Основные теоретические сведения

Ударная вязкость – механическая характеристика, определяемая как работа, затраченная на ударный излом образца с надрезом, отнесенная к площади поперечного сечения образца в месте надреза:

 

                                          KC =А:S (Дж/м2)                           (1)

 

Здесь А – работа, затраченная на излом образца (Дж); S – площадь поперечного сечения образца в месте надреза (м2). Чем выше ударная вязкость материала, тем выше его способность сопротивляться разрушению под действием ударных нагрузок. Для сталей, применяемых для изготовления деталей машин, работающих при динамических нагрузках, устанавливаются минимально допустимые значения ударной вязкости: не менее 106 Дж/см2. Ударная вязкость сильно зависит от формы и размеров образца, микроструктуры материала, формы надреза. Поэтому испытания на ударную вязкость необходимо проводить в строгом соответствии с требованиями ГОСТа. Недостатком ударной вязкости, как характеристики прочности, является то, что ее нельзя использовать в расчетах на прочность. Однако практическое значение этой характеристики достаточно велико. По температурной зависимости ударной вязкости оценивают склонность материала к хрупкому разрушению. 1. Маятниковый копер Испытания на ударную вязкость (ударный изгиб) проводятся на маятниковых копрах (метод Шарпи). Общий вид копра показан на рис. 2. Маятниковый копер состоит из станины с вертикальными стойками (1). В верхней части стоек на горизонтальной оси в шарикоподшипниках подвешен маятник. На конце маятника имеется груз в виде плоского стального диска с вырезом (2), служащим в качестве ударника (нож маятника). При помощи защелки маятник может быть установлен на определенной высоте. Высота подъема контролируется углом отклонения маятника от вертикальной оси, который измеряется с помощью шкалы (3) со стрелкой. Внизу на уровне вертикально висящего маятника к стойкам станины прикреплены две стальные опоры, на которые помещают испытываемый образец (4). Под опорами между стойками проходит тормозной ремень (5), служащий для остановки качающегося маятника после испытаний. Тормозной ремень приводится в действие с помощью рычага (6).

 

 

Рисунок. 2 Маятниковый копер (а): 1– станина; 2– маятник; 3– шкала; 4– образец; 5– ремень ручного тормоза; 6 – рычаг ручного тормоза схема установки образца; схема установки образца (б): 1–опоры; 2–нож маятника; 3 – образец с надрезом

Порядок выполнения работы

5.1.Перед испытанием маятник поднимают вручную на определенную высоту, и фиксируют его в поднятом положении с помощью защелки. Угол подъема определяется по шкале со стрелкой, неподвижно закрепленной на оси маятника. При освобождении защелки маятник свободно падает и, встречая на своем пути образец, разрушает его. Затем, пролетая дальше, маятник поднимается на некоторую высоту, определяемую углом взлета. Углы подъема и взлета определяют работу, затраченную на разрушение образца. Для измерения угла взлета служит вторая стрелка, насаженная на ось маятника свободно, но с некоторым трением. Перед испытанием после подъема маятника на заданный угол обе стрелки совмещают. При взлете маятника вторая стрелка, достигнув максимального отклонения, остается неподвижной, фиксируя угол взлета. Остановка маятника при возвратных колебаниях производится тормозом 5 (рис. 2). Образцы для испытаний на ударную вязкость. Согласно ГОСТ 9454–78 для определения ударной вязкости применяют стандартные образцы квадратного сечения 10.10 мм² длиной 55 мм с надрезами. Самыми распространенными являются образцы с U-образным и V-образным надрезами (рис.3). Надрез играет роль концентратора напряжений; чем он острее, тем больше усиливается напряжение в месте надреза

Рис. 3. Образцы для испытаний на ударную вязкость:

(а) – с U-образным надрезом; (б) – с V-образным надрезом

Испытываемый образец помещают на опоры симметрично относительно вертикальной оси таким образом, чтобы удар наносился со стороны, противоположной надрезу, в направлении, перпендикулярном оси образца (рис. 3б).

5.2. Вывод формулы для ударной вязкости

Для определения ударной вязкости необходимо найти работу A, затраченную на деформацию и разрушение образца [(см. формулу (1)]. Эта работа, без учета потерь на трение, будет равна разности потенциальных энергий маятника в исходном положении и после удара (рис. 3), т.е.

                                         A1 = mg (H1 – H2),                     (2)

где mg– вес маятника; H1 и H2 – высота подъема маятника до удара

и после удара, соответственно.

Выразим высоты H1 и H2 через длину маятника l, угол подъема α и угол взлета β

                         H1 = l (1 – cosα) и H2 = l (1 – cosβ).                     (3)

Подставляя значения H1 и H2 в выражение (2), получим

                                  A1 = mgl (cosβ – cosα).                                         (4)

Работа маятника, затраченная на трение в подшипниках и трение о воздух, будет равна

                                  Aтр = mgl (cosβ0 – cosα),                            (5)

где, угол β0 – угол взлета маятника при его свободном падении при отсутствии образца. За счет потерь на трение угол β0 должен быть несколько меньше начального угла α.

Рис. 4 Схема для определения ударной вязкости

В результате работа, затраченная только на излом образца, будет равна

                         A= A1 – Aтр = mgl (cosβ – cosβ0)                        (6)

По определению, ударную вязкость равна работе, затраченной на ударный излом образца и отнесенной к площади поперечного сечения образца в месте

надреза, т.е (cos cos 0)      

                                                                         (7)

где S – площадь поперечного сечения образца в месте надреза. Выражение (8) является рабочей формулой для расчета ударной вязкости материала. Размерность ударной вязкости: Дж/см² или Дж/м². Если испытываемый образец имеет U-образный или V-образный надрез (рис. 3), то ударная вязкость обозначается КСU или КСV, соответственно. В случае хрупких неметаллических материалов (например, органическое стекло, дерево) испытания проводят на образцах квадратного сечения без надреза, а ударная вязкость обозначается α (ГОСТ 4647-80)

Форма отчета о работе

6.1. Тема, цель работы.

6.2. Краткий конспект теоритического материала

6.3. Выполнение задания

6.4. Вывод

7. Контрольные вопросы и задания

7.1. Какая цель лабораторной работы?

7.2. В каких случаях проводятся испытания на ударную вязкость?

7.3. Какие существуют методы определения работы удара?

7.4. Что такое удельная ударная вязкость?

7.5. В каких единицах измеряется удельная ударная вязкость?

7.6. В чем состоит принцип работы маятникового копра?

7.7. Какие материалы подвергаются испытаниям на ударную вязкость?

7.8. В чем сходство и различие статических и динамических испытаний?

Рекомендуемая литература

1. Арзамасов, Б. Н. Материаловедение: учебник: 2-е изд., исправл. и доп. / Б. Н. Арзамасов, И. И. Сидорин, Г, Ф. Косолапое [и др.]; под общ. ред. Б. Н. Арзамасом. М., 1986.

2.Барташевич, А. А. Материаловедение: учеб. пособие / А. А. Барташевич. Ростов н/Д, 2004.

 

 

Лабораторная работа 3 «Микроанализ железоуглеродистых сплавов (сталей и белых чугунов) в равновесном состоянии»

Цель работы

Научить проводить микроанализ железоуглеродистых сталей, различать по микроструктуре стали и белые чугуны с различным содержанием углерода, устанавливать связь между структурами и диаграммой состояния железо – цементит.

Задание

    Изучить основные разновидности чугунов, их строение, свойства и маркировку.

     Познакомиться с основами выбора марки чугуна для изготовления деталей машин, изделий.

Оснащение работы

    Методические указания к лабораторной работе