1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомиться с особенностями вязкого и хрупкого разрушения металлов, характеристиками изломов и показателями сопротивления металлов разрушению; изучить методику испытания на ударный изгиб и определения порога хладноломкости.
2 МАТЕРИАЛЫИ ОБОРУДОВАНИЕ
2.I. Стандартные образцы для испытаний на ударный изгиб.
2.2. Маятниковый копер МК-30А
2.3. Наборы образцов, испытанных при различных температурах.
3 КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
3.1 Хрупкое и вязкое разрушение
В зависимости от степени пластической деформации перед разрушением различают два основных вида: хрупкое и вязкое. При вязком разрушении металл претерпевает значительную пластическую деформацию, при хрупком макропластическая деформация отсутствует, разрушение происходит путем отрыва или скола, когда плоскость разрушения перпендикулярна действующим напряжениям. Разрушение начинается от дефекта (микротрещины), вблизи которого концентрируется напряжения, превосходящие теоретическую прочность металла. У пластичных металлов благодаря релаксации напряжений их концентрация вблизи несплошностей сказывается недостаточно и развитие трещин скола (т.е. хрупких) не происходит. Вязкое и хрупкое разрушения характерны соответственно для аморфных (смолы, глины) или идеально упругих материалов (алмаз), большинству же реальных материалов присуще, в зависимости от условий эксплуатации или испытаний, и вязкое, и хрупкое разрушения. Характерными признаками разрушения являются такие, как энергоемкость (величина работы разрушения), вид трещины (а также поверхности излома), скорость распространения трещины.
Хрупкое разрушение происходит за счет высвобождения накопленной упругой энергии и для распространения трещины не требуется подвода энергии извне, поскольку ее затраты на образование меньше, чем освобождающаяся при этом упругая энергия. Для развития вязкого разрушения необходим непрерывный внешний подвод энергии, расходуемой на пластическое деформирование металла впереди растущей трещины и преодоление возникающего при этом упрочнения.
|
|
При хрупком разрушении трещина имеет малый угол раскрытия (острая), пластическая деформация почти отсутствует; при вязком – трещина тупая, поверхность разрушения обычно значительно деформирована (рисунок 1).
Макроизлом при хрупком разрушении имеет, как правило, блестящую поверхность, плоские грани расколотых зерен придают хрупкому излому металлический блеск. Излом при вязком разрушении имеет матовую волокнистую поверхность без металлического блеска.
Скорость распространения хрупкой трещины сравнима со скоростью звука в металле (тысячи метров в секунду), вязкая трещина распространяется значительно медленнее, ее скорость определяется скоростью нарастания напряжения.
Наиболее опасным для реальных конструкций является хрупкое разрушение, поскольку оно происходит, как правило, при напряжениях, составляющих небольшую долю расчетных за счет концентрации напряжений в вершине острой трещины.
При появлении острой и длинной трещины напряжения вблизи ее вершины могут значительно (на I – II порядка) превышать приложенное напряжение. Поэтому для инициирования хрупкого разрушения совсем не обязательны высокие средние напряжения, достаточно, чтобы только в вершине трещины были превышены предельные для данного материала напряжения.
|
|
| |||||
| а | б | ||||
| Рисунок 1 – Вид трещины и схемы разрушения: а – хрупкое, б – вязкое | |||||
| s, МПа |   Т, °С
Ткр
| ||||
| Рисунок 2 – Схема вязко – хрупкого перехода по Иофе – Давиденкову | |||||
Процесс возникновения начальной микротрещины сопровождается микропластической деформацией даже при хрупком разрушении. Доказано, что перемещение дислокаций по плоскостям скольжения, почти не требующее энергетических затрат, их скопление у межфазных границ и других “непрозрачных, барьеров приводит к концентрации напряжений в локальной зоне и нарушению сплошности (микротрещина). Это зародышевая микротрещина при наличии напряжений подрастает за счет поглощения других дислокационных трещин до критической, когда напряжения в ее вершине достигнут уровня прочности.
