Испытание сплавов на ударный изгиб

 

Цель работы: изучить способ и приобрести практические навыки испытания сплавов на ударный изгиб при комнатной температуре.

Приборы и оборудование: копёр маятниковый модели 2010 КМ-30, комплект лабораторных образцов.

 

2.1. Краткие теоретические сведения

 

Метод основан на разрушении образца с концентратором в средней части одним ударом маятникового копра. В результате испытания определяют полную работу, затраченную на удар, или ударную вязкость.

Рис 2.1. Кинематическая схема маятникового копра: 1 – нож; 2 – маятник; 3 – штанга; 4 – образец; 5 – опоры

Ударный изгиб образцов с надрезом – самое простое и наименее трудоёмкое из механических испытаний, достаточно хорошо выявляющие многие хрупкие структурные составляющие металла, на которые приходится наибольшее число аварийных случаев разрушения конструкций при эксплуатации.

При испытании образец 4
(рис. 2.1) устанавливается горизонтально на опоры 5 копра так, чтобы концентратор располагался симметрично относительно опор. Образец разрушается ударом ножа 1 маятника 2, который закреплен на штанге 3 и вращаясь вокруг оси О, свободно падает с высоты Н, определяемой углом подъема маятника α. Направление удара – поперёк образца, со стороны, противоположной надрезу.

Маятник, поднятый на определенный угол обладает запасом энергии. Запас энергии определяется как произведение веса маятника на высоту подъёма его центра тяжести. В конце свободного падения маятник, встретившись с образцом, затратив на его разрушение часть энергии, поднимается на определенный угол β.

Работу, затраченную на разрушение образца, определяют как разность запасов энергии маятника до и после удара по формуле

K = G (H – H₁), (2.1)

где G – вес маятника, кг; Н и Н₁ – высота подъёма центра тяжести маятника относительно точки встречи с образцом соответственно до и после удара, м.

Измерительное устройство копра градуируют непосредственно в единицах затраченной работы, что позволяет не вычислять работу разрушения по формуле, а отсчитывать её непосредственно по шкале измерительного устройства. Данные о затраченной работе позволяют определить ударную вязкость, под которой понимается работа удара, отнесённая к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора.

Форма и размеры образцов для испытания должны соответствовать указанным на рис. 2.2 – 2.4 и в табл. 2.1.

Рис. 2.2. Образец с концентратором вида U	Рис. 2.3. Образец с концентратором вида V	Рис. 2.4. Образец с концентратором вида T

 

Образцы с концентратором U применяют при выборе и приемочном контроле металлов и сплавов до установления норм на образцах с концентратором вида V.

Образцы с концентратором V применяют при выборе и приёмочном контроле металлов и сплавов для конструкций повышенной степени надёжности (летательные аппараты, транспортные средства, трубопроводы, сосуды высокого давления и т. п.).

Образцы с концентратором Т используются при выборе и приёмочном контроле металлов и сплавов для особо ответственных конструкций, для эксплуатации которых оценка сопротивления развитию трещины имеет первостепенное значение; при исследовании причин разрушения ответственных конструкций.

Таблица 2.1

Размеры образцов для испытания на ударный изгиб

Вид концентратора	Радиус концент­ратора R	Тип образца	Длина образца L, мм	Ширина образца b, мм	Высота образца a, мм	Глубина надреза h1, мм	Глубина концент- ратора h, мм	Высота рабочего сечения а1, мм
U	1±0,07			10,0 7,5 5,0		–	–	8±0,1
	2,0		6±0,1
	10,0 7,5 5,0		7±0,1
	10,0 7,5 5,0	5±0,1
V	0,25± 0,025			10,0 7,5 5,0		8±0,5
	2,0		6±0,05
T	Трещина			10,0 7,5 5,0		1,5	3,0	–
	2,0
	10,0		3,5	5,0
		25,0		10,0	12,5	–

 

За окончательный результат испытаний принимают работу удара или ударную вязкость для образцов с концентраторами видов U и V и ударную вязкость для образцов с концентраторами вида Т.

Работу удара обозначают двумя буквами (KU, KV) и цифрами. Первая буква (К) – символ работы удара, вторая буква (U, V) – вид концентратора.

Последующие цифры обозначают максимальную энергию удара маятника, глубину концентратора и ширину образца.

