Работа № 7 МЕТОД ИСПЫТАНИЯ НА УДАРНЫЙ ИЗГИБ 7.1

Работа №7
МЕТОД ИСПЫТАНИЯ НА УДАРНЫЙ ИЗГИБ
7.1. Основные положения
Цель работы: Ознакомление с методом испытания материалов на ударный изгиб и определение полной работы К, затраченной при ударе (работа
удара), или ударной вязкости КС, под которой понимают работу удара, отнесённую к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора.
Общие сведения. Для оценки свойств материала при динамических нагрузках недостаточно механических характеристик, определяемых при статических испытаниях. При больших скоростях нагружения, например, при ударе,
увеличивается опасность хрупкого разрушения. Эта опасность особенно возрастает при наличии в детали различного рода надрезов (отверстия, галтели,
канавки и пр.), которые вызывают концентрацию напряжений (неравномерное
распределение напряжений). Надрез позволяет сосредоточить всю деформацию, поглощающую удар, в одном месте. Кроме того, наличие надреза ставит
материал в более тяжёлые условия работы, т. к. надрез значительно ослабляет
сечение и вызывает повышение напряжений от изгиба (вблизи дна надреза эти
напряжения резко возрастают из-за концентрации напряжений).
Рис. 7.1. Образцы с концентраторами:
а) концентратор вида U;
б) концентратор вида T
(усталостная трещина);
в) концентратор вида V
56
Работа №7. Методы испытания на ударный изгиб
В настоящее время применяют испытания на ударный изгиб образцов с
концентраторами. Образцы устанавливаются на двух опорах и подвергаются
воздействию ударной нагрузки падающего маятника. Разрушение происходит в
плоскости надреза, и поэтому форма надреза и его размеры влияют на склонность материала к хрупкому разрушению. Испытания на ударный изгиб регламентированы ГОСТ 9454-78, который предусматривает использование 20 типов
образцов, различающихся как собственными размерами, так и размерами концентраторов при трёх видах надрезов (рис. 7.1). Тип Т соответствует концентратору, содержащему усталостную трещину, которую получают в вершине начального надреза при циклическом изгибе образца в одной плоскости.
Работа удара. Работу удара обозначают буквами (KU, KV или КТ) и
цифрами. Первая буква (К) – обозначает символ работы удара, вторая буква (U,
V или Т) – вид концентратора. Последующие цифры обозначают максимальную
энергию удара маятника, глубину концентратора и ширину образца. Например:
KV – 4050/2/2 – работа удара, определённая на образце с концентратором вида V
при температуре минус 400С. Максимальная энергия маятника 50 Дж, глубина
концентратора 2 мм, ширина образца 2 мм. Если испытания проводятся при
комнатной температуре (t=20 ± 100C), то температура в обозначениях не проставляется.
Ударная вязкость. Ударная вязкость (КС) называется отношение работы
(К), необходимой для разрушения образца, к площади поперечного сечения А0 в
месте надреза. Вычисляется ударная вязкость по формуле
K
KC = , A0 = H1⋅B,
A0
где Н1 – начальная высота рабочей части образца, м (см); В – начальная ширина
образца, м (см); Н1 и В измеряются с погрешностью не более 0,00005 м
(0,005 см). Площадь поперечного сечения округляют: при ширине образца 5 мм
и менее – до третьей значащей цифры, при ширине образца более 5 мм – до
второй значащей цифры. Значение КС записывается в протоколе с округлением
до 1 (0,1) Дж/см2 (кГ⋅м/см2), при КС>10 (1) Дж/см2 (кГ⋅м/см2) или до 0,1 (0,01)
Дж/см2 (кГ⋅м/см2) при КС<10 (1) Дж/см2 (кГ⋅м/см2).
Ударную вязкость обозначаются сочетанием букв и цифр. Первые две буквы КС обозначают символ ударной вязкости, третья буква – вид концентратора; первая цифра – максимальная энергия удара маятника, вторая – глубину
концентратора и третья – ширину образца. Например:
КСТ+100 150/3/7,5 – ударная вязкость, определённая на образце с концентратором вида Т при температуре плюс 1000С. Максимальная энергия удара маятника 150 Дж, глубина концентратора 3 мм, ширина образца 7,5 мм.
Цифры не указывают при определении работы удара или ударной вязкости на копре с максимальной энергией удара маятника 294 (30) Дж (кГ⋅м), при
57
Механические испытания материалов
ширине образца 10 мм, глубине концентратора 2 мм для концентраторов вида U
и V и 3 мм для концентраторов вида Т.
7.2. Маятниковые копры для испытания на ударный изгиб
и проведение испытания
Маятниковые копры. Для испытания материалов на ударный изгиб
большее распространение получили маятниковые копры. На рис.7.2 показаны
принципиальные схемы копров MK-15 и МК-30А. Цифра в маркировке копра
показывает максимальную работу удара в кГ⋅м, которую может совершить копер при испытании образцов.
Рис. 7.2. Маятниковые копры для испытания на ударный изгиб: МК-15 (а), МК-30А (б)
Копер состоит из чугунной станины в виде массивной плиты 2 с двумя
вертикальными колоннами 3. В верхней части колонн на горизонтальной оси
подвешен укрепленный в шарикоподшипниках маятник с грузом в виде стального плоского диска с вырезом 5, в котором закреплен стальной закаленный
58
Работа №7. Методы испытания на ударный изгиб
Рис. 7.3. Опоры и нож маятника
нож, служащий бойком при испытании
(рис. 7.3). Внизу на уровне вертикально висящего маятника к колоннам станины прикреплены две стальные закаленные опоры
10, на которые помещают испытываемый
образец 11. Под опорами между колоннами
проходит тормозной ремень 12, который,
прижимаясь к маятнику, качающемуся после удара, вызывает его торможение. Тормозной ремень приводится в действие или
вручную специальной рукояткой 1 (копер
MK-15), или автоматически рукояткой 1
(копер МК-30А).
Перед испытанием маятник поднимают на исходную высоту и удерживают его в этом положении защелкой 6 (в копре МК-30А эта высота зависит от
того, в каком положении установлена защелка подъемной рамы 7 в храповике 8).
При испытании образца маятник освобождается от защелки 6, падая, ударяет образец, разрушает его и взлетает на некоторый угол, которым и определяется работа, затраченная на разрушение образца. Определение угла взлета маятника в копре MK-15 производится следующим образом. Стрелка 8, насаженная на оси маятника, свободно, но с некоторым трением в момент удара упирается в упор 7 у нулевого деления шкалы 9. При взлете маятника стрелка остается неподвижной, а при обратном движении маятника, двигаясь, вследствие трения, вместе с маятником, показывает угол взлета маятника в градусах (рис. 7.4).
В копре МК-30А на оси маятника жестко закреплен поводок 9. При прямом и обратном движении маятника поводок увлекает за собой соответственно
одну или другую стрелку шкалы 10 и оставляет их в положении, фиксирующем
работу (энергию) маятника до и
после удара (Перед началом испытания необходимо проверить,
чтобы при свободно висящем
маятнике указатели стрелок совпадали с нулевым делением
шкалы.)
Маятниковые копры различаются максимальной энергией удара маятника: 4,9 (0,5); 9,8
(1,0); 49,0 (5,0); 98,0 (10,0); 147
Рис. 7.4. Схема для определения угла
(15); 294,0 (30) Дж (кГ⋅м).
взлета маятника
При записи значения мак59
Механические испытания материалов
Рис. 7.5 Схема к определению энергии
маятника до и после удара
симальной энергии удара маятника, значения в джоулях следует округлять соответственно до
5; 10; 50; 100; 150 и 300 Дж.
Максимальная
энергия
удара маятника должна быть такой, чтобы значение работы удара составляло не менее 10% от
максимальной энергии удара
применяемого маятника. Скорость движения маятника в момент удара, погрешность градуировки шкал копра, требования к термостатам, обеспечивающим равномерное охлаждение или нагрев образца, и термометры для измерения температуры контрольных образцов
также регламентированы ГОСТом.