Характер разрушения конкретного материала зависит от ряда факторов: температуры, условий нагружения, формы и размеров детали, вида концентратора напряжений (надреза), характера среды, свойств и природы материала (тип решетки, состав и структура, размер зерна и т.п.).
Влияние температуры на характер разрушения обычно иллюстрируют схемой А.Ф.Иофе – Н.Н.Давиденкова (рисунок 2), согласно которой смена одного типа разрушения другим определяется соотношением предела текучести sт и разрушающего напряжения sотр. Температурная зависимость этих параметров различна, точка пересечения sт -sотр делит схему на две области: левее располагается область хрупких разрушений (sотр < sт), правее – вязких (sотр >sт). Температуру, при которой предел текучести становится равным разрушающему напряжению, называют критической температурой хрупкости (Тхр), или порогом хладноломкости.
|
|
Свойство материалов хрупко разрушаться с понижением температуры называется хладноломкостью. Ее показателем и является критическая температура хрупкости Тхр (называемая также температурой перехода в хрупкое состояние или порогом хладноломкости).
Анализ причин хрупких разрушений показывает, что трещины хладноломкости обычно начинаются от нарушений сплошности металла (надрезов), являющихся концентраторами напряжений. В данном случае под надрезом понимаются любые дефекты (царапины, неметаллические включения, раковины, пустоты, непровары, пористость, технологические отверстия и резкие переходы сечений).
Хладноломкость материала зависит от скорости нагружения, коррозионного воздействия среды, размеров детали, металлургических факторов.
Склонность к хрупкому разрушению при низких температурах зависит от кристаллического строения и структуры металла. Металлы с ОЦК – решеткой (сплавы на основе a-железа, хром, вольфрам, молибден), некоторые металлы с ГП – решеткой (цинк, магний, кадмий, кроме титана являются как правило хладноломкими. Металлы с решеткой ГЦК (аустенитные стали, медь, никель, алюминий) не склонны к хладноломкости. Существенно понижается порог хладноломкости при измельчении зерна.
На практике чаще встречаются случаи смешанных разрушений (вязко-хрупких), когда в изломе наблюдаются волокнистые и кристаллические составляющие. Реальные сплавы разрушаются, как правило, вязко при высоких и хрупко при низких температурах. Порог хладноломкости для реальных сплавов изменяется в очень широких пределах: для некоторых сплавов хрома, молибдена и вольфрама Тхр составляет сотни градусов Цельсия выше нуля, для никелевых – близко к абсолютному нулю. Собственно порог хладноломкости характеризуют иногда двумя температурами: Тв – верхняя граница порога, выше которого излом полностью вязкий (не менее 90% волокна в изломе) и Тн – нижняя граница порога, ниже которой излом полностью хрупкий (не более 10% волокна в изломе). Если порог характеризуют одной величиной, то указывают середину порога Т50 или Тп.х., – температуру перехода в хрупкое состояние, при которой в изломе 50% волокнистой составляющей.
3.2 Определение характеристик сопротивления разрушению
Для установления степени надежности материала определяют его сопротивление разрушению: вязкому (удельная энергия разрушения КС) и хрупкому (порог хладноломкости Т50) при испытаниях на ударный изгиб.
3.2.1 Определение ударной вязкости при испытаниях на ударный изгиб по ГОСТ 9454-78
Метод основан на разрушении образца с надрезом (концентратором) посередине одним ударом маятникого копра, когда концы образца свободно лежат на опорах копра (рисунок 3). В результате испытаний определяют полную работу (К), затраченную на разрушение образца (работу удара), или удельную работу, т.е. ударную вязкость (КС).
| 
| нож маятника образец опора |
| Рисунок 3 – Схема испытания на ударный изгиб на маятниковом копре |
Образцы для испытаний на ударный изгиб имеют квадратное сечение и надрезы (концентраторы) следующих видов:
- U - образный (образец Менаже, рисунок 4, а);
- V - образный (образец Шарпи, рисунок 4, б);
- Т - образный (надрез V-образный с заранее нанесенной усталостной трещиной, рисунок 4, в).
Образцы с концентратором вида U используют при выборе или приемо-сдаточных испытаниях металлов и сплавов, а V – образным концентратором - при оценке возможности использования или приемо-сдаточных 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 концентратором вида Т. Его получают в вершине начального надреза при циклическом изгибе образца в одной плоскости с числом циклов изгиба не менее 3000.
а 
| б 
|
в 
|
| Рисунок 4 – Типы образцов для динамических испытаний металлов на удар: а – образец с U – образным надрезом; б – образец с V – образным надрезом; в – образец с Т – образным надрезом. |
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 (рисунок 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 закрепляется в исходном верхнем положении с высотой Н и углом подъема a. Затем маятник отпускают, он свободно падает, ударяет по образцу, изгибает и разрушает его, поднимаясь после этого на высоту h и угол b. Чем больше энергии затрачено на разрушение образца, тем меньше h и b. Величина работы удара (энергии разрушения) К определяется как разность потенциальной энергии, запасенной при подъеме маятника Кп и остаточной энергии Кост, которой обладает маятник после разрушения образца:
К = Кп – Кост
Значения Кп и Кост определяют по шкале копра, проградуированной в кгс×м (Дж).
Работу удара обозначают двумя буквами и цифрами: первая буква (К) – символ работы удара, вторая буква (U или 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 (Т) и ширина образца 10 мм.
- Например, символы КV-40 50/2/5 обозначают работу удара, определенную на образце шириной 5 мм с концентратором вида V глубиной 2 мм при температуре минус 40оС при максимальной энергии удара маятника 50 Дж.
Ударная вязкость – это работа удара, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора. Ударная вязкость имеет размерность Дж/см2 (кгс·м/см2) и вычисляется по формуле:
КС = К/Sо
где К – работа удара, Дж (кгс×м);
Sо – начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, см2.
Ее обозначают путем прибавления к символу работы удара буквы С, причем стандартные условия так же не вводят в обозначение. Например:
- КСТ+100 150/3/7,5 – ударная вязкость, определенная на образце шириной 7,5 мм с концентратором типа Т, глубиной 3 мм при температуре плюс 100оС и максимальной энергией удара маятника 450 Дж
- КСU – ударная вязкость, определенная на образце шириной 10 мм с концентратором типа U, глубиной 2 мм при комнатной температуре и максимальной энергией удара маятника 294 Дж.
2.2 Определение порога хладноломкости
Испытания на ударный изгиб проводят, чтобы спрогнозировать поведение материала (и конструкции, изготовленной из него) в условиях эксплуатации, для установления склонности материала к хрупкому разрушению. Порог хладноломкости определяют при проведении так называемых сериальных испытаний, т.е. испытаний на ударный изгиб большого числа образцов при последовательно понижающейся температуре. На построенной по результатам испытаний зависимости ударной вязкости от температуры (рисунок 5) порогом хладноломкости Тпх считают температуру наиболее резкого падения ударной вязкости (изменение знака производной кривой КС – Т). Обычно эта температура лежит между Тв и Тн – верхним и нижним порогом хладноломкости –температуры соответственно начала падения КС и близкого к нулевому значению КС.
Порог хладноломкости определяют и по доле волокнистой составляющей в изломе ударного образца (процент волокна в изломе В) и доле хрупкого, кристаллического строения излома. Верхний порог хладноломкости примерно соответствует температуре, при которой в изломе 90% волокна, нижний – 10%. Критической температурой хрупкости (порогом хладноломкости) считают температуру, при которой в изломе образца 50% вязкой составляющей, поэтому ее часто обозначают Т50. Следует отметить, что величины Тпх и Т50 не всегда совпадают, поскольку четкое разграничение излома на вязкую, волокнистую и кристаллическую блестящую части обнаруживается только при испытаниях углеродистых и низколегированных сталей. При испытаниях высокопрочных сталей зоны вязкой и хрупкой составляющей локализованы порой в пределах зерна, поэтому определяются не визуально, а при электронно-микроскопическом исследовании, когда можно уверенно выявить вязкое (чашечный излом) или хрупкое разрушение (ручьистый излом).
Рисунок 5 – Температурные зависимости ударной вязкости (а) и доли вязкой составляющей в изломе (б)