Что такое kcv и kcu

Ударная вязкость стали и металлов: что это такое, испытание, с какой целью определяют удельное обозначение

Иногда самый прочный материал, например, чугун, становится хрупким при воздействии определенных механических внешних нагрузок, в то время как мягкий алюминий (все мы гнули алюминиевые ложки в детском саду) в ряде случаев оказывается более приспособленным, не крошится и не ломается. В статье мы расскажем, почему так происходит, а также поговорим про испытания металлов на ударную вязкость – что это такое, характеристика для стали, в каких единицах измеряется и на что влияет.

Что такое ударопрочность и как её измеряют

Представим ситуацию. По дороге с быстрой скоростью едет автомобиль. Он постоянно на протяжении всего пути испытывает вибрации и осевую нагрузку на ряд деталей, подвеску. При этом все хорошо, все узлы работают правильно. Затем водитель не справляется с управлением и попадает в яму. Запчасти выходят из строя, так как внутренние напряжения и силы, во-первых, увеличиваются, во-вторых, получаются разнонаправленными.

Прочность в данной ситуации оказалась низкой, так как она деформировалась, вышла из строя. Так как разные сплавы неодинаково переносят механические и химические влияния, то для различных целей (автомобилестроение, станкостроение, обыкновенные штамповочные детали, гвозди и пр.) необходимо применять различные металлы.

Обозначение ударной вязкости – какую способность материала характеризует: что так называют

Определимся с терминологией. это способность воспринимать и поглощать кинетическую энергию. Часто такая приложенная сила ведем к разрушениям, но по отношению к этому веществу – только к пластичным или непластичным деформациям.

Обычно испытания проводятся в лаборатории опытным путем. Заготовки одинаковых размеров в нейтральных условиях (чтобы больше не оказывалось ни температурного, ни иного влияния) подвергают нагрузкам, увеличивая их. Затем наблюдают за поведением металла. Проверяют подверженность противодействию, поэтому последней проверкой является та, от которой на опытном образце появились трещины, отломалась часть.

Второй вариант – математические вычисления. Это более точный процесс, то при этом необходимо руководствоваться многочисленными нюансами – от размеров, угла приложения силы, до воздействий извне.

В чем измеряется и как обозначается

Физическое обозначение КС. Этими буквами подписывается параметр на схемах и чертежах, а также подставляется в формулы ударной вязкости. Единица измерения ударной вязкости в системе интернациональных – кДж/м2, но чаще используется значение, выраженное в Дж/см2.

Сейчас будет уместно привести формулу, по которой производится математический расчет.

Это упрощенный алгоритм вычисления, в то время как в лабораторных условиях учитываются толщину и массу, степень термической обработки, а также экспериментируют с другими показателями.

От чего зависит ударная вязкость и испытание материалов на удельное значение: зависимость от температуры

Первый параметр, который сильно меняет результаты исследований – это температурные условия. Еще раньше было известно, что при нагреве сплавы становятся более мягкими, податливыми к деформированию, именно по этой причине при ковке используют термообработку. А вот при очень низких градусах или при большом перепаде повышается хрупкость.

В связи с этим обычно определяется оптимальный температурный режим – те максимальные и минимальные значения эксплуатации, во время которых можно достичь лучших показателей. Затем постепенно исследователи снижают градусы вплоть до минуса 80 или 100. В каждый из этапов остывания заготовки подвергают проверке.

Получается диаграмма, согласно которой можно определить хладноломкость, ломкость, прочность, температуру пластичных деформаций. Второе значение – это химический состав компонентов – наличие легирующих веществ и величина углерода. согласно этому всю сталь разделяют на марки.

Если деталь подвергалась сварочному присоединению, то велика вероятность образования мартенсита. Такая металлическая микроструктура игольчатого типа может привести к снижению прочности. И последний показатель, который исследователи меняют, – это скорость проведения деформаций. От быстроты напряжений и их последовательности также зависит результат.

Испытание материалов на ударную вязкость: что это за процедура

Не все предметы можно подвергать тестированию. Так как есть идеально выверенный до тысячной эталон килограмма, так и в лабораторию поставляются только одинаковые, созданные по ГОСТ подопытные экземпляры. Они могут быть трех типов:

Есть несколько разновидностей процедур. Ее выбор зависит от того, с какой целью определяют ударную вязкость материала. От этого будет выбрано тестирование:

Маятниковый копер

Это один из наиболее регулярных экспериментов, поэтому мы опишем его начиная с подготовительного этапа, заканчивая оценкой. Первое и важное правило – все экспериментальные бруски должны быть полностью идентичны по размерам, а также следует их изготавливать одновременно, при одинаковых условиях – как с точки зрения химического состава сплава, так и со стороны металлообработки. Результативность может быть оценена по одной из характеристик:

Отбор образцов

Вся технология изготовления заготовок для опытов прописана в соответствующем нормативном документе – ГОСТ 7565. Следует полностью ориентироваться на нормативы в нем, но иногда поступает особый технический заказ, например, когда предопределены особые условия эксплуатации детали. Тогда можно проделать процедуру по требованиям, однако, важно, чтобы температурный режим оставался в границах неизменности кристаллической решетки.

Определение: в чем измеряется ударная вязкость металла

Первые испытания с маятником были предложены Жоржем Шарпи, именно по этой причине его метод используется до сих пор и назван его именем. Его мысль заключалась в следующем: надрез увеличивает чувствительность. Проверка сопровождается охлаждением окружающих условий, а вместе с тем переходом металла от пластичного состояния в хрупкое.

Метод Шарпи

Он заключается в двух последовательных действиях:

Соответственно приведем формулу по Шарпи КС = К / F, где:

Алгоритм проведения (схема) испытания на ударную вязкость

Методы определения ударной вязкости

Важны следующие нюансы:

Определение ударной вязкости и размерности металла при пониженных температурах

Мы уже объяснили, что после проведения ряда тестов, образуется определенная диаграмма. Кривая имеет два порога – минимум, хрупкость, которая наступает из-за переохлаждения, и максимум – когда нагрев изменяет кристаллическую решетку сплава.

Другие испытания

Вместо маятника может использоваться молот. Помимо ударной прочности заготовки из стали и металла требуется проверить на растяжку и кручение, на излом. Все это дает полную комплексную картину о том или ином материале для строительства.

Таблица с показателями

Каждый раз проводить эксперименты не требуется, так как большинство из них уже произведено. Достаточно только пользоваться предложенными ГОСТами. Вот показатели различных наиболее распространенных марок:

Определение порога хладноломкости

Для этого требуется продолжить проверки по методу Шарпи и зафиксировать ту отрицательную температуру, при которой увеличивается хрупкость. Порог не является моментальным, обычно он состоит из двух температурных точек – максимальной и минимальной.

Обработка полученных результатов

После тестирования будут получены либо разрушение, либо деформация. В первом случае это требуется зафиксировать, а затем продолжить тесты, но с использованием небольших усилий. А во втором следует подвергнуть итоги математическим вычислениям по указанной выше формуле.

В статье мы рассказали, как обозначается ударная вязкость и как ее узнать. В качестве завершения темы посмотрим видео:

На сайте компании «Рокта» вы сможете узнать о других свойствах металлов, а также найти широкий перечень оборудования для ленточного пиления. Переходите в наш каталог, чтобы узнать больше.

Чтобы уточнить интересующую вас информацию, свяжитесь с нашими менеджерами по телефонам 8 (908) 135-59-82; (473) 239-65-79; 8 (800) 707-53-38. Они ответят на все ваши вопросы.

Источник

Испытание на ударный изгиб («impact test»)

Ударная вязкость («impact elasticity») – одна из важнейших характеристик конструкционных сталей. Данная характеристика определяется при испытании на ударный изгиб и показывает величину работы, которую нужно потратить, чтобы разрушить стандартный образец с надрезом на специально разработанном для данного испытания оборудовании – маятниковом копре.

Измеряется ударная вязкость в кгc/см2 или в Дж/см2, данная размерность показывает отношение работы, потраченной на разрушение испытываемого образца, к площади его поперечного сечения.

Одним из основных критерием качества сталей является способность сопротивления хрупкому разрушению, эта способность качественно выражена в величине ударной вязкости.

Хрупкое разрушение – наиболее опасный вид разрушения конструкции. Его опасность заключается в том, что оно происходит без каких-либо предвестников (например, без пластической деформации). А рост трещины происходит практически мгновенно, скорость распространения трещины при хрупком разрушении приблизительно равна скорости звука в металле. Более подробно о механизме хрупкого разрушения будет рассказано в других статьях.

Теперь, когда вы поняли насколько важна такая характеристика как ударная вязкость, поговорим об образцах для испытания. Так как трещина в металле начинает расти от места скопления микротрещин (когда размер скопления достигает критического уровня), которые обязательно присутствуют в реальных конструкциях, то на образцах для испытания делают искусственный дефект – надрез. Существует два основных типа образцов для испытания на ударную вязкость, которые различаются типом надреза.

Первый тип – образец с полукруглым надрезом, который обозначают латинской буквой «U» и называют образцом «Менаже» в честь ученого, предложившего данный тип образца. Радиус у основания надреза 1 мм.

Второй тип – образец с острым надрезом, который обозначается латинской буквой «V» и называют образцом «Шарпи», также назван в честь ученого, который его предложил и впервые использовал. Радиус у основания надреза 0,25 мм. Тип образца во время экспертизы металла выбирается, исходя из нормативных документов.

Ударная вязкость состоит из двух составляющих – из работы зарождения и работы распространения трещины. Отсюда вытекает логичное умозаключение, что ударная вязкость на образцах «Шарпи» существенно меньше, чем на образцах «Менаже», за счет меньшей работы зарождения трещины.

Кроме типа надреза на величину ударной вязкости прямое влияние оказывает температура испытания. С понижением температуры испытания ударная вязкость снижается, как и меняется характер разрушения образца с вязкого (со значительно степенью пластической деформации), на хрупкий (с практически полным отсутствием пластической деформации). Переход от вязкого к хрупкому разрушению с понижением температуры обусловлен таким явлением, как хладноломкость. Хладноломкость выражена в существенном увеличении предела текучести и снижении относительного удлинении с понижением температуры и характерна для металлов с объемноцентрированной кристаллической решеткой (Fe, Cr, Mo и другие).

Внешний вид образцов после испытания на ударный изгиб, проведенного нашей компанией, представлен на фото. Хорошо видно различие между образцами, разрушенными по разным механизмам. Вязкий излом с матовой поверхностью и следами пластической деформации в зоне разрушении. И хрупкий излом с блестящей поверхностью и без следов деформации – ровный скол, будто бы образец был разделен острым ножом. Есть еще и промежуточный вид – смешанное разрушение, в котором присутствует и вязкая, и хрупкая составляющая.

Доля вязкой составляющей является второй характеристикой, после ударной вязкости, которая определяется при испытании на ударный изгиб. Долю вязкой составляющей определяют визуально, изучая строение излома образца после испытания, измеряют ее в %.

Критическая температура хрупкости – очень важный критерий при оценке качества сталей, который показывает до какого момента сталь разрушается преимущественно по вязкому механизму. Использование стали при температурах ниже критической температуры хрупкости нежелательно.

Россия в значительной степени северная страна, где отрицательные температуры сохраняются в течение длительного времени. Освоение полярных и при полярных территорий, богатых природными ресурсами, с одновременным усложнением архитектурной конфигурации возводимых сооружений, ставит задачу по разработкам сталей с высоким уровнем сопротивления хрупкому разрушению. О способах повышения ударной вязкости в сталях я расскажу в следующих статьях.

Источник

Краткие теоретические сведения. Ударная вязкость – работа удара, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора (надреза)

Ударная вязкость – работа удара, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора (надреза). Ударную вязкость обозначают буквами КС (символ ударной вязкости), третья буква – вид концентратора: KCU, KCV, KCT. Допускается обозначать ударную вязкость двумя индексами (a_i); первый (а) – символ ударной вязкости; второй (i) – символ типа образца.

Хладноломкость – свойство металлического материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры.

Испытания металлов и сплавов, из которых изготовлены механизмы и оборудование, проводимые под действием статических нагрузок, не дают объективных данных для оценки надежности устройств в целом. Важное значение имеет определение механических характеристик в условиях, близких к реальным, когда под действием определенных факторов (действие концентраторов напряжений, увеличение скорости деформации, понижение температуры и др.) металлы переходят в хрупкое состояние и могут катастрофически (очень быстро) разрушаться. В связи с этим во многих технических условиях на изготовление различных изделий предусмотрены динамические испытания материалов – испытания на ударный изгиб (определение ударной вязкости).

Метод испытания на ударный изгиб при температуре от минус 100 °С до плюс 1200 °С регламентирован ГОСТ 9454-78. Метод основан на разрушении образца с концентратором посередине одним ударом маятникового копра (рис. 1).

Рис. 1. Схема маятникового копра и образца для определения ударной вязкости.

Копер имеет тяжелый маятник, который свободно качается вокруг оси. При помощи защелки маятник может быть свободно установлен на различной высоте. Если защелку освободить, то маятник упадет и по инерции взлетит на такую же высоту, на которую был поднят. Если на пути падения маятника встретится препятствие, то преодолев его, энергия падения маятника уменьшится, и он взлетит на меньшую высоту. Препятствием является образец, который устанавливают на пути падения маятника, надрезом в сторону, противоположную удару маятника. Падая, маятник ребром ломает образец.

Общий запас энергии маятника будет расходоваться на разрушение образца и на взлет маятника после разрушения. Поэтому если из общего запаса энергии маятника вычесть часть, затраченную на взлет после разрушения образца, то получится работа удара, затраченная на излом образца.

, (1)

где F— площадь поперечного сечения образца в месте концентратора (надреза), см 2

где h – начальная высота рабочей части образца, см, (рис. 3, а);

b – начальная ширина образца, см.

В соответствии с ГОСТ 9454-78 предусмотрены испытания образцов с концентратором напряжений трех видов: U-образным (радиус надреза r = 1 мм); V-образным (r = 0,25 мм) и Т-образным (трещина усталости, созданная в основании надреза). Соответственно ударную вязкость обозначают: KCU, KCV, KCT.

Образцы с U-образным концентратором применяют при выборе и приемо-сдаточных испытаниях металлов и сплавов конструкций общего назначения; V-образным концентратором – для конструкций повышенной степени надежности (летательные аппараты, транспортные средства, трубопроводы, сосуды давления и т. п.); Т-образным – для особо ответственных конструкций, для эксплуатации которых оценка сопротивления развитию трещины имеет первостепенное значение.

Основным критерием ударной вязкости является KCU. Она состоит из двух составляющих:

где KC_з – работа зарождения трещины; KC_р.

КСТ – работа распространения трещины. Чем острее надрез, тем меньше KC_з. Критерий КСТ является критерием трещиностойкости, оценивающим сопротивление материала распространению трещины.

Разрушение может быть двух видов: хрупкое и вязкое.

Трещина при хрупком разрушении острая, часто ветвящаяся, распространяется быстро, в устье трещины зона пластической деформации небольшой протяженности. При вязком разрушении пластическая зона, идущая впереди распространяющейся трещины велика, а сама трещина затупляется у своей вершины.

Оценить характер разрушения можно по виду излома. Волокнистый (матовый) излом характеризуется наличием волокон, образующихся при пластической деформации зерен в процессе разрушения. Он имеет матовую шероховатую поверхность в случае распространения разрушения в плоскости, перпендикулярной направлению действия максимальных растягивающих напряжений. Когда разрушение совпадает с направлением действия касательных напряжений, волокнистый излом приобретает более блестящий, шелковистый вид. Хрупкий (кристаллический) излом характеризуется наличием на поверхности плоских блестящих участков (фасеток). Качественную оценку характера разрушения можно сделать визуально по величине волокнистой составляющей излома:

, (4)

где F_вяз– площадь поверхности излома, где проходило вязкое разрушение;

Ударная вязкость из всех характеристик механических свойств наиболее чувствительна к снижению температуры. Поэтому испытания на ударную вязкость при пониженных температурах используют для определения порога хладноломкости – температуры или интервала температур, в котором происходит снижение ударной вязкости и разрушение становится преимущественно хрупким. Порог хладноломкости – количественная характеристика хладноломкости.

Хладноломкость проявляется у железа, стали, металлов и сплавов, имеющих ОЦК или ГП решетку. Она отсутствует у металлов с ГЦК решеткой.

Для определения температурного порога хладноломкости проводят оценку ударной вязкости при различных температурах и строят так называемые сериальные кривые: кривую зависимости ударной вязкости от температуры испытаний и кривую зависимости процента волокна в изломе от температуры испытаний. Порог хладноломкости обозначают температурой t₅₀, при которой в изломе образца имеется 50 % волокнистой составляющей и КСТ снижается наполовину (рис. 2.). Зная температурный порог хладноломкости можно определить температурный запас вязкости – интервал температур между порогом хладноломкости (t₅₀) и рабочей температурой эксплуатации материала (t_р):

(5)

При этом, чем ниже температура перехода в хрупкое состояние по отношению к рабочей температуре, тем больше температурный запас вязкости и выше гарантия от хрупкого разрушения.

Для ответственных деталей за критическую температуру хрупкости принимают температуру, при которой в изломе 90 % волокна, ее называют t₉₀ – верхний порог хладноломкости.

Нижнему порогу хладноломкости t₁₀ соответствует не более 10 % волокна в изломе.

По изменению геометрических размеров поперечного сечения образцов в месте надреза после испытаний можно оценить также деформационную характеристикупластичности при ударном изгибе y:

(6)

где B₂ – ширина образца в сечении с надрезом на стороне, с которой наносился удар;

b – ширина образца до испытаний.

По результатам испытания на ударный изгиб можно установить такие свойства материалов, как хладноломкость, красноломкость, отпускную хрупкость и др., которые при статических испытаниях не всегда можно обнаружить. Известно, что деформируемые цветные сплавы меди, алюминия и др. нецелесообразно подвергать испытаниям на ударный изгиб, так как они при любых температурах не обнаруживают перехода в хрупкое состояние. Нет необходимости в проведении ударных испытаний некоторых литых сплавов (чугун, литые алюминиевые и магниевые сплавы), которые разрушаются хрупко при статических испытаниях на растяжение.

Рис. 2. Влияние температуры испытаний на процент вязкой составляющей в изломе (В) и ударную вязкость материала KCU, KCT

Рис. 3. Сечения образца для испытания на ударный изгиб:

Источник

Ударная вязкость

Основным отличием ударных нагрузок от испытаний на растяжение-сжатие или изгиб является гораздо более высокая скорость выделения энергии. Таким образом, ударная вязкость характеризует способность материала к быстрому поглощению энергии.

Обычно оценивается работа до разрушения или разрыва испытываемого образца при ударной нагрузке, отнесённой к площади его сечения в месте приложения нагрузки. Выражается в Дж/см2 или в кДж/м2.

Ударную вязкость обозначают KCV, KCU, KCT.

KC – символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т)

Связанные понятия

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

Термической (или тепловой) обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счёт изменения внутреннего строения и структуры. Тепловая обработка используется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием, либо как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уровень свойств изделия.

Эта статья о способе обработки металлов. О методе укрепления здоровья человека см. ЗакаливаниеЗака́лка — вид термической обработки материалов (металлы, сплавы металлов, стекло), заключающийся в их нагреве выше критической точки (температуры изменения типа кристаллической решетки, то есть полиморфного превращения, либо температуры, при которой в матрице растворяются фазы, существующие при низкой температуре), с последующим быстрым охлаждением. Закалку металла для получения избытка вакансий не следует.

Источник