1.7.3. Определение ударной вязкости при изгибе

С помощью динамических испытаний на ударный изгиб выявляют склонность материала к хрупкому разрушению. Метод основан на разрушении образца с концентратором напряжений (надрезом) одним ударом маятникового копра (рис. 1.17).

Рис. 1.17. Схема определения ударной вязкости при изгибе

Копер снабжен устройством для отсчета угла подъема маятника в исходном положении  и после разрушения образца , поэтому имеется возможность определить работу, затраченную на разрушение образца. Работа по разрушению образца равна разности потенциальных энергий маятника в исходном состоянии П₀ и в момент наивысшего подъема после разрушения образца П₁, которую можно выразить через углы  и :

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

где m – масса маятника; g – ускорение свободного падения; H и h – высоты подъема маятника; l – плечо маятника (см. рис. 1.17).

Р абота разрушения А_разр в 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. 1.18).

а

б

в

Рис. 1.18. Вид образцов с U- (а), V- (б) и Т-образным (в) надрезами

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.

У дарная вязкость обозначается буквами КС с присоединением еще одной буквы, указывающей на вид используемого надреза (КСU, КСV и КСТ), и рассчитывается по формуле:

где F – площадь поперечного сечения образца в месте надреза (см. рис. 1.17).

Ударная вязкость характеризует свойство материалов при динамических, в том числе ударных, нагрузках. Они используются для оценки служебных характеристик материалов, идущих на изготовление ответственных деталей (валов, шестерен, труб нефте- и газопроводов, материалов для буровых платформ).

1.8. Полиморфные превращения

Многие металлы в твердом виде при нагреве и охлаждении испытывают полиморфные превращения – скачкообразное изменение кристаллического строения, сопровождающееся изменением физических и механических свойств. Например, железо при охлаждении из жидкого состояния до комнатной температ уры (рис. 1.19) претерпевает в твердом виде три превращения кристаллической решетки δ → γ → α и одно магнитное превращение, не связанное с изменением решетки. Ниже температуры Кюри Т_к = 768С железо становится ферромагнитным (сильно притягивается к магниту), а выше – парамагнитным (не притягивается).

1.9. Строение сплавов

Чистые металлы, содержащие 99,99–99,999% основного металла, как правило, обладают низкой прочностью, и по этой причине их применение в качестве конструкционных материалов крайне ограничено. Гораздо чаще применяют сплавы металлов с металлами и неметаллами. Химические элементы, образующие сплав, называют компонентами. Сплавы состоят из двух и более компонентов. Сплавы получают сплавлением жидких компонентов или диффузионным спеканием твердых порошков.

В металловедении широко используются понятия система, фаза и структура.

Система – это совокупность большого числа фаз, находящихся в равновесии.

Фазой называют однородные (гомогенные) составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенные от других составных частей системы поверхностями раздела.

Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения отдельных фаз в металлах и сплавах. Различают макроструктуру (т.е. строение металла и сплава, видимое невооруженным взглядом или при увеличении до 30–40 раз) и микроструктуру (наблюдаемую с помощью оптических и электронных микроскопов при большем увеличении).

В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов в сплавах могут образовываться три вида фаз.

а

б

Рис. 1.20. Схема образования твердых растворов замещения (а) и внедрения (б)

1. Жидкие растворы могут содержать одну или несколько фаз, если они не смешиваются (например: вода и масло, железо и свинец).

2. Твердые растворы – это фазы, в которых сохраняется кристаллическая решетка одного из компонентов, а атомы другого компонента располагаются внутри решетки, изменяя ее размеры. Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения (рис. 1.20). Все металлы в той или иной степени растворяются друг в друге (например, в алюминии растворяется до 5% меди; в меди может раствориться до 39% цинка – однофазная латунь). Важнейшими для нас твердыми растворами внедрения являются: феррит – твердый раствор углерода в α-Fe и аустенит – твердый раствор углерода в γ-Fe.

3. Химические соединения, в отличие от твердых растворов, обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток; при этом кристаллическая решетка химического соединения отличается от решеток всех компонентов, а между компонентами соблюдается кратное соотношение A_nB_m, где n и m – простые целые числа. Важнейшим для нас химическим соединением является цементит – карбид железа Fe₃C; он имеет алмазоподобную кристаллическую решетку и поэтому отличается очень высокой твердостью, прочностью и хрупкостью.

Твердые растворы и химические соединения представляют собой однофазные структуры; в отличие от них механические смеси представляют собой двухфазные и более структуры, состоящие из перемежающихся мелких зерен различных фаз, между которыми имеются границы раздела. Важнейшими для нас механическими смесями являются: перлит – механическая смесь зерен феррита и цементита, содержащая в среднем 0,81% С, и ледебурит – механическая смесь зерен феррита и цементита, содержащая в среднем 4,3% С.