Определение ударной вязкости при изгибе

С помощью динамических испытаний на ударный изгиб выявляют склонность материала к хрупкому разрушению. В нашей стране наиболее распространен метод Шарпи[15], заключающийся в разрушении с помощью маятникового копра, одним ударом, лежащего концами на двух опорах специального образца – рис. 11.1. Для снижения разброса результатов при испытании металлов используют образцы с концентраторами напряжений – надрезами, а при испытании пластмасс – образцы с надрезами и без надрезов.

Для определения работы, затраченной на разрушение образца маятниковый копер снабжен устройством для отчета угла подъема маятника в исходном положении (a) и после разрушения образца (b). Работа по разрушению образца равна разности потенциальных энергий маятника в исходном состоянии П ₀ и в момент наивысшего подъема после разрушения образца П ₁, которую можно выразить через углы a и b:

А _разр = П ₀ – П ₁ = mg (H – h) = mgl (соs b – соs a), Дж,

где m – масса маятника, g – ускорение свободного падения, H и h – высоты подъема, l – плечо маятника – рис. 11.1.

Рис. 11.1. Схема определения ударной вязкости при изгибе

Работа разрушения А _разр в общем случае идет на образование и распространение трещины. Стандартные образцы для испытаний на ударную вязкость имеют вид прямоугольного бруска с надрезом посередине. Надрезы могут быть с U-образной и более острой V-образной вершиной, а если в образце с острой вершиной перед испытанием создана трещина, то его называют Т-образным – рис. 11.2.

Рис. 11.2. Вид образцов с U, V и Т-образным надрезом

Чем острее надрез, тем меньше работа разрушения. Наиболее часто применяют образцы с «мягким» U-образным надрезом, образцы с V-образным надрезом используют при испытании материалов, идущих на изготовление особо ответственных изделий (труб для магистральных газопроводов, ледовых буровых платформ и т. п.). Использование Т-образных образцов позволяет в чистом виде определить работу распространения трещины.

Ударная вязкость обозначается буквами КС с присоединением еще одной буквы, указывающей на вид используемого надреза (КСU, КСV и КСТ), и рассчитывается по формуле:

где F – площадь поперечного сечения образца в месте надреза – см. рис. 11.1.

Ударная вязкость характеризует способность материала сопротивляться динамическим (в том числе ударным) нагрузкам, приводящим к зарождению и развитию трещин; используется для оценки служебных характеристик материалов, идущих на изготовление ответственных деталей (валов, шестерен, труб нефте- и газопроводов, несущих элементов буровых платформ и т. п.).

Ударная вязкость многих материалов (в том числе сталей) существенно снижается при понижении температуры, когда вязкое разрушение становится хрупким. Поэтому сериальные испытания на ударную вязкость при пониженных температурах широко используются для определения порога хладноломкости (критической температуры хрупкости)[16].