Визначення ударної вязкості та критичної температури крихкості. Пз 4. Визначення ударної в'язкості та критичної температури крихкості
 Скачать 145.5 Kb.
|
|
Практичне заняття 4 Визначення ударної в'язкості та критичної температури крихкості Мета роботи: ознайомитися з особливостями проведення досліджень на удар. Теоретична частина Сталі є надійними матеріалами, і часто для оцінки їх схильності до крихкого руйнування одного фактора окрихчення (наприклад, зниження температури випробувань) виявляється недостатньо. Тому, проводячи ударні або динамічні випробування, додають другий крихкий фактор - підвищення швидкості навантаження. Динамічні випробування відрізняються від статичних швидкістю докладання навантаження. Так, наприклад, при стандартних статичних випробуваннях швидкість переміщення захватів знаходиться в діапазоні 10-3-10-5 м/с, у той час як при ударному навантаженні за допомогою маятника Шарпі швидкість момент удару становить 3-5 м/с. Таким чином, відмінності швидкості навантаження при статичному та динамічному (ударному) навантаженні досягають 500 000 разів. Для випробування на удар використовуються маятникові копри, сконструйовані американським інженером і вченим Дж. Шарпі. В даний час проведення цих випробувань регламентує ГОСТ 9454-78. Метод заснований на руйнуванні зразка з концентратором одним ударом молота - копра. В результаті випробування визначають роботу, витрачену на руйнування зразка (так звану роботу удару) Ар, або ударну в'язкість КС. Під ударною в'язкістю слід розуміти роботу удару, віднесену до початкової площі поперечного перерізу зразка у місці концентратора. Випробовуванням піддають зразки, форма та розміри яких відповідають вимогам ГОСТ 9454-78. Ескізи зразків, що найчастіше використовуються представлені на рис. 1.  Рис. 1. Форма та розміри зразків для випробувань на ударну в'язкість: а - зразок з концентратором у вигляді втомної тріщини (зразок Дроздовського), б - зразок з U-подібним концентратором (зразок Менаже), в – зразок з V-подібним концентратором (зразок Шарпі) Розміри для зразка типу Дроздовського: L = 55, H = 11, B = 10, h = 3, h1 = 1,5; для зразка Менаже: L = 55, H = 10, H1 = 8, B = 10, R = 1,0; для зразка Шарпі: L = 55, H = 10, H1 = 8, B = 10, R = 0,25 Роботу удару можна розділити на дві складові: роботу, необхідну для зародження тріщини Аз.т, та роботу, необхідну у розвиток тріщини Ар.т. Для того, щоб в результаті випробувань визначити роботу, необхідну для розвитку тріщини, у зразках на спеціальному пульсаторі вирощують вихідну втомну тріщину. Тоді можна вважати, що робота удару дорівнює роботі розвитку тріщини. Випробування проводять на маятниковому копрі, схема якого представлена на рис. 2. Удар відбувається за стрілкою годинника.   а б Рис. 2. Схема маятникового копра: а – ударна зона, б– схема удару: 1 – молот; 2 – зразок; 3 – опора Зведений маятник має запас потенціальної енергії: K1 = P·(l – l cos α1) = P·l·(1 – cos α1), де Р - вага маятника; l – довжина фізичного маятника, еквівалентного даному маятнику; α1 – вихідний кут підйому маятника. При падінні маятник витрачає частину своєї енергії на руйнування зразка, а залишок енергії дозволяє маятнику піднятися на кут α2 (рис. 2). У цьому положенні енергія маятника: K2 = P·(l – l cos α2) = P·l·(1 – cos α2), де α2 – кут підйому маятника після руйнування зразка. Енергія, або, точніше, робота, що пішла на руйнування зразка (робота удару), у такому разі: Ap = K1 – K2 = P·l·(cos α2 – cos α1) Робота удару, віднесена до початкової площі поперечного перерізу зразка в місці концентратора Fн, і буде характеризувати ударну в'язкість, яку