ПОД ДЕЙСТВИЕМ УДАРНОЙ НАГРУЗКИ

РАЗРУШЕНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Учебно-методическое пособие

по выполнению лабораторной работы по дисциплине

«Физическая природа разрушения и повреждения элементов оборудования»

Уфа 2012

Учебно-методическое пособие предназначено для бакалавров направления подготовки 151000 «Технологические машины и оборудование» (профиль подготовки «Оборудование нефтегазопереработки», «Проектирование технических и технологических комплексов») для выполнения практической работы по дисциплине «Физическая природа разрушения и повреждения элементов оборудования»

Составители: Закирничная М.М., профессор, д-р техн. наук

Закирьянова А.Б., магистрант кафедры ТМО

Рецензент: Габбасова А. Х., доцент кафедры ТМО, канд. техн. наук.

© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

1 Цель лабораторной работы 4

2 Необходимое оборудование, приборы и инструменты 4

3 Общие теоретические сведения 5

4 Порядок проведения испытаний 10

5 Контрольные вопросы 11

6 Список использованных источников 12

1 Цель лабораторной работы: анализ изменения значения ударной вязкости заданной марки стали после термического воздействия.

2 Необходимое оборудование, приборы и инструменты:

- башенный копер INSTRON CEAST 9340;

- штангенциркуль;

- образцы для определения ударной вязкости в исходном состоянии и после термического воздействия с U- и V-образным концентратором.

Установка для проведения испытаний - башенный копер INSTRON CEAST 9340 (рисунок 1) - напольная система для ударных испытаний с энергией удара от 0,30 до 405 Дж (от 0,22 до 299 фунтов силы). Данная система состоит из базового контрольно-измерительного оборудования и удобно расположенного контроллера работой башни и сбора данных.

Рисунок 1 – Установка для проведения ударных испытаний

3 Общие теоретические сведения

Среди многочисленных методов ударных испытаний наиболее широкое практическое применение нашел метод испытания на ударный изгиб с измерением величины ударной вязкости. Эта характеристика механических свойств играет огромную роль при оценке свойств конструкционных, а также инструментальных сталей.

Удельной ударной вязкостью aматериала называют отношение работы ∆W_F, затраченной маятником на разрушение стандартного образца к площади его поперечного сечения A в месте излома.

(1)

В процессе эксплуатации деталей могут возникнуть внешние факторы, под воздействием которых материал становится хрупким:

- увеличение скорости деформирования (возникновение ударных нагрузок);

- понижение температуры;

- возникновение двухосного и трехосного напряженных состояний;

- образование концентраторов напряжений – надрезов, раковин, трещин и т. д.

Чем больше величина ударной вязкости, тем лучше материал сопротивляется динамической нагрузке. Образцы из хрупких материалов ломаются легко, с небольшой затратой работы на разрушение. Образцы из пластичных материалов наоборот – требуют на разрушение большей энергии. Материалы, требующие большой затраты энергии на излом, называют вязкими. Все материалы, из которых изготавливают детали, воспринимающие динамические нагрузки, обязательно испытывают на удар.

Величина ударной вязкости очень сильно зависит от температуры. По мере понижения температуры ударная вязкость образцов из одного и того же материала уменьшается.

У некоторых материалов существует температурный интервал, в котором удельная ударная вязкость резко меняет свое значение. Этот интервал называется температурным интервалом хрупкости.Чем больше смещен температурный интервал хрупкости в сторону низких температур, тем материал менее чувствителен к воздействию температуры при ударных нагрузках и тем более он надежен в работе.

Изменение формы образца также сказывается на величине ударной вязкости. Переход к более широким образцам и к образцам с более острым надрезом смещает температурный интервал в сторону более высоких температур. На образцах из металлов всегда создается надрез - концентратор напряжений.

Склонность стали к хрупкому разрушению возрастает также при повышенном содержании фосфора, концентрирующегося по границам зерен, при крупнозернистой структуре, при наличии карбидов по границам зерен, полосчатости, т.е. под влиянием целого ряда внутренних структурных факторов.

Определение ударной вязкости при динамических испытаниях на ударный изгиб является основным практическим методом оценки склонности стали к хрупкому разрушению, которое, в отличие от вязкого, происходит без заметной пластической деформации и развивается катастрофически быстро.

Охрупчивание стали при некоторых условиях отпуска называется отпускной хрупкостью. Понижение ударной вязкости при этом вызвано повышением температуры перехода в хрупкое состояние.

Наблюдаются два вида отпускной хрупкости, определяемые путем испытаний на ударный изгиб при комнатной температуре:

- отпускная хрупкость первого рода (необратимая);

- отпускная хрупкость второго рода (обратимая).

Ударная вязкость в зависимости от температуры отпуска меняется немонотонно (рисунок 2).

Рисунок 2 – Зависимость ударной вязкости стали от температуры отпуска

Сталь, отпущенная в интервале температур порядка 300…350 ⁰С, имеет минимальную ударную вязкость. Отпускная хрупкость первого рода проявляется у большинства сталей независимо от их состава и скорости охлаждения. Считают, что это явление обусловлено выделениями частиц типа цементита по границам зерен, которые при дальнейшем повышении температуры вновь растворяются. При этом менее прочные приграничные участки становятся концентраторами напряжений, т.е. хрупкое состояние обусловлено возникновением объемно-напряженного состояния, получающегося при неоднородном распаде мартенсита. Сталь в состоянии необратимой отпускной хрупкости имеет блестящий межкристаллитный излом.

Хрупкость первого рода устраняется нагревом стали выше 400 ⁰С, снижающим твердость.

Хрупкость второго рода наблюдается в легированных сталях при охлаждении в печи или на воздухе после отпуска в интервале температур от 500 до 550 ⁰С или при слишком длительной выдержке в этом температурном интервале.

