Механические свойства, определяемые при динамических и циклических испытаниях

Скорость деформирования в динамических режимах значительно выше, чем в статике. Способность материалов сопротивляться хрупкому разрушению выявляется при испытаниях на ударный изгиб, которые выполняются на маятниковых копрах (рис.1.16).

По образцу прямоугольного сечения, имеющему царапину, U или V-образный надрез в перпендикулярном его длине направлении, наносится удар маятником. Отношение работы, затраченной на разрушение образца к площади его сечения, называется ударной вязкостью КС (Дж/м).

 

Рис.1.16. Испытания на ударную вязкость (а), форма образца (б)

Ударная вязкость характеризует склонность металла к хрупкому разруше-нию, она включает работу зарождения трещины (а_З) и работу распространения трещины (а_Р):

Чем больше работа распространения трещины, тем меньше возможность внезапного хрупкого разрушения.

Ударная вязкость зависит от:

- размера зерна металла – измельчение зерна приводит к значительному повышению ударной вязкости;

- наличия концентраторов напряжений в изделии;

- природы материала, особенностей его обработки, наличия вредных примесей, температуры;

- скорости деформации – скорость выше, а ударная вязкость ниже.

При уменьшении температуры ниже некоторого предельного значения опасность хрупкого разрушения резко возрастает. Порог хладноломкости – это температура (интервал температур), при котором происходит переход от вязкого разрушения к хрупкому, сопровождающийся резким снижением ударной вязкости. Нижний (t_н) и верхний (t_в) пределы порога хладноломкости определяют в серии ударных испытаний при разных температурах (рис. 1.17).

Рис. 1.17. Зависимость ударной вязкости от температуры и определение порога хладноломкости

Тип разрушения определяет вид излома металла (рис.1.18): вязкому разрушению соответствует вязкий излом, имеющий матовое, волокнистое строение, хрупкому разрушению – хрупкий излом с блестящим, кристаллическим строением.

а б

Рис. 1.18. Вязкий (а) и хрупкий (б) изломы металла

При переходе из вязкого состояния в хрупкое меняется вид излома металла: доля волокнистой составляющей в изломе уменьшается, а кристаллической - увеличивается. Поэтому температурный порог хладноломкости можно определить при исследовании изломов: в качестве порога хладноломкости при этом принимают температуру, соответствующую равным долям волокнистой и кристаллической составляющих в изломе. В этом случае он обозначается t₅₀, что означает 50%-ную долю волокна в изломе.

Рабочая температура эксплуатации изделия должна быть выше порога хладноломкости материала, который составляет для большинства сталей –40…– 50°С. Чем выше температурный запас вязкости материала, т.е. разница между порогом хладноломкости и рабочей температурой, тем меньше риск катастрофического разрушения изделия.

Длительное воздействие на материал повторно-переменных напряжений может вызвать образование трещин и разрушение при . Постепенное накоп-ление повреждений под действием циклических нагрузок, приводящих к образова-нию трещин и разрушению, называют усталостью, а свойство материала сопротив-ляться усталости – выносливостью. Усталостный излом (рис.1.19) состоит из очага разрушения (места зарождения разрушения); зоны стабильного развития трещины и зоны долома (участок окончательного разрушения). Зона долома имеет структуру хрупкого или вязкого (в зависимости от природы материала) разрушения. Испытания на усталость проводят для определения предела выносливости, под которым понимают наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходят усталостные разрушения образца после заданного числа циклов нагружения.

 

Рис. 1.19. Усталостный излом: а) - общий вид, б) – схема строения

Предел выносливости определяют на вращающемся образце с приложением знакопеременной изгибающей нагрузки. По результатам испытаний строят кривые усталости в координатах = f(N), где N - число циклов (рис.1.20). Горизонтальный участок на кривой усталости, т.е. не вызывающее разрушение при бесконечно большом числе циклов нагружения соответствует пределу выносливости.

Рис.1.20. Кривые усталости для материалов различной вязкости