Определение напряжения разрушения при испытании металлов на ударный изгиб

Ю.И. Блинов
17 сентября 2015г.

В практике широко распространены методы испытания металлов на ударный изгиб (ГОСТ 9454-98 и ГОСТ 30456-97), которые позволяют определить величину ударной вязкости (плоская ударная вязкость) и величину доли вязкой составляющей ДВС.
Оценка многих специалистов о субъективности показателя ДВС широко распространена. При определении ударной вязкости используется площадь поперечного сечения образца, а не деформируемый объем, т.е. определяется плоскостная ударная вязкость, а не объёмная как должно быть.
Используя метод испытания на ударный изгиб, можно оценить усредненную величину сопротивления деформации при разрушении, что даёт объективный показатель прочности металла при разрушении ударом, на базе которого можно сравнить и отбирать необходимые стали, а так же и определять объёмную ударную вязкость – КС₀.
В работе Н.А. Шапошникова [1] отмечается, что при динамических испытаниях из-за сложности соответствующих измерений определяется не величина действующих напряжений, а только общая деформация и количество работы деформации образца. Поэтому сравнения обычных характеристик сопротивления металла деформации для динамических испытаний заменяется сравнением «средних сопротивлений деформации».
В книге [6] при рассмотрении вопроса о расчёте балок на несущую способность указывается, что материал при изгибе до достижения предела текучести следует закону Гука, а при дальнейшем возрастани деформации напряжения при изгибе остается постоянным и равным пределу текучести.
И далее, из анализа осциллограмм (рис.1) низкотемпературных ударных испытаний ст. 45 при скорости 3,6 м/сек, величина нагрузки, достигая уровня текучести, практически одинакова до конца деформации [2].

Рис. 1 – Осциллограмма низкотемпературных ударных испытаний стали 45 при скорости 3,6 м/сек

Таким образом, определяя среднюю величину сопротивления деформации, мы близки к оценке величин фактически действующих сил в период разрушения.
К такому выводу пришёл и Л.И. Качанов [3], который приводит конечную эпюру напряжений в виде показанных на рис. 2, отмечая при этом, что уже при сравнительно небольших пластических деформациях изгибающий момент близок к предельному.

Рис. 2 – Эпюра напряжений при разрушении

«При распределении пластических деформаций на 2/3 зоны растяжения величина изгибающего момента отличается от предельной, менее чем 4% », (как и напряжения).
В этом случае эпюра напряжений будет иметь вид, показанный на рис.3.

Рис. 3 – Эпюра напряжений при разрушении ударным изгибом

При использовании образца с прямоугольным сечением он предлагает величину предельного момента определять из следующего выражения:

М_пр = b•h²•σ_р,                   (1)

где b – ширина образца,
h – половина высоты образца.
Из выражения (1) можно определить величину разрушающего напряжения, но для этого необходимо определить действующий момент при изгибном разрушении образца – М_пр. В методике Ю.И. Блинова и др. [4] показано определение величины момента разрушения через оценку величины хода ударного инструмента и определение объёмной ударной вязкости.
Объёмная ударная вязкость (удельная работа разрушения) определяется из произведения величины разрушающего напряжения и величины относительной деформации по линии разрушения [5]:

КС_объём≈ σ_р•δ

Величину относительной деформации δ можно определить по изменению геометрических размеров.

Изложенный инженерно-практический подход по оценке среднего разрушающего напряжения, относительной деформации и объёмной ударной вязкости позволяет без дополнительных затрат существенно расширить возможности метода испытания металлов на ударный изгиб.

Литература

1. Н.А. Шапошников «Механические испытания металлов» стр. 239. Маштиз. Москва-Ленинград 1954г.
2. Ю.Я. Волошенко – Климовицкий «Динамика предел текучести» Изд. Наука. Москва 1965г. Академия наук СССР Государственный комитет по машиностроению при Госплане СССР. Государственный научно-исследовательский институт машиноведения.
3. Л.И. Качанов «Основы теории пластичности» стр. 101
4. Ю.И. Блинов и др. – Методика определения напряжения разрушения и ударной вязкости (объёмная) при испытании металла на ударный изгиб. ТК 357 – ОАО «РосНИТИ». 2015г.
5. Werkstoffprufuhg – Испытание металлов. Справочник (перевод с немецкого). Москва. Металлругия. 1979г. стр. 36
6. М.М. Филоненко – Бородич и другие. Курс сопротивления материалов. Часть первая, стр. 262. Изд. Физ.- мат. Литература. Москва. 1961г.

Published on  February 10th, 2016