Для чего определяют вязкость металла

При создании высокопрочных деталей необходимо знать, как их ключевые свойства будут проявляться и изменяться на практике многолетней эксплуатации. Поэтому в фокусе нашего сегодняшнего внимания ударная вязкость материала, то есть его способность деформироваться пластически под воздействием динамических нагрузок.

Другими словами, это также эффективность сопротивления хрупкому типу разрушения – одному из самых опасных видов, при котором трещина очень быстро становится магистральной: мгновенно возникает, а разрастается за доли секунды. Если взять в качестве примера коммуникационную линию, то в ней при появлении такого повреждения меньше чем за минуту порвет сразу несколько труб.

Поэтому просто необходимо учитывать рассматриваемый параметр при проектировании каких-либо объектов из металлоконструкций, особенно сложных, предназначенных для использования в жестких климатических условиях: при низких температурах, при постоянно меняющемся микроклимате, при высоком механическом давлении, физических воздействиях и так далее.

Что называют ударной вязкостью – это

Начнем с определения: это показатель количества работы (энергии), необходимой для хрупкого разрушения материала. Вычисляется опытным путем, по результатам комплексных тестов, проводимых методом маятникового копра.

Все проверки выполняются на стандартизованных образцах – стержнях квадратного сечения с нанесенным на какой-то из его граней искусственным концентратором напряжения. Последний может быть выполнен:

• в виде литеры V или U;
• а также в форме усталостной трещины.

В итоге выявляют не только интересный нам параметр, но также качество и характер деформации поверхности, а затем и соотношение составляющих повреждения. Это может быть или исключительно визуальный анализ, или более глубокий, с оценкой текстуры и слоев при помощи цифровых и компьютерных технологий.

Естественно, данный показатель отличается в зависимости от материала. Потому помните, когда мы рассматриваем, что такое ударная вязкость стали, это эффективность сопротивления именно конкретно взятого металла или сплава и только его, а не всех вообще.

Критическая температура хрупкости

Окружающая среда напрямую влияет на сопротивление детали разрушению. Данная зависимость настолько очевидная, что была выделена в явление – под названием хладноломкость – и объясняется неизбежными деформациями при переходе в хрупкое состояние под воздействием мороза.

Температура, при которой наблюдается изменение и появляется повреждение, и считается критической. В технической литературе ее зачастую сокращают до аббревиатуры Тхр, а также записывают как «порог хладноломкости», который, помимо всего прочего, показывает, что составляющие в заготовке находятся в равных долях.

Данную величину находят опытным путем, проводя испытание материала на ударную вязкость – серию тестов с постепенным понижением терморежима, начиная от +20 градусов по Цельсию и заканчивая на -70 0С.

По результатам выстраивают график, отражающий зависимость и показывающий точку перегиба – искомую Тхр.

И чем этот показатель больше по своему значению, тем вероятнее, что под воздействием морозов в детали появится трещина (или другой сходный дефект).

Естественно, при прочих равных заготовки или целые функциональные узлы лучше делать из того сырья, порог хладноломкости которого сравнительно ниже, ведь тогда изделия можно будет эксплуатировать и в более жесткой климатической среде.

Почему у металлов различная хрупкость

При значительных нагрузках в условиях действия стабильно низких температур свое влияние оказывают следующие факторы:

• Микроструктура – она может быть крупно- или мелкозернистой, высокой чистоты или достаточно сильнозагрязненной посторонними включениями, с твердыми фазами по границам или без них, с нежелательными примесями или без них.
• Концентраторы критических воздействий – несплошные участки, трещины и разрывы, газовые пузыри и тому подобные дефекты. В одном сырье их больше, в другом – меньше.
• Остаточные напряжения и тому подобные состояния, сохранившиеся после проведения всех необходимых операций на предыдущих стадиях технического процесса производства.

Вот от чего зависит ударная вязкость на практике, и следует помнить, что большинство из перечисленных выше факторов также меняются. Те же повреждения со временем развиваются, становясь серьезнее и нарушая структуру.

Относительная нестабильность свойств – именно та причина, по которой при выпуске деталей требуется выполнять проверки.

По результатам тестов можно с высокой степенью точности установить, при какой температуре допустимо стабильно эксплуатировать заготовку.

Поэтому необходимо подробно рассмотреть, как их проводить, какие образцы при этом использовать, что за предварительную подготовку осуществить и так далее.

Методы испытаний металлов на ударную вязкость

Сначала – немного классификации, чтобы вы понимали, по каким причинам стоит делать выбор в ту или иную пользу. Существующие сегодня варианты лабораторных изысканий разделяют на несколько групп по следующим критериям:

• наличие/отсутствие концентратора напряжений, то есть надреза определенной формы на одной из граней в зоне нанесения удара;
• вид закрепления – установка на опоры, погружение в холодильную емкость и тому подобное;
• характер воздействия – нагрузка может передаваться за счет молота, гири, маятника или иного твердого тела.

Также есть способы проверки, названные в честь тех, кто их ввел:

• по Гарднеру;
• по Шарпи;
• по Изоду.

При этом любая из вышеперечисленных разновидностей испытаний стали на ударную вязкость (и каких-либо других металлов тоже) сводится к попытке разрушения стандартного образца падающим предметом. Отличие только в специфике тестов, проводимых без надреза или с ним.