залежно від типу надрізу (рис. 1) позначають KCU, KCV або KСТ. Ударну в'язкість обчислюють за такою формулою: KС = Ар / Fн де Ар - робота удару, Дж; Fн - початкова площа поперечного пекрерізу зразка в місці концентратора, см2, Fн = H1·B, де H1 - Початкова висота робочої частини зразка, см; B – початкова ширина зразка, см. Початкові розміри H1 і B вимірюють з похибкою трохи більше 0,05 мм і округляють до третьої значущої цифри при ширині зразка 5 мм і менше і до другої значущої цифри при ширині зразка понад 5 мм. Для зразків Дроздовського значення Н1 визначають як різницю між повною висотою Н та розрахунковою глибиною концентратора h. Ударну в'язкість можна позначати за двома варіантами. За першим варіантом її позначають поєднанням літер. Перші дві літери (KС) позначають символ ударної в'язкості, третя літера – тип концентраторів. За другим варіантом ударну в'язкість допускається позначати літерою «а» із зазначенням у нижньому індексі цифри або двох цифр, що вказують типорозмір зразка за ГОСТ 9454-78. Значення ударної в'язкості (KС) записують у протоколі випробувань з округленням до 1 Дж/см2 при значенні KС більше 10 Дж/см2 або із заокругленням до 0,1 Дж/см2 при значенні KС менше 10 Дж/см2 Якщо в результаті випробування зразок не зруйнується повністю, то вважають, що робота руйнування, а отже, і ударна в'язкість не визначена. В цьому разі у протоколі випробувань вказують, що зразок при максимальній енергії удару молота не був зруйнований. Залежно від конкретних умов руйновання одного і того ж матеріалу може бути як в'язким, так і крихким. ким. Кількісно схильність металу до крихкого руйнування характеризує критична температура крихкості Ткр. Незважаючи на те, що Ткр є найважливішим критерієм надійної роботи матеріалу в конструкції, до теперішнього часу стандарт для визначення Ткр відсутній. При температурах випробування вище Ткр реалізується в'язке раз- руйнування, при температурах нижче Ткр - крихке руйнування; температура, що дорівнює Ткр, - це і є температура в'язко-крихкого переходу, або критична температура крихкості. Таким чином, критична температура крихкості Ткр – це температура, за якої спостерігається рівність опору пластичній деформації та опору крихкому руйнуванню, або, іншими словами, в'язке та крихке руйнування можуть відбутися з однаковою ймовірністю. Характер переходу від в'язкого руйнування до крихкого в різних сталях і металах може значно відрізнятися. Дві типові залежності представлені на рис. 3. У випадку, показаному на рис. 3а, перехід від високих до низьких значень роботи руйнування Ар здійснюється у дуже вузькому температурному інтервалі, тобто, практично дискретно. Тоді говорять про фізичну Ткр. У більшості випадків (рис. 3 б) перехід від високих до низьких значень величин Ар реалізується в широкому температурному інтервалі, що ускладнює визначення Ткр.  Рис. 3. Вид серіальних кривих ударної в'язкості (роботи удару) з фізичною (а) та умовною (б) критичною температурою крихкості В цій ситуації необхідно попередньо обґрунтувати критеріальне значення Акр роботи руйнування, за допомогою чого визначають питому Ткр. Ці критичні температури розглядаються як умовні. Щоб визначити характер функції, показаної на рис. 3б, необхідно за різних температур випробувати серію зразків, у зв'язку з чим у літературі ці залежності відомі ще як серіальні. Отримана за цих випробувань залежність (див. рис. 3б) складається із трьох характерних ділянок. Дві з них: горизонтальна позначається відповідно як ділянка в'язкого руйнування (ВР), або верхнє плато, та ділянка крихкого руйнування (ХР), або нижнє плато. Ділянку, яка їх пов'язує, називають в'язко-крихким переходом (ВХП) або перехідним інтервалом. Методика визначення Ткр за серіальною кривоюй ударної в'язкозті очевидна з рис. 4.  