Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е
Рис. 4.17. Устройство для |
Рис. 4.18. Зависимость времени |
испытаний на замедленное |
до разрушения от напряжения |
разрушение: 1 – образец, 2 при испытании на замедленное
- динамометр, 3 - индика- |
разрушение |
тор |
|
Для оценки способности материала выдерживать такие нагрузки проводят испытания на ударный изгиб.
Наиболее распространенные образцы для этих испытаний имеют форму стержня длиной 55 мм с квадратным сечением 10x10 мм. В соответствии с формой нанесенного посередине надреза — концентратора напряжений образцы подразделяют на три типа: U, V и Т (рис. 4.19). Концентратор типа Т (трещина) получают в вершине начального надреза при циклическом изгибе образца.
186
Рис. 4.19. Образцы для испытаний на ударную вязкость
Образцы с концентраторами типа V используют при испытаниях материалов для конструкций повышенной степени надежности (летательные аппараты, трубопроводы и пр.), а с концентраторами типа Т — при испытании материалов особо ответственных конструкций, для которых первостепенное значение имеет сопротивление развитию трещины.
Испытания на ударную вязкость проводят на маятниковом копре при ударе маятника по образцу со стороны, противоположной концентратору напряжения (рис. 4.20). Энергию, затрачиваемую на деформацию и разрушение образца, называют работой удара и обозначают символом К с указанием вида концентратора (KU,KV,KT).
Ударная вязкость (обозначается символом КС) — это работа удара, отнесенная к начальной площади поперечного сечения в месте расположения концентратора:
187
Рис. 4.20. Схема испытаний на Рис. 4.21. Сериальная кривая
ударную вязкость |
|
КС=К/FO. |
(4.16) |
Размерность ударной вязкости - Дж/см2. В зависимости от типа концентратора напряжений имеем три обозначения ударной вязкости: KCU, KCV и КСТ.
Ударная вязкость характеризует сочетание прочностных свойств и пластичности материала. Недостаток характеристики КС — невозможность использования ее в расчетах конструкций. Но испытания на ударную вязкость отличаются простотой оборудования и малой трудоемкостью и нашли широкое применение, особенно для сравнительной оценки склонности сплавов к хрупкому разрушению. Для этого полезно проводить испытания при разных температурах, включая отрицательные, и по их результатам строить графики зависимости ударной вязкости от температуры испытания — сериальные кривые (названы так потому, что проводят серию испытаний при разных
188
температурах). Для многих сплавов, особенно с о. ц. к. решеткой, характерно сильное снижение ударной вязкости при понижении температуры, происходящее в сравнительно узком интервале температур (рис. 4.21), что связано с переходом от вязкого разрушения к хрупкому.
Для оценки условной температуры перехода из вязкого состояния в хрупкое Гх, называемой также порогом хладноломкости, используют разные критерии: температуру достижения определенного уровня ударной вязкости (например, 30 Дж/см2 у сталей), температуру середины переходного интервала или температуру, при которой 50 % излома занято вязкой составляющей. Материалы, предназначенные для производства изделий, эксплуатируемых на севере, должны обладать возможно более низкой температурой Тх.
4.9. Испытания на усталость
Детали машин и транспортные конструкции чаще всего находятся под действием нагрузок, которые циклически изменяются либо по величине, либо и по величине, и по знаку. Типичные примеры - коленчатые валы, оси железнодорожных вагонов, лопатки турбин. В этих условиях развивается явление, называемое усталостью металла. Под усталостью понимают процесс постепенного накопления повреждений материала под действием циклически изменяющихся напряжений, приводящий к образованию трещин, их развитию и разрушению изделия. До 90 % повреждений деталей при эксплуатации связано с усталостью. Особая опасность усталости состоит в том, что хотя она развивается во времени с увеличением числа циклов изменения напряжений, но это развитие внешне может быть незаметным, а разрушение детали происходит внезапно и при условном напряжении, значительно меньшем предела текучести. Усталостная трещина зарождается, как правило, у по- верх-ности изделия, где действуют максимальные растягивающие напряжения, и постепенно развивается в глубь
189
изделия. Она развивается сравнительно долго, а затем в оставшемся живом сечении происходит быстрое разрушение - чаще всего хрупкое, так как усталостная трещина играет роль глубокого и острого надреза.
При испытаниях на усталость используют разные схемы нагружения образца. Простейшая из них - поперечный изгиб при вращении с консольным нагружением (рис. 4.22). Образец одним концом жестко укреплен во вращающемся патроне, а к свободному концу образца приложена нагрузка Р. В верхней половине сечения образца действуют растягивающие напряжения, а в нижней - сжимающие. При вращении образца на пол-оборота напряжения в соответствующих объемах образца меняют знак на обратный. Существуют и другие схемы нагружения, создающие разные типы циклического изменения напряжений. Циклы напряжений могут быть знакопостоянными, когда напряжения изменяются только по величине (рис. 4.23, кривая 1) и знакопеременными (кривая 2). Характеристикой цикла является коэффициент асимметрии R =min/max (со знаком). Большинство испытаний на усталость проводят с использованием симметричных циклов напряжений, у которых максимальное и минимальное напряжения равны по величине, но противоположны по знаку (см. рис. 9.12, кривая 2, R = -1).
При заданном максимальном напряжении цикла испытания проводят до разрушения образца. Циклической долговечностью N называют число циклов напряжений, выдержанных образцом до разрушения. С уменьшением максимального напряжения цикла долговечность возрастает. График в полулогарифмических координатах max- lg N называют кривой усталости (рис. 4.24). У сталей и некоторых других сплавов ниже определенного значения max разрушения не происходит при любом числе циклов (см. горизонтальный участок на кривой 1). Это напряжение называют физическим пределом выносливости.
190