Первый случай актуален только для листовых прокатных изделий, толщина которых одинакова по всей их площади, и его итоговые значения в несколько раз (до 10) превышают результаты в обычной среде, это нужно учитывать и соответствующим путем коррелировать дальнейшие расчеты.

Поскольку разница в нюансах, а не в принципе, рассмотрим один популярнейший метод, чтобы вы получили понимание о том, как проверки осуществляются в лабораторных условиях и насколько они точны.

Маятниковый копер

Это прибор, созданный специально для проведения испытаний, и его разновидности классифицируют по следующим показателям:

• характер деформации – на кручение, растяжение, изгиб, срез, сжатие;
• число ударов – один-единственный или несколько, совершаемых с определенным интервалом;
• величина нагрузки – обычный (стандартный) поддерживает до 7 м/с, скоростной – уже значительно больше, 100-300 м/с, а в категорию сверхскоростных относят модели, выходящие за пределы 300 м/с;
• условия выполнения тестов – рабочая температура, уровень влажности и так далее.

При этом практически любой копер состоит из опорных стоек, на которых закрепляется проверяемый стержень, и неподвижной оси – на ней на определенной высоте размещается боек с маятниковым эффектом. Простота конструкции делает ее достаточно надежной, а также уменьшает погрешность результатов.

В списке основных рабочих характеристик каждого такого прибора: диапазон измерений, максимальная мощность и скорость движения в момент контакта, наибольший потенциал фиксируемой энергии, габариты (в частности, масса) и расстояние между опорами.

Отбор образцов

Межгосударственный стандарт, говорящий, что такое ударная вязкость металла, это ГОСТ 9454, и в соответствии с ним подходящими для проведения испытаний считаются следующие варианты:

• по Шарпи – заготовки длиной 55 мм, квадратного сечения (10 на 10 мм), с U-образным вырезом посередине, радиус которого 1 мм, а глубина пропила – 2 мм;
• по Менаже – геометрия и габариты аналогичны предыдущему, только канавка (концентратор напряжения) уже в форме перевернутого треугольника (буквы V);
• Т-образные – их ДхШхВ составляет 55 на 10 на 11 мм, и у каждого есть искусственно сделанная усталостная трещина, то есть специальный надрез.

Второй вид является наиболее часто используемым: он применим при отбраковке металлопродукции, эксплуатируемой в составе важных конструкциях, то есть в высокоточных приборах, медицинском или промышленном оборудовании, воздушных и наземных транспортных средствах. Третий ориентирован на еще более ответственные случаи, которых сравнительно немного, поэтому в количественном отношении он не получает такого распространения. Первый предназначен для всех остальных ситуаций.

Подготовка к проверке и ее проведение

В общем случае схема испытания на ударную вязкость выглядит следующим образом:

1. Стержень закрепляется на опорных стойках – так, чтобы место контакта было строго напротив концентратора напряжения (с другой его стороны).
2. Маятник (масса которого G, а сила L) приводится в исходное положение (верхнее, 1), то есть поднимается на высоту H.
3. Провоцируется падение, в результате которого боек слетает, ударяет по образцу и совершает возвратное движение на расстояние h, то есть в позицию 2.
4. Для окончательной остановки используется тормоз.

Все занятые положения фиксируются, после чего по разности потенциалов и вычисляется работа, необходимая для хрупкого разрушения. Сейчас посмотрим, как это происходит.

• Стандартное обозначение ударной вязкости в расчетах – КС, запаса энергии маятника – GH.
• Базовая формула выглядит так:
• КС = K/F, где

• К – работа, приведшая к деформации образца;
• F – площадь поперечного сечения стержня на участке с концентратором напряжений (известная величина).

1. Энергия затрачивается при перемещении маятника из первой позиции во вторую в результате удара, поэтому:
2. K = G x H – G x h,
3. или, если преобразовать это соотношение:
4. K = G x (H – h)
5. также высоту бойка в двух положениях можно выразить через силу и углы, после чего наше уравнение будет выглядеть так:
6. K = G x L x (cos β – cos α), где:

• β – конечный угол;
• α – начальный.

Все показания и позиции в ходе теста фиксируются в обязательном порядке. Но прежде чем переходить к подстановке значений в формулу и к анализу полученных цифр, еще несколько слов о том, как обозначается ударная вязкость.

Дело в том, что записывать ее можно еще и с третьим индексом, обозначающим тип использованного концентратора напряжений, – для большей информативности.

В таком случае рассматриваемый нами показатель будет выглядеть в формулах как KCV (по Менаже), KCT или KCU (по Шарпи) соответственно.

Обработка результатов

Взглянем на итоговое уравнение. Какие величины известны? Это масса бойка (G) и длина маятника (L). Также постоянное значение у начального угла α, а конечный – β – находится в ходе теста.

