Теоретическое обоснование. Механические характеристики материалов при статическом приложении нагрузки не позволяют оценить его способность сопротивляться действию динамических (ударных)

Механические характеристики материалов при статическом приложении нагрузки не позволяют оценить его способность сопротивляться действию динамических (ударных) нагрузок. Скорость деформирования заметно влияет на механические свойства материалов. Многие материалы, имеющие высокую пластичность по результатам статических испытаний, ведут себя как хрупко-пластичные уже при небольшом повышении скорости деформирования и «становятся» хрупкими при действии ударных нагрузок.

На рис. 1 показаны типовые диаграммы растяжения пластичного материала при статическом (1) и при динамическом (2) приложении нагрузки.

ε

Рис. 1. Типовые диаграммы растяжения пластичного материала:

1 – при статическом приложении нагрузки; 2 – при

динамическом приложении нагрузки

В области упругих деформаций диаграммы практически совпадают, а затем резко расходятся. Увеличение скорости деформирования снижает пластичность материала и повышает его прочностные свойства. Ономожет привести к повышению условного предела текучести материала σ 0, 2 на 20–70 %, а условного предела прочности σ в – на 10–30 % по сравнению со статическим испытанием.

При небольших скоростях нагружения материал в полной мере проявляет свои пластические свойства и разрушается по вязкому механизму. С повышением скорости деформирования пластичность проявляется всё меньше, повышается склонность материала к хрупкому разрушению.

Хрупкий механизм разрушения отличается от вязкого тем, что требуетгораздо меньшей энергии и, как правило, происходит внезапно путём отрыва или скола. Для развития вязкого разрушения необходим постоянный подвод энергии извне, так как она расходуется на осуществление пластических деформаций и изменение формы и размеров тела. И чем больше пластичность материала, тем большую работу надо совершить для его разрушения. Вязкое разрушение происходит постепенно путём сдвиговых деформаций.

Вязкость материала характеризуется работой, необходимой для его

разрушения. Величину этой работы можно оценить, анализируя диаграммурастяжения материала. Учитывая то, что диаграмма строится в осях σ (размерность [Н/м²= Н∙ м/м³= Дж/м³ ]) и ε (размерность [ м/м ]), площадьпод кривой диаграммы растяжения А имеет размерность [ Дж/м³ ] и характеризует величину удельной работы, необходимой для разрушения единицы объёма деформируемого тела.

На рис. 2 изображены типовые диаграммы растяжения алюминиевого, стального и чугунного образцов. Заштрихованные области на рисунке характеризуют величину удельной работы разрушения образцов. Видно, что чем выше пластичность образца, тем большая работа затрачивается на его разрушение, тем выше вязкость материала.

σ

σ

σ

ε

ε

ε

a

б

в

Рис. 2. Типовые диаграммы растяжения материалов: а – алюминиевый образец; б – стальной образец; в – чугунный образец

Значение вязкости является наиболее важным механическим свойством материала при действии динамических и вибрационных нагрузок. С целью определения вязкости и склонности материалов к хрупкому разрушению их подвергают динамическим испытаниям.

Ударные испытания очень важны, хотя и не дают данных для расчета деталей на прочность. Результаты динамических испытаний зависят от незначительных изменений в структуре материала, поэтому отдельные случайные отклонения в технологии или в составе, часто не влияющие на результаты статических испытаний, оказывают резкое влияние на динамические характеристики свойств материала.

На практике наиболее распространенным является испытание материалов на ударный изгиб (испытание на ударную вязкость). Это динамическое испытание очень просто по исполнению и позволяет в численной форме выявить склонность материала к хрупкому разрушению.

Испытаниям на ударную вязкость подвергают образцы стандартной формы (рис. 3). В образце посередине делают надрез для того, чтобы сконцентрировать напряжения изгиба в одном поперечном сечении образца.

Рис. 3. Стандартный образец для испытания на ударную вязкость

Образцы подвергаются ударному разрушению на специальных машинах – маятниковых копрах. Копёр состоит из станины, маятника с ножом, тормозного механизма и измерительного устройства. Маятниковые копры отличаются размерами и величиной максимального запаса энергии. Например маятниковый копёр марки МК- 30 имеет максимальный запас энергии 30 кгс× м (300 Дж). Схема работы маятникового копра приведена на рис. 4.

