10162

одним ударом маятникового копра. Концы образца располагают на опорах.

В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе (работу удара), или ударную вязкость.

Испытание на удар проводится на специальном приборе, называемом маятниковым копром (рис. 6.11), изломом надрезанного образца, свободно установленного на две опоры копра (рис. 6.12), падающим с определен-

ной высоты массивным маятником.

Рис. 6.11. Схема маятникова копра и положения образца при испытании на ударную вязкость

Под ударной вязкостью следует понимать работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора.

Образец устанавливают на опорах копра и наносят удар по стороне образца, противоположной надрезу. Работу, затраченную на разрушение образца, определяют по формуле:

К mg H h mgl cos 2 cos 1 ,

где m – масса маятника; g – ускорение свободного падения; H, h – вы-

сота подъема маятника до подъема и после разрушения образца; l – длина

130

маятника; α2, α1 – угол подъема маятника до удара и после разрушения образца соответственно.

Величины m, h, l, α1 – постоянны, поэтому при испытаниях значение работы разрушения определяют с помощью специальных таблиц по значению α2 (h).

Рис. 6.12. Расположение образца на опорах

В соответствии с ГОСТ 9454 – 78 предусмотрены испытания образ-

цов с концентратором напряжений трѐх видов: U – образным (радиус надреза r = 1мм); V – образным (r = 0,25мм) и Т – образным (трещина усталости, созданная в основании надреза). Соответственно ударную вяз-

кость обозначают: KCU, КСТ, KCV.

Основным критерием ударной вязкости является KCU. Она состоит из двух составляющих:

KCU = КС3 + КСР,

где КС3 — работа зарождения трещины; КСр ≈ КСТ — работа рас-

пространения трещины. Чем острее надрез, тем меньше КС3. Критерий КСТ является критерием трещиностойкости, оценивающим сопротивление материала распространению трещины.

Ударная вязкость из всех характеристик механических свойств наибо-

131

лее чувствительна к снижению температуры. Поэтому испытания на удар-

ную вязкость при пониженных температурах используют для определения порога хладноломкости – температуры или интервала температур, в кото-

ром происходит снижение ударной вязкости.

Хладноломкость – свойство металлического материала терять вяз-

кость, хрупко разрушаться при понижении температуры. Хладноломкость проявляется у железа, стали, металлов и сплавов, имеющих объѐмно-

центрированную или гексагональную плотноупакованную решетку. Она отсутствует у металлов с гранецентрированной кубической решеткой.

На переход от вязкого разрушения к хрупкому указывают изменения строения излома и резкое снижение ударной вязкости (рис. 6.13) в интерва-

ле температур (tВ – tХ) (граничные значения температур вязкого и хрупкого разрушения).

Рис. 6.13. Влияние температуры испытания на процент вязкой состав-

ляющей в изломе (В) и ударную вязкость материала KCU, КСТ.

Строение излома изменяется от волокнистого матового при вязком разрушении (t ≥ tВ) (рис. 6.14,а,б) до кристаллического блестящего при

132

хрупком разрушении (t < tХ) (рис. 6.14,в,г,д).

Рис. 6.14. Микроструктура иллюстрирующая: а, б – вязкое разрушение; в, г, д – хрупкое раз-

рушение

д

На рис. 6.14,а,б показаны типичные примеры микроструктуры вязкого излома. У него характерный рельеф, образуемый совокупностью отдель-

133

ных ямок. Диаметр их колеблется в диапазоне 0,5 – 20 мкм. Глубина ямок,

характеризующая размеры области интенсивной пластической деформа-

ции, на вязком изломе в зоне макроотрыва может быть довольно велика

(несколько микрометров). Ямки на поверхности вязкого излома являются результатом образования, роста и слияния множества микропор (трещин).

На поверхности разрушенных перемычек, а также на дне некоторых пор часто видны линии скольжения, образовавшиеся при пластической дефор-

мации перед разрушением.

С практической точки зрения гораздо важнее хрупкое разрушение

(рис. 6.14,в,г,д), чем вязкое. Это наиболее опасный вид разрушения, иду-

щий катастрофически быстро и под влиянием сравнительно низких напря-

жений. Поэтому сведения о механизме хрупкого разрушения и условиях,

которые ему способствуют или его затрудняют, особенно важны.

