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
Vd
– 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 40
К (-2690
С) 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 (sпу
, sу
, sт
, sв
) 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 (Ан
) к площади поперечного сечения образца в месте надреза (F).
a
н
=Ан
/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.
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 доста
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 –1960
С. 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 3-50
С 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 1960
С. 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.
| № |
T0
|
F, см2
|
Ан
кгм |
a
|
a
|
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.
3. Краткое описание и схема маятникового копра и образцов для испытаний.
4. Описание порядка выполнения работы.
5. Полученные результаты определения ударной вязкости при различных температурах в виде таблиц и графика.
6. Определенное значение порога хладноломкости для исследованной стали.
7. Описание и фотографии характера излома и микроструктуры образцов после разрушения.
8. Выводы.
Приложение А
Форма титульного листа отчета по лабораторной работе
Наименование ведомства, в систему которого входит вуз
строчными буквами кроме первой прописной
Наименование вуза - прописными буквами
Наименование факультета - ____________
Наименование направления (специальности) -
Наименование выпускающей кафедры -
строчными буквами кроме первой прописной
Тема работы - прописными буквами
Наименование текстового документа работы -
строчными буквами кроме первой прописной
название
дисциплины
Исполнитель(и)
студент(ы), номер группы (подпись) И.О.Фамилия
(дата)
Руководитель
(должность, ученая степень, звание) (подпись) И.О.Фамилия
(дата)
Город –200__