Отчет по практическим работам: новые конструкционные материалы

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Волгодонский инженерно-технический институт –
филиал федерального государственного автономного образовательного
учреждения высшего образования
«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
(ВИТИ НИЯУ МИФИ)
Кафедра «Машиностроение и прикладная механика»
О Т Ч Ё Т по практическим работам
по курсу «Новые конструкционные материалы»
Студент, группа: —————————————————————————
——————
Преподаватель: —————————————————————————
————————————
Работа принята «__» ________2025 г.
Волгодонск 2025 г.
1
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №1.
ИЗМЕРЕНИЯ ТВЁРДОСТИ ПО РОКВЕЛЛУ И БРИНЕЛЛЮ
Цель работы – изучение с существующих методов определения
твердости, получение практических навыков определения твёрдости
конструкционных
материалов
и
пересчёта
чисел
твердости,
определяемых различными методами.
Твердость – это сопротивление материала проникновению в его
поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при
испытании.
Широкое распространение объясняется тем, что не требуются
специальные образцы.
Это неразрушающий метод контроля. Основной метод оценки качества
термической обработке изделия. О твердости судят либо по глубине
проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от
вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).
Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем
больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше
твердость
Твердость по Бринеллю необходимо определять при постоянном
значении F/D2, что обеспечивает для данного материала, Табл.1, вы
полнение условий подобия деформации, а диаметры отпечатков по
ГОСТ
9012–59
должны
находиться
в
пределах
0,2D<
d
<0,6D.
Методом Бринелля можно испытывать материалы с твердостью от НВ 8
до НВ 450.
На практике по диаметру d отпечатка находят число твердости НВ,
используя
таблицы,
составленные
для
каждого
из
рекомендуемых
соотношений F и D. Современное оборудование позволяет находить
твердость по-другому, – определяя глубину h внедрения шарика.
Число твердости по Бринеллю имеет размерность напряжения
2
(кгс/мм2), но его обычно записывают без указания размерности. При
измерении шариком диаметром 10 мм с выдержкой 10 с под нагрузкой
3000
кг
число
твердости
просто
сопровождают
символом
HB.
Например, запись HB 120 означает, что при указанных условиях
измерения твердость по Бринеллю составляет 120 кгс/мм 2 . При других
условиях измерения к символу HB добавляется индекс, в котором
последовательно
указывают
диаметр
шарика,
нагрузку
и
продолжительность выдержки. Запись HB 5/120/30 – 200 означает, что
твердость по Бринеллю при измерении шариком диаметром 5 мм с
выдержкой 30 с под нагрузкой 120 кг составляет 120 кгс/мм2.
Числа твердости по Бринеллю и по Виккерсу имеют одинаковую
размерность (кгс/мм2) и до НВ 350…400 их величины совпадают между
собой. При
НВ больше 400
твердость по
Бриннелю
оказывается
заниженной.
Необходимо измерить твердость меди и закаленной стали на
одном
приборе.
твердость
В
НRС и
каком
в
случае
каком
НRВ?
и
почему
Вы
Размерность
будете
измерять
полученных
чисел
твердости.
Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012 – 59 записывают без
единиц измерения. На практике при измерении твердости расчет по
указанной выше формуле не производят, а используют заранее составленные
таблицы, указывающие значение НВ в зависимости от диаметра отпечатки и
выбранной нагрузки (см. приложение № 1). Чем меньше диаметр отпечатка,
тем выше твердость.
Способ измерения по Бринеллю не является универсальным. Его
используют для материалов малой и средней твердости: сталей с твердостью
< 450 НВ, цветных металлов с твердостью < 200 НВ и т.п.
Для них установлена корреляционная связь между временным
сопротивлением (в МПа) или пределом прочности  в и числом твердости НВ
по Бринеллю, которая может быть представлена эмпирической формулой:
3
 в  С  HB 10 [МПа],
(1)
где С – коэффициент пропорциональности.
Для сталей
С = 0,33…0,36
Для алюминия
С = 0,4
Для меди
С = 0,48
Для дуралюмина
С = 0,37
Для латуни, бронзы
С = 0,53
Цилиндрический образец углеродистой стали с 0,45 % С был
закален с нагревом до 840 °С и охлаждением в воде.
Определение твердости осуществляется по Роквеллу.
