РАБОТА №3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ МАТЕРИАЛОВ.

 

1.	2.
3.	4.
5.	6.
7.	8.
9.	10.
11.	12.
13.	14.
15.	16.
17.	18.
19.	20.
21.	22.
23.	24.
25.	26.
27.	28.
29.	30.

 

РАБОТА №3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ МАТЕРИАЛОВ

 

Цель работы. Ознакомиться с критериями для оценки сопротивления конструкционных материалов быстродействующим (динамическим) нагрузкам; практическое изучение методики динамических испытаний и определения ударной вязкости.

Общие сведения. Многие изделия подвергаются в процессе эксплуатации динамическим, в частности ударным, нагрузкам. Прочность и пластичность материалов, используемых в таких изделиях, уже не может оцениваться критериями, получаемыми в результате статических испытаний; нужен критерий динамической прочности – механическое сопротивление ударному разрушению.

По статистике для техники, работающей в условиях холодного климата в более 80% от всех случаев выхода из строя машин и агрегатов причиной является хрупкое разрушение от ударных нагрузок при низких температурах, в первую очередь деталей ходовой части, силовых элементов, несущих конструкций и т.д.

Предметы быта, различные приборы и конструкции, не предназначенные для работы с нагрузками, также ломаются чаще всего от случайных ударов. Существует в техническом жаргоне термин «эффект пьяного механика».

Следовательно, необходимы ударные испытания материалов и конструкций в различных условиях, моделирующих реальные эксплуатационные. Имеются различные методики, стандартизированные по международным и национальным нормативам, есть и применяемые только в отдельных фирмах.

Так, в концерне ФИАТ существует метод оценки стойкости на ударное разрушение автомобильных бензобаков, заключающийся в сбрасывании заполненных водой опытных образцов бензобаков с 10-го этажа на бетон.

Почти повсеместно используется в последнее время нестандартизованный метод пробоя падающим грузом для оценки стойкости на удар труб (рис.3.1), при котором на образец трубы с фиксированной высоты сбрасывается пробойник с меняющимся грузом. Определяется масса груза, при котором образуются трещины или достигается пробой в половине случаев падения. Аналогичный метод используется для оценки качества пленок и пластин.

Общепринятой характеристикой сопротивления материала ударному разрушению является ударная вязкость а целого образца или а _н образца с надрезом. Она равна работе, расходуемой для разрушения образца, отнесенной к площади поперечного сечения образца (в месте надреза):

, Дж/м²

где А_н- работа, затраченная на деформацию и разрушение образца, в Дж;

s - площадь поперечного сечения образца (в месте надреза) м².

Стойкость на удар определяется суммой работ на деформацию и последующее разрушение (на прорастание магистральной трещины) единицы площади сечения:

А = A_{деф +} А_разр.

По теории образец сначала деформируется, затем появляется трещина, которая должна прорасти через весь образец, на что также должна затрачиваться энергия, хотя бы на образование новых поверхностей. На графике зависимости силы сопротивления F образца от пути ударника х должна быть прямая линия от 0 до некоторого максимума, F_max, после чего падение до нуля (точка К). Работа ударника на деформацию и разрушение образца здесь будет равна площади треугольника 0 -F_max – К (рис. 3.2).

Как показали эксперименты по записи деформационных кривых, во многих случаях невозможно оценить работу на развитие трещины, так как после образования трещины она часто распространяется за счет накопленной ранее упругой энергии. Наибольшее сопротивление ударному разрушению оказывают вязкие материалы, которые успевают при ударе деформироваться и поглотить энергию на эту деформацию.

Прочность, определяемая максимальным напряжением, испытываемым материалом, имеет второстепенное значение. Поэтому стойкость на удар называют не ударной прочностью, а ударной вязкостью.

Вязкость материала зависит от скорости, с которой наносится удар, от температуры, формы и размеров образца. Ударная вязкость резко снижается при высоких ударных скоростях, при температурах значительно ниже 0°С, а также при профиле детали, способствующем концентрации напряжений.

Очень хрупкие материалы (стекло, бетон, чугун, силумины, закаленная инструментальная сталь) обычно не испытывают на ударную вязкость. Но если материал назначается для конструкции, эксплуатация которой предусматривает даже просто возможность ударных нагрузок, то он должен в паспорте иметь данные по устойчивости на удар (а или а_н) - ударную пробу.

Ударную вязкость определяют по разным методам, наиболее распространенными являются методы испытаний по Шарпи (трехточечный ударный изгиб) и по Изоду (ударный изгиб консольного образца) (рис. 3.4). По Шарпи испытывают образцы как с надрезом, так и без надреза, а по Изоду только с надрезом.

Испытания проводят обычно на маятниковых копрах. Копер - это молот, вращающийся как маятник на горизонтальной оси (рис.3.5). Высота начального подъема молота определяет запас энергии Е_о (начальную потенциальную энергию Е_о= mgh_o). После удара и затраты энергии на деформацию и разрушение образца А, а также на преодоление сил трения А_тр энергия молота уменьшится, молот поднимется на меньшую высоту, энергия будет Е₁= mgh₁. Испытательные молоты имеют шкалы энергии, по которым можно непосредственно определить Е_о и Е₁. Работа молота на деформацию и разрушение образца определится как А = Е_о + А_тр - Е₁

Значение ударной вязкости а рассчитывается как отношение работы разрушения на площадь сечения образца

,

где b и h – ширина и толщина образца (если с надрезом, то толщина в месте надреза)

Для испытания на ударную вязкость применяются стандартные образцы. Так, для стали образцы по Шарпи имеют согласно ГОСТ 9454-78 размеры, указанные на рис. 3.6 и табл. 3.1. Надрез делается на образце для создания в нем неравномерных напряжений, что в значительной степени способствует хрупкому разрушению. Форма, размеры и способ обработки места надреза оказывают большое влияние на результаты испытания. Чем глубже и острее надрез или чем грубее он сделан, тем меньшее значение ударной вязкости получается у образца при испытании. Надрез образца должен быть строго перпендикулярен к его граням. Радиус закругления принимают равным 1±0,07 мм.

 

Табл.3.1.. Стандартные образцы стали на ударный изгиб по Шарпи по ГОСТ 9454-78 размеры в мм).

Тип образца	Длина, L	Ширина, B	Высота, Н	Высота рабочего сечения, Н1
Концентратор U радиусом 1±0,07
		10±0,10		8±0,10
		7,5±0,10		8±0,10
		5±0,05		8±0,10
		2±0,05		6±0,10
		10±0,10		7±0,10
		7,5±0,10		7±0,10
		5±0,05		7±0,10
		10±0,10		5±0,10
		7,5±0,10		5±0,10
		5±0,05		5±0,10

 

Вопрос о концентраторе напряжений с методической точки зрения не вполне согласован между разными стандартами и странами. Пропил надреза в странах СНГ производится разово фрезой со стандартным радиусом закругления концов зубьев, что предусматривает периодическую по мере изнашивания перезаточку, а это является сложной в техническом плане операцией. Наиболее простой выход разработан французами, которые сначала делают сверление на нужном расстоянии от поверхности сквозной дырки определенного радиуса, затем любой пилой прорезают надрез до дырки.

Результаты испытания сильно зависят также от того, как образец вырезался: вдоль или поперек текстуры материала.

Испытания проводятся на маятниковом копре CHEAST RESIL 25 (рис.3.7).Копер предназначен для определения ударной вязкости различных материалов, работа на разрушение которых не превышает 25 Дж (пластмассы, керамика, древесина, литьевые сплавы и т.д.). Погрешность определения работы разрушения менее 2% предела шкалы.

Копер представляет собой прибор, регистрирующий автоматически угол поворота маятника. Прибор имеет встроенный процессор, который рассчитывает незамедлительно значение работы копра на разрушение образца и высвечивает его на дисплее.

При испытаниях по Шарпи применяется молот с запасом энергии 11 Дж. Скорость удара 3,46 м/с согласно американского стандарта ASTM D256, что вполне соответствует международному ISO 179 (3,15…3,85 м/с), но несколько выше нормы скорости удара для российского (2,8 м/с) и меньше немецкого DIN 53488 (3,6…4,0 м/с) стандартов.

Молот перед ударом поднимается на высоту выше оси почти горизонтально и ставится на защелку. Сбрасывание молота осуществляется одновременным нажатием двух кнопок внизу слева и справа прибора.

Копер имеет сетчатый кожух с боков и прозрачную поликарбонатную лицевую дверцу-крышку, предназначенные для защиты персонала от разлетающихся осколков. Причем сброс молота на образец может быть произведен только при закрытой дверце.

Оборудование, материалы и инструменты. Ударный копер, образцы различных материалов, штангенциркуль.