что влияет на ударную вязкость стали
Испытание на ударный изгиб («impact test»)
Ударная вязкость («impact elasticity») – одна из важнейших характеристик конструкционных сталей. Данная характеристика определяется при испытании на ударный изгиб и показывает величину работы, которую нужно потратить, чтобы 
разрушить стандартный образец с надрезом на специально разработанном для данного испытания оборудовании – маятниковом копре.
Измеряется ударная вязкость в кгc/см2 или в Дж/см2, данная размерность показывает отношение работы, потраченной на разрушение испытываемого образца, к площади его поперечного сечения.
Одним из основных критерием качества сталей является способность сопротивления хрупкому разрушению, эта способность качественно выражена в величине ударной вязкости.
Хрупкое разрушение – наиболее опасный вид разрушения конструкции. Его опасность заключается в том, что оно происходит без каких-либо предвестников (например, без пластической деформации). А рост трещины происходит практически мгновенно, скорость распространения трещины при хрупком разрушении приблизительно равна скорости звука в металле. Более подробно о механизме хрупкого разрушения будет рассказано в других статьях.
Теперь, когда вы поняли насколько важна такая характеристика как ударная вязкость, поговорим об образцах для испытания. Так как трещина в металле начинает расти от места скопления микротрещин (когда размер скопления достигает критического уровня), которые обязательно присутствуют в реальных конструкциях, то на образцах для испытания делают искусственный дефект – надрез. Существует два основных типа образцов для испытания на ударную вязкость, которые различаются типом надреза.
Первый тип – образец с полукруглым надрезом, который обозначают латинской буквой «U» и называют образцом «Менаже» в честь ученого, предложившего данный тип образца. Радиус у основания надреза 1 мм.
Второй тип – образец с острым надрезом, который обозначается латинской буквой «V» и называют образцом «Шарпи», также назван в честь ученого, который его предложил и впервые использовал. Радиус у основания надреза 0,25 мм. Тип образца во время экспертизы металла выбирается, исходя из нормативных документов.
Ударная вязкость состоит из двух составляющих – из работы зарождения и работы распространения трещины. Отсюда вытекает логичное умозаключение, что ударная вязкость на образцах «Шарпи» существенно меньше, чем на образцах «Менаже», за счет меньшей работы зарождения трещины.
Кроме типа надреза на величину ударной вязкости прямое влияние оказывает температура испытания. С понижением температуры испытания ударная вязкость снижается, как и меняется характер разрушения образца с вязкого (со значительно степенью пластической деформации), на хрупкий (с практически полным отсутствием пластической деформации). Переход от вязкого к хрупкому разрушению с понижением температуры обусловлен таким явлением, как хладноломкость. Хладноломкость выражена в существенном увеличении предела текучести и снижении относительного удлинении с понижением температуры и характерна для металлов с объемноцентрированной кристаллической решеткой (Fe, Cr, Mo и другие).
Внешний вид образцов после испытания на ударный изгиб, проведенного нашей компанией, представлен на фото. 
Хорошо видно различие между образцами, разрушенными по разным механизмам. Вязкий излом с матовой поверхностью и следами пластической деформации в зоне разрушении. И хрупкий излом с блестящей поверхностью и без следов деформации – ровный скол, будто бы образец был разделен острым ножом. Есть еще и промежуточный вид – смешанное разрушение, в котором присутствует и вязкая, и хрупкая составляющая.
Доля вязкой составляющей является второй характеристикой, после ударной вязкости, которая определяется при испытании на ударный изгиб. Долю вязкой составляющей определяют визуально, изучая строение излома образца после испытания, измеряют ее в %.
Критическая температура хрупкости – очень важный критерий при оценке качества сталей, который показывает до какого момента сталь разрушается преимущественно по вязкому механизму. Использование стали при температурах ниже критической температуры хрупкости нежелательно.
Россия в значительной степени северная страна, где отрицательные температуры сохраняются в течение длительного времени. Освоение полярных и при полярных территорий, богатых природными ресурсами, с одновременным усложнением архитектурной конфигурации возводимых сооружений, ставит задачу по разработкам сталей с высоким уровнем сопротивления хрупкому разрушению. О способах повышения ударной вязкости в сталях я расскажу в следующих статьях.
Ударная вязкость (сопротивление хрупкому разрушению)
При создании высокотвердых, прочных материалов необходимо учитывать такое их свойство как вязкость или сопротивление хрупкому разрушению, определяющее способность материала пластически деформироваться в условиях динамических нагрузок.
Хрупкий тип разрушения — самый опасный, так как трещина возникает мгновенно, в течение долей секунды, быстро растет, превращаясь в так называемую магистральную трещину. В случае линий трубопровода магистральная трещина может пройти вдоль нескольких труб за считанные секунды.
Особое внимание на возможность сталей сопротивляться хрупкому разрушению уделяют при расчете металлоконструкций, предназначенных для эксплуатации в условиях северных широт, так как низкие температуры способствуют охрупчиванию металла. В ходе инженерных расчетов используют такой критерий, как ударная вязкость, которая количественно описывает сопротивление материала хрупкому разрушению.
Ударная вязкость
Ударная вязкость показывает, сколько нужно энергии (работы) для разрушения образца заданного поперечного сечения. Испытание для определения ударной вязкости относится к динамическим и осуществляется с помощью маятникового копра. Принцип действия заключается в падении бойка с определенной высоты на испытываемый стандартный образец металла. После чего, основываясь на разнице энергий бойка до и после удара, определяется работа, потраченная на разрушение образца. Чтобы полученные на разных образцах значения можно было сравнивать, их приводят к площади сечения испытываемого образца.
Образцы для испытаний стандартизованы и имеют вид стержня с квадратным сечением площадью 1 см2. В середине образца на одной из сторон наносят искусственный концентратор напряжений, имеющий три варианта исполнения:
При испытаниях на ударную вязкость оценивают также поверхность разрушения образца и определяют соотношения доли вязкой и хрупкой составляющей в изломе. Такой анализ выполняется либо визуально, либо с применением цифровых методов текстурного анализа, реализованных в анализаторе изображений Thixomet.
Если металл после испытания на ударную вязкость при нормальных климатических условиях показывает хрупкий излом, то его эксплуатация при пониженных температурах недопустима.
Критическая температура хрупкости
Как уже отмечалось выше, температура окружающей среды и, соответственно, самого металла, оказывает существенное влияние на его сопротивление хрупкому разрушению. Это явление называется хладноломкостью, и обусловлено переходом металла из вязкого состояния в хрупкое при снижении температуры.
На основании полученных результатов строят график зависимости доли вязкой составляющей от температуры. Точка перегиба на получившейся кривой соответствует критической температуре хрупко-вязкого перехода Тхр. Чем выше ее значение, тем выше склонность металла к хрупкому разрушению.
Почему металлы имеют различную хрупкость?
Помимо низких температур и высокой скорости нагружения к хрупкому разрушению могут приводить следующие факторы:
Влияние ряда факторов на ударную вязкость
Механические свойства поликристаллов определяются внешними условиями нагружения, структурой и фазовым составом материала.
При разрушении поликристаллических материалов большую роль играют границы зерен, и величина зерна является важным структурным параметром, определяющим закономерности этого процесса.
При межзеренном разрушении границы зерен являются барьерами для движущихся дислокаций, способствуют образованию дислокационных скоплений. Поэтому сами границы являются предпочтительными местами зарождения трещин. «Ослабленные» (сегрегациями атомов) границы являются и предпочтительными траекториями трещин.
При внутризеренном разрушении границы являются препятствиями для распространения трещин. Трещина может пересечь границу, практически не изменяясь, лишь при очень малых углах разориентировки кристаллов. В других случаях границы зерен являются непреодолимым барьером развитию скольжения, и макропластическое течение начинается после того, как скольжение, зародившееся в благоприятно ориентированных зернах, охватывает весь объем металла.