• Так что для подсчетов нет препятствий – есть (или появляются) все данные для определения энергии, затрачиваемой на хрупкое разрушение.
• Теперь о том, в чем измеряется ударная вязкость, – в Дж/м2 – так как, по сути, она представляет собой работу, проведенную на определенной площади формы.
• Также есть интересная особенность: начиная с определенной температуры, КС неуклонно снижается, поэтому, для точности и полноты оценки, ударные тесты необходимо осуществлять не только в нормальных условиях, но и со значительным охлаждением опытного образца – до -40…-80 градусов Цельсия.

С этой целью стержни помещаются в специальные морозильные камеры со спиртом или жидким азотом. Хотя можно отдать предпочтение более простому варианту – емкости, заполненной сухим льдом или керосином, она также позволяет добиться нужного терморежима.

Полезным будет и определение порога хладноломкости, то есть температуры, при которой наблюдается резкое падение КС.

Для этого необходимо взять серию опытных образцов (обязательно из одной плавки), провести испытания, тщательно записывая результаты с малым шагом градусов, а потом сравнить цифры и выстроить на их основе диаграмму.

По ней будет отчетливо видно, как на каком-то участке сравняется доля вязких и хрупких составляющий – эта точка и станет искомым показателем.

Другое распространенное название порога – «температура полухрупкости», которая, для сокращения, также часто записывается как Т50 – исходя из пропорции в 50 на 50%. Если вычесть ее из реальной эксплуатационной, получите запас вязкости. Чем он больше, тем надежнее считается материал (с оговоркой, что условия его использования останутся неизменными).

Наиболее наглядные результаты дадут литые сплавы магния и алюминия, а также чугун. Почему именно они? Потому что у них сопротивление отрыву характерно видно даже при статических нагрузках, не говоря уже о повышенных – есть на что ориентироваться.

Для достижения нужного уровня охлаждения можно использовать:

• сухую углекислоту – обеспечит -70 0С;
• жидкие газы – азот (даст -195 градусов по Цельсию), воздух (-183) или водород (-252).

Естественно, это довольно опасные вещества, поэтому работы с ними должны проходить только в лабораторных условиях и с соблюдением соответствующих положений техники безопасности.

Сравнение материалов по ударной вязкости

Можно проводить его опытным путем, самостоятельно выполняя тесты, записывая полученные результаты и так далее. Но гораздо быстрее и проще воспользоваться уже найденными в ходе проверок по методу Изода значениями, сведенными в специальную таблицу. Преимущественное место в ней занимают пластики, но и другие виды сырья тоже представлены.

В любом случае, вы сэкономите свое время, ведь останется только вычислить КС и порог хладноломкости для используемого сплава, а потом сравнить их с аналогичными и уже известными цифрами.

Мы постарались дать максимальное представление о способах испытаний, подсчетах, определении, особенностях. Подробно остановились даже на том, в каких единицах измеряется ударная вязкость (размерность ее – Дж/м2, напоминаем). Столько информации – чтобы вы точно понимали важность этого показателя и могли грамотно его учитывать при выборе материала для исполнения деталей.

Испытания на ударную вязкость

Испытание материалов на ударную вязкость основано на разрушении стандартного образца с концентратором (надрезом) посередине ударом на маятниковом копре. При испытании на удар оценивают работоспособность металла в сложных условиях нагружения и выявляют его склонность к хрупкому разрушению.

Образцы для испытания на ударную вязкость

ГОСТ 9454 предусматривает испытания образцов трех типов:

1. Образцы Шарпи — образцы сечением 10×10 мм, длиной 55 мм и с U-образным надрезом шириной и глубиной 2 мм и радиусом 1 мм;
2. Образцы Менаже — образцы того же сечения и длины и V-образным надрезом той же геометрии, что и первый образец;
3. Т-образные образцы длиной 55 мм, высотой 11 мм и шириной 10 мм с Т-образным концентратором (надрез, имитирующий усталостную трещину).

Образцы с V-образным надрезом являются основными и их и используют при контроле металлопродукции для ответственных конструкций (транспортных средств, летательных аппаратом др.), а образцы с U-образным надрезом применяют при приемочном контроле металлопродукции; образцы с Т-образным надрезом предназначены для испытания материалов, работающих в особо ответственных конструкциях.

Методика проведения испытания

При испытании металлов на удар определяют ударную вязкость, которую обозначают КС. Ударная вязкость КС — это отношение работы К разрушения стандартного образца к площади его поперечного сечения F в месте надреза:

КС= K/F, Дж/м2

В зависимости от вида концентратора в образце (U, V, Т) в обозначении ударной вязкости вводят третий индекс, согласно виду концентратора: KCU, KCV, КСТ. Испытание на ударную вязкость проводят на копрах маятникового типа, как показано на схеме.

Стандартный образец устанавливают на опорах стоек копра так, чтобы удар маятника 2 приходился против надреза. Маятник массой G при помощи специальной рукоятки поднимают на высоту Н в верхнее исходное положение I. При падении маятник ударяет по образцу, разрушает его и поднимается в положение II -высоту h. Для остановки маятника имеется тормоз.

