Лабораторная работа 3

1. Теоретическая часть

Ударная вязкость - это способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки. Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению.

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.

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» .

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

Испытания на ударную вязкость относятся к динамическим видам испытаний. Для определения ударной вязкости используют стандартные образцы с надрезом U- или V-образной формы, который служит концентратором напряжений.

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

Рисунок 1. Схема проведения испытаний на ударную вязкость.

ГОСТ 9454-78  предусматривает испытания образцов трех типов:

1. Образцы Шарпи - образцы сечением 10x10 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).

Рисунок 2. Типы образцов для испытаний.

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.

2. Практическая часть

Таблица 1. Начальные и конечные параметры образца.

Масса маятника, m, кг	26,5
Угол подъема до подъема, α, градусы	100
Длина маятника, L, м	1,2
Рабочая ширина образца, B, мм	8
Рабочая длина образца, H, мм	10

Таблица 2. Задание для варианта 10.

Температура,°С	Угол подъема после удара,β,градусы
20	101,8
0	100,3
-20	95,8
-40	94,4
-60	­­-

1. Формула для определения ударной вязкости при проведении испытаний при помощи концентратора типа U:

, (1)

где: A-работа разрушения стандартного образца, Дж

F-площадь образца. м³

2. При ударе ножа по образцу передается энергия равная разности потенциальной энергии маятника до и после удара:

, (2)

, (3)

где: P- вес маятника, Н,

ΔН-разница первоначальной высоты подъема маятника и высоты подъема маятника после удара, м.

3. Найдем первоначальную высоту подъема маятника:

м. (4)

4. Найдем высоту подъема маятника после удара:

(5)

Таблица 2. Массив значений Н₁.

Температура, °С	Н1,м
20	1,45
0	1,4
-20	1,36
-40	1,29

5. По формулам 1 и 3 определим изменение потенциальной энергии маятника и ударную вязкость при каждой температуре.

При расчетах примем, что работа разрушения равна изменению потенциальной энергии маятника ( ).

Найдем площадь образца:

м².

Таблица 3. Массив значений W и KCU.

Температура, °С	W,Дж	KCU,МДж/м3
20	13,1	0,16
0	0	0
-20	10,4	0,13
-40	28,6	0,36

6. На основании полученных данных построим график KCU(T):

Вывод: При пониженных температурах необходимая работа для разрушения образца и ударная вязкость уменьшается. Это явление носит название хладноломкость металла.