Проведение испытания. Разрушение образцов осуществляется на маятниковом копре (см. рис. 7.2, а). Испытуемый образец 11, размеры которого
предварительно замеряют, устанавливают на опоры 10 надрезом в противоположную сторону от ножа маятника. Освобождение маятника производится с
помощью рукоятки защелки. В копре МК-30А (рис. 7.2, б) маятник, пройдя
нижнее положение и разрушив образец, поворачивает стрелку шкалы на угол,
который соответствует энергии, сохранившейся в маятнике после разрушения
образца. Работа, затраченная на разрушение образца, будет равна разности
энергии маятника до удара и после удара.
В некоторых копрах (например, в MK-15) нет подъемной рамы, а шкала
их проградуирована в градусах. В этом случае величина работы К, затраченная
на излом образца, определяется как разность потенциальной энергии маятника
в его положениях до и после удара (рис. 7.5) и вычисляется по формуле
K = Q( H1 − H 2 ) ,
где Q – вес маятника; Н1 – высота подъёма маятника до удара; Н2 – высота
взлёта маятника после удара.
Вводя соответствующие обозначения, получаем
H1 = R + R ⋅ sin(α − 90°) = R(1 − cosα ) ,
H 2 = R − R ⋅ cos β = R (1 − cos β ) ,
60
Работа №7. Методы испытания на ударный изгиб
Таблица 7.1
Работа, затраченная на излом образца на маятниковом копре (Q=97.972 H; R=0.7945)
β
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
K
150,98
150,97
150,94
150,88
150,80
150,69
150,56
150,40
150,23
150,03
149,80
149,55
149,28
148,99
148,67
148,33
147,97
147,58
147,18
146,74
146,29
145,82
145,32
144,80
144,25
143,69
143,11
142,50
141,87
141,22
140,55
139,87
β
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
K
139,16
138,43
137,68
136,91
136,12
135,31
134,42
133,64
132,77
131,89
130,99
130,07
129,14
128,19
127,22
126,23
125,23
124,21
123,18
122,13
121,70
119,99
118,90
171,79
116,67
115,54
114,39
113,24
112,06
110,88
109,69
108,48
β
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
K
107,27
106,04
104,80
103,56
102,30
101,04
99,77
98,49
97,20
95,90
94,60
93,29
91,98
90,65
89,33
87,99
86,66
85,32
83,98
82,63
81,28
79,92
78,57
77,22
75,86
74,50
73,14
71,79
70,43
69,07
67,72
66,36
β
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
K
65,01
63,66
62,31
60,97
59,63
58,29
56,96
55,64
54,31
53,00
51,69
50,39
49,09
47,80
46,52
45,25
43,99
42,73
41,49
40,25
39,02
37,80
36,60
35,41
34,23
33,06
31,90
30,75
29,62
28,50
27,39
26,30
β
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
K
25,22
24,16
23,11
22,08
21,06
20,06
19,07
18,10
17,13
16,22
15,30
14,40
13,52
12,65
11,81
10,98
10,17
9,38
8,61
7,86
7,13
6,42
5,73
5,07
4,42
3,79
3,18
2,60
2,04
1,49
0,97
0,48
61
Механические испытания материалов
где R – длина маятника (расстояние от центра тяжести маятника до его оси
вращения).
Тогда работа, затраченная маятником
K = Q⋅R⋅cosβ = R(1 – cosβ).
Эту величину также можно определить из табл. 7.1 по углу β.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое работа удара?
2. Что такое ударная вязкость?
3. Чем вызвана необходимость проведения испытаний на ударный изгиб?
4. Роль надреза в образцах при испытаниях на ударный изгиб.
5. Какие виды надрезов в образцах предусматривает ГОСТ?
6. Дайте пример обозначения работы удара.
7. Как обозначается ударная вязкость?
8. В каких случаях не указываются цифры в обозначении ударной вязкости?
9. Устройство и принцип действия маятникового копра.
10. Порядок проведения испытания.
62