Рис. 4. Схема, що пояснює визначення критичної температури крихкості за серіальною кривою ударної в'язкості Послідовність дій така: будують повну серіальну криву з обома плато: в'язким і крихким, для чого проводять випробування на маятниковому копрі за різних температур; за положенням плато визначають максимальний та мінімальний рівні ударної в'язкості (KСmax та KСmin); розраховують рівень ударної в'язкості, що відповідає критичній температурі крихкості, за наведеною на рис. 4 формулою Методика визначення критичної температури крихкості за часткою волокна в зламі полягає в наступному: на першому етапі будують серіальну криву частки волокна в зламі (рис. 5), для чого визначають частку волокна (%) у зламах зразків, випробуваних за різних температур.  Рис. 5. Схема, що пояснює визначення критичної температури крихкості за часткою волокна в зламі: а – визначення частки волокна в із- ломі: 1 – надріз, 2 – зона крихкого (кристалічного) зламу, 3 – зона в'язкого (волокнистого) зламу; б – визначення критичної температури крихкості за 50% часткою волокна в зламі (100 – повністю в'язкий (волокнистий) злам, 50 - частка волокнистого зламу 50%) Для визначення частки волокна у зламі поводятьсяь наступним чином: за допомогою бінокулярного мікроскопа типу МБС-10 зображення зламу поєднують із зображенням сітки (кажуть: на злам "кидають" сітку). Подібна ситуація показана на рис. 5а. Рахують загальне число вузлів сітки N, що випало на злам. У наведеному прикладі N = 6·8 = 48. Потім рахують число вузлів, що випали на крихкі або в'язкі ділянки (що зручніше і простіше порахувати, те й рахують). У наведеному прикладі зручніше порахувати кількість вузлів, що випали на крихкі ділянки, nхр. Ділянка крихкого руйнування зазвичай знаходиться в центральній частині зламу (на рис. 5а вона обмежена еліпсом). Таким чином, nкр = 11, тоді число вузлів сітки, що випали на в'язкі ділянки: nв = 48 -11 = 37 Потім за формулою В = (nв / N) · 100% знаходять частку волокна в зламі: у наведеному разі В = (37/48) 100 % = 77 %. Після того, як серіальна крива частки волокна в зламі побудована, приступають до визначення Т50. Для цього на осі ординат знаходять точку, в якій частка волокна дорівнює 50 %, і за побудованою серіальною кривою частки волокна в зламі переходять на вісь температур (рис. 5б). Знайдена таким чином температура і є Т50 для цього конкретного випадку. Оригінальний підхід було запропоновано А.П. Гуляєвим.За методом А. П. Гуляєва випробовують декілька ударних зразків, що мають різний радіус округлення біля вершини надрізу (r). Після випробувань і підрахунку ударної в'язкості кожного зразка будується графік (рис. 5). Екстраполюючи пряму на вісь ординат, одержуємо питому роботу поширення тріщин КСр (αр) і зародження тріщини КСз (αз). У цьому випадку зразок із радіусом надрізу близьким до нуля ототожнюється із зразком, що має втомну тріщину.  Рис. 5.Схема визначення складових ударної в'язкості за А. П. Гуляєвим Практична частина. 1. Дайте визначення поняття ударна в'язкість. 2. Наведіть формулу для визначення роботи руйнування. 3. Які зразки для досліджень на удар використовуються? 4. Як визначають в'язкість руйнування? 5. Що таке серіальна крива? 6. Дайте визначення поняттю критична температура крихкості. 7. Наведіть зовнішні та внутрішні фактори, що визначають в'язко-крихкий перехід. 8. В чому сутність методики А.П. Гуляєва? 9. Якими методами визначають критичну температуру крихкості |