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. 1 из 3)

Министерство образования Российской Федерации

Томский политехнический университет

_______________________________________________________________

УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой ММС

академик РАН

_____________ В. Е. Панин

“___”________ 2009 г.

Испытания на ударную вязкость

Методические указания по выполнению лабораторной

работы по курсу “Механические и физические свойства материалов”

для студентов направления 150600 – Материаловедение

и технология новых материалов

Томск 2009

УДК 621. 064. 07

Испытания на ударную вязкость: Метод. указ. по выполн. лаб. работы по курсу “Механические и физические свойства материалов” для студентов направления 150600 – Материаловедение и технология новых материалов — Томск: Изд. ТПУ, 2009. - 11 с.

Составитель доц. каф. ММС, канд. техн. наук C.В.Матренин

Рецензент к.ф.-м.н., доцент Б.С.Зенин

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры ММС “___”________2009г.

Зав. кафедрой

академик РАН ______________ В. Е. Панин

Испытания на ударную вязкость

Общие положения

При обработке металлов, при эксплуатации металлических деталей и изделий могут иметь место процессы пластической деформации, протекающие с различной скоростью. Одни детали или изделия могут деформироваться в течение ряда лет, другие – за малые доли секунды.

Процесс пластической деформации можно характеризовать скоростью деформации

, где

V_d – скорость деформации,

e – истинная деформация

t – время.

Таким образом размерность скорости деформации – 1/сек.

Практически встречаются скорости деформации от 10^-10 1/сек до 10⁵ 1/сек (при взрывных процессах).

Скорость деформации при статических механических испытаниях как правило находится в пределах 10^-4¸10^-2 1/сек. Динамические испытания обычно проводятся со скоростью деформации порядка 10² 1/сек, т.е. при динамических испытаниях скорость деформации больше, чем при статических примерно в 10⁵ раз.

При изменении скорости деформации меняется поведение дефектов кристаллической решетки (в первую очередь дислокаций): увеличивается их количество, затрудняется перемещение. Результатом этого является изменение механических свойств при динамических испытаниях по сравнению со статическими. Это изменение заключается в том, что прочностные характеристики при динамическом нагружении увеличиваются, а характеристики пластичности, как правило, уменьшаются.

Изменения скорости пластической деформации может изменять механизм деформации. Если, например, при статических испытаниях чистого железа при комнатной температуре процесс пластической деформации осуществляется практически только путем скольжения, то при ударном нагружении, как показали многочисленные исследования, возможна пластическая деформация путем двойникования. Склонность к деформации двойникованием в металлах с ОЦК решеткой увеличивается с понижением температуры деформации. Так, при температуре 4⁰К (-269⁰С) чистое железо деформируется двойникованием даже при статических испытаниях. Существенное влияние на механизм деформации могут оказывать примеси. Например, кремний, марганец облегчают двойникование железа, а примеси внедрения (кислород, азот, водород) при достижении определенной концентрации могут исключить процесс двойникования при медленном нагружении, однако этой концентрации может быть недостаточно для подавления двойникования при динамическом нагружении.

Измерение характеристик прочности (s_пу, s_у, s_т, s_в) при динамических испытаниях затруднительно из-за большой скорости процессов деформации и разрушения (время испытания находится в пределах долей секунды). Для фиксации нагрузки и деформации в процессе испытаний необходимы малоинерционные высокочувствительные приборы. Для измерения нагрузок применяют пьезокварцевые динамометры, для измерения деформаций –фотоэлементы. Сигналы от них в процессе испытаний подаются на двухканальный электронный осциллограф, и в результате получается диаграмма (осциллограмма) испытаний в координатах усилие – деформация. Однако такое оборудование достаточно сложно, поэтому в настоящее время нагрузки и деформации при динамических испытаниях измеряются только в исследовательских работах.

Для массовых динамических испытаний практически применяется один метод – ударный изгиб призматических образцов с надрезом. Испытания проводят на маятниковых копрах. В результате таких испытаний определяется ударная вязкость (а_н), которая является характеристикой сопротивления материала воздействию динамических нагрузок. Ударная вязкость это отношение работы, затраченной на деформацию и разрушение образца при ударном изгибе (А_н) к площади поперечного сечения образца в месте надреза (F).

a_н =А_н/F

Таким образом размерность ударной вязкости кгс/см² (Дж/м²). Ударная вязкость - сложная механическая характеристика. Величина ее зависит и от пластичности и от прочности испытываемого материала. Чем выше пластичность и чем больше напряжения на всем протяжении испытаний, тем большая работа, которую необходимо затратить на пластическую деформацию и разрушение в процессе испытания, то есть тем больше ударная вязкость. Поэтому испытания на ударную вязкость обычно более чувствительны к изменению факторов, влияющих на прочность и пластичность (химический состав, дисперсность структуры, форма зерен и т.д.), чем статические испытания, при которых отдельно оцениваются характеристики прочности и пластичности.

