Методические указания по выполнению лабораторной работы по курсу “Механические и физические свойства материалов” для студентов направления 150600 Материаловедение и технология новых материалов Томск 2 (стр. 2 из 3)

Цель работы

1. Изучить устройство маятникового копра и его работу.

2. Изучить методику определения ударной вязкости.

3. Ознакомиться с методикой исследования склонности металлов к хладноломкости.

4. Исследовать влияние условий нагружения на механизм пластической деформации и характер разрушения малоуглеродистой стали.

5. Определить порог хладноломкости стали.

Оборудование и образцы для работы

Поскольку одной из основных целей динамических испытаний является выявление склонности металла к хрупкому разрушению, для динамических испытаний наиболее подходящими являются жесткие способы нагружения (растяжение, изгиб), при которых достаточно велики максимальные нормальные напряжения, обуславливающие разрушение путем отрыва. Мягкие способы нагружения (кручение, сжатие) для динамических испытаний применяются редко. Наибольшее распространение получили динамические испытания на изгиб, так как эти испытания достаточно просты, надежны, позволяют определять работу деформации и разрушения.

Для того, чтобы сделать напряженное состояние более жестким для динамических испытаний на изгиб применяют образцы с надрезом (для испытаний хрупких материалов, например чугуна, могут применяться динамические испытания на ударную вязкость на образцах без надреза). Кроме того, применение образцов с надрезом значительно уменьшает энергию необходимую для их разрушения, что позволяет уменьшить размеры копра.

По ГОСТ 9454-60 (испытания на ударную вязкость) у нас в стране применяется несколько типов образцов (рис.1). Основным считается тип I. Так как при испытаниях на ударную вязкость условие подобия не реализуется, нельзя пересчитывать и сравнивать результаты определения ударной вязкости на образцах разных размеров и разной формы. Желательно, чтобы образцы имели шлифованную поверхность, на них не должно быть трещин, заусенцев. Поверхность надреза не должна иметь рисунок, царапин и других дефектов, так как они могут, существенно исказить результаты испытаний, поскольку именно дно надреза обычно является местом начала образования трещины, развитие которой приводит к разрушению образца. Если нужно произвести испытания термически обработанных образцов, то надрез на них делается после термической обработки.

Для испытаний на ударную вязкость наибольшее распространение получили маятниковые копры. В данной работе испытания проводятся на маятниковом копре МК-30 (рис.2). Максимальная энергия маятника 30 кгм.

Основной частью копра является массивный маятник, который может качаться на оси. В поднятом положении маятник обладает определенным запасом энергии (в зависимости от высоты подъема). При падении маятник, проходя через вертикальное положение ударяет по образцу и разрушает его, на что затрачивается часть энергии маятника. Оставшаяся часть энергии затрачивается на подъем маятника после удара. Скорость движения маятника в момент удара по образцу должна быть в пределах 4-7 м/сек, что соответствует скорости деформации стандартных образцов порядка 10² 1/сек. Зная высоту подъема маятника до и после удара и его вес, можно подсчитать работу, затраченную на разрушение образца. На копре МК-30 эта работа определяется автоматически. Для этого к маятнику прикреплен поводок, который при подъеме маятника в исходное положение устанавливает подвижную рамку со шкалой в определенном положении в соответствии с высотой подъема маятника, т.е. с запасенной маятником энергией. После удара маятник, поднимаясь, тем же поводком перемещает вдоль шкалы стрелку до уровня, соответствующего высоте подъема маятника, т.е. его энергии после удара. Таким образом мы автоматически определяем разницу энергий маятника до и после удара, т.е. работу, затраченную на пластическую деформацию и разрушение образца. Для вычисления ударной вязкости нужно затраченную при испытании работу разделить на площадь поперечного сечения образца.

