Статья: Ударная вязкость
Ударная вязкость. Методы испытаний. 3ависимость ударной вязкости от температуры
Ударная вязкость – это способность материала поглощать механическую энергию в процессе разрушения под действием ударной нагрузки и в процессе деформации.
Механическая энергия – это физическая величина, которая описывает сумму кинетической и потенциальной энергии, которые присутствуют в составляющих механической системы.
Главное отличие между испытаниями на изгиб или растяжение-сжатие и ударными нагрузками заключается в значительно большей скорости выделения энергии, то есть ударная вязкость характеризует способность материала быстро поглощать энергию. Современный лабораторные исследования отличаются друг от друга:
- по отсутствию или наличию надреза в месте приложения удара,
- по способу закрепления испытуемого образца на испытательном стенде,
- по способу приложения нагрузки.
Чтобы провести испытание на ударную нагрузку без надреза выбирается лист материала, толщина которого равная по всей площади. В случае проведения испытаний с надрезом на поверхности листа делается канавка, обычно на стороне, обратной по отношению к месту удара, на всю длину/ширину листа, глубиной, составляющей половину от толщины.
Ударная вязкость при испытании без надреза может существенно превышать величину ударной вязкости, полученной в результате испытаний с надрезом.
Самыми распространенными методами испытания на ударную вязкость являются:
- Испытания по Изоду.
- Испытания по Гарднеру.
- Испытания по Шарпи.
Главный параметр, который может сильно менять результаты испытаний на ударную вязкость, - температурные условия. Известно, что при нагреве металлы и сплавы становятся более мягкими и податливыми к деформированию, из-за итого при ковке металла используется термическая обработка. При очень низких температурах сплавы становятся более хрупкими. Поэтому перед началом испытаний на ударную вязкость определяется оптимальный температурный режим - минимальные и максимальные значения эксплуатации, при которых достигаются самые лучшие показатели. 3атем в процессе исследования температура постепенно снижается до минус 80-100 градусов по Цельсию. В каждый этап остывания заготовка проверяется. В результате получается диаграмма, по которой могут быть определены ломкость, прочность, хладноломкость, температуры пластических деформаций. Второе значение - химический состав компонентов. Если стальная деталь подвергалась сварочному процессу, то существует большая вероятность образования мартенсита. Данная металлическая микроструктура может стать причиной уменьшения прочности. Еще один показатель, которые меняется в процессе лабораторных испытаний, - скорость проведения деформации.
Испытание на ударную вязкость по Шарпи
Испытание на ударную вязкость по Шарпи – это испытание, при котором образец в виде призмы, лежащий на двух опорах, подвергается удару маятникового копра - линия удара располагается между опорами и напротив надреза.
При испытании металлических образцов оценивается поглощенная энергия удара в джоулях, а для пластмасс - ударная вязкость - энергия, которая отнесена к площади поперечного сечения в месте удара. Для металлов испытания по Шарпи регламентировано ГОСТ Р ИСО 148-1, а для пластмасс ГОСТ 4647.
Схема испытания на ударную вязкость по Шарпи изображена на рисунке ниже.
Рисунок 1. Схема испытания на ударную вязкость по Шарпи.
Здесь: а - схема маятникового копра; 1 - корпус; 2 - маятник; 3 - образец; б - расположение образца.
Маятниковый копер устанавливается на определенной высоте над образцом, удар совершается посредством падения копра. Энергия, поглощенная при разрушении образца, пропорциональна разнице высот: с которой падает копра и высоты, до которой он поднялся по инерции, после разрушения образца. Наличие надреза на образце влияет на результаты испытания, по этой причине его размеры и форма строго регламентируются в соответствующих нормативных документах. Недостаток метода - определяется только суммарная энергия разрушения. В некоторых случаях применяются инструментальные методы контроля испытаний, суть которых заключается в непрерывном измерении усилия нагружения в процессе разрушения образца. Это предоставляет возможность оценивать не только энергию разрушения, но и максимальное усилие при разрушении, что делает возможным оценит переход к пластичному механизму разрушения при понижении температуры от хрупкого.
Пройдя нижнее положение и разрушив образец маятник поворачивает стрелку шкалы на угол, соответствующий энергии, которая сохранилась в маятнике после разрушения образца. Формула для расчета поглощенной энергии выглядит следующим образом:
$К = Q*(h1-h2)$
где: Q - масса маятника; h1 - высота маятника в начале испытаний; h2 - высота маятника в конце испытаний.
Если в копре нет подъемной рамы, то формула выглядит по-другому:
$К = Q*R*(cosb-cosa)$
где: R - длина маятника; b - угол отклонения маятника после разрушения образца; а - угол отклонения маятника в начале испытаний.