Поскольку работа, затраченная при испытаниях на ударную вязкость, идет на пластическую деформацию какой-то части объема образца, правильнее было бы относить ее к этому объему, а не к площади поперечного сечения образца. Но измерение объема деформированной части образца затруднительно; кроме того работа, затраченная на пластическую деформацию распределена по этому объему неравномерно. Поэтому обычно работу, затраченную на пластическую деформацию и разрушение, относят к площади поперечного сечения образца, хотя строгого физического смысла это отношение не имеет.

Проведение испытаний на ударную вязкость может иметь различное назначение:

1. Оценка поведения металла при динамических нагрузках, если детали или изделия из этого металла подвергаются в процессе эксплуатации таким нагрузкам, потому что, как уже говорилось, механические свойства при динамических нагрузках могут отличаться от тех, которые металл проявляет при статическом разрушении.

2. Контроль качества металла, поскольку динамические испытания более чувствительны к различным дефектам, возникающим в процессе производства и обработки (микротрещины, неметаллические включения, вредные примеси, неоднородность химического состава и структуры и т.д.)

3. Оценка склонности металла к хладноломкости, т.е. к переходу из вязкого состояния в хрупкое при понижении температуры. Это явление характерно для металлов с ОЦК и ГПУ решеткой. Статические испытания обычно не позволяют оценить склонность металла к переходу в хрупкое состояние и температуру этого перехода, т.к. при статических испытаниях образцы могут сохранять значительную пластичность при охлаждении до очень низких температур. Динамические испытания на изгиб образцов с надрезом являются наиболее жестким видом испытаний из всех стандартных испытаний механических свойств. Поэтому температура перехода в хрупкое состояние при динамических испытаниях выше, чем при статических, и поэтому она может быть определена при динамических испытаниях даже для таких материалов, которые при статических разрушаются вязко при самых низких температурах. Кроме того, проведение испытаний на ударную вязкость при низких температурах значительно проще, чем проведение статических испытаний.

Все это обусловливает то, что испытания на ударную вязкость, несмотря на указанные выше недостатки этой характеристики, являются основным способом оценки склонности металлов к хладноломкости.

Для исследования склонности металла к хладноломкости и определения температуры перехода в хрупкое состояние проводят серию испытаний на ударную вязкость при пониженных температурах. Температура резкого уменьшения ударной вязкости называется порогом хладноломкости. Часто переход из вязкого состояния в хрупкое, сопровождающийся значительным уменьшением ударной вязкости происходит в интервале температур. В таких случаях говорят о верхнем и нижнем пороге хладноломкости, т.е. о температуре начала и конца этого перехода. Иногда в таких случаях за критерий склонности металла к хладноломкости принимают условный порог хладноломкости, т.е. температуру при которой ударная вязкость получается не ниже определенной величины. Например по нормам Международного института сварки за критическую температуру принимают температуру, соответствующую ударной вязкости 3,5 кгм/см²; в США за критическую принимают температуру, соответствующую ударной вязкости от 2,1 до 4,1 кгм/см² (в зависимости от ответственности конструкций, для изготовления которых предназначается исследуемый металл).

При переходе из вязкого состояния в хрупкое не только резко уменьшается ударная вязкость, но и меняется характер поверхности излома. Вязкий излом – матовый, волокнистый, со следами пластической деформации. Хрупкий излом имеет «кристаллический» характер без видимых следов пластической деформации. В связи с этим существует способ определения условного порога хладноломкости, как температуры, при которой на поверхности излома наблюдается определенная доля хрупкой составляющей излома (например 10, 50, 90%). Чем больше принят допуск на количество хрупкой составляющей на поверхности излома, тем ниже будет условный порог хладноломкости. При допуске 10% эта температура будет очевидно близка к верхнему порогу хладноломкости, а при допуске 90% - к нижнему.