Методика проведения работы

Прежде, чем приступить к испытаниям образцов на копре, нужно проверить правильность его работы. Для этого поднимают и фиксируют на какой-то высоте маятник копра. При этом рамка со шкалой устанавливается в определенном положении, соответствующем запасенной энергии маятника. После этого маятник отпускают, не устанавливая образец на опоры копра, и он должен подняться на ту же высоту с которой его отпустили и, если копер работает нормально, поводок маятника поднимет стрелку прибора до нулевого деления шкалы, так как энергия маятника ни на что не расходуется (если пренебречь потерями энергии на трение в опорах оси маятника, на сопротивление воздуха и другими потери, которые очень малы). Если при такой проверке стрелка остановится не на уровне нулевого деления шкалы, необходимо выяснить причины этого и устранить их.

Перед испытаниями нужно замерить штангенциркулем с точностью до 0,1 мм ширину и толщину образцов в месте надреза, так как при их изготовлении возможны отклонения от стандартных размеров. Результаты замеров занести в таблицу или протокол испытаний.

После этого можно приступать к испытаниям. Для испытания образца нужно взвести маятник, проверить положение шкалы и установить образец на опоры копра. Образец устанавливается так, чтобы надрез был расположен посередине расстояния между опорами (расстояние между опорами копра 40 мм) и маятник ударял по грани образца, противоположной той, на которой сделан надрез. При проверке установки шкалы и установке образца на опорах маятник обязательно должен быть закреплен фиксатором во избежание случайного его падения. При работе на копре необходимо пользоваться ограждением, так как обломки образца после разрушения могут разлетаться в разные стороны с большой скоростью. После разрушения образца нужно записать работу разрушения и собрать обломки образца для исследования микроструктуры и характера излома.

Для определения ударной вязкости при низких температурах образцы перед испытанием нужно охладить. Охлаждение производится в ванне с ацетоном, бензином, спиртом или другой жидкостью с низкой температурой затвердевания. Ванна изготавливается из материала с низкой теплопроводностью (например, из пенопласта). Для охлаждения ванны и поддержания в ней нужной температуры применяется жидкий азот. Температура кипения азота –196⁰С. При заливке жидкого азота в ванну он кипит, испаряется и охлаждает при этом ванну с жидкостью и помещенными в нее образцами. Температура ванны замеряется пентанным термометром. Для выравнивания температуры по всему объему образцов, они должны находиться в ванне не менее 15 минут. Температура образцов в ванне должна быть на 3-5⁰С ниже температуры испытания. Тогда за время переноса образца из ванны на опоры копра он нагреется не выше требуемой температуры. Время с момента извлечения образца из ванны до момента его разрушения не должно превышать 5 секунд.

Испытания проводятся при температурах 20; –20; –60; –100 и 196⁰С. После этого в интервале температур, где получилось резкое падение ударной вязкости, для более точного определения порога хладноломкости проводятся испытания ещё при одной – двух температурах. При каждой температуре испытывается по 3 образца.

После испытания отбирается по одному обломку от образцов, разрушенных при различных температурах, для исследования и фотографирования поверхности излома. Фотографирование производится при увеличении 3–5 раз. Ещё по одному обломку образцов, испытанных при разных температурах, берется для исследования микроструктуры с целью определения температур, при которых имела место деформация двойникованием. При этом нужно исследовать микроструктуру в том месте, где была максимальная деформация (рис.3).

Обработка данных и составление отчета

По замеренным значениям размеров поперечного сечения образцов и работы, затраченной на их разрушение, определяется ударная вязкость для каждого образца. Подсчитывается среднее значение ударной вязкости для каждой температуры испытания по результатам испытаний трех образцов. Все данные заносятся в таблицу.

По полученным результатам строится кривая зависимости ударной вязкости от температуры испытаний. По построенной кривой определяются значения верхнего и нижнего порогов хладноломкости, а также температура, при которой ударная вязкость равна 3 кгм/см². Эти результаты сопоставляются с результатами изучения характера изломов и микроструктуры.

№	T0C	F, см2	Ан, кгм	aн, кгм/см2	aн ср. кгм/см2	Ориентировочная доля вязкой составляющей в изломе,%	Наличие двойников в микроструктуре в зоне разрушения
1 2 3	20	100
1 2 3	-20	90
1 2 3	-196	0

В письменном отчете по работе должно быть:

1. Цель работы.

2. Общие положения (динамические испытания и их назначение, понятие об ударной вязкости, достоинства и недостатки этой характеристики, понятие о хладноломкости и т.д.