В целом, металлы и сплавы идеально хрупко (без пластической де-

формации) не разрушаются. Хрупкая трещина так же, как и вязкая, возни-

кает по современным воззрениям в результате пластической деформации.

Развитие ее происходит в основном на закритической стадии в отличие от вязкой трещины, развитие которой идет стабильно.

Хрупкая трещина при внутризеренном (транскристаллитном) разру-

шении (трещина скола) обычно распространяется вдоль кристаллографи-

ческой плоскости с малыми индексами. Например, в металлах с ГП решет-

кой – по плоскости базиса, в ОЦК решетке – вдоль {001}, иногда, напри-

мер в ванадии и тантале, вдоль {011}. В металлах с ГЦК решеткой образо-

вание трещин скола, как правило, не наблюдается.

В отличие от вязкого, хрупкое разрушение может быть не только внутри-, но и межзеренным. Последнее наблюдается особенно часто в сплавах, где по границам зерен располагаются прослойки второй фазы.

При межзеренном (интеркристаллитном) разрушении трещина в од-

нофазных материалах распространяется по поверхности границ зерен, а

при наличии на границах второй фазы – вдоль межфазной поверхности или

134

вдоль скола внутри включений.

В зависимости от характера распространения трещины структура по-

верхности разрушения получается различной. Структура поверхности внутризеренного скола при узкой пластической зоне у вершины разви-

вающейся хрупкой трещины резко отличается от вязкого излома. При простом осмотре хрупкий излом обычно блестящий или имеет цвет фаз,

расположенных по границам зерен. Под микроскопом видно, что внутри-

кристаллитный скол не идеально гладок. На поверхности его обычно име-

ются ступеньки, придающие структуре вид ручьистых узоров (рис. 2.39а).

В поликристаллических образцах вид этих узоров при переходе от зерна к зерну меняется. Каждая линия речного узора соответствует разнице в уровнях, т.е. ступеньке на поверхности излома.

Для наглядности на рис. 6.14 представлены фрактограммы внутризе-

ренного скола (в) и межзеренного разрушения (г, д): г–небольшое количе-

ство частиц избыточных фаз на межзереной поверхности; д–большое ко-

личество частиц избыточных фаз на границах зерен (Н.А. Белов, В.В. Че-

верикин)

Хрупкое разрушение для любого металлического материала наблюда-

ется лишь при определенных условиях испытания, обработки или эксплуа-

тации. Склонность к хрупкому разрушению особенно сильно зависит от температуры: чем она ниже, тем обычно больше вероятность хрупкого разрушения. Поэтому на температурной зависимости показателя пластич-

ности технических материалов и сплавов выделяется интервал температур перехода Тхр от хрупкого разрушения (близкие к нулю показатели пла-

стичности) к вязкому (значительные по величине показатели пластично-

сти). Вместо интервала температур часто используют какую-то одну тем-

пературу хрупко-вязкого перехода Тхр, – верхнюю или нижнюю границы интервала Тхр, либо температуру, соответствующую середине этого ин-

тервала. Иногда Тхр оценивают как температуру, соответствующую опре-

деленной доле хрупких по структуре участков излома образца. Величина

135

Тхр широко используется как характеристика склонности того или иного материала к хрупкому разрушению: чем выше Тхр, тем больше эта склон-

ность.

Особенно важным является хрупкое разрушение при температурах вблизи комнатной и выше. Металлы и сплавы, у которых Тхр лежит при таких температурах, называют хладноломкими. Хладноломкость – пробле-

ма особенно острая для многих металлов с ОЦК решеткой.

Порог хладноломкости обозначают интервалом температур (tВ – tН) ли-

бо одной температурой t50, которой в изломе образца имеется 50% волок-

нистой составляющей и КСТ снижается наполовину.

6.5. Испытание на усталостную прочность и долговечность конст-

рукционных материалов

Усталость представляет собой процесс постепенного накопления по-

вреждений в материале под действием переменных напряжений, приводя-

щих к образованию и развитию усталостных трещин.

Усталостные испытания регламентируются по ГОСТ 25502-82. Значе-

ния пределов выносливости даются с указанием базы испытания (числа циклов), а также в зависимости от предела текучести, временного сопро-

тивления разрыву и твердости. Циклические испытания характеризуются многократными изменениями нагрузки по величине и по направлению.

Испытания на усталость являются длительными и по их результату опре-

деляют число циклов до разрушения при разных значениях напряжения.

Из–за различной ориентации зерен и блоков, макро- и микродефектов напряжения в металле распределяются неравномерно. При расчетной на-

грузке ниже временного сопротивления в отдельных перенапряженных локальных объемах происходит пластическая деформация и, как следствие еѐ предельного развития, возникают полосы скольжения (рис 6.15,а), кото-

рые сливаясь образуют магистральную микротрещину (рис 6.15,б) впо-

136

следствии перерастающую в макротрешину, приводящую к разрушению материала.

а б

Рис. 6.15. Микроструктура стали 30ХГСН2А после испытания на ус-

талость при 20°С, х400. Деформация плоского изгиба образца: а - полосы скольжения и небольшие микротрещины на поверхности; б - магистраль-

ная микротрещина

Усталостные изломы имеют признаки, отличающие их от изломов другого рода. В изломе можно выделить несколько характерных зон. Фо-

кус излома – локальная зона, в которой возникает зародышевая макроско-

пическая трещина усталости и откуда начинается еѐ развитие. Очаг разру-

шения – небольшая зона, прилегающая к фокусу излома, в котором сфор-

мировалась начальная (зародышевая) макроскопическая трещина устало-

сти. Очаг разрушения характеризуется небольшим блеском и наиболее гладкой поверхностью. Зона собственно усталостного развития трещины характеризуется тем, что в ней от очага разрушения как из центра расхо-

дятся линии усталости – следы фронта продвижения трещины. Зона доло-

ма образуется на последней стадии усталостного разрушения и имеет ярко выраженные признаки вязкого макрохрупкого разрушения.

137

Внешний вид излома от усталости показан на рис. 6.16. Схема устало-

стного излома приведена на рис. 6.17.

Рис. 6.16. Внешний вид излома от усталости: 1 – зона прогрессивного развития или собственно усталости; 2 – зона долома

Рис. 6.17. Схема усталостного излома: 1 – зона долома; 2 – участок ускоренного развития трещины; 3 – 5 – зона собственно усталостного

развития (3 – зона избирательного развития; 4 – очаг разрушения; 5 – фо-

кус излома); 6 – ступеньки и рубцы; 7 – пасынковые трещины и вторичные ступеньки и рубцы; усталостные линии или полосы;

9 – рубцы; 10 – скос

Различают три стадии усталостного разрушения: зарождение устало-

стной трещины; еѐ медленный рост до критического размера; быстрый долом оставшегося сечения образца или детали. Процесс зарождения уста-

лостных трещин зависит от качества поверхности детали, свойств поверх-

ности, а также от большого количества внешних и внутренних факторов.

138

Например: температура, частота и асимметрия нагружения, масштабный

эффект и др.

6.5.1. Испытание на циклический чистый изгиб

Многообразие условий нагружения, встречающихся на практике, обу-

славливает соответствующее разнообразие принципов действия и конст-

руктивных схем нагружения испытательных машин и систем. Машины для проведения усталостных испытаний работают либо с «силовым замыкани-

ем» (с контролируемой нагрузкой), либо с «деформационным замыкани-

ем» (с контролируемой деформацией) в зависимости от того, поддержива-

ет ли их регулировочное устройство постоянной амплитуду прикладывае-

мого к образцу усилия или деформации. В машинах, работающих с кон-

тролируемой нагрузкой, усталостный излом после зарождения первой трещины происходит быстрее, поскольку несущее сечение с ростом тре-

щины подвергается воздействию более высокого напряжения. В машинах,

работающих с контролируемой деформацией, скорость распространения трещины замедляется, поскольку образец с трещиной становится более

«мягким» (податливым) и вследствие этого напряжение понижается. Раз-

личают два вида нагружения: 1 – с заданным размахом нагрузки – мягкое нагружение; 2 – с заданным размахом деформации – жесткое нагружение.

Различия в результатах испытаний при указанных двух видах нагружения возрастают по мере повышения уровня напряжений – в области упруго-

пластического деформирования.

Для высокоскоростных усталостных испытаний металлических мате-

риалов по стандартной схеме нагружения «изгиб с вращением» в послед-

нее время наиболее распространена недорогая и очень удобная машина модели R.R.Moore корпорации Instron (Рис. 6.18).

139