24.13. Испытания при ударных нагрузках

При эксплуатации деталей и изделий из них могут возникать ударные воздействия, приводящие к их разрушению. Для определения характеристик металлов и конструкций из них в таких условиях проводят испытания с приложением ударных нагрузок.

Поведение металлов и конструкций из них зависит от скорости деформации. Ударной нагрузкой считается нагрузка при скорости деформации свыше 10^2 с^–1. Увеличение скорости деформации вызывает повышение напряжения течения металла, снижение вязкости и появление макро- и микроучастков хрупкого излома. Появление хрупкого излома в металлах происходит и при снижении температуры (хладноломкость). Образование хрупкого излома в значительной степени стимулирует концентрация напряжений вблизи надрезов и трещин и вызывает преждевременное разрушение при эксплуатации.

Склонность металла к хрупкому разрушению зависит не только от внешних факторов (скорость деформации, температура и концентраторы напряжений), но и от условий обработки структуры и свойств металла (наклеп, термическая обработка, чистота металла, текстура и другие факторы).

Испытание металла различных участков сварного соединения и наплавленного металла на ударный изгиб (на надрезанных образцах в соответствии с ГОСТ 699666 и ГОСТ 945478).

При испытании на ударный изгиб определяют ударную вязкость или работу удара либо процентное соотношение хрупкой и вязкой составляющих поверхности излома для металла шва, наплавленного металла, зоны сплавления и различных участков околошовной зоны при толщине основного металла 2 мм и более.

Суть метода: разрушение образца с концентратором напряжений при ударном изгибе.

Ударная вязкость  удельная работа разрушения образца при ударном изгибе, определяемая как отношение работы разрушения к начальной площади поперечного сечения образца.

Измеряется в Дж/см² (кгсм/см²).

Испытания на ударный изгиб проводят на маятниковых копрах, которые должны соответствовать ГОСТ 1070882.

Нагрев или охлаждение образцов осуществляют в термостатах. Испытания для различных материалов проводят в интервале температур от 100 до 1200 С.

Для испытания применяют образцы, форма, размер и качество поверхности которых соответствуют указанным на рис. 24.35 (образцы с U-образным надрезом) или рис. 24.36 (образцы с V-образным надрезом). Предпочтение отдается образцам с V-образным надрезом. В зависимости от цели испытания надрез располагают по металлу шва, по зоне сплавления и в различных участках металла околошовной зоны. Место расположения надреза оговаривается нормативно-технической документацией. Выпуклость шва на всех образцах удаляют до уровня основного металла. При наличии в сварном соединении смещения кромок оно удаляется механическим путем.

Рис. 24.35. Образцы типов VI (а), VII (б), VIII (в) для испытаний на ударный изгиб с U-образным надрезом а  толщина основного металла, мм.

Рис. 24.36. Образцы типов IХ (а), Х (б), ХI (в) для испытаний на ударный изгиб с V-образным надрезом, а  толщина основного металла, мм.

Условное обозначение ударной вязкости или работы удара включает в себя: символ ударной вязкости (КС) или работы удара (К); вид надреза (концентратора U, V); температуру испытания (температура 20 С не указывается); максимальную энергию удара маятника (максимальная энергия в 300 Дж не указывается); тип образца (типы образцов VI и IХ не проставляются); место расположения надреза (Ш  шов, ЗС  зона сплавления, ЗТВ  зона термического влияния, t  расстояние от границы сплавления до оси надреза). Значение t оговаривается в стандартах или другой технической документации. При расположении надреза поперек металла шва, зоны сплавления или зоны термического влияния в конце обозначения ставится буква П.

Примеры условных обозначений

1. Ударная вязкость, определяемая на образце типа VII при температуре 100 С, при максимальной энергии удара маятника 150 Дж, с надрезом вида U, расположенным по зоне сплавления: KСU¹⁰⁰ 150 VII ЗС.

2. Ударная вязкость, определяемая на образце типа ХI при температуре 40 С, при максимальной энергии удара маятника 50 Дж, с надрезом вида V, расположенным по зоне термического влияния на расстоянии t, мм, от границы сплавления до оси надреза: KСV^40 50 ХI ЗТВ.

3. Ударная вязкость, определяемая на образце типа VI при температуре 20 С, при максимальной энергии удара маятника 300 Дж, с надрезом вида U, расположенным по металлу шва: KСU Ш.

4. Ударная вязкость на образце типа IХ при температуре 20 С, при максимальной энергии удара маятника 300 Дж, с надрезом вида V, расположенным поперек металла шва: КСV III П.

В большинстве случаев испытания проводят на образцах квадратного сечения с шириной от 2 до 10 мм с надрезом. Применяют три типа концентраторов напряжений: U-, V- и Т-образный. В последнем случае (Т-образный концентратор) в вершине V-образного надреза наводится усталостная трещина, образующаяся при плоском циклическом изгибе образца.

Образцы с U-образным концентратором применяются при обычных приемно-сдаточных испытаниях металла, с V-образным концентратором – при приемно-сдаточных испытаниях металлов, используемых для конструкций повышенной степени надежности, c Т-образным концентратором – для приемо-сдаточных испытаний металлов, применяемых для особо ответственных конструкций, при эксплуатации которых могут возникать трещины, приводящие к катастрофическому разрушению.

Работа удара обозначается символом К, ударная вязкость обозначается символом КС, вид концентратора обозначается буквами U, V, Т, расположенными после символа.