Если запас потенциальной энергии маятника обозначить через GH, то работа, затраченная на деформацию и разрушение образца, равна разности энергии маятника в его положениях I и II (до и после удара), т. е.:

• К = GH -Gh = G(H — h)
• Выразив высоту маятника в положении до и после удара через силу маятника l и углы α и β, получим выражение для определе­ния работы, затраченной на деформацию и разрушение образца:
• К= Gl (cos β — cos α),

где α — угол начального подъема маятника; β — угол подъема маят­ника после разрушения образца, фиксируемый на шкале 3. Масса груза и длина маятника известны. Угол α является величиной постоянной. Зная угол β по результатам испытаний, опре­деляют работу К и ударную вязкость КС.

Определение ударной вязкости при пониженных температурах

Ударная вязкость является показателем надежности работы металла в критических условиях, связанных с проявлением концентрации напряжений.

Факторами, вызывающими концентрацию напряжений является высокая скорость нагружения, геометрические концентраторы и понижение температуры.

С понижением температуры ударная вязкость снижается, поэтому, наряду с испытаниями при нормальной температуре, применяются ударные испытания с предварительным охлаждением до температур от -400С до -800С.

Для охлаждения металла применяются камеры холода, источником низкой температуры в которых, может являться жидкий азот или спирт.

Самое простое устройство для охлаждения стали – емкость, наполненная керосином и сухим льдом. Определенная пониженная температура достигается изменением количества сухого льда в смеси.

Определение порога хладноломкости стали

При пониженных температурах, кроме определения необходимой работы для разрушения образца, ещё определяется порог хладноломкости — температура резкого снижения вязкости.Данная характеристика определяется на серии образцов одной плавки. Испытания проводят при разных температурах.

Таким образом получается некая диаграмма, по которой и определяется порог хладноломкости стали. Чем ниже порог хладноломкости, тем более надежна сталь при эксплуатации в определенных условиях. Температуре хладноломкости соответствует вид излома при котором доля хрупких и вязких участков находится в соотношении «50:50».

Поэтому она называется также «температурой полухрупкости» -Т50. Разницу между реальной температурой эксплуатации и Т50 называют «запасом вязкости».

Также, испытания на ударную вязкость проводят и при повышенных температурах

Что такое ударная вязкость стали и почему она важна

Многие знают, что одни металлы легко деформируются вручную, тогда как другие не деформируются даже при падении с высоты.

Для объяснения этого явления используются понятия ударной вязкости и хрупкости, которые противоположны друг другу.

Попробуем объяснить, в чем их отличие, почему металлы по-разному реагируют на внешние воздействия и что такое ударная вязкость стали. В практическом смылся это имеет значение: вязкость учитывает токарная обработка металла.

Что называют ударной вязкостью металлов

Для начала разберемся с теоретическим определением понятия. Ударная вязкость металла — это способность материала поглощать кинетическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки. Как правило, такая энергия способна привести к пластичным и непластичным деформациям.

Лучше понять физическое определение поможет ответ на вопрос, по какой формуле определяется ударная вязкость:

KC=A/F , где A — работа, затраченная на разрушение образца, а F — площадь поперечного сечения материала. Единицы измерения ударной вязкости — Дж/м2.

Для вычисления опытным путем ударной вязкости используют метод маятникового копра. В лаборатории заготовки одинаковых размеров, находящихся в одних и тех же условиях, подвергают нагрузкам с постепенным их увеличением. При этом отмечают поведение образцов стали и степень их подверженности к нагрузкам.

Критическая хрупкость металлов

Снова начнем с определения. Критическая температура хрупкости — это температурный предел, при котором характер разрушения материала меняется от хрупкого к вязкому.

Многим известно о том, что при нагревании металлы и сплавы переходят в мягкое, а позже — в вязкое состояние, через определенный промежуток времени, индивидуальный для каждого материала.

Таким образом, при повышении температуры ударная вязкость увеличивается. А такой показатель, как хрупкость, повышается при снижении температуры.

При проверках эксплуатационных свойств металлических заготовок из стали проводят ряд экспериментов, при котором изменяется температура от очень высоких до очень низких. Критическая хрупкость металла — его разрушение при определенном температурном пороге, который ограничен максимум и минимумом.

Почему хрупкость металлов бывает различной

При постоянных условиях (низкая температура и нормальная влажность) на хрупкость металлов влияет:

1. Микроструктура. Играет роль степень зернистости, наличие примесей и посторонних включений.
2. Наличие и количество концентраторов критических воздействий. К ним относятся различные искусственные или естественные нарушения структуры материала (трещины, изломы, разрывы, полости).
3. Эффект недавних этапов производств (остаточное напряжение и другие).

Для металлов характерна нестабильность свойств. Поэтому при изготовлении деталей необходимо корректно проводить тесты. От этого зависит точность определения подходящих условий эксплуатации для заготовок.

Методы испытаний

Используют несколько вариантов лабораторных испытаний, зависящих от следующих факторов:

1. Тип нагрузки. Могут использоваться разные твердые инструменты (маятник, гиря, молот и другие).
2. Вид фиксации. Применяют специальные опоры, холодильные контейнеры и иные решения.
3. Наличие или отсутствие надреза определенной формы на одной из граней в области нанесения удара, что регулирует концентрацию предполагаемого напряжения.

Для последнего пункта предусматривают особенности прокатных изделий. Надрез делается только для листов с равномерной толщиной по всему периметру.

Все методы основаны на попытке разрушения испытуемого образца ударом падающего твердого предмета. К ним также относятся испытания по Шарпи, по Изоду и по Гарднеру, названные, как видно, в честь испытателей.

Маятниковый копер

Разновидности копра зависят от:

• характера деформации (сжатие, кручение, срез, изгиб или растяжение);
• величины нагрузки (обычные, скоростные и сверхскоростные);
• числа ударов (один или интервально несколько);
• условий проведения эксперимента (влажность, температура).

Копер популярен для проведения испытаний благодаря своей несложной конструкции и точности измерения ударной вязкости.

Понятие того, что такое ударная вязкость прописано в ГОСТ 9454. В соответствии с требованиями этого документа подбираются образцы:

1. Наиболее распространенный — заготовка по Менаже. Образец используется для отбраковки деталей, предназначенных для высокоточных приборов. Заготовка квадратного сечения 10×10 мм с двух миллиметровым V-образным концентратором напряжения, пропиленным на глубину 2 мм.
2. По Шарпи — образец применяется в случаях, которые не требуют сверхточности. Отличается от первого формой канавки. Здесь она напоминает букву U.
3. Т-образные с определенными габаритами (a×b×h=55×10×11 мм). Применяют для самых серьезных исследований.

Важной характеристикой ударной вязкости является концентратор напряжений, он определяет информативность эксперимента и точность полученных данных. Обозначается критерий по-разному:

• KCV — по Менаже;
• KCT или KCU,от которого ударная вязкость зависит в большей степени.

KCU=KCЗ+KCР, где KCЗ — работа зарождения трещины, KCР — работа распространения трещины. В международной системе единиц ударная вязкость выражается в Дж/м2.

Определение ударной вязкости — важный этап при производстве металлических и стальных деталей. От него зависит качество и эксплуатационные характеристики готового продукта. Как например, высокоточная металлообработка.

Ударная вязкость металла: что это такое, единица измерения для стали, формула и обозначение для материала, в чем измеряется и определение на rocta

15Ноя

Содержание статьи

Иногда самый прочный материал, например, чугун, становится хрупким при воздействии определенных механических внешних нагрузок, в то время как мягкий алюминий (все мы гнули алюминиевые ложки в детском саду) в ряде случаев оказывается более приспособленным, не крошится и не ломается. В статье мы расскажем, почему так происходит, а также поговорим про испытания металлов на ударную вязкость – что это такое, характеристика для стали, в каких единицах измеряется и на что влияет.

Что такое ударопрочность и как её измеряют

Представим ситуацию. По дороге с быстрой скоростью едет автомобиль. Он постоянно на протяжении всего пути испытывает вибрации и осевую нагрузку на ряд деталей, подвеску.

При этом все хорошо, все узлы работают правильно. Затем водитель не справляется с управлением и попадает в яму.

Запчасти выходят из строя, так как внутренние напряжения и силы, во-первых, увеличиваются, во-вторых, получаются разнонаправленными.

Прочность в данной ситуации оказалась низкой, так как она деформировалась, вышла из строя. Так как разные сплавы неодинаково переносят механические и химические влияния, то для различных целей (автомобилестроение, станкостроение, обыкновенные штамповочные детали, гвозди и пр.) необходимо применять различные металлы.

Обозначение ударной вязкости – какую способность материала характеризует: что так называют

Определимся с терминологией. это способность воспринимать и поглощать кинетическую энергию. Часто такая приложенная сила ведем к разрушениям, но по отношению к этому веществу – только к пластичным или непластичным деформациям.

Обычно испытания проводятся в лаборатории опытным путем.

Заготовки одинаковых размеров в нейтральных условиях (чтобы больше не оказывалось ни температурного, ни иного влияния) подвергают нагрузкам, увеличивая их. Затем наблюдают за поведением металла.

Проверяют подверженность противодействию, поэтому последней проверкой является та, от которой на опытном образце появились трещины, отломалась часть.

Второй вариант – математические вычисления. Это более точный процесс, то при этом необходимо руководствоваться многочисленными нюансами – от размеров, угла приложения силы, до воздействий извне.

В чем измеряется и как обозначается

Физическое обозначение КС. Этими буквами подписывается параметр на схемах и чертежах, а также подставляется в формулы ударной вязкости. Единица измерения  в системе интернациональных  – кДж/м2, но чаще используется значение, выраженное в Дж/см2.

Сейчас будет уместно привести формулу, по которой производится математический расчет.

КС = А / F, где:

• А – это сила, работа, приложенная для воздействия, измеряется в джоулях.
• F – это площадь поперечного сечения образца, в квадратных метрах.

Это упрощенный алгоритм вычисления, в то время как в лабораторных условиях учитываются толщину и массу, степень термической обработки, а также экспериментируют с другими показателями.

От чего зависит ударная вязкость и испытание материалов на удельное значение: зависимость от температуры

Первый параметр, который сильно меняет результаты исследований – это температурные условия. Еще раньше было известно, что при нагреве сплавы становятся более мягкими, податливыми к деформированию, именно по этой причине при ковке используют термообработку. А вот при очень низких градусах или при большом перепаде повышается хрупкость.

