Фрактографические способы определения критической температуры хрупкости (КТХ) стали.

Определение КТХ по изломам ударных образцов

Типичными изломами конструкционных сталей являются волокнистый (вязкий) и кристаллический (хрупкий). Изломы обоих видов могут быть получены на одном и том же образце в зависимости от температуры испытания; с понижением температуры испытания величина площади поверхности разрушения, имеющей кристаллическое строение, увеличивается. Температурный интервал испытаний, в котором происходит изменение характера разрушения, называется температурным интервалом хрупкости. За

критическую температуру хрупкости (КТХ) принимают температуру, при которой наблюдается отчетливо выраженная смена механизма разрушения на определенной, условно принятой части поверхности разрушения. КТХ не является константой для данной стали, а зависит от условий испытаний (геометрии образца, скорости деформации и др.).

Изменение характера разрушения происходит в определенном температурном интервале, который характеризуется двумя температурами:

- верхней критической температурой хрупкости (Т_в), выше которой излом полностью (свыше 95% вязкий);

- нижней критической температурой хрупкости (Т_н), ниже которой излом полностью (более 95% хрупкий).

За критическую температуру хрупкости (КТХ) принимают температуру, при которой наблюдается отчетливо выраженная смена механизма разрушения на определенной условно принятой части площади излома. КТХ определяют на образцах изготовленных по ГОСТ 9454-78, типа1, 11 и 15. Оборудование и материалы, используемые при проведении ударных испытаний, должны удовлетворять требованиям указанного ГОСТа. После низкотемпературных испытаний половинки образцов необходимо погрузить в спирт во избежание окисления и после достижения ими комнатной температуры высушить. Фактографические методы определения критической температуры хрупкости (КТХ) металлических материалов основаны на определении доли вязкой составляющей (В) в изломе серии образцов, подвергнутых испытаниям на ударный изгиб при различных температурах. Вязкой составляющей в изломе называют участки поверхности разрушения, характеризующиеся при визуальном определении и малых увеличениях волокнистым строением, а при электронномикроскопическом - ямочным внутризеренным или ямочным межзеренным рельефом.

Хрупкой составляющей в изломе называют участки поверхности разрушения, характеризующиеся при визуальном определении и малых увеличениях волокнистым строением, а при электронно-микроскопическом - ямочным внутризеренным или ямочным межзеренным рельефом.

Хрупкой составляющей в изломе называют участки поверхности разрушения, имеющие при визуальном и под световым микроскопом блестящее кристаллическое строение, а при электронномикроскопическом - вид фасеток скола или квазискола, часто с ручьистым узором, или гладких фасеток межзеренного разрушения.

В случае резкого перехода от вязкого разрушения к хрупкому в узком температурном интервале, когда Т_В-Т_Н<10°С, за КТХ принимают середину температурного интервала резкого изменения вида излома и обозначают T₅₀, что соответствует 50% вязкой составляющей в изломе.

Для материалов, характеризующихся протяженным температурным интервалом перехода от вязкого разрушения к хрупкому, используют температуры Т₉₀ Т₅₀, Т₁₀, соответствующие присутствию в изломе соответственно 90, 50 и 10% вязкой составляющей. В практике и в этом случае в качестве КТХ удобно использовать Т₅₀.

Доля вязкой составляющей (В) и доля хрупкой составляющей - (ХР) измеряется в процентах: В=100%-ХР.

С целью построения зависимости вязкой составляющей от температуры испытаний проводят фактографическое исследование не менее 18 образцов. Испытание целесообразно вести в две стадии. Для определения переходного интервала испытывают по одному образцу на каждую температуру через 40°С, затем для уточнения хода кривой в этом интервале остальные образцы испытывают в количестве двух-трех на точку на каждую температуру, обеспечивая тем самым внутри интервала (>Т_Н и< Т_в) не менее четырех температурных точек

Установка

1. Маятниковый копер МК-ЗОА.

2. Образцы.

3. Штангециркуль.

Устройство и принцип действия маятникового копра МК-ЗОА

Маятниковый копер МК-ЗОА (рис.1) предназначен для динамических испытаний металлов и сплавов на ударный изгиб. Техническая характеристика МК-ЗОА:

1. Наибольший запас маятника 300 Дж

2. Допустимые потери энергии ±10 Дж

3. Число ступеней запаса энергии 150Дж

4. Цена деления шкалы 2 Дж

Маятниковый копер КМ-ЗОА состоит (рис.1) из корпуса 1, двух стоек 4, опоры 3 для установки испытуемых образцов, маятника 6, механизма подъема и фиксации маятника, шкалы 7 для измерения затраченных на разрушение образца работы, тормоза и ограждений.

Рис.7 Общий вид маятникового копра МК 30-А

Корпус копра состоит из чугунной плиты, на которой закреплены основания опор и стойки. В верхней части стоек на шарикоподшипниках установлен маятник 6 с молотом 5, постоянный запас энергии которого равен 300 Дж.

Для испытания образец 13 кладут горизонтально в специальный шаблон, обеспечивающий установку надреза строго в середине пролета между опорами. Удар наносят со стороны, противоположной надрезу в плоскости, перпендикулярной продольной оси образца. Маятник копра закрепляется в исходном верхнем положении. По шкале фиксируется угол подъема маятника а (рис.8). Для спуска маятника необходимо нажать на стопор 2 и, оттянув рукоятку 12 на себя, повернуть ее по ходу часовой стрелки. Маятник свободно падает под собственной тяжестью, ударяет по образцу, изгибает и разрушает его, поднимаясь относительно вертикальной оси копра на угол р. Этот угол тем меньше, чем больше работа К затрачена маятником на деформацию и разрушение образца. Скорость копра V_K, м/с, в момент удара по образцу зависит от высоты подъема Н (рис. 2):V_K=(2gH)^1/2_! где g-ускорение свободного падения.

Работа, затраченная на разрушение образца рассчитывается по шкале 7, которая отградуирована на все запасы энергии и имеет две стрелки 8 (рабочую и контрольную). Рабочая стрелка позволяет проверить угол подъема маятника а, контрольная стрелка приводится в движение от рабочей стрелки и фиксирует конечный угол подъема р. Перед испытанием каждого последующего образца контрольную стрелку устанавливают в исходное положение вращением головки 10. Для сокращения свободных колебаний маятника после разрушения образца копер снабжен ленточным тормозом. Для улавливания осколков при разрушении образца 13 предусмотрены ограждения зоны перемещения маятника.

Рис.8 Схема ударного испытания на изгиб на маятниковом копре

Величина работы деформации и разрушения определяется разностью потенциальной энергий маятника в начальный (после подъема на угол а) и конечный (после взлета на угол р) моменты испытания:

Шкала копра проградуирована в единицах работы, если угол подъема маятника а фиксирован.

Точность определения работы излома тем выше, чем меньше превышение запаса работы маятника над работой деформации и разрушения образца, нужно стремиться, чтобы угол р после разрушения образца был небольшим.

Ударные испытания, как и статические, можно проводить при отрицательных и повышенных температура. Методика этих испытаний регламентирована стандартами. По ГОСТ 9455-78 динамический изгиб при отрицательных температурах проводят с использованием тех же образцов, что и при комнатной. Образец выдерживают в жидком хладогенте не менее 15 минут при температуре на 2-6°С ниже заданной, затем вынимают из ванны, устанавливают на копер и немедленно испытывают.

Аналогичная методика используемая при высокотемпературных испытаниях (ГОСТ 9454-78). Предварительный нагрев образцов рекомендуется вести в муфельных печах, при необходимости в нейтральной атмосфере, перегревая образец относительно заданной температуры на 3-5°С в зависимости от ее абсолютной величины. При этом время установки образца с момента выемки из него до удара маятника должно быть не больше 3-5с.

5. Порядок проведения работы:

Определение ударной вязкости

1. Ознакомиться с методикой проведения испытаний на ударный изгиб и расчета
ударной вязкости КС

2. Произвести испытание на ударный изгиб, записать максимальную и остаточную
энергию маятника, результаты измерений испытаний и расчетов записать в таблицу 1.

3. Определить вид излома образца после разрушения и зарисовать его.

Определение порога хладноломкости

1. На готовых комплектах образцов, изготовленных из одного материала и
разрушенных при различных фиксированных температурах определить процент
волокнистой составляющей в изломе каждого образца и результаты занести в таблицу 2.

2. Построить зависимость % B-t,°C, определить и обозначить на графике Т_В,Т_Н и Т₅о -
верхний и нижний порог хладноломкости и температуру перехода в хрупкое состояние.

Таблица 1

Содержание отчета

1. Наименование и цель работы.

2. Краткое теоретическое описание.

3. Результаты испытаний с таблицей и графиком.

Контрольные вопросы

1. Укажите отличительные признаки вязкого и хрупкого разрушения.

2. Чем отличается вид трещины и излома при хрупком разрушении от излома
при вязком разрушении?

3. Укажите, почему хрупкое разрушение может произойти при напряжениях,
значительно меньших расчетных.

4. Что такое хладноломкость металлов?

5. Какие факторы влияют на устойчивость металлов против хрупкого разрушения
при низких температурах?

6. Как практически определяют порог хладноломкости реальных материалов?

8. Рекомендуемый библиографический список.

1. Золоторевский B.C. Механические испытания и свойства металлов. М.:

Металлургия, 1983, 350 с.

2. Самохоцкий А.И., Кунявский М.Н. Лабораторные работы по материаловедению
и термической обработке металлов. М.: "Машиностроение", 1981, 178с.

3. Ю.М.Лахтин, В.П.Леонтьева: Материаловедение, М. Машиностроение, 1999, 528с.

4.Г.П.Фетисов, М.Г.Карпман: Материаловедение и технология металлов, М. Высшая школа 2002, 637с.