В стали в состоянии отпускной хрупкости второго рода уменьшается работа зарождения и особенно распространения трещины.

При быстром охлаждении в воде этот вид хрупкости не возникает, излом стали – волокнистый, характерный для вязкого состояния. После медленного охлаждения с температуры от 500 до 650 ⁰С сталь имеет хрупкий кристаллический излом. Хрупкость второго рода можно устранить повторным отпуском при температуре от 600 до 650 ⁰ С с последующим обратным быстрым охлаждением.

Хрупкость второго рода часто встречается в сталях, содержащих повышенное количество Р и Аs или Mn, Si, Сr или при одновременном введении в сталь Cr и Ni (или Mn).

Появление отпускной хрупкости второго рода наиболее вероятно связано с диффузией растворенных атомов некоторых элементов и насыщением поверхностных слоев зерна этими элементами без выделения избыточных мелкодисперсных фаз (карбидов, фосфидов и т. д.). Особенно большое влияние оказывает обогащение пограничных зон фосфором, снижающим работу образования межзеренных трещин, вызывающих развитие отпускной хрупкости.

С помощью испытаний на ударный изгиб выявляются такие дефекты как синеломкость, хладноломкость, обратимая и необратимая отпускная хрупкость и т.п.

Ударные испытания выявляют такие различия между материалами, которые не отражаются при обычных (статических) испытаниях гладких образцов. Например, значения предела прочности мало отличаются для мелкозернистого железа (365 МПа) и крупнозернистого железа (345 МПа), тогда как в значениях ударной вязкости имеется существенное различие: 1,31 МПа·м и 0,26 МПа·м, соответственно.

На величине ударной вязкости часто сказывается и способ выплавки стали: электросталь имеет наибольшую, бессемеровская – наименьшую, мартеновская – промежуточную величину ударной вязкости.

Ударная вязкость в значительной мере отражает состояние поверхности образца, т.к. распределение деформации в образце неравномерно и часто бывает сосредоточенно, в основном, в поверхностных слоях. Наличие твердых поверхностных слоев понижает ударную вязкость, а мягкие поверхностные слои повышают ее. Например, если надрезы на стальном образце, предназначенном для испытания на ударный изгиб, сделаны до термической обработки, то даже небольшое обезуглероживание поверхности, приводящее к образованию мягкого и пластичного феррита, может повысить ударную вязкость вдвое.

Поэтому при ударных испытаниях предписывается изготовлять надрез на ударных образцах (ГОСТ 9454-78) после их термической обработки.

Согласно ГОСТ 9454-78 в качестве основного используется образец с U-образным надрезом (рисунок 3) и V-образным вырезом (рисунок 4), но в отдельных случаях применяются также образцы и с другой формой надрезов.

В соответствии с этим при записи ударной вязкости (КС) в ее обозначение вводится третья буква, указывающая вид надреза – KCU, KCV.

Рисунок 2 – Эскиз образца с концентратором вида U

Рисунок 3 – Эскиз образца с концентратором вида V

Наряду с определением ударной вязкости значение имеет вид излома ударных образцов. В изломе не допускается крупнозернистость, шлаковины, расслоения и другие дефекты.

Наиболее простым из методов практического массового контроля является метод ударных испытаний при 20 ⁰С на маятниковых и башенных копрах. На результатах определения ударной вязкости сказывается и скорость маятника в момент удара.

Таким образом, испытания на ударный изгиб являются одним из наиболее чувствительных методов контроля, чутко реагирующих на небольшие изменения состояния металла.

Ударные испытания являются ценным, а иногда необходимым дополнением к статическим испытаниям гладких образцов, главным образом для низко- и среднеуглеродистых сталей.

4 Порядок проведения испытаний:

- перед началом работы следует ознакомиться с устройством копра для проведения испытания;

- замерить ширину и толщину образцов, изготовленных из одного материала, штангенциркулем с точностью до 0,1 мм;

- подготовить копр к испытанию. Высоту подъёма желательно для уменьшения абсолютной погрешности испытания избрать такой, чтобы маятник обладал энергией, близкой к той, которая необходима для разрушения образца;

- вычислить удельную ударную вязкость по формуле (2)

d_n=A/F, (2)

где А – это работа удара, затраченная на излом образца;

F – площадь поперечного сечения образца(в месте надреза).

- провести обработку результатов эксперимента;

- сравнить значения ударной вязкости заданной марки стали до и после термического воздействия.

Результаты исследования представить в виде таблицы 1.

Таблица 1 - Результаты проведенных исследований

5 Контрольные вопросы:

- цель лабораторной работы;

- в каких случаях проводятся испытания на ударную вязкость?

- какие существуют методы определения работы удара?

- что такое удельная ударная вязкость?

- в каких единицах измеряется удельная ударная вязкость?

- какие факторы влияют на величину ударной удельной вязкости?

- о каких свойствах материала судят по величине ударной удельной вязкости?

- как влияет расстояние между опорами установки образца на величину удельной ударной вязкости?

- как изменится удельная ударная вязкость с изменением температуры?

- что понимают под температурным интервалом хрупкости?

- в чем состоит принцип работы башенного копра?

- какие материалы подвергаются испытаниям на ударную вязкость?

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Бернштейн, М. Л. Механические свойства металлов. / Бернштейн М. Л., Займовский В. А. // М., «Металлургия», 1979., - 495 с.

2. Фридман, Я. Б. Механические свойства металлов. Изд. 3, в 2-х частях. / М., «Машиностроение», 1974., - 840 с.

3. Жуковец, И. И. Механические испытания металлов. / М., «Высшая школа», 1986., - 191 с.

4. ГОСТ 9454-78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах».

Поиск по сайту: