7.2 Метод оцінки ударної в'язкості й холодноламкості
Холодноламкість є не властивістю, а станом матеріалу. Температура впливає на рухливість дислокацій. Зі зниженням температури рухливість дислокацій зменшується і вони ніби «заморожуються». Макроскопічно це виявляється у збільшенні критичної напруги зсуву. Критичне нормальне напруження також дещо зростає зі спадом температури, але не в такому ступені, як критичне напруження зсуву. Для настання крихкого зламу вирішальне значення має величина відношення ?кр/?кр, а оскільки це відношення зменшується зі зниженням температури, схильність матеріалу до крихкого зламу підвищується.
Найпоширенішим методом оцінки опору крихкому руйнуванню сталі, прийнятим як у нашій країні, так і за рубежем, є серійні динамічні випробування призматичних зразків (10х10х55 мм) з надрізом радіусом 1 мм (у СНД) і 0,25 мм (у США, Німеччині та інших країнах) при різних температурах.
Метод визначення ударної в'язкості матеріалу базується на руйнуванні зразка одним ударом маятникового копра (рис. 7.3).
Основною характеристикою, що показує здатність металів і сплавів чинити опір ударним навантаженням, є ударна в'язкість, оскільки враховує в'язкість і міцність матеріалу одночасно.
Рисунок 7.3 – Схема випробувань ударної в'язкості
Таким чином, робота удару К, витрачена на злам зразка, визначається з різниці енергії маятника в положенні його до і після випробування:
К = Рq (Н-h) = Рql(Соs?2 – Соs?1), Дж,
де Р – маса маятника, кг;
q – прискорення сили тяжіння, м/с2;
Н, h – висота підйому маятника до удару і після руйнування зразка, м;
l– довжина маятника;
?1, ?2 – кути підйому маятника до удару і після руйнування зразка.
Ударна в'язкість КС – це робота, витрачена на ударний злам зразка, віднесена до початкової площі поперечного перерізу зразка в місці надрізу – S0:
, Дж/см2 або Дж/м2,
де S0 – площа поперечного перерізу зразка в місці надрізу до випробування, см2, м2.
Залежно від виду концентратора розрізняють зразки трьох типів (ГОСТ 9454-78):
- тип U (тип Менаже) – з радіусом дна надрізу 1,0 мм;
- тип V (тип Шарпі) – з радіусом дна надрізу 0,25 мм;
- тип Т – з ініційованою тріщиною
(запропонований Я. Б. Фрідманом і В. А. Дроздовським).
Метод ударної в'язкості дозволяє дати порівняльну оцінку властивостей сталей, що різняться способом виплавки, технологією обробки, хімічним складом, структурою та іншими факторами. Проте він не є універсальним і не дає відповіді на багато питань, що цікавлять конструкторів і металознавців.
Перш за все він не дає інформації, необхідної для розрахунку конструкцій. Інший недолік методу ударних випробувань на згин зразків, якщо він виконується з «м'яким» надрізом, полягає у тому, що цей метод не дозволяє відтворювати в процесі випробування всієї різноманітності видів напруженого стану, який можливий у реальних конструкціях. Про це свідчить, зокрема, залежність результатів випробувань від форми зразка і гостроти надрізу. Результати ударних випробувань на згин зразків належать тільки до даної форми надрізу. Це недостатньо не лише тому, що одна форма надрізу не може охопити всієї різноманітності концентраторів напружень у реальних виробах, а й тому, що форма надрізу, його гострота, змінюючи характер напруженого стану, в деяких випадках може змінити і характер самого руйнування, перевести його із в'язкого в крихкий або навпаки. Саме з другої причини останнім часом відмічені серйозні руйнування конструкцій, виготовлених з м'яких сталей, ударна в'язкість яких при звичайних стандартних випробуваннях була незмінно високою.
Використання у сучасних конструкціях високоміцних матеріалів, що мають достатньо високу загальну ударну в'язкість, тобто вимагають витрати порівняно великої роботи на руйнування, привело до того, що за ударною в'язкістю вже не можна робити висновки про опір крихкому руйнуванню. Така конструкція не завжди застрахована від катастрофічного руйнування, яке відбувається при напруженнях, значно менших за межу текучості (пружності). Саме у високоміцних матеріалів та частина роботи, яка витрачається на деформацію до утворення тріщини в зразку, набагато більше частини роботи, що витрачається на поширення тріщини. Неможливість визначення роботи, необхідної для розвитку тріщин, коли метал знаходиться в окрихченому стані, не дозволяє попередити руйнування багатьох сучасних конструкцій, які працюють в умовах складного напруженого стану (плоскодеформований, тривісний розтягнений напружений стан і т. д.) або коли тріщина утворюється у процесі накопичення втоми.
Як недолік стандартних серійних випробувань потрібно зазначити також неможливість роздільно оцінити частку міцності й пластичності у величині ударної в'язкості. Крім того, недоліком методу є і те, що критична температура крихкості Ткр, яка визначається при стандартних серійних випробуваннях, чітко виявляється лише при випробуванні маловуглецевих сталей, сталей у нормалізованому і відпаленому станах, тобто що містять вільний ферит. У високовуглецевих сталей, підданих поліпшенню або гартуванню з низьким відпуском, тобто у сталей підвищеної міцності, як правило, ударна в'язкість плавно зменшується при зниженні температури. Тому, незважаючи на значне поширення серійних ударних випробувань при різних температурах, до сьогоднішнього часу немає єдиної методики визначення температури Ткр.
Метод оцінки холодноламкості за видом зламу дістав останніми роками великого поширення. Це пояснюється тим, що вид зламу визначається характером просування магістральної тріщини і дозволяє якісно оцінити здатність матеріалу до поглинання енергії. Кількісною характеристикою здатності сталі чинити опір крихкому руйнуванню під час аналізу зламу є площа зламу у відсотках, займана волоконною складовою. Деякі дослідники вважають, що для розвитку в'язкого руйнування достатньо, щоб у зламі волокниста складова становила не менше 60%. Дійсно, для деяких сталей, в основному низько- і середньовуглецевих з невисокою міцністю, криві залежності волокнистої складової у відсотках від температури випробування чіткіше визначають температуру переходу сталі в крихкий стан, ніж величина ударної в'язкості, яка нерідко дає розмиті межі перехідної зони.
Проте оцінка в'язкості за видом зламу має істотні недоліки:
1) обмеженість візуальної оцінки характеру руйнування за видом зламу, її суб'єктивність і необхідність наявності великого досвіду для аналізу зламу;
2) непридатність методу для високовуглецевих сталей і сталей підвищеної міцності, що дають макроскопічно крихкий злам у великому інтервалі позитивних і негативних температур, що вимагають застосування електронно-фрактографічних методів дослідження.
Неуніверсальність значення критичної температури крихкості, її залежність від критерію оцінки, форми і гостроти надрізу зовсім не виключає визначення цього параметра у багатьох випадках порівняльних випробувань сталей і сплавів. Ця характеристика використовується при оцінці схильності сплаву до окрихчування. Визначення критичної температури крихкості особливо необхідне для матеріалів, що працюють при низьких температурах. Для багатьох матеріалів з критичною температурою вищою або для матеріалів, у яких вона не може бути виявлена, випробування при гранично низькій для експлуатації даного виробу температурі є гарантією від непередбаченого окрихчування при зниженні температури. У решті випадків більш універсальним і на цей час широко застосовуваним методом є метод окрихчування при випробуваннях зразків з нанесеними гострими надрізами. З цих міркувань зразок Менаже для ударного згину в багатьох країнах витіснений зразком з відносно гострим надрізом (R = 0,25 мм) і надрізом типу втомної тріщини.
, Дж/см2 або Дж/м2,