В связи с этим обычно определяется оптимальный температурный режим – те максимальные и минимальные значения эксплуатации, во время которых можно достичь лучших показателей. Затем постепенно исследователи снижают градусы вплоть до минуса 80 или 100. В каждый из этапов остывания заготовки подвергают проверке.

Получается диаграмма, согласно которой можно определить хладноломкость, ломкость, прочность, температуру пластичных деформаций. Второе значение – это химический состав компонентов – наличие легирующих веществ и величина углерода. согласно этому всю сталь разделяют на марки.

Если деталь подвергалась сварочному присоединению, то велика вероятность образования мартенсита. Такая металлическая микроструктура игольчатого типа может привести к снижению прочности. И последний показатель, который исследователи меняют, – это скорость проведения деформаций. От быстроты напряжений и их последовательности также зависит результат.

Испытание материалов на ударную вязкость: что это за процедура

Не все предметы можно подвергать тестированию. Так как есть идеально выверенный до тысячной эталон килограмма, так и в лабораторию поставляются только одинаковые, созданные по ГОСТ подопытные экземпляры. Они могут быть трех типов:

• Бруски Шарпи. Это металлопрокат, имеющий квадратное сечение со стороной в 10 мм. В длину он должен составлять ровно 55 мм. Внутри нет полого отверстия, но есть разрез в виде литеры U.Он изображен на чертеже ниже:
• Брусок Менаже. Предыдущие параметры такие же, отличается только разрез, который выполнен в форме буквы V. Такой острый конец выреза приводит к тому, что деформации или разрушения появятся скорее, чем у предыдущего. поэтому проверки необходимы для определения эксплуатационных характеристик систем, подверженных постоянным высоким нагрузкам, например, элементам станка или автомобиля.
• Т-образный разрез применяется в случаях, когда нужна еще большая сложность и точность, поэтому распил производится в форме литеры Т.

Есть несколько разновидностей процедур. Ее выбор зависит от того, с какой целью определяют ударную вязкость материала. От этого будет выбрано тестирование:

• способ закрепления на стенде;
• использование гири или молота в качестве инструмента;
• тип разреза.

Маятниковый копер

Это один из наиболее регулярных экспериментов, поэтому мы опишем его начиная с подготовительного этапа, заканчивая оценкой.

Первое и важное правило – все экспериментальные бруски должны быть полностью идентичны по размерам, а также следует их изготавливать одновременно, при одинаковых условиях – как с точки зрения химического состава сплава, так и со стороны металлообработки. Результативность может быть оценена по одной из характеристик:

• разлом, трещины – эта реакция свойственна либо хрупким сталям, например, чугуну (он очень прочный, но имеет внутренние напряжения);
• вмятины, царапины – их можно увидеть на пластичном материале, который хорошо подвергается деформациям в ходе динамических или статических воздействий.

Отбор образцов

Вся технология изготовления заготовок для опытов прописана в соответствующем нормативном документе – ГОСТ 7565.

Следует полностью ориентироваться на нормативы в нем, но иногда поступает особый технический заказ, например, когда предопределены особые условия эксплуатации детали.

Тогда можно проделать процедуру по требованиям, однако, важно, чтобы температурный режим оставался в границах неизменности кристаллической решетки.

Определение: в чем измеряется ударная вязкость металла

Первые испытания с маятником были предложены Жоржем Шарпи, именно по этой причине его метод используется до сих пор и назван его именем. Его мысль заключалась в следующем: надрез увеличивает чувствительность. Проверка сопровождается охлаждением окружающих условий, а вместе с тем переходом металла от пластичного состояния в хрупкое.

Метод Шарпи

Он заключается в двух последовательных действиях:

• надрез бруска;
• влияние с различной скоростью и массой.

Соответственно приведем формулу по Шарпи КС = К / F, где:

• К – это работа, то есть сила, которая обычно складывается из веса гири и скорости его движения.
• F – это площадь воздействия.

Алгоритм проведения (схема) испытания на ударную вязкость

• Заготовка крепится двумя концами на двух копрах так, чтобы надрез был напротив того места, куда будет направлена сила.
• Маятник поднимается на верхнюю часть – максимальный размах.
• При падении с этой высоты происходит разрушение образца с последующим поднятием на меньшее расстояние.

Методы измерения

Важны следующие нюансы:

• Точность установки бруска с погрешностью не более 0,5 мм.
• Необходимо оборудовать площадку эксперимента оборудованием для обозначения силы.
• Нагрев или охлаждение требуется производить постепенно.

Определение ударной вязкости и размерности металла при пониженных температурах

Мы уже объяснили, что после проведения ряда тестов, образуется определенная диаграмма. Кривая имеет два порога – минимум, хрупкость, которая наступает из-за переохлаждения, и максимум – когда нагрев изменяет кристаллическую решетку сплава.

Другие испытания

Вместо маятника может использоваться молот. Помимо  прочности заготовки из стали требуется проверить на растяжку и кручение, на излом. Все это дает полную комплексную картину о том или ином материале для строительства.

Таблица с показателями

Каждый раз проводить эксперименты не требуется, так как большинство из них уже произведено. Достаточно только пользоваться предложенными ГОСТами. Вот показатели различных наиболее распространенных марок:

СтальТолщина прокатаУдарная вязкость, Дж/см2, не менее

Определение порога хладноломкости

Для этого требуется продолжить проверки по методу Шарпи и зафиксировать ту отрицательную температуру, при которой увеличивается хрупкость. Порог не является моментальным, обычно он состоит из двух температурных точек – максимальной и минимальной.

Обработка полученных результатов

После тестирования будут получены либо разрушение, либо деформация. В первом случае это требуется зафиксировать, а затем продолжить тесты, но с использованием небольших усилий. А во втором следует подвергнуть итоги математическим вычислениям по указанной выше формуле.

В статье мы рассказали, как обозначается ударная вязкость и как ее узнать. В качестве завершения темы посмотрим видео:

На сайте компании «Рокта» вы сможете узнать о других свойствах металлов, а также найти широкий перечень оборудования для ленточного пиления. Переходите в наш каталог, чтобы узнать больше. Чтобы уточнить интересующую вас информацию, свяжитесь с нашими менеджерами по телефонам 8 (908) 135-59-82; (473) 239-65-79; 8 (800) 707-53-38. Они ответят на все ваши вопросы.

Основные свойства металлов и сплавов

Подробности Подробности Опубликовано 27.05.2012 13:19 Просмотров: 65760

Чтобы машина работала долго и надежно в различных условиях, необходимо ее детали изготовлять из материалов, имеющих определенные физические, механические, технологические и химические свойства.

Физические свойства. К этим свойствам относятся: цвет, удельный вес, теплопроводность, электропроводность, температура плавления, расширение при нагревании.

Цвет металла или сплава является одним из признаков, позволяющих судить о его свойствах. При нагреве по цвету поверхности металла можно примерно определить, до какой температуры он нагрет, что особо важно для сварщиков. Однако некоторые металлы (алюминий) при нагреве не меняют цвета.

Поверхность окисленного металла имеет иной цвет, чем не окисленного.

Удельный вес — вес одного кубического сантиметра вещества, выраженный в граммах. Например, углеродистая сталь имеет удельный вес, равный 7,8 г/см.

В авто- и авиастроении вес деталей является одной из важнейших характеристик, поскольку конструкции должны быть не только прочными, но и легкими.

Чем больше удельный вес металла, тем более тяжелым (при равном объеме) получается изделие.

Теплопроводность — способность металла проводить тепло — измеряется количеством тепла, которое проходит по металлическому стержню сечением в 1 см2 за 1 мин. Чем больше теплопроводность, тем труднее нагреть кромки свариваемой детали до нужной температуры.

Температура плавления — температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. Чистые металлы плавятся при одной постоянной температуре, а сплавы — в интервале температур.

Расширение металлов при нагревании является важной характеристикой.

Поскольку при сварке происходит местный нагрев (нагрев лишь небольшого участка изделия), то изделие в различных частях нагревается до разных температур, что приводит к деформированию (короблению) изделия.

Две детали, изготовленные из разных металлов и нагретые до одинаковой температуры, будут расширяться по-разному. Поэтому, если эти детали будут скреплены между собой, то при нагревании могут изогнуться и даже разрушиться.

Усадка — уменьшение объема расплавленного металла при его охлаждении. В процессе усадки металла сварного шва наблюдается коробление детали, появляются трещины или образуются усадочные раковины. Каждый металл имеет свою величину усадки. Чем она больше, тем труднее получить качественное соединение.

Механические свойства. К механическим свойствам металлов и сплавов относятся прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость.

• Эти свойства обычно являются решающими показателями, по которым судят о пригодности металла к различным условиям работы.
• Прочность — способность металла сопротивляться разрушению при действии на него нагрузки.
• Твердость — способность металла сопротивляться внедрению в его поверхность другого более твердого тела.

Упругость — свойство металла восстанавливать свою форму и размеры после прекращения действия нагрузки. Высокой упругостью должна обладать, например, рессоры и пружины, поэтому они изготовляются из специальных сплавов.

Пластичность — способность металла изменять форму и размеры под действием внешней нагрузки и сохранять новую форму и размеры после прекращения действия сил. Пластичность — свойство, обратное упругости. Чем больше пластичность, тем легче металл куется, штампуется, прокатывается.

Вязкость — способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) нагрузкам. Вязкость — свойство, обратное хрупкости. Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке (детали вагонов, автомобилей и т. п.).

Механические свойства выявляются при воздействии на металл растягивающих, изгибающих или других сил.

Механические свойства металлов характеризуются: 1) пределом прочности в кг/мм2; 2) относительным удлинением в %;3) ударной вязкостью в кгм/см2; 4) твердостью; 5) углом загиба.

Перечисленные основные свойства металлов определяются следующими испытаниями: 1) на растяжение; 2) на загиб; 3) на твердость; 4) на удар. Все эти испытания производятся на образцах металла при помощи специальных машин.

Испытание на растяжение. Испытанием на растяжение определяют предел прочности и относительное удлинение металла. Пределом прочности называется усилие, которое надо приложить на единицу площади поперечного сечения образца металла, чтобы разорвать его.

Для испытания на растяжение изготовляют образцы, форма и размеры которых установлены ГОСТ 1497-42.

