Ударная вязкость материалов: определение, методика испытаний и анализ

Введение в понятие ударной вязкости. Ударная вязкость представляет собой ключевую механическую характеристику материала, которая измеряет его способность сопротивляться динамическим (ударным) нагрузкам. Данный параметр определяется как отношение работы, затраченной на ударное разрушение стандартного образца, к площади его начального поперечного сечения в месте концентратора напряжений. Измеряется эта величина в джоулях на квадратный сантиметр (Дж/см²) или в килограмм-силах на квадратный сантиметр (кгс·м/см²). На точность результатов измерения существенное влияние оказывают размеры образца, геометрия концентратора и методика обработки зоны надреза. Концентраторы (надрезы) в твердых металлах типично создаются с помощью абразивного инструмента, тогда как в мягких материалах применяется фасонная фреза с последующим шлифованием или доводкой дна надреза для обеспечения высокой точности.

Оборудование и методика проведения испытаний. Стандартные испытания на ударную вязкость проводятся на специализированном оборудовании – маятниковых копрах, в соответствии с нормативным документом ГОСТ 10708-82. Процесс разрушения образца осуществляется за счет энергии маятника, свободно качающегося на опорах и оснащенного ножом строго регламентированной формы. Испытуемый образец устанавливается на нижние опоры копра симметрично, при этом концентратор должен быть ориентирован в сторону, противоположную направлению удара. Маятник предварительно поднимается на заданную высоту и фиксируется защелкой, аккумулируя таким образом известный запас потенциальной энергии, рассчитываемой как произведение массы маятника на высоту его подъема.

Принцип измерения работы разрушения. В начальном верхнем положении маятник обладает потенциальной энергией, обозначаемой как Ph₁. После освобождения маятник совершает рабочий ход, разрушает установленный образец и по инерции поднимается на меньшую высоту h₂, обладая остаточной энергией Ph₂. Разность между этими двумя величинами энергии и представляет собой работу K, непосредственно затраченную на разрушение образца. Угол подъема маятника после соударения фиксируется стрелкой, которая перемещается по шкале, установленной на станине копра. Работа удара K в джоулях или килограмм-силах на метр рассчитывается по формуле: K = Pl(cosβ - cosα), где P – масса маятника, l – расстояние от оси вращения до его центра масс, α и β – углы подъема до и после разрушения соответственно.

Расчет ударной вязкости и факторы влияния. Непосредственное значение ударной вязкости, обозначаемой как KC, вычисляется по формуле: KC = K / S₀, где K – работа удара, а S₀ – начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора. Площадь S₀ определяется как произведение начальной высоты рабочей части образца H₁ на его начальную ширину B. Важно понимать, что ударная нагрузка воспринимается не площадью сечения, а определенным объемом материала вокруг концентратора, где происходит пластическая деформация. Способность металла рассредоточивать деформацию в большем объеме напрямую коррелирует с высокими значениями ударной вязкости. Эта характеристика закономерно снижается при росте прочностных свойств материала, если это сопровождается одновременным ухудшением пластичности.

Температурная зависимость и хладноломкость. Значение ударной вязкости демонстрирует выраженную зависимость от температуры испытания, что является критически важным для оценки эксплуатационных свойств материалов. При понижении температур многие металлы, в частности стали, склонны к переходу от вязкого к хрупкому механизму разрушения. Это явление известно в материаловедении как хладноломкость. Испытания на ударный изгиб при различных температурах являются стандартным методом для определения порога хладноломкости, то есть температурного диапазона, в котором происходит данное опасное явление. Для более хрупких материалов испытания могут проводиться на образцах без предварительного надреза, и в этом случае ударная вязкость обозначается как K_б.н.С.

Маркировка и расшифровка результатов. Работа удара и ударная вязкость в технической документации и стандартах обозначаются комбинацией букв и цифр, несущей полную информацию об условиях испытания. Буква K всегда обозначает работу удара, а последующие буквы U, V или T указывают на конкретный вид концентратора (форму надреза). Последующие цифры в обозначении расшифровывают температуру испытания, максимальную энергию удара маятника, глубину концентратора и ширину образца. Например, маркировка KV ^-40 50/2/2 означает, что работа удара определена на образце с концентратором типа V при температуре -40°C, с максимальной энергией маятника 50 Дж, глубиной надреза 2 мм и шириной образца 2 мм. Образец обозначения КСТ⁺¹⁰⁰ 150/3/7,5 указывает на ударную вязкость с концентратором типа T при +100°C, энергией 150 Дж, глубиной концентратора 3 мм и шириной 7,5 мм.

Рис. 2.7. Схема испытания на ударную вязкость: а — размеры образца, положение ножа маятника; б — схема маятникового копра: 1 — шкала; 2 — стрелка; 3 — тормоз; 4 — образец; 5 — маятник

Описание схемы испытательной установки. На рисунке 2.7 представлена схематическая иллюстрация процесса испытания на ударную вязкость. На схеме а показаны стандартные размеры испытуемого образца и положение ножа маятника в момент контакта. Схема б детализирует устройство маятникового копра, включая следующие основные элементы: 1 – измерительная шкала для определения угла подъема, 2 – стрелка-указатель, 3 – тормозная система, 4 – расположение испытуемого образца на опорах, 5 – сам маятник как источник разрушающей энергии. Данная схема наглядно демонстрирует принцип действия оборудования и взаимодействие его ключевых компонентов в процессе проведения испытания.