Измерение твердости осуществляется в соответствии с ГОСТ
9013-59. В качестве индентора используется алмазный конус с
углом при вершине 120° и радиусом закругления 0,2 мм (шкалы А
и С) и стальной шарик диаметром 1,5875 мм (1/16 дюйма) (шкала
B).
Измерение твердости по шкале С (Сэ). Если индентор
внедрится в материал на глубину h=0,2 мм, то твердость такого
материала условно считается равной нулю. Если же под действием
той же нагрузки F индентор не внедряется в материал, то твердость
такого материала принято считать равной 100 единицам Роквелла.
таким
образом,
за
единицу
твердости
принята
величина,
соответствующая перемещению индентора на 0,002 мм.
По шкале С (Сэ) обычно измеряют твёрдость закалённых
материалов. Шкала Сэ : 20-67 ед. (окончательно термообработанная
4
сталь).
Автоматизированный стационарный твердомер по Роквеллу
TH-300 предназначен для определения твердости по методу
Роквелла твердых сплавов, закаленных и не закаленных сталей.
Твердомер ТН-300 имеет LCD дисплей для отображения
результатов, а также простоеи логичное в управлении меню.
Твердомер ТН300 позволяет определять твердость матеариала с
высокой точностью в режиме автоматического измерения.
Рисунок 1 - Твердомер ТНЗ-300
Цилиндрические фрезы изготовлены из быстрорежущей стали.
Объясните, почему измерение вдавливанием стального шарика
в данном случае недопустимо.
Выбор формы, размеров наконечника и величины нагрузки
5
зависят от целей испытаний, структуры, ожидаемых свойств,
состояния поверхности и размеров испытываемого изделия.
Рассмотрим эти случаи подробнее.
Если металл имеет гетерогенную структуру с крупными
выделениями отдельных составляющих, различных по свойствам
(например, серый чугун, подшипниковые сплавы и т.п.), то для
испытания на твердость выбирают шарик большого диаметра. Если
же металл имеет сравнительно мелкую и однородную структуру, то
даже малые по объему участки испытываемого изделия достаточны
для оценки его свойств. В таких случаях можно проводить
испытания вдавливанием тела небольшого размера, например,
алмазного конуса или пирамиды, и на меньшую глубину, и,
следовательно, при небольшой нагрузке.
При испытаниях материалов с высокой твердостью, например,
закаленной или низкоотпущенной стали, вышеприведенное условие
является даже обязательным, так как вдавливание стального
шарика или алмаза с большой нагрузкой может вызывать
деформацию шарика или скалывание алмаза. Однако, значительное
снижение нагрузки нежелательно, так как это приведет к резкому
уменьшению деформируемого объема и может дать значения, не
характерные для металла изделия.
6
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №2.
СТАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ НА ОДНООСНОЕ
РАСТЯЖЕНИЕ
Цель работы – изучение физико-механических свойств
материалов при статическом растяжении.
Испытания
на
растяжение
являются
основным
и
наиболее
распространённым методом исследования и контроля механических свойств
материалов.
Данные
испытания
регламентируют
государственным
стандартом. ГОСТ 1497–84 «Методы испытания на растяжение» содержит
основные требования к испытательным машинам, необходимые указания о
форме
и
размерах
образцов,
определение
основных
механических
характеристик материала и порядок проведения испытаний. Полученные в
результате опыта характеристики позволяют судить о прочности материалов
при статическом нагружении и считаются основными при расчётах деталей
машин, элементов конструкций и сооружений на прочность.
В процессе испытания графопостроитель вычерчивает диаграмму
растяжения образца в координатах
P
(нагрузка) –  l
(удлинение).
Примерный вид диаграммы для пластичного материала (малоуглеродистой
стали) показан на рис. 2.
7
Рисунок 1
Начальный линейный участок диаграммы ОА, для которого справедлив
закон Гука, после т. А искривляется, а затем переходит в горизонтальный
участок ВС, где деформация растёт при практически постоянном усилии, а
иногда и при уменьшении нагрузки. На диаграмме появляется так
называемая площадка текучести. Отношение
Т 
называется
вызывающая
пределом
текучесть
текучести
PT
F0
(1)
(физическим),
материала;
F0
–
где
–
нагрузка,
первоначальная
площадь
РТ
поперечного сечения образца. У многих материалов отсутствует явно
выраженная площадка текучести. В этом случае определяют условный
предел текучести  0, 2 (технический), представляющий собой напряжение, при
котором остаточное удлинение достигает 0,2%:
 0, 2 
P0, 2
F0
.
(2)
Деформирование образца после площадки текучести (участок CD)
требует увеличения нагрузки до некоторого наибольшего значения Pmax (точка
D). Происходит так называемое самоупрочнение материала. Если в
некоторой точке F прекратить нагружение и разгрузить образец, то разгрузка
пойдёт по линии FR , практически параллельной начальному линейному
8
участку ОА. Это свидетельствует о том, что при разгрузке исчезают только
упругие деформации, связанные с действием закона Гука. Отрезок RP
соответствует упругим деформациям, а отрезок OR – пластическим. Если же
после разгрузки образца до точки R снова увеличивать нагрузку, то
диаграмма будет иметь вид RFDK, т.е. диаграмма предварительно
нагруженного образца до нагрузки, большей РТ , короче диаграммы
исходного
материала. Таким образом, предварительная
пластическая
деформация делает материал более хрупким, уменьшая величину остаточной
деформации до момента разрушения в точке К, предел текучести повышается
(точка F), площадка текучести исчезает. Это явление называют наклёпом,
который повышает склонность материалов к хрупкому разрушению.
Рисунок 2. Машинные диаграммы растяжений сварного соединения.
Корпусная сталь – 15Х2НМФА:
М1-основной металл; Р7- металл шва, Р5-околошовная зона
Условным пределом пропорциональности называется напряжение
9
пр, при котором тангенс угла наклона касательной к диаграмме
растяжения в 1,5 раза больше тангенса угла наклона линейного учаcтка
этой диаграммы.
Предел пропорциональности оценивают как напряжение, при
котором отступление от прямой пропорциональной зависимости между
напряжением и деформацией достигает пределенной величины.
Условным пределом упругости 0.01 называется напряжение, при
котором остаточная (пластическая) деформация образца после снятия
нагрузки составляет 0.01%: 0.01 = P0,01 / F0.
Условным пределом прочности или временным сопротивлением на
разрыв В называется отношение наибольшей нагрузки Pmax к
первоначальной площади поперечного сечения образца F0: В = PВ / F0.
В пределах упругих деформаций нормальное напряжение прямо
пропорционально
относительному
удлинению
(закон
Гука
для
деформации растяжения):
  E ,
(3)
где E - коэффициент пропорциональности, называемый модулем
продольной упругости (модулем Юнга) материала образца. Модуль
продольной упругости численно равен нормальному напряжению,
которое возникло бы в теле при его относительном удлинении, равном
единице, если бы деформация оставалась упругой. При этом длина тела
увеличилась бы в два раза.
Зависимость
нормального
напряжения  от
относительного
удлинения  изображена на рисунке 3. При малых деформациях (от 0 до
10
 n ) выполняется закон Гука; это практически линейный участок 0a .
n
Максимальное напряжение
, соответствующее этому участку,
называется пределом пропорциональности. Предел упругости
y
- это
максимальное напряжение, при котором еще сохраняются упругие
свойства тела. На участке ab деформация нелинейная, но еще упругая
(обычно этот участок очень малый:
При напряжениях, больших
y
y
больше  n на доли процента.)
, деформация становится пластической: в
теле после снятия нагрузки наблюдается остаточная деформация  0 . При
напряжениях
T
удлинение нарастает практически без увеличения
нагрузки. Это область текучести материала (участок cd). На участке de
происходит
некоторое
упрочение
образца.
После
достижения
максимального значения  d – предела прочности – напряжение резко
уменьшается, и образец разрушается (точка f на графике).
Рисунок. 3. Зависимость нормального напряжения 
от относительного удлинения 
В
пределах
упругости
удлинение
проволоки
прямо
пропорционально растягивающей силе, первоначальной длине l и
обратно пропорционально площади ее поперечного сечения S :
11
l  k
где
l
- удлинение,
k
F
l
S
(4)
– постоянная величина (коэффициент
упругости), зависящая от материала проволоки. Обычно в формулу
вводят не k , а величину, обратную ей: E  1/ k . Величина E носит
название
модуля
упругости
(модуля
Юнга).
Подставляя
в
уравнение (1) вместо k величину E , получим
l 
Fl
ES ,
откуда
E
и величина
величину
P  F /S
упругих
F l
:
S l
(5)
носит название усилия и характеризует
сил,
развивающихся
в
деформируемом
материале (напряжение).
Итак, модуль Юнга численно равен усилию P , вызывающему
единичное относительное удлинение исследуемого материала. При
относительном удлинении, равном l , l  l , откуда E  P , т.е.
усилию, которое растягивает стержень вдвое. Таким образом,
модуль Юнга характеризует собой сопротивление материала
приложенным
нагрузкам.
Для
определения
модуля
Юнга
необходимо измерить удлинение, а так как оно обычно очень мало,
то нужны особые предосторожности и большая тщательность в
производстве отсчетов.
Для определения модуля Юнга из растяжения используем
формулу (5), которую запишем в следующем виде:
12
E
F l
4mgl
:

S l
d 2 l
(6)
где d - диаметр растягиваемой проволоки, l - ее длина.
Диаграмма
растяжений
Показывает
зависимость
между
растягивающей силой P, действующей на образец и, вызываемой
ею, деформацией образца Δl (Рис.4).
Рисунок
4.
Машинная
диаграмма
растяжения
сравнительно
пластичного материала – малоуглеродистой стали.
На диаграмме можно указать пять характерных точек: A, B, C, D,
K.
Прямолинейный
участок
диаграммы
ОА
указывает
на
пропорциональность между нагрузкой Р и удлинением Δl. (закон
Гука). Величина силы Рпц (точка А), до которой остается
справедливым закон Гука, зависит от размеров образца и
физических
свойств
материала.
Если
испытуемый
образец
нагрузить растягивающей силой, не превышающей величину
ординаты точки B (силы Py), а потом разгрузить, то при разгрузке
деформации образца будут уменьшаться по тому же закону, по
13
которому они увеличивались при нагружении. Следовательно, в
том
случае
в
образце
возникают
только
упругие
деформации. В случае, если растягивающее усилие выше Py, при
разгрузке образца деформации полностью не исчезают и на
диаграмме линия разгрузки будет представлять собой прямую B'О',
уже не совпадающую с линией нагружения, а параллельную ей. В
этом случае деформация образца состоит из упругой ΔlупрB' и
остаточной (пластической) ΔlостB' деформации. То есть, при
превышении
нагрузки
деформации
при
Py
образец
разгружении.
испытывает
Выше
точки
В
остаточные
диаграмма
растяжения значительно отходит от прямой (деформация начинает
расти быстрее нагрузки, и диаграмма имеет криволинейный вид), а
при нагрузке, соответствующей Рт (точка С), переходит в
горизонтальный участок. В этой стадии испытания в материале
образца по всему его объему распространяются пластические
деформации. Образец получает значительное остаточное удлинение
практически
без
увеличения
нагрузки.
Свойство
материала
деформироваться при практически постоянной нагрузке называется
текучестью. Участок диаграммы растяжения, параллельный оси
абсцисс, называется площадкой текучести.
14
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №3.
СТАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ НА ОДНООСНОЕ СЖАТИЕ
Цель работы – изучение физико-механических свойств материалов
при статическом сжатии.
Испытание металлов на сжатие производят в соответствии с ГОСТ
25.503 - 97. При этом используют цилиндрические образцы с
начальным диаметром d0 = 10, 15, 20, 25, 30 мм. Высота
образца h0 составляет (1,5-2) d0.
Испытание древесины на сжатие производят в соответствии с
ГОСТ 16483.10-73. При этом используют образцы в виде
прямоугольного
параллелепипеда
квадратного
поперечного
сечения. Высота образца совпадает с продольным направлением
волокон древесины. В лабораторной работе для испытаний на
сжатие используется разрывная машина МИ-40КУ с предельной
нагрузкой 40 кН. Эта машина обеспечивает построение графика
зависимости усилия от деформации на дисплее компьютера при
растяжении образца при различных скоростях перемещения с
возможностью его последующей обработки, запоминания и
распечатки. Абсолютное удлинение откладывается вправо, а
растягивающая сила – вверх. Конструкция машины обеспечивает
возможность полного управления при помощи компьютера,
подсоединённого к ней через стандартный интерфейс RS-232.
15
Для построения кривой упрочнения предполагается использовать
образцы III типа, Рис.1 в ГОСТ 25.503-97. Для различных
материалов рассчитайте соотношение h0 / d0 по формуле А.1,
Приложение А, ГОСТ 25.503-97 по номеру варианта, Табл. 3.3.
Расположите материалы в убывающий ряд в зависимости от
соотношения h0 / d0. Ответить на вопрос, для какого материала
соотношение h0 / d0 имеет наилучшее значение?
Варианта Материалы
7
Mg, углеродистые стали (C = 0,05-010%), 40ХН,
12Х18Н9,Д20, латунь Л63.
Испытания проводят на образцах четырех типов: цилиндрических и
призматических (квадратных и прямоугольных), с гладкими
торцами I-III типов (рисунок 1).
Рисунок 1 - Экспериментальные образцы I-III типов
16
Тип
образ
ца
III
Начальн Начальн Рабочая
Определяемая
ый
ая
(начальная
характеристика
диаметр толщина расчетная)
цилинд- призмат
высота
рическог
иобразца
о
ческого
*, мм
образца образца
, мм
, мм
6; 10; 15; 5; 10; 15; Определяю Физический предел
20; 25; 30 20; 25;
т по
текучести, условный
30
приложени предел текучести.
юА
Построение кривой
упрочнения до
значений
логарифмических
деформаций
Примечан
ие
**
* Высоту призматического образца устанавливают исходя из его
площади
, приравнивая ее к ближайшей площади через .
** Для построения кривых упрочнения применяются только
цилиндрические образцы.
Примечание - Ширину призматических образцов
соотношения
определяют из
.
Рисунок 2 - Диаграмма испытаний
17
Высоту образца определим по формуле:
ℎ𝑜 =
2.24𝑑𝑜√𝑛
𝑣
ℎ𝑜 =
2.24×10√0.9
= 42.5мм для Мg
0.5
ℎ𝑜 =
2.24×10√0,25
= 22.4мм для углеродистых сталей
0.5
ℎ𝑜 =
2.24×10√0.625
= 35.4мм для 12Х18H9
0.5
ℎ𝑜 =
2.24×10√0,21
= 20,4мм для Д20
0.5
ℎ𝑜 =
2.24×10√0,565
= 16,8мм для CuAl 41
0.5
18
Рисунок 3- Зависимость F = F(h) для пластичного материала
(малоуглеродистая сталь)
На начальном участке ОА диаграммы между силой F и укорочением h
выполняется закон Гука.
В точке А закон Гука нарушается: зависимость между силой и
укорочением
становится
нелинейной.
На
диаграмме
наблюдается
горизонтальный участок БВ, называемый площадкой текучести. В этой
стадии испытания образец пластически деформируется при постоянной силе.
Деформация образца по длине рабочей части равномерная.
Явление интенсивного пластического деформирования материала
образца называется текучестью. Площадка текучести заканчивается и
начинается участок упрочнения ВД, т.е. восходящая часть диаграммы.
Для малопластичных материалов ( чугуны, большинство сталей в
закаленном
и
низкоотпущенном
состоянии,
некоторые
полимерные
материалы) испытания на растяжение являются чрезмерно жесткими и почти
не применяются. Эти материалы очень чувствительны даже к небольшим
перекосам, возможным при установке образцов в испытательной машине, и
часто разрушаются в начале испытания.
19
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 4
ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ НА УДАРНЫЙ ИЗГИБ
Цель работы – изучение физико-механических свойств
материалов при динамических испытаниях на ударный изгиб.
Испытания на ударный изгиб для чёрных, цветных металлов и сплавов
регламентируется ГОСТ 9454-78 (Приложение 2). Испытания проводят-ся в
диапазоне температур о т минус 10 0С до плюс 30 0С. Метод основан на
разрушении
образца
с
концентратором
посередине
одним
ударом
маятникового копра (Рис.4.1). В результате испытания определяют полную
работу, затраченную при ударе или ударную вязкость.
Вязкость твёрдого тела – свойство необратимо поглощать энергию при
пластическом деформировании вплоть до разрушения.
Определение ударной вязкости при испытаниях на ударный изгиб
(ГОСТ 9454-78)
Метод основан на разрушении образца с надрезом посередине
(концентратором) одним ударом маятникого копра, когда концы образца
свободно лежат на опорах копра (рис. 3). В результате испытаний
определяют полную работу (K), затраченную на разрушение образца (работу
удара), или удельную работу, т.е. ударную вязкость (KС).
Образцы для испытаний на ударный изгиб имеют квадратное сечение и
надрезы (концентраторы) следующих видов:
-U-образный (образец Менаже, рис. 4, а, стр. 10);
-V-образный (образец Шарпи, рис. 4, б, стр. 10);
-T-образный (надрез V-образный с заранее нанесенной усталостной
трещиной, рис. 4, в, стр. 10).
Образцы с U-образным концентратором используют при выборе или
приемо-сдаточных испытаниях металлов и сплавов. Образцы с V-образным
20
концентратором – при оценке возможности использования или приемосдаточных испытаниях материалов конструкций повышенной степени
надежности: транспортных средств, трубопроводов, сосудов под давлением,
летательных аппаратов и т.п. При испытаниях материалов для особо
ответственных конструкций, при эксплуатации которых первостепенное
значение имеет оценка сопротивления развитию трещины, а также при
исследовании причин разрушения ответственных конструкций используют
образцы с T-образным концентратором. Его получают в вершине начального
надреза при циклическом изгибе образца в одной плоскости с числом циклов
изгиба не менее 3000.

 
h
Н
 
Рисунок1. Схема испытания на ударный изгиб на маятниковом
копре
Для испытания используют маятниковые копры с максимальной
энергией удара маятника от 4,9 (0,5) до 294 (30) Дж (кгсм). Образец
устанавливают
горизонтально
в
специальный
шаблон
(рис.
3),
обеспечивающий установку надреза в середине пролета между опорами.
Удар маятника наносят со стороны, противоположной надрезу, в плоскости
его симметрии, и перпендикулярно продольной оси образца. Маятник
21
закрепляется в исходном верхнем положении с высотой Н и углом подъема
. Затем маятник отпускают, он свободно падает, ударяет по образцу,
изгибает и разрушает его, поднимаясь после этого на высоту h и угол . Чем
больше энергии затрачено на разрушение образца, тем меньше h и .
Величина работы удара (энергии разрушения) K определяется как разность
потенциальной энергии, запасенной при подъеме маятника KП и остаточной
энергии KОСТ, которой обладает маятник после разрушения образца:
K = KП – KОСТ.
(1)
Значения KП и KОСТ определяют по шкале копра, проградуированной
в кгсм (Дж).
Работу удара обозначают двумя буквами и цифрами: первая буква (K) –
символ работы удара, вторая буква (U, V или T) – вид концентратора;
последующие цифры обозначают максимальную энергию удара маятника,
глубину концентратора и ширину образца. Индекс указывает температуру
испытаний, отличную от комнатной. Эти цифры не вносят в обозначение
работы удара, если испытание проведено в "стандартных" условиях: копер
имеет
максимальную
энергию
удара
маятника
294
Дж,
глубина
концентратора (U или V) 2 мм и 3 мм (T) и ширина образца 10 мм.
Например:
– символы KV-40 50/2/5 обозначают работу удара, определенную на
образце шириной 5 мм с концентратором вида V глубиной 2 мм при
температуре –40 С при максимальной энергии удара маятника 50 Дж.
Ударная вязкость – это работа удара, отнесенная к начальной площади
поперечного сечения образца в месте концентратора. Ее обозначают путем
прибавления к символу работы удара буквы С, причем "стандартные
условия" так же не вводят в обозначение.
Вязкость или внутреннее трение – свойство текучих тел (жидкостей
22
и
газов)
оказывать
сопротивление
перемещению
одной
их
части
относительно другой. Это явление определяет диссипацию (поглощение)
энергии при деформации среды. При деформации сдвига вязкость называют
сдвиговой, при деформации объема (всестороннее сжатие) проявляется
объемная вязкость. В данном случае мы будем касаться только вопроса
сдвиговой вязкости.
Суть явления состоит в том, что движущиеся слои газа или жидкости
увлекают соседние слои и, наоборот, неподвижные (или движущиеся с
меньшей скоростью) тормозят более быстрые соседние слои. Таким образом,
между любыми соседними слоями рассматриваемой среды действуют силы
внутреннего трения (или силы вязкости). Механизм возникновения этих сил
заключается в переносе импульса (количества движения) от одного слоя к
другому.
Совместно с теплопроводностью и диффузией вязкость относят к
явлениям переноса (теплопроводность связана с переносом частицами среды
тепловой формы передачи энергии, диффузия – с переносом массы).
Для оценки склонности к хрупкому разрушению металла используют
динамические испытания. Наиболее распространены испытания на ударный
изгиб.
Метод основан на разрушении образца с концентратором посередине
одним ударом маятникового копра. Концы образца располагают на опорах. В
результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе
(работа удара), К или ударную вязкость.
Под ударной вязкостью следует понимать работу удара, отнесенную к
начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора.
Испытания на ударный изгиб проводят на маятниковых копрах,
отвечающих требованиям ГОСТ 10707-82. Скорость движения маятника в
момент удара должна быть 5 ± 0,5 м/с - для копров с номинальной
потенциальной энергией маятника 50,0 (5,0); 150 (15); 300 (30) Дж (кГсм).
Ударная вязкость – работа удара, отнесенная к начальной площади
23
поперечного сечения образца в месте концентратора (надреза). Ударную
вязкость обозначают буквами КС (символ ударной вязкости), третья буква –
вид концентратора: KCU, KCV, KCT. Допускается обозначать ударную
вязкость двумя индексами (ai); первый (а) – символ ударной вязкости; второй
(i) – символ типа образца.
Работа удара – работа, затрачиваемая на разрушение образца,
обозначается двумя буквами (KU, KV, или KT) и цифрами. Первая буква (К)
- символ работы удара, вторая буква (U, V или Т) – вида концентратора.
Допускается обозначать работу удара двумя буквами Аi: первый (А) – символ
работы удара, второй (i) – символ типа образца.
В соответствии с ГОСТ 9454-78 предусмотрены испытания образцов с
концентратором напряжений трех видов: U-образным (радиус надреза r = 1
мм); V-образным (r = 0,25 мм) и Т-образным (трещина усталости, созданная в
основании надреза). Соответственно ударную вязкость обозначают: KCU,
KCV, KCT.
Образцы с U-образным концентратором применяют при выборе и
приемо-сдаточных испытаниях металлов и сплавов конструкций общего
назначения; V-образным концентратором – для конструкций повышенной
степени
надежности
(летательные
аппараты,
транспортные
средства,
трубопроводы, сосуды давления и т. п.); Т-образным – для особо
ответственных
конструкций,
для
эксплуатации
которых
оценка
сопротивления развитию трещины имеет первостепенное значение.
Ударная вязкость КС, Дж/ определяется как отношение работы
разрушения К, затраченной на деформацию и разрушение ударным изгибом
надрезанного образца, к начальной площади поперечного сечения образца в
месте надреза Sо по формуле КС= К/Sо.
В зависимости от вида концентратора напряжений различают образцы
трех типов: с радиусом дна надреза 1,0 мм (тип U), 0,25 мм (тип V), и
24
инициированной трещиной (тип Т) .
Из вышеизложенного следует: KCU˃KCV˃KCT
Основным критерием ударной вязкости является KCV :
KCV = KC з + KC р ,
где КС 3 - работа зарождения трещины; КС р ≈ КСТ - работа
распространения трещины. Чем острее надрез тем меньше КС 3 .
Соотношение 50% на 50% вязкой и хрупкой составляющих в изломе
ударного образце означает достижение Тк0 для данного материала по
критерию содержания вязкой составляющей в изломе. На Рис.4.9 для стали с
содержанием углерода С = 0,09% пороговая температура Тк0 = 0 0С, т.е.
ниже
этой
температуры
материал при
ударном
нагружении
будет
разрушаться хрупко и при низких энергетических затратах
Под критической температурой хрупкости понимается температура,
принимаемая за температурную границу изменения характера разрушения
материала от хрупкого к вязкому. Она определяется по энергии,
25
затрачиваемой на разрушение, в качестве показателя которой принимается
ударная вязкость, и по виду излома образцов, в качестве показателя которого
принимается доля вязкой составляющей в изломе или значение поперечного
расширения образца в зоне излома.
26