 |
Определение ударной вязкости металлов
|
|
|
|
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Экспериментальное определение ударной вязкости стальных образцов.
2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
В зависимости от характера действия внешних нагрузок, напряжённого состояния, конструктивных особенностей и температуры одна и та же деталь из определенного материала может разрушаться вязко или хрупко. Известно множество случаев хрупкого разрушения под действием ударной нагрузки металлов, обладающих высокими пластическими свойствами.
Для проверки способности материала сопротивляться ударным нагрузкам и выявления склонности к хрупкому разрушению проводят испытания на удар.
Ударные испытания различают:
а) по виду деформации – на изгиб, растяжение, сжатие, кручение, срез;
б) по скорости нагружения – обычные (4-7 м/с), скоростные (100 – 300 м/с) и сверхскоростные (свыше 300 м/с);
в) по числу ударов – одним ударом или повторными ударами;
г) по температуре испытания.
Наиболее широкое применение получил способ однократного испытания при ударном изгибе образцов прямоугольного сечения с надрезом посередине или без него (ГОСТ 9454-78). Наличие надреза способствует более хрупкому разрушению материала, что вызывает излом образца даже при пластичном материале. Кроме того, разрушению надрезанного образца способствует концентрация напряжений. Используют надрезы двух видов – V-образный и U-образный. Кроме этого может быть предварительно создана трещина.
Скорость движения маятника в момент удара должна составлять 5±0,5 м/с для копра с потенциальной энергией 300 Дж (30 кгс·м).
Основной стандартный образец типа Менаже, согласно ГОСТ 9454-78, должен иметь размеры, указанные на рисунке 1. Для некоторых испытаний применяют также большой и малые образцы типа Шарпи с глубоким надрезом. Если для испытания на удар используются нестандартные образцы, то следует предварительно провести сравнительные испытания стандартных и нестандартных образцов для получения эмпирических коэффициентов.
|
|
|
В результате испытания определяется работа удара K (KU, KV или KT) и ударная вязкость материала KC (KCU, KCV или KCT), представляющая собой работу, затраченную для ударного излома образца, отнесенную к площади поперечного сечения в месте надреза. Если сравнить два материала с одинаковым пределом прочности, но требующие для разрушения разное количество работы, то тот, для которого работа будет больше, называют более вязким материалом.
Рисунок 1 – Образец для испытания на ударную вязкость с U-образным надрезом
Хотя данные об ударной вязкости и не могут быть использованы при расчёте на прочность или для аналитической оценки опасности хрупкого разрушения, но они позволяют решить вопрос о применимости того или иного материала в условиях динамических нагрузок, в которых работают многие детали машин, имеющие отверстия, канавки для шпонок, разные конструктивные углы и т.п. Низкая ударная вязкость служит основанием для браковки материала. Стали, применяемые для изготовления деталей, работающих при динамических нагрузках, должны иметь ударную вязкость не менее 8·10 Н·м/м².
Испытательная машина
Ударные испытания на изгиб проводятся на маятниковых копрах. В работе используется маятниковый копер модели МК-30 (рисунок 2) с переменным запасом энергии в пределах от 10 до 300 Н·м.
Основанием копра служат две стойки 1, между которыми находится маятник 2, который с помощью шарикоподшипников и горизонтальной оси подвешен к стойкам. На той же оси (на рисунке 2 она не показана) размещена подъёмная рама 3. Перед испытанием подъемная рама 3 поднимается и закрепляется при помощи собачки 4 храпового механизма. Далее маятник поднимают на определенную высоту Н0 (рисунок 3) и фиксируют его на раме защёлкой 5 в положении «зарядка». В этом положении маятник обладает некоторым запасом энергии U0.
|
|
|
Если отпустить защёлку, маятник после падения под действием силы тяжести разрушит установленный на опорах образец. Остановка копра после разрушения образца осуществляется верёвочным тормозом. К маятнику прикреплена верёвка 10, перекинутая через блоки 11 и натянутая грузом 12. Когда, взлетев после разрушения образца, маятник вновь начнёт падать, тормоз остановит его, используя силу трения между верёвкой и блоками станины.
Маятник, обладая оставшимся запасом энергии U1, может подняться на какую-то высоту Н1 по другую сторону стоек. Если пренебречь небольшой потерей энергии на трение в подшипниках, то работу, затраченную на излом образца, можно определить из выражения K = U0 – U1.
Разность энергий
U0 – U1 = Q(H0 – H1), где Q – вес маятника.
|
Рисунок 2 – Схема работы маятникового копра
Из рисунка 3 следует:
|
где R- длина маятника, т.е. расстояние от оси вращения до центра его тяжести;
– угол зарядки маятника;
– угол взлета маятника после удара.
|
Рисунок 3 – Расчетная схема для определения энергии удара
Обычно произведение QR выбивается на диске маятника, и, зная углы α и β, легко подсчитать работу, затраченную на излом образца.
Маятниковый копер снабжён специальным измерительным устройством, которое позволяет во время опыта непосредственно зафиксировать эту работу. Измерительное устройство (рисунок 2) состоит из двух горизонтально расположенных планок, одна из которых – 7 – соединена со шкалой 8, а другая – с указателем 9, перемещающимся вдоль шкалы. При отвесном положении маятника обе планки находятся на одном уровне, а специально укреплённый на оси маятника ролик 6 находится между ними.
При подъёме в положение “зарядка” ролик приподнимает планку 7 и связанную с ней шкалу 8. Так как ролик жёстко связан с маятником, то перемещение шкалы будет пропорционально высоте подъёма центра тяжести маятника, т.е. запасу энергии мятника перед падением. После подъема планку с указателем 9, свободно перемещающуюся вдоль шкалы 8, опускают в нижнее положение. При рабочем падении маятника шкала будет удерживаться специальным контргрузом. При взлете маятника после удара ролик возвратится к левой планке и, поднимаясь вместе с маятником, будет приподнимать эту планку с указателем 9 вверх по шкале 8. Высота этого подъёма, так же, как и перемещение шкалы 8 при «зарядке», будет пропорциональна высоте подъёма центра тяжести маятника, т.е. запасу энергии после удара. Так как шкала 11 проградуирована в кГ·м, то указатель на шкале даст значение работы, затраченной на излом образца.
|
|
|
3. НЕОБХОДИМЫЕ ОБОРУДОВАНИЕ, ПРИБОРЫ, МАТЕРИАЛЫ
3.1 Испытательная машина.
3.2 Штангенциркуль.
3.3 Образец для испытания на ударную вязкость с U-образным надрезом.
4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ И СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Порядок проведения опыта
4.1.1. Перед началом испытаний проверяют правильность работы измерительного приспособления копра. Для этого копер испытывается при свободном полёте маятника. При этом указатель измерительного устройства должен указывать на “нуль” с точностью до 1 Н·м.
4.1.2. Фиксируют маятник в положении «зарядка». Высоту подъёма желательно для уменьшения абсолютной погрешности испытания избрать такой, чтобы маятник обладал энергией, близкой к той, которая необходима для разрушения образца.
3. Произведя измерение образца штангенциркулем, и убедившись в том, что он соответствует требованиям ГОСТа, устанавливают его на две опоры копра так, чтобы нож маятника приходился строго против надреза с противоположной стороны, а образец плотно, без зазоров, прилегал к опорам копра. Расстояние между опорами для основного стандартного образца должно быть 40 мм. Затем, опускают защёлку, и, срывая маятник с подъемной рамы прикрепленным к нему стальным тросиком, дёрнув за присоединённую к тросику ручку, производят удар по образцу.
4.1.3. После остановки маятника канатным тормозом, отсчитывают работу, затраченную на излом образца.
Ударную вязкость данной стали определяют не менее чем на трёх образцах (в технических условиях может быть оговорено и другое число образцов).
|
|
|
