7. Визначення ударної в’язкості металів випробуваннями за різних температур
Мета заняття:вивчити методику визначення ударної в'язкості металів за різних температурних умов.
визначити місце та значення показників ударної в'язкості в комплексі механічних властивостей металів;
вивчити методики та застосовуване для випробувань на ударну в'язкість обладнання;
вивчити конструктивні різновиди зразків, які застосовуються для випробувань металів на ударну в'язкість;
набути практичних навичок щодо підготовки зразків до випробувань, проведення випробувань та обробки результатів.
7.1. Загальні відомості
Машини, механізми і конструкції завжди проектуються із запасом міцності, що враховує тривалий вплив більшості діючих в експлуатації навантажень (маса рухомих і нерухомих ланок, крутний момент, сили тертя, тиск рідини, що перекачується, та ін.) при певному характері їх застосування. Відмови, виходи з ладу механізмів і конструкцій, як правило, відбуваються через тендітне руйнування деталей і конструктивних елементів. Причинами їх руйнування можуть бути механізми перевантаження, що раптово виникли в роботі, удари, вібрації, зміна характеру застосування циклічних навантажень, а також внаслідок не передбаченого правилами експлуатації механізму зміни сил і навантажень. Так, в результаті перевантаження або різкої зміни швидкості підйому вантажу (наприклад, через прослизання строп) може статися руйнування троса підйомного крана; ударне навантаження, що виникло в цей час, може призвести до крихкого руйнування зубів зубчастих коліс редуктора, до зрізання шпонок валів та інших поломок, які виведуть підйомний кран з ладу. Вантаж, що одночасно піднімається краном, може з непередбаченою швидкістю опуститися на вантажний майданчик і завдати додаткових збитків або привестидо загибелі людей.
Отже, при виборі марки сталі та визначенні технології виготовлення -
лення конкретної деталі крім традиційних показників міцності та твердості проектувальникам бажано мати додаткові відомості, що характеризують поведінку металу при раптовому ударному додатку навантаження.
Схильність металів і сплавів до тендітного руйнування не можна повною мірою оцінити при статичних випробуваннях на розтяг або вигин. Тому її оцінюють випробуваннями зразків на ударну в'язкість на маятникових копрах при нерівномірному розподілі напруг - одноразовим ударом важкого молота, що руйнує зразок додатком згинального навантаження.
Відомо [1], що наявність різкого переходу в перерізі виробу, а також перших ознак появи тріщин полегшує розвиток крихкості та сприяє передчасному руйнуванню матеріалу в цих місцях. Тому в машинобудуванні широко поширені випробування на ударний згин зразків з одностороннім надрізом: у зразку створюється різка неоднорідність напруги, пластична деформація утруднюється, полегшується оцінка схильності металу до переходу в крихкий стан. При цьому показник [2, 3] був названий ударна в'язкість, а для обчислення його величини запропонована формула:
деaН- показник ударної в'язкості, кгс.м/см2(Дж/м2);
АН- робота удару, витрачена на злам зразка, кгс.м (Дж);
F- площа поперечного перерізу зразка в місці надрізу до випробування, см 2 .
Для забезпечення порівнянності результатів випробувань були стандартизовані форма, розміри зразків і надрізів, умови їх механічної обробки. Крім того, нормуються: конструкція маятникових копро (запас наявної енергії;відстань між опорами, куди встановлюється зразок; швидкість руху молота у момент удару за зразком; кут загострення ножа (молоту), а також температура випробувань.
Мал. 7.1. Схема розташування зразків на ударний вигин при вирізанні з листа чи смуги металу
вимоги до вирізки заготовок для зразків, їх кількість, розташування щодо осі симетрії виробу або металевої заготовки (вздовж напрямку прокатки, поперек, рис. 7.1, радіальні, тангенціальні) для чорних металів визначаються
за ГОСТ 7565-81 або технічними умовами
інші матеріали. При цьому зазвичай враховують [3], щозразки, вирізані поперек волокон(поперек напрямку прокатки)менш чутливі до зміни розмірів і форми, ніж поздовжні.
За ГОСТ 9454-78 [2] як типові для ударних випробувань на маятниковому копрі в нашій країні (як і в інших країнах) були прийняті зразки з U-подібним надрізом (Менаже), що мають: призматичну форму, геометричні розміри 10х10х55 мм, надріз із паралельними сторонами шириною 2 мм та радіус закруглення надрізу 1 мм, рис. 7.2 а.
Однак при проведенні численних випробувань на зразках Менаже в лабораторіях різних країн було встановлено, що різні сталі та сплави по-різному реагують на концентрацію напруги в зоні U-подібного надрізу. У ряді випадків крихко-в'язкі характеристики металу не виявляються повною мірою, тому що для них надріз цієї форми не є досить гострим. Тому були запропоновані зразки з V-подібним надрізом (Шарпі) - спочатку в дослідному порядку, потім вони увійшли в практику випробувань в різних країнах і були включені в ГОСТи на ударні випробування як типові, рис. 7.2, б.
