САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет технологии и исследования материалов

Кафедра исследования структуры и свойств материалов

Отчет о лабораторной работе №6

«Динамические испытания на ударный изгиб»

Выполнил студент группы : 2066/2 Голубовский С. В.

Преподаватель: Столярова Н.А.

Санкт-Петербург

2012

1. Цель работы

Целью работы является определение температуры перехода в хрупкое состояние для стальных образцов с различными содержаниями легирующих элементов путем измерения их ударной вязкости при различных температурах.

2. Теоретическое обоснование работы

Основными факторами, влияющими на переход металла из вязкого состояния в хрупкое и наоборот являются: скорость деформации, концентраторы напряжений и температура.

Рис. 1. Кривые растяжения при статическом и динамическом нагружении

Влияние скорости деформации. У металлов, находящихся в пластическом состоянии, сопротивление деформированию повышается с увеличением скорости деформации. Чем выше скорость деформации, тем выше пределы пропорциональности, текучести и временное сопротивление металла.

На рис. 1 приведены две кривые растяжения для одной и той же стали при статическом и динамическом нагружении. Как видно из диаграммы, динамическое нагружение не переводит металл в хрупкое состояние, а вызывает лишь резкое повышение начальной части диаграммы, - значительно превышаются пределы упругости, пропорциональности и текучести. Временное сопротивление и истинный предел прочности изменяются менее заметно. Пластичность метал­лов при этом несколько уменьшается.

Тенденция к повышению сопротивления металла деформированию при увеличении скорости деформации является общей для металлов вязком состоянии, однако она неодинакова для различных металлов.

Экспериментальные данные, полученные при испытании различных металлов и сплавов при увеличенных скоростях деформирования, показывают, что чем ниже температура плавления металла, тем эффективнее повышается сопротивление его деформированию при комнатной температуре.

Рис. 2. Распределение напряжений по сечению в образцах с различным видом надрезов

Влияние надрезов. На переход металла из вязкого состояния в хрупкое большое влияние оказывают надрезы и выточки на образцах, являющийся концентраторами напряжений. Действие надрезов аналогично действию сложной конфигурации изделий, а также поверхностным и внутренним дефектам строения металла, разнообразным нарушениям сплошности, неметаллическими включениям и т. д. Наличие в изделиях надрезов, резких переходов сечения и т. п. создает неравномерное распределение напряжений. На рис. 2 показано распределение напряжений по сечению в образцах с различным видом надрезов, подвергнутых растяжению. У вершины надреза наблюдается повышение продольных напряжений _max.

Концентрация напряжений, в образце с надрезом тем больше, чем острее надрез.

Рис.3. Влияние надрезов на механические свойства ме­таллов

Как видно из рис.2., часть об­разца а, примыкающая к надрезу, остается почти ненагруженной и свободной от напряжений.

Силовые линии проводят по образцу, минуя объем мало нагруженного металла, в результате чего у надреза увеличи­вается плотность силовых линий и создается концентрация напряжений. Подобная концентрация осевых напряжений у надреза приводит к возникновению дополнительных попе­речных напряжений, действующих перпендикулярно оси об­разца. Поперечные напряжения вызывают поперечную деформацию и переход металла от линейного к объемному на­пряженному состоянию.

На рис. 3 приведена схематично диаграмма, иллюстри­рующая влияние надрезов на механические свойства ме­таллов.

У образцов с надрезами вся кривая растяжения повы­шается, особенно сильно в начальной части диаграммы _пц, _0.05, _т, что свидетельствует об увеличении сопротивлений металла упругой деформации под влиянием надреза.

Одновременно резко снижаются пластические свойства - удлинение и сужение металла. Чем острее и глубже надрез, тем больше проявляется его влияние на свойства металла. Повышение характеристик прочности при надрезе не является признаком увеличения прочности металла, так как металл при наличии надреза не приобретает никаких новых физических свойств, изменяется только его напряженное состояние, причем в направлении невыгодном для условий эксплуатации. Увеличение сопротивления пластической деформации при надрезе всегда приводит к уменьшению пластичности и вязкости, т. е. надрез способствует переходу металла из пластического состояния в более хрупкое.

Влияние надрезов используют в специальных испытаниях конструкционных материалов на выявление склонности их хрупкости или чувствительности к надрезу.

Подобные испытания для выявления чувствительности металла к надрезу проводятся с целью определения склонности металла к хрупкому разрушению при растяжении, а также и при изгибах статическом и динамическом.

Влияние температуры. На переход металла из пластического состояния в хрупкое влияет температура. Влияние температуры на характеристики прочности и пластичности металлов может быть объяснено на основании диаграммы, предложенной А. Ф. Иоффе (рис. 4).

Рис. 4. Диаграмма Иоффе

Пластическое и хрупкое состояние металла определяются соотношением двух величин: предельного сопротивления упругой деформации S_т (пределом текучести) и среднего напряжения S_от, равного силам внутреннего сцепления в решетке. Пластическую деформацию - сдвиг могут вызвать только касательные напряжения, хрупкий отрыв − нормальные напряжения. Диаграмма Иоффе показывает, что хрупкое или вязкое разрушение зависит от соотношения величин сопротивления материала касательным или нормальным напряжениям.

При S_отS_т, прежде чем внешние силы превысят силы сцепления, предел текучести окажется превзойденным, и в металле начнутся сдвиги по плоскостям скольжений, т. е. Моменту разрушения будет предшествовать развитие пластической деформации. В этом случае металл разрушается в пластичном состоянии.

При S_тS_от, когда предел текучести еще достигнут, внешние силы окажутся больше S_от. Сцепление в решетке нарушится и наступит разрушение без каких-либо признаков пластической деформации. Под влиянием температуры изменяется соотношение между S_от и S_т.

Предел текучести, как известно, с повышением температуры понижается, тогда как сопротивление отрыву, или хрупкая прочность, зависит в основном не от температуры, а от электромагнитных сил сцепления.

Область положительных температур S_отS_т отвечает пластичному разрушению металла, а область низких температур – хрупкому разрушению.

Т емпература, при которой начинает проявляться хруп­кость (S_т=S_от), называется температурой критической хрупкости t_к. Чем ниже температура критической хрупкости, тем более пластичным является металл.

Рис. 5. Устройство маятникового копра

Критическая температура хрупкости t_к является важней­шим показателем способности металла противостоять хруп­кому разрушению, мерой вязкости материала. Чем ниже тем­пература хрупкости, тем при прочих равных условиях шире область температур вязкого состояния, при котором S_отS_т, тем больше запас пластичности материала.

Все виды обработки, которые способствуют повышению температуры критической хрупкости, сужают область вязко­го состояния и увеличивают склонность материала к хруп­кости.

Динамические испытания проводят на специальной установке – маятниковом копре (рис.5).

Маятниковый копер состоит из станины 1, в верхней ча­сти которой на горизонтальной оси подвешен маятник 6 - стальной диск с вырезом 5. Диск маятника свободно проходит между массивными неподвижными опорами, и на уровне опор в прорези маятника закреплен нож из закаленной стали, рабочая грань ножа точно совпадает с вертикальной осью, соединяющей центр вращения с центром тяжести ма­ятника. В начале испытания определяют запасе работы маят­ника А₁ свободно падающего с высоты h₀. Для этого маятник поднимается вручную на высоту h₀ и закрепляется за­щелкой 4 (положение а на схеме (рис 6)). Стрелка, насаженная с легким трением на ось вращения маятника, устанавливается перед испытанием на ноль шкалы 3. Поворотом рукоят­ки 8 освобождается защелка, и маятник свободно падает вниз и затем по инерции взле­тает на угол ₀, равный углу подъема маятника (положение d на схеме (рис.6)). Остановка ма­ятника производится ручным тормозом, состоящим из рем­ня 10, натягиваемого рычагом 2. Угол взлета маятника от­считывается по положению стрелки, которая находится на оси маятника 7 и перемещаемся по шкале 3, разделенной на градусы. Стрелка указывает угол взлета маятника тогда, когда он принимает вертикальное положение (положение b на схеме). Запас работы маятника весом Р, свободно падаю­щего с высоты h₀, будет равен

Затем на опоры копра устанавливают образец 9 с таким расчетом, чтобы нож маятника приходился точно против надреза образца с противоположной стороны. После спуска защелки диск маятника падает, разрушая образец, лежащий на опорах. При ударе маятник теряет часть своей энергии, идущей на разрушение образца, оставшаяся энергия поднимает маятник на высоту h₁ (положение с на схеме (рис. 6)), угол подъема маятника - ₁.

Рис.6. Схема испытания