценкам.

Определение твердости способом Виккерса

При определении твердости способом Виккерса (ГОСТ 2999-75) в качестве вдавливаемого в материал наконечника используют четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°. При испытаниях применяют нагрузки от 50 до 1000 Н (меньшие значения нагрузки для определения твердости тонких изделий и твердых, упрочненных поверхностных слоев металла). Числовое значение твердости определяют так: замеряют длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки и с помощью микроскопа и по полученному среднему арифметическому значению длины диагонали находят в таблице соответствующее число твердости. Пример обозначения твердости по Виккерсу – HV 500.

Для оценки твердости металлов в малых объемах, например, на зернах металла или его структурных составляющих применяют способ определения микротвердости. Наконечник (индентор) прибора представляет собой алмазную четырехгранную пирамиду (с углом при вершине 136°, таким же, как и у пирамиды при испытании по Виккерсу). Нагрузка на индентор невелика и составляет 0,05-5 Н, а размер отпечатка 5-30 мкм. Испытание проводят на оптическом микроскопе ПМТ-3, снабженном механизмом нагружения. Микротвердость оценивают по величине диагонали отпечатка.

Маятниковый копер

Это прибор, созданный специально для проведения испытаний, и его разновидности классифицируют по следующим показателям:

  • характер деформации – на кручение, растяжение, изгиб, срез, сжатие;
  • число ударов – один-единственный или несколько, совершаемых с определенным интервалом;
  • величина нагрузки – обычный (стандартный) поддерживает до 7 м/с, скоростной – уже значительно больше, 100-300 м/с, а в категорию сверхскоростных относят модели, выходящие за пределы 300 м/с;
  • условия выполнения тестов – рабочая температура, уровень влажности и так далее.

При этом практически любой копер состоит из опорных стоек, на которых закрепляется проверяемый стержень, и неподвижной оси – на ней на определенной высоте размещается боек с маятниковым эффектом. Простота конструкции делает ее достаточно надежной, а также уменьшает погрешность результатов.

В списке основных рабочих характеристик каждого такого прибора: диапазон измерений, максимальная мощность и скорость движения в момент контакта, наибольший потенциал фиксируемой энергии, габариты (в частности, масса) и расстояние между опорами.

Отбор образцов

Межгосударственный стандарт, говорящий, что такое ударная вязкость металла, это ГОСТ 9454, и в соответствии с ним подходящими для проведения испытаний считаются следующие варианты:

  • по Шарпи – заготовки длиной 55 мм, квадратного сечения (10 на 10 мм), с U-образным вырезом посередине, радиус которого 1 мм, а глубина пропила – 2 мм;
  • по Менаже – геометрия и габариты аналогичны предыдущему, только канавка (концентратор напряжения) уже в форме перевернутого треугольника (буквы V);
  • Т-образные – их ДхШхВ составляет 55 на 10 на 11 мм, и у каждого есть искусственно сделанная усталостная трещина, то есть специальный надрез.

Второй вид является наиболее часто используемым: он применим при отбраковке металлопродукции, эксплуатируемой в составе важных конструкциях, то есть в высокоточных приборах, медицинском или промышленном оборудовании, воздушных и наземных транспортных средствах. Третий ориентирован на еще более ответственные случаи, которых сравнительно немного, поэтому в количественном отношении он не получает такого распространения. Первый предназначен для всех остальных ситуаций.

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

испытание на ударную вязкость

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.

Сравнение материалов по ударной вязкости

Можно проводить его опытным путем, самостоятельно выполняя тесты, записывая полученные результаты и так далее. Но гораздо быстрее и проще воспользоваться уже найденными в ходе проверок по методу Изода значениями, сведенными в специальную таблицу. Преимущественное место в ней занимают пластики, но и другие виды сырья тоже представлены.

В любом случае, вы сэкономите свое время, ведь останется только вычислить КС и порог хладноломкости для используемого сплава, а потом сравнить их с аналогичными и уже известными цифрами.

Мы постарались дать максимальное представление о способах испытаний, подсчетах, определении, особенностях. Подробно остановились даже на том, в каких единицах измеряется ударная вязкость (размерность ее – Дж/м2, напоминаем). Столько информации – чтобы вы точно понимали важность этого показателя и могли грамотно его учитывать при выборе материала для исполнения деталей.

Усталость металла

Усталостью называют процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению. Усталость металла обусловлена концентрацией напряжений в отдельных его объемах, в которых имеются неметаллические включения, газовые пузыри, различные местные дефекты и т. д. Характерным является усталостный излом, образующийся после разрушения образца в результате многократного нагружения (рис. 11) и состоящий из двух разных по внешнему виду частей. Одна часть излома 1 с ровной (затертой) поверхностью образуется вследствие трения поверхностей в области трещин, возникших от действия повторно-переменных нагрузок, другая часть 2 с зернистым изломом возникает в момент разрушения образца. Испытания на усталость проводят на специальных машинах. Наиболее распространены машины для повторно-переменного изгибания вращающегося образца, закрепленного одним или обоими концами, а также машины для испытаний на растяжение – сжатие и на повторно-переменное кручение. В результате испытаний определяют предел выносливости, характеризующий сопротивление усталости.

Усталостный излом

Рис. 11. Усталостный излом

Выносливость – свойство материала противостоять усталости. Предел выносливости – это максимальное напряжение, которое может выдержать металл без разрушения заданное число циклов нагружения. Между пределом выносливости и пределом прочности существует приближенная зависимость: σ-1≈0,43σв; σ-1р≈0,36σв, где σ-1 и σ-1р – соответственно пределы выносливости при изгибе и растяжении-сжатии.

Рейтинг автора
5
Подборку подготовил
Максим Уваров
Наш эксперт
Написано статей
171
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации