3. Определение характеристик динамической прочности

Основной характеристикой динамической прочности материалов является ударная вязкость KCU или KCV, Дж/м² (кгс∙м/см²).

В процессе эксплуатации многие детали машин испытывают динамические (ударные) нагрузки. Для определения стойкости металла к удару и одновременной оценки его склонности к хрупкому разрушению проводят испытания на ударный изгиб по ГОСТ 9454-78 (МЕТАЛЛЫ. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах). Метод основан на разрушении стандартного образца (рис.4) с концентратором посередине одним ударом маятникового копра. Концы образца располагают на опорах (схема испытания представлена на рис. 5). При испытании определяют полную работу, затраченную на разрушение образца ударным изгибом (работу удара), по значению которой рассчитывается ударная вязкость.

Рис. 5. Образец с концентратором вида V

Ударную вязкость (КС) в Дж/см (кгс·м/см ) вычисляют по формуле

, (4)

где К – работа удара, Дж (кгс·м);

S₀ – начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, см , вычисляемая по формуле

, (5)

где – начальная высота рабочей части образца, см;

– начальная ширина образца, см.

Для определения ударной вязкости применяют образцы (обычно размером 10  10  55 мм) с U- или V-образным надрезом. Надрез посередине образца называется концентратором. Испытания проводят на маятниковом копре 1 (рис. 6, а). Маятник 2, падая с определенной высоты, разрушает образец 3, свободно установленный на двух опорах копра (рис. 6, б). Работа удара К (Дж или кгсм), затраченная на излом (разрушение) образца, фиксируется стрелкой на шкале копра и определяется из разности энергии маятника в положении его до и после удара. Ее можно определить по формуле:

К = G(h₁ – h₂), (6)

где G = mg – сила тяжести, Н;

m – масса маятника, кг;

h₁ – исходная высота подъема маятника, м;

h₂ – высота подъема маятника после разрушения образца, м.

Если образец имеет U-образный надрез, то в обозначение ударной вязкости добавляется буква U (КСU), а если V-образный, то добавляется буква V (КСV). Например, KCU = 1 кгсм/см² = 98 кДж/м².

Для обозначения работы удара и ударной вязкости при пониженной и повышенной температурах вводится цифровой индекс, указывающий температуру испытания. Цифровой индекс ставят вверху после буквенных составляющих. Например: V – работа удара, определенная на образце с концентратором вида V при температуре минус 40 °С; СU – ударная вязкость, определенная на образце с концентратором вида U при температуре плюс 100 °С.

О пределение ударной вязкости является наиболее простым и показательным способом оценки сопротивляемости к хрупкости при работе в условиях низких температур, называемой хладноломкостью. Практически хладноломкость определяют при испытании на удар серии образцов при нескольких понижающихся значениях температуры (от комнатной до минус 100С). Результаты испытаний наносят на график в координатах «ударная вязкость – температура испытания» (рис. 7). Температура, ниже которой происходит падение ударной вязкости, называется критической температурой хрупкости, или порогом хладноломкости. Порог хладноломкости – температура, при которой металл переходит из вязкого состояния в хрупкое. Верхним порогом хладноломкости является температура t_в, при которой доля вязкой (волокнистой, матовой) составляющей в изломе металла (сплава) более 90 %, а нижним – температура t_н, при которой доля вязкой составляющей в изломе металла менее 10%, т. е. преобладает хрупкий (кристаллический, блестящий) излом. В технике за порог хладноломкости принимают критическую температуру t_кр, при которой доля вязкого излома составляет 50%. Чем ниже порог хладноломкости материала, тем выше его надёжность при низких температурах.