P

hн

Рис. 4. Схема работы маятникового копра

Для проведения испытаний образец помещают на опоры станины маятникового копра таким образом, чтобы надрез был со стороны, противоположной удару, и находился против острия ножа маятника. Нож маятника весом Р поднимают на высоту hн и закрепляют (рис. 4). В этом положении маятник обладает запасом потенциальной энергии

Е1 = Р ∙ hн.

Начальная высота подъема маятника hн выбирается в зависимости от материала образца и может варьироваться от 0, 2 до 2, 5м для разных марок копров.

Далее освобождают маятник, и его нож, свободно падая под действием собственного веса, ударяет по образцу и разрушает его (или изгибает, если запас энергии был недостаточным). При этом часть энергии расходуется на процессы деформации и разрушения образца. Линейная скорость рабочей части ножа маятника в момент удара должна быть в пределах от 4 до 7 м/с.

Оставшаяся после разрушения кинетическая энергия поднимает нож маятника на высоту hк. Величина этой энергии равна

Е2 = Р ∙ hк.

Абсолютное значение работы удара, затраченной на разрушение образца, определится как разность энергий:

А = Е1 – Е2 = Р ∙ (hн – hк).

Конструкции современных маятниковых копров позволяют определять работу разрушения образца без всяких расчётов по показаниям измерительного устройства, учитывающего вес ножа и разницу между начальной и конечной высотой его положения.

Величину работы А можно назвать абсолютной вязкостью образца. Её размерность – [Дж]. Чтобы охарактеризовать вязкость самого материала необходимо отнести значение А к площади поперечного сечения S образца в месте надреза:

а = А / S.

Величина а называется ударной вязкостью материала. Она имеет размерность [Дж/мм²] или [МДж/м²]. Ударная вязкость является важнейшим механическим свойством для материалов, из которых изготавливают детали и элементы конструкций, подвергающиеся в процессе работы значительным динамическим и вибрационным нагрузкам. Ударная вязкость характеризует способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам и хрупкому разрушению.

Надёжность результатов, полученных при испытаниях на ударную вязкость, в значительной мере зависит от качества изготовления образцов. В частности на результаты испытаний большое влияние оказывает тип и правильность исполнения надреза. В зависимости от типа надреза различают три стандартных показателя ударной вязкости. Они обозначаются заглавными латинскими буквами: KCU, KCV и КСТ. Последняя буква в этих обозначениях и характеризует тип стандартного надреза на образце.

Испытания на ударную вязкость имеют большое значение и для материалов, работающих при пониженных температурах. Снижение температуры часто приводит к изменению механических свойств материалов, обычно в худшую сторону. Наиболее значительно при этом изменяется ударная вязкость материалов – она резко снижается.

Многие пластичные материалы при пониженных температурах становятся менее пластичными и даже хрупкими. Это явление называется хладноломкостью. Для изучения склонности материалов к хладноломкостипроводят серию испытаний стандартных образцов и строят зависимость ударной вязкости от температуры. Пример такой зависимости приведён на рис. 5.

Ударная вязкость хладноломких материалов при понижении температуры ниже значения t1 постепенно уменьшается, материал переходит из вязкого состояния в вязко-хрупкое. При определенной температуре t2 ударная вязкость достигает своего минимального значения, которое при дальнейшем понижении температуры не изменяется, материал переходит в хрупкое состояние.

Температуры t1 и t2 называются верхней и нижней температурами хрупкости материала, а интервал между ними называется температурным интервалом вязко-хрупкого перехода.

Температуры хрупкости разных материалов имеют различные значения и зависят от химического состава, структуры и предшествующей обработки материала. К примеру ударная вязкость малоуглеродистой пластичной стали марки Ст3 при температуре +30°С вдвое выше, чем при температуре

–20°С, следовательно детали из этой стали при отрицательных температурах в два раза хуже сопротивляются ударным нагрузкам.

Большое значение в технике низких температур имеют материалы, не склонные к хладноломкости. Эти материалы остаются пластичными и вязкими вплоть до температур близких к абсолютному нулю. К данным материалам относятся некоторые медные и титановые сплавы.

Испытания на ударную вязкость выявляют хрупкость материалов в тех случаях, когда другими методами этого обнаружить не возможно. Данные испытания при повышенных температурах используются также для установления температурных режимов горячей обработки металлов давлением.