На рисунке представлены размеры и форма цилиндрических образцов для испытания на растяжение на специальных разрывных машинах» Головки образца закрепляют в захваты машины, после чего дают нагрузку, растягивающую образец до разрушения.

Если величину разрушающего усилия выраженного в килограммах, разделить на число квадратных миллиметров поперечного сечения образца Fo9 то получим величину предела прочности в килограммах на квадратный миллиметр (предел прочности обозначается ов):

Для испытания листового металла изготовляют плоские образцы. На рисунке, в показаны размеры и форма плоских образцов для испытания сварных соединений. Малоуглеродистые стали имеют предел прочности около 40 кг/мм2 стали повышенной прочности и специальные — 150 кг/мм2.

Для вычисления относительного удлинения, обозначаемого Ъ, определяют сначала абсолютное удлинение образца. Для этого разорванные части образца плотно прикладывают друг к другу и замеряют расстояние между метками границ расчетной длины (получают размер /).

Затем из полученной длины вычитают первоначальную расчетную длину образца /о, остаток делят на первоначальную расчетную длину и умножают на 100.

Относительное удлинение металла есть выраженное в процентах отношение остающегося после разрыва увеличения длины образца К его первоначальной длине.

Относительное удлинение малоуглеродистой стали примерно равно 20%. Относительное удлинение характеризует пластичность металла, оно снижается с повышением предела прочности.

Испытание на твердость. В нашей промышленности для определения твердости металла чаще всего применяется прибор Бринеля или Роквелла. Твердость по Бринелю определяют следующим образом.

Твердый стальной шарик диаметром 10,5 или 2,5 мм вдавливается под прессом в испытуемый металл. Затем при помощи бинокулярной трубки измеряют диаметр отпечатка, который получился под шариком на испытуемом металле.

По диаметру отпечатка и по соответствующей таблице определяют твердость по Бринелю.

Твердость некоторых сталей в единицах по Бринелю:

Малоуглеродистая сталь……ИВ 120—130

Сталь повышенной прочности …. ИВ 200—300 Твердые закаленные стали…..ИВ 500—600

С увеличением твердости пластичность металла снижается. Испытание на удар. Этим испытанием определяют способность металла противостоять ударным нагрузкам. Испытанием на удар определяют ударную вязкость металла.

Ударная вязкость определяется путем испытания образцов на специальных маятниковых копрах. Для испытания применяются специальные квадратные образцы с надрезом (фиг. 11,е). Чем меньше ударная вязкость, тем более хрупок и тем менее надежен в работе такой металл. Чем выше ударная вязкость, тем металл лучше. Хорошая малоуглеродистая сталь имеет ударную вязкость, равную 10—15 кгм/см2.

Во многих случаях для проверки пластичности металлов или сварных соединений применяют технологические испытания образцов, к которым относятся испытания на угол загиба, на сплющивание, продавливание и др.

Испытания на загиб. Для проведения испытания на загиб образец из металла укладывается на шарнирных опорах и нагрузкой, приложенной посредине, изгибается до появления трещин на выпуклой стороне образца. После этого испытание прекращают и измеряют величину внешнего угла а. Чем больше угол загиба, тем пластичнее металл. Качественная малоуглеродистая сталь дает угол загиба 180°.

Для определения пластичности сварного соединения вырезают такой же плоский образец со сварным швом, расположенным посредине, и со снятым усилением.

Испытанием на сплющивание определяют способность металла деформироваться при сплющивании. Этой пробе обычно подвергают отрезки сварных труб диаметром 22—52 мм со стенками толщиной от 2,5 до 10 мм.

Проба заключается в сплющивании образца под прессом до получения просвета между внутренними стенками трубы, равного учетверенной толщине стенки трубы. При этом испытании образец не должен давать трещин.

Технологические свойства. В эту группу свойств входят свариваемость, жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием и другие. Технологические свойства имеют весьма важное значение при производстве тех или иных технологических операций и определяют пригодность металла к обработке тем или иным способом.

Свариваемость — свойство металлов давать доброкачественные соединения при сварке, характеризующиеся отсутствием трещин и других пороков металла в швах и прилегающих зонах, причем иногда металл хорошо сваривается одним методом и неудовлетворительно— другим. Например, дюралюминий удовлетворительно сваривается точечной сваркой и плохо — газовой, чугун хорошо сваривается газовой сваркой с подогревом и плохо — дуговой и т. д.

Жидкотекучесть — способность расплавленных металлов и сплавов заполнять литерную форму.

Ковкость — способность металлов и сплавов изменять свою форму при обработке давлением.

Обрабатываемость резанием — способность металла более или менее легко обрабатываться острым режущим инструментом (резцом, фрезой, ножовкой и т. д.) при различных операциях механической обработки (резание, фрезерование и т. д.).

Химические свойства. Под химическими свойствами металлов подразумевается их способность вступать в соединение с различными веществами и в первую очередь с кислородом.

Чем легче металл вступает в соединение с вредными для него элементами, тем легче он разрушается. Разрушение металлов под действием окружающей их среды (воздуха, влаги, растворов солей, кислот, щелочей) называется коррозией.

Для достижения высокой коррозионной стойкости изготавливаются специальные стали (нержавеющие, кислотостойкие и т. п.).