Ударная вязкость

Ударная вязкость - отношение работы ударного раз­рушения образца к площади его поперечного сечения в месте кон­центратора, размерность в Дж/см² (кгсм/см²). На рисунке 2.9 показан образец с концентратором (надрезом). Разме­ры образца, форма концентратора и способ обработки места над­реза оказывают большое влияние на результаты измерения ударной вязкости. Концентраторы сле­дует выполнять в твердых металлах абразивом, а в мягких — фасонной фрезой с дополнительным шлифова­нием или доводкой дна концентрато­ра (вида U, V и Т) по ГОСТ 9454-78. Результаты измерений зависят так­же от направления волокон метал­ла. Поэтому место концентратора об­разца и его положение по отноше­нию к направлению деформации при прокатке, ковке или штамповке, в частности вдоль прокатки (про­дольные образцы), поперек прокат­ки (поперечные образцы) или в ра­диальном направлении, определяют по техническим условиям.

Ударную вязкость определяют с по­мощью копров (ГОСТ 10708-82). Разрушение образ­ца осуществляется маятником, сво­бодно качающимся в опорах и имею­щим нож определенной формы и раз­меров. Образец устанавливают на нижние опоры копра симметрично опорам, т. е. так, чтобы надрез был обращен в сторону, противополож­ную направлению удара. Маятник поднимают в верхнее положе­ние и закрепляют защелкой. В таком положении ма­ятник обладает потенциальной энергией Рh_1? где Р — масса ма­ятника; h₁ — высота подъема. Затем маятник опускают. При па­дении он разрушает образец, после чего поднимается на некоторую высоту h₂, обладая при этом энергией Ph₂, меньшей энергии Ph₁. Разность между Ph₁ и Рh₂ определяет работу, затраченную на раз­рушение образца. Стрелка, установленная на станине копра, захва­тывается маятником и указывает на шкале угол подъема маятни­ка после разрушения образца. Работа удара К [Дж (кгс · м)] опре­деляется по формуле

К = P l (cos β - cos a),

где l — расстояние от оси маятника до его центра массы; a и β — углы подъема маятника соответственно до и после разрушения.

Угол а принимают постоянным, поэтому стрелку перед нача­лом испытания переводят по шкале в положение, соответствую­щее нулю градусов. Расчет работы разрушения можно не про­водить, так как копры снабжены таблицей, в которой против каж­дого значения угла указаны соответствующие значения К. Чем меньше работа разрушения К, тем более точными должны быть измерения.

1 — шкала; 2 — стрелка; 3 — тор­моз; 4 — образец; 5 — маятник

а — размеры образца, положение ножа маятни­ка; б — схема маятникового копра

Рисунок 2.9 - Схема испытания на ударную вязкость

Для образцов, требующих небольшую рабо­ту разрушения, следует применять менее мощный копер. У маятниковых копров мож­но изменять высоту подъема маятника и тем самым регулировать работу удара.

Зная работу удара К, можно найти ударную вязкость КС об­разца с надрезом [Дж/см² (кгс·м/см²)]:

КС=К/S₀,

где К — работа удара, Дж (кгс·м); S₀ — начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, см², где S₀ = Н’₁В, Н’₁ — начальная высота рабочей части образца, см; В — начальная ширина образца, см.

Работа удара К отнесена к площади по­перечного сечения образца в месте надреза. Удар ма­ятника воспринимается не площадью сечения образца, а опреде­ленным объемом вокруг места надреза, в котором происходит деформация. Чем больше этот деформируемый объем, тем выше способность металла рассредоточивать деформацию и тем больше ударная вязкость. Ударная вязкость снижается при повышении прочностных свойств металла (если одновременно повышается плас­тичность). Для более хрупких металлов при испытании используют образцы без надреза, тогда ударную вязкость обозначают К₅ С.

Ударная вязкость значительно изменяется при понижении тем­пературы (в условиях, когда вязкое разрушение становится хруп­ким). Поэтому испытания на ударную вязкость используют для определения хладноломкости, т. е. перехода стали из вязкого в хрупкое состояние при пониженных температурах.

За результат испытания 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 или КТ) и цифрами. Буква К — работа удара, буквы U, V или Т — вид концентратора. Цифры обозначают максимальную энергию удара маятника, глубину концентратора и ширину образца.

Например:

- KV^-40 50/2/2 —работа удара, определенная на образце с кон­центратором вида V при температуре минус 40 ⁰С; максимальная энергия удара маятника 50 Дж, глубина концентратора 2 мм, ширина образца 2 мм;

- КСТ⁺¹⁰⁰ 150/3/7, 5 — ударная вязкость, определенная на об­разце с концентратором вида Т при температуре плюс 100 °С; максимальная энергия удара маятника 150 Дж, глубина концен­тратора 3 мм, ширина образца 7, 5 мм.

При исследовании вязкости металла в условиях динамическо­го нагружения ограничиваются выявлением общей работы ударного разрушения, т.е. сопротивления образованию и развитию трещины. Работа разрушения определяется работой К₃, затрачи­ваемой на зарождение трещины, и работой К_р по ее распространению. Для более полной и надежной характеристики поведения металла в условиях динамического нагружения надо знать эти отдельные составляющие общей работы разру­шения.