Мал. 7.2. Форма та співвідношення розмірів зразківдля випробувань на
ударну в'язкість з концентраторами виду U (а) та виду V (б)
Проте і зразках Шарпі який завжди вдавалося повною мірою простежити закономірності розвитку руйнації. Напрямок розвитку тріщини змінювався від зразка до зразка внаслідок випадкового характеру впливу факторів металургійного та технологічного походження (поєднання м'яких та твердих компонентів структури, нерівномірний розподіл неметалевих включень, ліквація, розташування волокон та ін.). З появою випробувальних установок і датчиків, що дозволяють з високою швидкістю реєструвати розвиток втомних, в'язких і тендітних тріщин, була запропонована конструкція зразка зі спеціально вирощеною втомною (гострою) тріщиною, коли напрям руйнування було задано (рис. 7.3).
Мал. 7.4. Зразки для визначення чутливості до надрізу та перекосу при випробуваннях на розрив:
а– циліндричний зразок для визначення чутливості до надрізу та перекосу;б– плоский зразок для визначення чутливості до надрізу;
в– пристосування для випробування циліндричного зразка на чутливість до перекосу при розтягуванні
Мал. 7.3. Зразок з концентратором виду Т (втомна тріщина):
а– форма та загальне співвідношення розмірів зразка;б– форма та співвідношення надрізу виду і тріщини;
ри реальному навантаженні деталей машин і механізмів у ряді випадків ударно додаються не згинальні, а навантаження, що розтягують; іноді, за рахунок наявності ексцентриситету додатка основного навантаження, додатково до напруг, що розтягують, в деталі виникають ще й згинальні. Наприклад, такі навантаження можуть відчувати шатуни поршневих насосів.та двигунів внутрішнього згоряння, шатунні болти та деякі інші відповідальні деталі. Традиційні випробування на ударний вигин у випадках не забезпечують подібності схеми навантаження, а результати випробувань що неспроможні використовуватися для прогнозування поведінки матеріалу за умов експлуатації. Тому для дослідження поведінки металу при ударному розтягуванні, а також для імітації спільної дії навантажень, що розтягують і згинають, були запропоновані конструкції зразків і методики випробувань на ударне розтягування (рис. 7.4).
Ці випробування віднесені до спеціальних, тому не включені до ГОСТ 9454-78; у разі вони розглядаються інформативно.
Широке поширення зразків з концентраторами різної форми зажадало внесення змін до нормативної документації на випробування та на визначені при цих випробуваннях характеристики, тому було прийнято замістьАНроботу удару позначати двома латинськими літерами KU, KV або KT, де перша буква (К) – символ роботи удару, друга буква (U, V чи T) – позначення виду концентратора. Для того щоб відрізнити випробування на ударний вигин від випробувань за іншою схемою (наприклад, на розтягування), позначення показника доданий символ ударної в'язкості C. Таким чином, повне сучасне позначення показника ударної в'язкості має вигляд KCU, KCV і KCT. Після букв можуть бути вказані цифри, що позначають максимальну енергію удару маятника, глибину концентратора та ширину зразка.Цифри не вказують(за умовчанням)при визначенні роботи удару на копрі з максимальною енергією удару 300 Дж (30 кгс.м), при глибині концентратора 2 мм для концентраторів видуUіVі 3 мм для концентратора видуTпри ширині зразка 10 мм(зразки типів 1, 11 та 15 за табл. 7.2).
Дляпозначення результатів, отриманих при температурі, що відрізняється від кімнатної (20±2проС), застосовується цифровий індекс, що вказує на температуру випробування; індекс ставиться зверху після літерних складових.
Наприклад: KV-4050.2.2 означає, що робота удару визначена на зразку з концентратором виду V при температурі мінус 40проС; максимальна енергія удару маятника – 50 Дж, глибина концентратора – 2 мм, ширина зразка – 2 мм.
KCT+100150/3/7,5 - ударна в'язкість визначена на зразках з концентратором виду T при температурі плюс 100проС; максимальна енергія удару маятника – 150 Дж, глибина концентратора – 3 мм, ширина зразка – 7,5 мм.
KCU (KCV) – ударна в'язкість визначена на зразку із концентратором виду U (V) при кімнатній температурі; максимальна енергія удару маятника – 300 Дж, глибина концентратора – 2 мм, ширина зразка – 10 мм.
У зв'язку з введенням нових типів зразків та нових видів концентраторів напруг, змінені та розрахункові залежності для визначення значень ударної в'язкості
деK- робота удару, Дж (кгс.м);
Sо- початкова площа поперечного перерізу зразка в місці розташування концентратора, см2
деH1'- початкова висота робочої частини зразка, см;
B– початкова ширина зразка, див.
Розміри перерізу (H1'іB) вимірюютьдо проведення випробувань зразківз похибкою не більше ±0 0,05 мм (±0,005 см).Sпроокругляють при ширині зразка 5 мм і менше - до третьої цифри, при ширині зразка більше 5 мм - до другої цифри.
Для зразків із концентратором виду T значенняH1'визначають якрізницю між повною висотоюH, виміряноюдо випробуванняз похибкою не більше ±0,05 мм (±0,005 см), і розрахунковою глибиною концентратораh1, виміряної за допомогою будь-яких оптичних засобів зі збільшенням не менше х7 на поверхні зламупісля випробування зразказ похибкою не більше ± 0,05 мм (± 0,005 см).