Лабораторная работа №6

МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ НА УДАРНЫЙ ИЗГИБ

Определение ударной вязкости при испытаниях на ударный изгиб широко вошло в практику исследовательских и приемочных испытаний. В настоящее время ударные испытания используются преимущественно для оценки способности конструкционных сталей сопротивляться хрупкому разрушению

Работа проводится для изучения методов испытания на ударный изгиб образцов с надрезом. Эти испытания чувствительны к различным изменениям структуры металлов, иногда невыявляемым другими методами. В связи с этим испытания на ударный изгиб часто применяют в заводской практике для оценки правильности режимов термической обработки, качества металла.

Целью настоящей работы является изучение оборудования для испытаний, освоение методик проведения испытаний, расчет характеристик сопротивления ударному изгибу и хрупко-вязкого перехода.

Определяемой характеристикой при испытаниях на ударный изгиб является ударная вязкость. Под ударной вязкостью понимается работа удара, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца в месте излома

(1)

где КС - ударная вязкость, МДж/м²; К - работа удара, МДж; F - площадь поперечного сечения образца в месте надреза, м². Основным назначением определения ударной вязкости является оценка работоспособности материала в сложных условиях нагружения и его склонности к хрупкому разрушению. Стремление приблизить условия испытаний к эксплуатационным привело к использованию образцов с надрезами, создающими жесткое напряженное состояние в области надреза.

За окончательный результат испытания принимают ударную вязкость.

Работу удара обозначают KU, KV или КТ, где К - символ работы удара; U, V, Т - вид концентратора. Например: KV^-40 50/2/2.

Числа обозначают:

50 - максимальная энергия удара, Дж;

2 - глубина концентратора, мм;

2 - ширина образца, мм;

–40 - температура испытания, °С.

Числа не указывают при определении работы удара на копре с максимальной энергией удара 300 Дж, глубине концентратора 2 мм (для U и V), 3 мм (для Т), при ширине образцов 10 мм.

Ударную вязкость также обозначают сочетанием букв и цифр. Например: КСТ⁺¹⁰⁰ 150/3/7.5,

где КС - символ ударной вязкости; Т - вид концентратора;

150 - максимальная энергия удара маятника, Дж;

3 - глубина концентратора, мм;

7,5 - ширина образца, мм;

+100 - температура испытания, °С.

Типы и размеры образцов

Для определения ударной вязкости при ударном изгибе ГОСТ 9464-78 рекомендует призматические образцы типов U, V, Т, различающиеся видом надреза. Стандарт распространяется на черные, цветные металлы и сплавы и устанавливает метод испытания на ударный изгиб при температуре от -100°С до 1000°С. На рис. 1 показаны типы образцов, использующихся в ударных испытаниях.

Типы образцов для испытаний на ударный изгиб

Рис. 1

В табл.1 приведены размеры образцов, используемых при испытаниях на ударный изгиб. Из трех типов образцов в наиболее жестких условиях оказываются образцы с концентратором вида Т, имеющие наиболее острый надрез. Считается, что испытаниями таких образцов моделируются наиболее тяжелые условия эксплуатации.

Размеры образцов

Таблица 1

Вид концентратора	Радиус концентратора R, мм	Длина L, мм	Ширина В, мм	Высота Н, мм
U	1±0.07	55	2;5;7.5;10	8;10
V	0.25±0.025	55	2;5;7.5;10	8;10
Т	трещина	55	2;5;7.5;10	9;10;11
		140	25	25

Оборудование и методика проведения испытаний

Маятниковый копер. На рис. 2 представлена схема испытания на ударный изгиб на маятниковом копре. Образец 2 кладут горизонтально в специальный шаблон, обеспечивающий установку надреза строго в середине пролета между опорами 1. Удар наносят со стороны, противоположной надрезу, в плоскости, перпендикулярной продольной оси образца.

Маятник копра закрепляется в исходном верхнем положении на высоте Н (от 0.8 до 2.5 м), что соответствует скорости движения ножа маятника в момент удара от 4 до 7 м/с, энергия меняется в зависимости от веса ножа и составляет 150 и 300 Дж.

Маятниковый копер мк-30

Рис. 2

По шкале 5 фиксируется угол подъема маятника α. Затем крепящую защёлку вынимают, маятник 4 свободно падает под собственной тяжестью, наносит удар по образцу, изгибает и разрушает его, поднимаясь относительно вертикальной оси копра на угол β.

Разность энергии, полученной маятником до удара и сохраненной им после удара, дает величину работы, затраченной маятником на своем пути.

(2)

где К - работа удара, Дж; Р - вес маятника, Н; Н - высота подъема маятника до удара, м; h - высота подъема маятника после удара, м.

Если длина маятника L, то

(3)

(4)

Следовательно, работа удара К по измеренным углам α и β определяется

(5)

Расчет величины ударной вязкости согласно формуле (1) даёт удельные характеристики KCU, KCV, КСТ в единицах (МДж/м²).

(6)

Шкала копра может быть проградуирована прямо в единицах работы, удара К, если угол подъёма маятника фиксирован.

Ротационный копер. Наряду с испытаниями на маятниковых копрах определенное распространение получает использование ротационных копров. Скорость удара у ротационного копра может быть установлена в пределах от 5 до 50 м/с. Максимальная энергия удара 200 Дж.

На рис. 3 представлена схема испытания на ударный изгиб на ротационном копре.

Схема испытаний на ротационном копре

Рис. 3

С помощью оптического устройства образец 5 устанавливают на опоре 6. Надрез образца, на котором происходит излом, находится в плоскости удара ножом маятника. Световая линия, падающая на образец, должна совпадать с дном надреза, наложенного на опоры образца. Ударный диск 4 ротационного копра насажен на ударный вал 1, который укреплен в станине посредством кольцевых пружин. При нажатии кнопки "разбег" диск начинает вращаться. В выемке 3 ударного диска помещается сменный ударный боек 2. До удара по образцу боек удерживается в выемке диска встроенной защелкой.

При нажатии кнопки "удар" включается электромагнит размыкателя и вытягиванием защёлки освобождает боек. Под действием центробежной силы боек выскакивает из выемки диска на одну треть оборота после прохода образца и занимает исходное положение. К концу полного оборота диска закреплённый образец разрушается бойком. Ударный боек сам возвращается в выемку и там автоматически фиксируется защелкой.

Для измерения силы удара служит пьезоэлектрический датчик. От пьезоэлектрическою датчика идет специальная проводка ко входу электрометрического каскада, выход которого посредством соединительного кабеля присоединен к осциллографу. На нем получают изображение диаграммы при протекании процесса разрушения образца (рис. 4). Для съемки осциллограмм измерительное устройство снабжено малоформатной фотокамерой.