книги / Методы оценки трещиностойкости конструкционных материалов

СКЛОННОСТЬ МЕТАЛЛОВ К ХРУПКОМУ РАЗРУШЕНИЮ

ПРИ УДАРНОМ НАГРУЖЕНИИ

Широкое использование в практике полу­ чили для оценки склонности к хрупкому разрушению конструк­ ционных материалов при ударном нагружении методы сериальных испытаний на ударную вязкость при различных температурах по ГОСТ 9454—60 образцов сечением 10 х 10 мм с различной ост­ ротой надреза.

Ударной вязкостью называют либо полную работу А Я1 затра­ ченную на деформирование и разрушение надрезанного образца при ударном испытании на изгиб, либо удельную работу ян = = A J F , где F — площадь поперечного сечения образца в надрезе до испытания. Самое широкое распространение в нашей стране получили образцы I типа с надрезом глубиной 2 мм и радиусом закругления в вершине надреза 1 мм (образцы Менаже), а также образцы IV типа с V-образным надрезом глубиной 2 мм и радиусом закругления в вершине надреза 0,25 мм.

На основании данных стандартных испытаний образцов на ударную вязкость представляется возможным получить лишь сравнительную оценку качества металла. Такие данные неполно характеризуют поведение материала в реальных условиях эксплу­ атации.

С целью получения более полной информации о служебных свой­ ствах материалов было предложено разделять значение ударной вязкости на составляющие: работу зарождения трещины я3, т. е. работу, которая затрачивается в основном на упругое и пласти­ ческое деформирование у основания надреза, и работу распростра­ нения трещины ар, т. е. работу, затрачиваемую на распространение трещины и сопутствующее этому процессу пластическое деформи­ рование материала. Известно [4, 27, 32, 62, 216] несколько подхо­ дов разделения ударной вязкости на указанные составляющие.

По мнению ведущих специалистов в области разрушения мате­ риалов, яр, отражающая способность материала сопротивляться начавшемуся разрушению, более надежно, чем ян, характеризует поведение материала в реальных условиях эксплуатации. В связи с этим было предложено [33] применять при испытаниях на

ударный изгиб образцы с искусственной (усталостной) трещиной. Такой подход, как показано рядом экспериментов, более надежно оценивает поведение материала в эксплуатации и более надежно выявляет влияние охрупчивающих факторов.

В последнее время получили развитие динамические испытания образцов различной формы с использованием аппаратуры для ре­ гистрации параметров разрушения при таких испытаниях [19, 20, 36, 69]. Анализ записанных в таких случаях диаграмм разрушения дает ценную дополнительную информацию о поведении материала в различных состояниях, а также позволяет обработать результаты экспериментов в плане вычисления динамических коэффициентов

интенсивности напряжений К ^] (см. гл. V). Подробные сведения о таком подходе и обширная библиография по этому вопросу изло­ жены в работе [135].

В настоящей главе в развитие и дополнение известных [9, 29, 331 методов оценки склонности конструкционных материалов к хрупкому разрушению при ударном нагружении изложены новые результаты таких исследований [94, 97,102 — 104], а также дается описание установки для регистрации параметров ударного разру­ шения. При этом описывается методика оценки склонности мате­ риала к хладноломкости путем испытания на ударное растяжение цилиндрического образца с кольцевой трещиной, а также пока­ зывается применение подобных образцов для ударных испытаний конструкционных материалов.

1. Установки для исследования процессов ударного разрушения

Для измерения параметров разрушения материала при ударном нагружении применяют различную изме­ рительную аппаратуру. Она должна удовлетворять таким требова­ ниям, как достаточная стабильность, чувствительность, а также необходимое быстродействие [211.

Для регистрации нагрузок и деформаций при ударном нагруже­ нии необходимо применять безынерционные датчики и осциллографические регистрирующие устройства. Наиболее простые и со­ вершенные для этой цели датчики — проволочные тензометры сопротивления, однако они обеспечивают небольшие уровни элек­ трических сигналов и поэтому требуют применения электронных усилителей с большим коэффициентом усиления. Такие дат­ чики пригодны для серийного эксперимента, не требующего повы­ шенной чувствительности измерительной оснастки. Для более пре­ цизионных экспериментов целесообразно применять высокочувст­ вительные полупроводниковые датчики.

Особое внимание при выборе регистрирующей аппаратуры для ударных испытаний обычно обращают на определение полосы частот усилительного и регистрирующего трактов. Принципы построения аппаратуры по частотному методу подробно рассмот-

Рис. 68. Схема установки для записи диаграмм разрушения при ударном нагружении:

1 — копер маятниковый; 2 — датчик для измерения нагрузки; з — фото­ электрический датчик; 4 — блок питания; 5 — осциллограф двухкоординат­ ный; 6 — горизонтальпо-отклоняющая система; 7 — вертикально-отклоняю- щая система; 8 — диаграмма разрушения; 9 — кулачок фотоэлектрического

датчика.

рены в работах [19, 20, 116]. На основании проведенного анализа можно заключить, что для ударных испытаний наиболее приемле­ мы электронные катодные осциллографы, широкополосная усили­ вающая аппаратура.

С учетом вышеизложенного для регистрации параметров разру­ шения при ударных испытаниях образцов различных размеров и обеспечения надежных измерений диаграмм разрушений были созданы [94, 102] специальные установки на базе маятниковых копров мощностью 5; 30 и 75 кГ м. Общий вид установки пред­ ставлен на рис. 68. Она состоит из следующих узлов: маятникового копра 1, электронного двухкоординатного осциллографа 5 , дат­ чика нагрузки 2, фотоэлектрического датчика деформации 3 и блока питания 4. В разработанной конструкции испытательной установки использованы высокочувствительные полупроводнико­ вые датчики, которые не требуют дополнительного усиления. Электрический сигнал от датчика нагрузки воздействует на гори­ зонтальную пару пластин 7 осциллографа 5 , которая развертыва­ ет силовой импульс в вертикальной плоскости.

В момент удара передняя часть молота — боек находится в беспрерывном соприкосновении с образцом, о чем свидетельству­ ет электрический контакт между ними. Деформация самой опоры но сравнению с деформацией образца очень мала. Следовательно, Деформация образца может быть определена поворотом позиции

ка можно менять в зависимости от величины деформации образца. При хрупком разрушении (малая деформация) профиль кулачка должен быть крутым, чтобы при критическом прогибе незначитель­ ной величины произвести значительное смещение заслонки фото­ датчика. При вязком разрушении (большая деформация) про­ филь кулачка более пологий. Измерительный импульс, возникаю­ щий в фотодатчике, воздействует на вертикальную пару пластин 7 кинескопа, которые развертывают поступающий сигнал в горизон­ тальной плоскости. Для поддержания настройки фотодатчика на определенном уровне (в течение некоторого времени) блок питания снабжен стабилизатором напряжения. Одновременное действие двух сигналов приводит к перемещеншо луча кинескопа горизон­ тально (прогиб) и вертикально (сила) и записи на экране осцил­ лографа процесса ударного разрушения. Вся работа установки описана применительно к двухкоординатному электронному осцил­ лографу с записью диаграммы разрушения нагрузка — переме­ щение (Р — /).

Во многих случаях возникает необходимость записывать диа­ грамму разрушения в координатах нагрузка — время с целью учета влияния инерционных факторов. Поэтому была разработана электронно-осциллографическая установка, позволяющая осу­ ществлять синхронную запись нескольких параметров (входных сигналов) в их взаимосвязи [94]. Для усиления первичной информа­ ции от датчиков нагрузки (проволочных тензометров сопротивле­ ния) была использована схема усилителя типа 1УТ-401А, которая обеспечивает необходимую полосу пропускания сигнала с малым уровнем собственных шумов.

Для регистрации усиленных сигналов применены запоминаю­ щие осциллографы С8-9А, для визуального наблюдения сигнала и проведения тарировки — осциллограф типа ЭО-7. Питание дат­ чиков нагрузки ДН и перемещения ДП, а также усилительного

(/ — т) синхронно с двумя предыдущими диаграммами усиленный сигнал перемещения параллельно подается на вход осциллогра­ фа 5, на экране которого записывается график движения молота. Визуальное наблюдение сигналов статической тарировки осущест­ вляется на осциллографе ЭО-7у на отклоняющие пластины кото­ рого поступают сигналы с отклоняющих пластин осциллогра-

Фа г.

Установка создана на базе современной отечественной элект- ронно-осциллографической аппаратуры, и, следовательно, ее тех­ нические показатели определяются техническими характеристи­ ками применяемой аппаратуры. Изучать осциллографируемые процессы можно визуальным наблюдением и фотографированием. При соответствующей коммутации входных и выходных сигналов в установке (см. рис. 70) можно осуществлять синхронную запись следующих диаграмм: нагрузка — время (Р — т), нагрузка — перемещение {Р — /), перемещение — время (/ — т) и визуальное наблюдение сигнала при статической тарировке. Общий вид уста­ новки показан на рис. 71.

Схема тарировки датчиков нагрузки показана на рис. 72. Она обеспечивает систему нагружения образца, аналогичную си­ стеме, воспроизводимой во время ударного изгиба (рис. 73), и дает возможность точного отсчета масштаба силы на экране

ми тензодатчиками вместе с за­ хватами и динамометром, а на рис. 76 — общий вид узла молот — образец в сборе. Для проверки точности предлагаемого метода ударных испытаний были проведе­ ны специальные эксперименты с за­ писью диаграмм разрушения на­ грузка — перемещение стандарт­ ных образцов при ударном из­ гибе. Для этого были изготовлены образцы из четырех алюминие- 2 вых сплавов (Ал4, Ал4М, Ал4Д и Ал27-1) с радиусами надреза 1; 0,5; 0,25 и 0,1 мм и с усталостной

трещиной. Испытания проводили / в интервале температур от +20

дого образца определяли значение ударной вязкости по показаниям шкалы копра. Результаты экспериментов показаны в виде то­ чек на рис. 77. Как видно из рисунка, наблюдается хорошее совпадение результатов, полу­ ченных по шкале копра, с дан-

сферическая.