Если все же трещина пересекает границу, то под действием локальной концентрации напряжений в области «прорыва» возникают новые трещины в соответствующих плоскостях скола соседнего зерна. Если новая трещина возникает в одной точке, то она из этой точки распространяется веером. Зарождение новых трещин в соседнем зерне, образование ступенек скола при их слиянии – все это требует затрат подводимой к образцу энергии и препятствует распространению магистральной трещины.
Таким образом, измельчение зерна вносит дополнительный вклад в упрочнение. Чем меньше зерно, тем больше протяженность границ, тем больше препятствий на пути распространения магистральной трещины, а значит, возрастает сопротивление материалов развитию трещины.
То есть, измельчение структуры приводит к одновременному повышению прочности и вязкости материала.
Дислокационные механизмы зарождения трещин как источников разрушения определяют и трактовку влияния других факторов на ударную вязкость.
Наиболее благоприятным легирующим элементом в стали с точки зрения повышения вязкости и снижения температуры хрупко-вязкого перехода является никель. Никель способствует снижению блокировки дислокаций углеродом, делает дислокации более подвижными, что обеспечивает его положительное влияние на эти свойства.
Снижение содержания углерода в стали способствует по этой же причине повышению уровня ударной вязкости (пример: мартенсито-стареющие стали).
Аустенитные стали являются более вязкими, чем ферритные или мартенситные стали. Это обусловлено большей вязкостью, присущей ГЦК кристаллической структуре.
Увеличение количества остаточного аустенита в малоуглеродистых сталях способствует повышению их вязкости, так как аустенит является более мягкой и вязкой фазой по сравнению с мартенситом. В то же время в высокоуглеродистых сталях остаточный аустенит может ухудшать вязкость материала, например, в том случае, когда он имеет неблагоприятное расположение (по границам зерен) и претерпевает g ® am превращение в процессе деформации.
Примеси, находящиеся в металлах и сплавах, способствуют хрупкому разрушению. Примеси не только вызывают блокировку дислокаций, но и сегрегируют по границам зерен, снижая энергию сцепления между зернами до значений меньших, чем эффективная поверхностная энергия скола. Граница становится траекторией распространения трещины. В этом случае происходит хрупкое межкристаллитное разрушение. Для железа и его сплавов это кислород, сурьма, фосфор, сера.
Если содержания элементов достаточно для образования в сплаве второй фазы, то большое значение имеет форма и распределение этих частиц, а также их ориентировка относительно действующего напряжения. Выделения пластинчатой формы – более опасные концентраторы напряжений, чем глобулярные. Например, графитные прожилки и структуре серого чугуна делают его хрупким и резко снижают прочность. Ковкий чугун с шаровидными и хлопьевидными включениями графита обладает значительно большей вязкостью и прочностью.
Как примеси, так и компоненты сплавов могут влиять на склонность к хрупкому разрушению не только механизмом блокировки движущихся дислокаций, но и влиянием сопротивления решетки их движению. Повышая предел текучести, легирующие элементы повышают и температуру хрупко–вязкого перехода. Так, в частности, действуют в феррите – основной фазе конструкционных сталей – такие компоненты, как ванадий, кремний, хром после превышения некоторого их содержания.
Очевидно, что термическая обработка сплавов, приводя к образованию различного рода фаз и перераспределению примесей и компонентов между ними, а также и изменению зеренной структуры, может изменить характер разрушения. Одним из подтверждений этому является обратимая или необратимая отпускная хрупкость.
Необратимая отпускная хрупкость присуща углеродистым и легированным сталям после отпуска в область температур 250. 400°С. Повторный отпуск при более высокой температуре (400. 500°С) снимает хрупкость, и сталь становится к ней не склонна даже при повторном отпуске в район опасных температур. Наиболее вероятной причиной охрупчивания является выделение карбидных фаз по границам зёрен на начальных стадиях распада мартенсита.
Обратимая отпускная хрупкость присуща легированным сталям после высокого отпуска при 500. 600 °С и медленного охлаждения от температур отпуска. Она может быть устранена повторным высоким отпуском с быстрым охлаждением и вызвана вновь высоким отпуском с последующим медленным охлаждением. Легирование стали Cr, Ni, