2.6. ЛАБОРАТОРНА РОБОТА: ВИЗНАЧЕННЯ УДАРНОЇ В’ЯЗКОСТІ СТАЛІ ПРИ УДАРНОМУ ЗГИНІ ТА РОЗТЯГУ

Мета роботи: дослідження поведінки сталевих зразків під час ударного згину і  розтягу та визначення питомої ударної в’язкості.

Короткі теоретичні відомості

Рішення інженерних задач базується на наближеній теорії пружного удару, у якій приймаються такі основні припущення:

1. Кінетична енергія тіла, що вдаряється, цілком переходить у потенційну енергію деформацій, при цьому зневажають енергією, яка йде на деформацію тіла, що вдаряється.

2. Закон розподілу напружень і деформацій по об’єму тіла залишається таким же, як і при статичній дії сил, при цьому не враховується зміна розподілу напружень і деформацій у тому місці, де відбувається співудар тіл, а також за рахунок коливань високої частоти, що супроводжують явище удару у всьому обсязі тіла.

Припустимо, що дуже жорстке тіло А вагою Q, деформацією якого можна зневажати, падаючи з деякої висоти h, ударяє по іншому тілу В, яке опирається на пружну систему С. В окремому випадку це може бути падіння вантажу на кінець призматичного стержня, інший кінець якого закріплений (поздовжній удар), падіння вантажу на балку, що лежить на опорах (згинаючий удар).

Матеріал у порівнянні зі статичним навантаженням інакше реагує на удар.

Одержані при статичних випробуваннях, тобто під дією дуже повільно наростаючого навантаження, механічні характеристики не можуть оцінити здатність матеріалу протистояти ударному навантаженню. Випробування на ударну в’язкість відносяться до динамічних видів випробувань, які застосовують, щоб оцінити властивість матеріалів витримувати ударні навантаження. Ці випробування особливо важливі для високоміцних сплавів, які можуть мати задовільні характеристики пластичності при звичайних випробуваннях, але крихко руйнуються у реальних конструкціях при наявності концентраторів. Швидкість деформування і деформація при динамічних випробуваннях на декілька порядків більші, ніж при статичних.  При великих швидкостях збільшується небезпека крихкого руйнування. Ця небезпека особливо зростає при наявності в деталі різного роду надрізів (отвори, виточки, галтелі, канавки і т. п).

Зазначені обставини призводять до необхідності введення деякої характеристики, що дає оцінку поведінки матеріалу при динамічних навантаженнях і виявляє небезпеку крихкого руйнування. Для цього призначені  спеціальні випробування на ударну в’язкість – ударна проба матеріалу.

Ударна в’язкість – це складна комплексна характеристика, яка залежить від декількох більш простих механічних властивостей.

Випробування на удар проводять на спеціальних маятникових копрах із застосуванням стандартних зразків. Щоб можна було порівнювати отримані результати,  ГОСТ 9454-78 стандартизує методи визначення ударної в’язкості, форму й розміри зразків, надрізів (рис. 2.27), а також умови їх механічної обробки, якість обробки поверхні, оскільки всі ці фактори впливають на величину ударної в’язкості.

Необхідність стандартизації викликана тим, що неоднорідність напруженого стану в зоні надрізу і складність явищ, які протікають при ударному руйнуванні, не допускають застосування закону подібності (як, наприклад, в разі розтягу гладких зразків). Це означає, що для геометрично подібних, але різних за розмірами зразків величина ударної в'язкості не буде однаковою, вона залежить від температури зразка при випробуваннях.

рис 2.27.PNG

Ударний згин зразка

Найбільш поширеним видом ударних випробувань є випробування на ударний згин зразка з надрізом, загальний вигляд якого зображено на рисунку 2.27, а. На рисунку 2.28 зображено ескіз зразка з надрізом. Надріз роблять для того, щоб створити додаткову умову, що полегшує крихке руйнування зразка. Поблизу надрізу виникає об’ємний напружений стан (тривісний розтяг), що ускладнює розвиток пластичної деформації і сприяє крихкому руйнуванню.

Наявність різкого переходу в розмірах поперечного перерізу виробу, а також перші сліди тріщин сприяють виникненню крихкості та викликають передчасне руйнування матеріалу. Тому випробовувані зразки надрізають з одного боку, щоб викликати в них різку неоднорідність напружень при ударі й ускладнити пластичну деформацію, що полегшує оцінку схильності металу до переходу в крихке становище.

Ударна в’язкість при згині alpha h.PNG визначається як відношення роботи A, необхідної для руйнування ударом спеціального зразка, до площі поперечного перерізу в місці надрізу:

(2.29).PNG

де ан  – питома ударна в’язкість, Дж/м2;

    А – робота, витрачена на руйнування (злом) зразка при ударі, Дж;

    S – площа перерізу зразка в місці надрізу (рис. 2.28), м2.

рис 2.28.PNG

Чим більш пластичний матеріал, тим більше величина роботи, що витрачається на його руйнування. Тобто пластичний матеріал краще чинить опір ударним навантаженням.

Величина ударної в’язкості залежить від температури зразків при випробуваннях. Для порівняльної оцінки якості матеріалу проводять випробування при кімнатній температурі. Ударна в’язкість сильно залежить також від наявності різного роду дефектів в структурі металу (тріщини, порожнечі, неметалеві включення та ін.). Тому випробування на ударну в’язкість відносяться також до числа поширених технологічних проб, які виявляють якість матеріалу. При ударному згині пластичний матеріал змінює свої властивості і руйнування набуває крихкого характеру (рис. 2.29, б).

рис 2.29.PNG

Поява крихкого зламу пояснюється тим, що діаграма розтягу волокон, що прилеглі до надрізу, і особливо границя текучості сильно підвищені, як під впливом швидкості, так і під впливом надрізу, що створює різкий градієнт напружень і тим ускладнює деформацію. А істинний опір розриву не залежить від цих чинників і, при досить інтенсивній дії останніх, може виявитися нижче опору пластичної деформації (границі текучості). Завдяки цьому, на появу крихкості впливають:

а) температура зразка, при зниженні якої підвищується границі текучості, збільшуючи внутрішнє тертя, що полегшує появу крихкості;

б) швидкість удару, збільшення якої також підвищує границю текучості;

в) форма зразка, так як широкі зразки з ускладненою поперечною деформацією легше призводять до крихкого зламу, ніж вузькі.

Крихкий злам при кімнатній температурі проявляється у таких матеріалів, що пройшли неналежну термічну і механічну обробку, наприклад, крупнокристалічне залізо (рекристалізація після появи критичного наклепу), зістарене залізо (що отримало деформацію при 200-300°С), хромонікелева сталь, відпущена з малою швидкістю охолодження (крихкість відпустки), інші види випробування, в тому числі ударний розрив. Випробування на удар без надрізу застосовується тільки під час випробувань колій.

Наявність різкого переходу в розмірах поперечного перерізу виробу, а також перші сліди тріщин сприяють виникненню крихкості та викликають передчасне руйнування матеріалу. Тому випробовувані зразки надрізають з одного боку, щоб викликати в них різку неоднорідність напружень при ударі й ускладнити пластичну деформацію, що полегшує оцінку схильності металу до переходу в крихке становище.

Зразок для випробувань встановлюють на опори копра (рис. 2.30, а) і піддають ударній дії масивним маятником, що падає з певної висоти. Ескіз установки зразка наведено на рисунку 2.30, б.

Біля дна надрізу при ударі, внаслідок різкої зміни площі поперечного перерізу разом з напруженнями, спрямованими уздовж осі зразка, з’являються напруження, перпендикулярні до осі, тобто виникає об'ємний напружений стан із позитивними головними напруженнями. Ці напруження ускладнюють пластичну деформацію в матеріалі зразка. Ще більш суттєве те, що надріз зосереджує всю деформацію, поглинаючи енергію удару, в порівняно невеликому об’ємі матеріалу.

рис 2.30.PNG

Ударні випробування зразків на ударний згин проводять на маятниковому копрі МК-30 з граничною енергією копра 300 Дж. Швидкість ножа копра змінюється від 4 до 7 м/с, що відповідає підняттю ножа маятника на висоту від 0,8 до 2,6 м.

Роботу, що витрачається на руйнування зразка, визначають, як різницю запасів енергії маятника до і після удару:

А=.PNG

де Н – висота підняття центру ваги маятника до удару, м;

h – висота підняття центру ваги маятника після удару, м.

Ударний розтяг зразка

Для випробувань на ударний розтяг використовують зразок циліндричної форми (рис. 2.31), на кінцях якого нарізана різьба, довжиною ℓ2.

рис 2.31.PNG

Один кінець зразка вкручують в спеціальне пристосування в молоті маятника, а на другий накручують «тарілку» (рис. 2.32).

рис 2.32.PNG

Розтягуюче навантаження миттєво подається на зразок в момент удару фіксуючого бруска по ковадлах. Цей тип кріплення зразка дає постійний розподіл енергії удару в розрахунку на площу зразка. Після випробування на ударний розрив отримуємо зразок з такими ж наслідками, як і при випробуванні на статичний розтяг. За короткий період часу зразок стає довшим, з’являється слабке місце – «шийка» і відбувається відрив (рис.2.33).  Характер руйнування зразка –  відривання зі зсувом.

При ударному розриві деформації та напруження залежать від довжини стержня ℓ0 і модуля поздовжньої пружності Е. Таким чином, для зниження напружень збільшують довжину зразка. Отже, при поздовжньому ударі величина напружень залежить від об’єму. Таким чином питома ударна в’язкість ан визначається як відношення роботи, витраченої на руйнування зразка, до його об’єму:

(2.30).PNG

де ан  – питома ударна в’язкість, Дж/м3;

 

А – робота, витрачена на руйнування (розтяг) зразка при ударі, Дж;

    V – об’єм матеріалу зразка, м3.

 

Роботу руйнування визначають на спеціальному ударному копрі Шарпи, визначаючи кут підйому маятника після удару. По спеціальним таблицям (Додаток 4) цей кут переводять в роботу руйнування.

У результаті випробувань завжди виявляється, що динамічний тимчасовий опір вище статичного (перевищення до 100%), границя текучості також підвищена, і до того ж більша ніж тимчасовий опір на 20-60%. Подовження або дорівнює або більше статичного; звуження шийки майже таке ж саме. Характерна ударна крихкість проявляється при цьому випробуванні у дуже небагатьох металів (наприклад у сталі з вмістом фосфору > 0,10%).

Вимірювання сил при ударі представляє великі труднощі і у лабораторну практику ще не увійшло. Одним з недоліків традиційного методу випробування на удар є те, що в результаті визначається лише сумарна енергія руйнування.

Іноді застосовують інструментальні методи контролю випробування, суть яких полягає в безперервному вимірюванні навантаження в процесі руйнування. Це дає можливість для оцінки крім енергії руйнування ще й максимального зусилля при руйнуванні, що дозволяє оцінити перехід від крихкого до пластичного механізму руйнування при зниженні температури.

рис 2.33.PNG

 

 

рис 2.33(10.PNG

Оснащення робочого місця

v  лабораторні установки – маятниковий копер МК-30А та копер Шарпі;

v  зразки на ударний розтяг та згин;

v  методичні вказівки до виконання лабораторної роботи;

v  калькулятор, олівець, лінійка;

v  журнал лабораторних робіт.

 

Проведення випробувань

 

Робота складається з двох етапів: на першому етапі проводимо випробування на ударний згин, на другому етапі – випробування на ударний розтяг.

Лабораторна робота проводиться у такій послідовності:

1.   Перед випробуваннями слід обміряти розміри зразків: на ударний згин – у місці надрізу, на ударний розтяг – робочу довжину і діаметр.

2.   Для випробувань на ударний згин: встановити відстань між опорами. Якщо поперечний переріз зразка становить 10х10мм2, то відстань між опорами  40 мм.

3.   Злегка відхиливши маятник в сторону його підйому, покласти зразок на опори так, щоб удар падаючого маятника припадав з боку, протилежного надрізу, відносно опор з похибкою не більше ±0,5 мм, а надріз знаходився в одній площині з вістрям ножа маятника (рис. 2.30, б).

4.   Підняти маятник на висоту, відповідну енергії удару, що задається і закріпити защіпку стопором. Не рекомендується встановлювати надмірно велику енергію удару в порівнянні з необхідною для руйнування зразка, так як це знижує точність результату випробування.

5.   Звільнити запобіжник, маятник вільно падає, руйнуючи зразок. При цьому покажчик шкали покаже величину роботи, витраченої на руйнування зразка.  Після руйнування зразка зупинити гойдання маятника гальмом.

6.   Знайти енергію, витрачену на руйнування зразка:

Aн = A0 – A1.

7.   Визначити ударну в’язкість матеріалу зразка aн. Результати розрахунків занести у таблицю 2.14.

8.   Для випробувань на ударний розтяг: накрутити на один кінець зразка спеціальний пристрій «тарілку», а другий вкрутити в молот маятника.

Таблиця 2.15 – Журнал спостережень при ударному згині.

Потенційна енергія

маятника до

руйнування зразка (робота)

Потенційна енергія

маятника після руйнування зразка (робота)

 Робота

руйнування

А, H×м

 Питома ударна  в¢язкість ан,

Н×м/см2

А0 =

А1 =

А = А0 - А1

ah.PNG

 

1.        Підняти маятник на висоту, що відповідає нульовій відмітці на шкалі силовимірювача і закріпити запобіжником.

2.        Звільнити запобіжник. Розтягуюче навантаження миттєво подається на зразок у момент удару фіксуючої «тарілки» бруска по ковадлах Зупинити маятник при зворотному ході за допомогою стрічкового гальма.

3.        Визначити за шкалою копра кут зльоту маятника після удару, та за допомогою спеціальних таблиць перевести його в роботу руйнування.

4.        Визначити об’єм робочої частини зразка та розрахувати ударну в’язкість матеріалу aн.  Результати випробувань занести у таблицю 2.15.

Таблиця 2.16 – Журнал спостережень при ударному розтягу.

 Кут  зльоту

маятника  до

руйнування

зразка,град
Кут зльоту

маятника після

руйнування

зразка, град

Робота

руйнування

А, Н×м

(по таблиці)

 Питома

ударна в¢язкість aн

Н×м/см3

α0 =

α1  =

 

ah av.PNG

 

1.            Під час проведення випробувань висувають наступні вимоги: при вирізанні заготовок метал зразків не повинен піддаватися наклепу та нагріву, які змінюють властивості металу; якщо в результаті випробування зразок не зруйнувався повністю, то показник якості матеріалу вважається не встановленим.

2.            Відповісти на контрольні запитання.

3.            Захистити лабораторну роботу у викладача.

 

Тестові запитання для самоконтролю

1.  Що таке динамічне навантаження?

короткочасний силовий вплив;

навантаження, що відповідає границі пропорційності;

навантаження, що відповідає границі міцності.

2.  Величина, що оцінює вплив частоти вимушених коливань називається:

коефіцієнтом динамічності;

коефіцієнтом пружності;

коефіцієнтом запасу міцності.

3.  Навантаження, при якому швидкість деформування тіла взаємодіючих тіл, змінюється за короткий період часу називається:

ударним;

статичним;

крутильним.

4.  Відношення роботи руйнування стандартного зразка під час випробувань на удар до площі його поперечного перерізу в місці надрізу називається:

питомою ударною в’язкістю;

коефіцієнтом запасу міцності;

границею міцності.

5.  За допомогою якого пристрою проводять випробування на удар?

маятниковий копер;

крутильна машина;

універсальна розривна машина.

6.  Зразок якого перерізу використовують на ударний згин?

прямокутного;

круглого;

двотаврового.

7.  Зразок якого перерізу використовують на ударний розтяг?

круглого;

прямокутного;

двотаврового.

8.  Що характеризує здатність матеріалу протистояти крихкому руйнуванню?

ударна в’язкість;

границя міцності;

відносне залишкове видовження.

9.  Для чого роблять надріз на зразку при випробуваннях на ударний згин?

для того, щоб створити концентратор напружень;

для того, щоб зразок не перевернувся;

для того, щоб зразок розтягнувся.

10. Для чого проводять випробування на ударну в’язкість?

щоб оцінити властивість матеріалів витримувати ударні навантаження;

щоб оцінити опір розриву;

щоб оцінити властивість матеріалу витримувати зовнішні навантаження.

11. Яку геометричну характеристику використовують при розрахунках на ударний розтяг?

об’єм зразка;

момент опору перерізу зразка;

момент інерції перерізу зразка.

12. Яку геометричну характеристику використовують при розрахунках на ударний згин?

площу перерізу зразка;

момент інерції перерізу зразка;

момент опору перерізу зразка.

13. Як визначають роботу руйнування на маятниковому копрі під час випробувань на удар?

як різницю запасів енергії маятника до і після удару;

як суму кінетичної та потенційної енергії;

як різницю зовнішніх сил, що діють на тіло.

14. Яким символом позначається робота руйнування?

А;

F;

σт.

15. Одиниці вимірювання роботи руйнування при ударі?

Дж;

МПа;

Н.

16. Для чого на зразку, який використовують для випробувань на ударний згин, роблять надріз?

щоб послабити місце руйнування;

щоб зміцнити зразок;

щоб зразок став пластичнішим.

17. Який характер  руйнування зразка з пластичного матеріалу під час випробувань на ударний згин?

крихкий;

пластичний;

стійкий.

18. Одиниці вимірювання питомої ударної в’язкості при ударному згині?

pit 18.PNG

19. Яким символом позначається питома ударна в’язкість?

pit 19.PNG

20. Який діаметр зразка, що використовують при випробуваннях на ударний розтяг?

5мм;

10мм;

15мм.