Для обозначения работы удара и ударной вязкости при повышенных и пониженных температурах вводится цифровой индекс, помещаемый после буквенных составляющих, указывающий температуру испытания. Например: KV^40 50/2/2 – работа удара, определенная на образце с концентратором вида V при температуре 40 С. Максимальная энергия удара маятника 50 Дж, глубина концентратора 2 мм, ширина образца 2 мм; КСТ¹⁰⁰ 150/3/7,5– ударная вязкость, определенная на образце с концентратором вида Т при температуре 100 С. Максимальная энергия удара маятника 150 Дж, глубина концентратора 3 мм, ширина образца 7,5 мм.

Методика испытаний на ударный изгиб, место вырезки заготовки для изготовления образцов, ориентация оси концентратора, технология вырезки заготовок и изготовления образцов приведены в ГОСТ 699666 и ГОСТ 756597 (для черных металлов). Для цветных металлов и сплавов все это должно быть указано в нормативно-технической документации.

Испытание на ударный изгиб при температурах от 100 до 269 С (в соответствии с ГОСТ 2284877)

При испытании определяются следующие характеристики:

- работа А, затрачиваемая на разрушение образца;

- ударная вязкость а, равная отношению величины работы удара к площади поперечного сечения образца в месте удара;

- процент вязкой составляющей в изломе образца, разрушенного при ударном изгибе.

Порядок отбора образцов, их размеры должны соответствовать требованиям ГОСТ 699666 и ГОСТ 945460.

Для испытания на ударный изгиб при температуре до 253 С применяются маятниковые копры по ГОСТ 945478, а для испытаний при температурах до 269 С – специальные копры.

В качестве хладагента применяются жидкий азот с содержанием кислорода не более 10 % по ГОСТу 929374, жидкий водород и жидкий гелий.

Для исключения искрения при ударе ножом маятника копра в отдельных случаях образцы покрывают слоем меди толщиной 912 мкм после нанесения надреза по ГОСТ 300270.

Методика проведения испытаний и обработка результатов изложены в ГОСТ 945478.

Процент вязкой и хрупкой составляющих в изломах образцов определяется по методике, приведенной в ГОСТ 4543-71, или по методикам фрактографических исследований.

Испытание металла различных участков сварного соединения на стойкость против механического старения (в соответствии с ГОСТ 699666).

Стойкость против механического старения характеризуется изменением ударной вязкости металла, подвергнутого старению, по сравнению с ударной вязкостью его в исходном состоянии. О стойкости металла против механического старения судят по выраженному в процентах отношению этих величин или по абсолютному (нормативному) значению ударной вязкости после старения. Испытания проводят для металла шва и различных участков околошовной зоны.

Заготовки подвергают искусственному старению по следующей методике: деформация растяжением из расчета получения (100,5) % остаточного удлинения в пределах расчетной длины L, ограниченной кернами или рисками. Рекомендуется на поверхности образцов через каждые 10 мм наносить риски для проверки равномерности деформации по длине расчетной части.

После удлинения заготовку подвергают равномерному нагреву в течение 1 ч при температуре 250 С с последующим охлаждением на воздухе. Из рабочей части заготовок отбирают образцы типов VI, VII, IХ, Х (рис. 24.35, 24.36). При этом ось надреза должна совпадать с осью шва. Затем проводят испытания образцов на ударный изгиб в соответствии с ГОСТ 945478 на маятниковых копрах, которые должны соответствовать ГОСТ 1070882.

Указанная методика старения применяется для сварных соединений из сталей. Методика старения для других металлов и сплавов, а также иная температура нагрева или величина деформации для соединений из стали оговариваются стандартами или другой технической документацией. Механическому старению подвергают заготовки, отбираемые от стыкового соединения в соответствии с рис. 24.35. Ось симметрии заготовки должна совпадать с продольной осью шва или с осью будущего надреза.

Длину захватной части заготовок h устанавливают в зависимости от конструкции испытательной машины.

Методика проведения испытаний и обработка результатов осуществляются в соответствии с ГОСТ 726882.

Условные обозначения: ударная вязкость при испытаниях на стойкость против механического старения – КС; ударная вязкость сварных стальных образцов – КСстШ, где индексы «ст» обозначают сталь, «Ш»  шов.

В соответствии с ГОСТ 726882 показатель склонности сталей к механическому старению (С,%) вычисляется по формуле:

, (24.16)

где KС_ср – среднее арифметическое значение ударной вязкости стали в исходном состоянии, Дж/см²;

KСА – среднее арифметическое значение ударной вязкости стали после старения, Дж/см².

Вязкость разрушения определяется по ГОСТ 25.50685.

Рис. 24.37. Схемы вырезки образцов из различных участков сварного соединения при испытаниях на стойкость против механического старения. Образцы типов VI и IХ вырезаются по схемам а, б, г; типов VII и Х – по схеме в; L  длина растянутой зоны заготовки, мм; h  длина участков заготовки в захватах испытательной машины, мм.

Испытание сварного соединения на ударный разрыв

Испытания на сопротивление ударному разрыву проводят для сварных стыковых соединений листов толщиной до 2 мм. Форма и размеры образца типа XXXI должны соответствовать указанным на рис. 22.38. При испытании материалов высокой прочности разрешается изменять конструкцию захватной части образца.

Рис. 24.38. Форма и размеры образца типа ХХХI для испытания на ударный разрыв; а – толщина образца, мм.

Испытания проводят на маятниковых копрах с приспособлениями для закрепления плоских образцов. Удельную ударную работу определяют по формуле

a_у  А_у/V, (24.17)

где А_у  работа удара, затраченная на разрыв образца, Дж (кгсм);

V  объем расчетной части образца, равный произведению толщины основного металла (а) на расчетную длину и ширину образца, см³ (м³).