Цифры не указывают при определении работы удара на копре с максимальной энергией маятника 294 Дж (30,0 кгс×м), при глубине концентратора 2 мм для концентраторов U и V и 3 мм для концентраторов вида Т и ширине образца 10 мм. Ударную вязкость обозначают сочетанием букв и цифр: первые две буквы КС обозначают символ ударной вязкости, третья буква (U, V, T) – вид концентратора, первая цифра – максимальную энергию удара маятника, вторая – глубину концентратора, третья – ширину образца. Цифры не указывают при определении работы удара на копре с максимальной энергией удара маятника 294 Дж (30,0 кгс×м) на образцах типов 1, 11, 15 (табл. 2.1).

Ударную вязкость КС, Дж/м² (кгс×м/см²), вычисляют по формуле

(2.2)

где K – работа удара, Дж (кгс×м); S ₀ – начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, м² (см²).

Для обозначения работы удара и ударной вязкости при пониженной и повышенной температурах вводится индекс, указывающий температуру испытания. Цифровой индекс ставят вверху после буквенных составляющих.

Примеры обозначений:

KV ^-40 50/2/2 – работа удара, определённая на образце с концентратором типа V при температуре –40 ^оС. Максимальная энергия удара маятника 50 Дж, глубина концентратора 2 мм, ширина образца 2 мм;

КСТ⁺¹⁰⁰ 150/3/7,5 – ударная вязкость, определённая на образце с концентратором вида Т при температуре +100 ^оС. Максимальная энергия удара маятника – 150 Дж, глубина концентратора 3 мм, ширина образца 7,5 мм;

КCU – ударная вязкость, определённая на образце с концентратором вида U при комнатной температуре. Максимальная энергия удара маятника – 300 Дж, глубина концентратора 2 мм, ширина образца 10 мм.

Наряду с ударной вязкостью для характеристики вязкости материала используют внешний вид излома. Количественная оценка излома предусматривает определение доли кристаллического излома, т. е. доли хрупкого разрушения на поверхности излома и доли вязкой составляющей.

Процент вязкой составляющей в изломе ударных образцов характеризует сопротивление материала хрупкому разрушению.

Рис. 2.5. Схема ударного излома: 1 – площадь излома, занимаемая хрупкой составляющей; 2 – площадь, занимаемая вязкой составляющей

Хрупкая составляющая в изломе образца сечением 8´10 мм имеет вид трапеции, площадь которой увеличивается по мере увеличения хрупкой составляющей (рис 2.5). Вязкая составляющая располагается, как правило, вокруг хрупкой составляющей.

Доля хрупкой составляющей Х в процентах определяется по формуле

× 100, (2.3)

где F – площадь, занимаемая хрупкой составляющей; F ₀ – полная площадь излома.

Вязкая составляющая В в процентах вычисляется по формуле

(2.4)

 

 

Порядок выполнения работы

 

1. Ознакомиться с работой маятникового копра 2010КМ-30.

2. Произвести испытания образцов.

3. Рассчитать значения ударной вязкости.

4. Произвести осмотр образцов и зарисовать вид излома.

5. Определить процент вязкой и хрупкой составляющей в изломе образцов.

6. Результаты испытаний занести в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Результаты испытаний на ударный изгиб

 

Марка материала	Тип образца	Площадь поперечного сечения, м^2 (см^2)	Работа удара К, Дж	Ударная вязкость КС, Дж/м^2 (кгс×м/см^2)	Площадь хрупкой составляющей Х, %	Площадь вязкой составляющей В, %

Содержание отчёта

 

1. Описание цели работы.

2. Рисунки изломов испытанных образцов.

3. Таблица с результатами испытаний и замеров.

4. Выводы.

 

2.4. Контрольные вопросы

 

1. Как определяется работа разрушения образца?

2. Что такое ударная вязкость?

3. Какова цель определения ударной вязкости?

4. Что характеризует вязкая составляющая в изломе образцов?

5. Какие образцы применяются при испытаниях?

6. Как обозначается работа удара?

7. Как обозначается ударная вязкость?

8. Область применения образцов с концентратором вида U?

9. Область применения образцов с концентратором вида Т?

10. Область применения образцов с концентратором вида V?

 

Рекомендуемая литература [1–3, 6, 9].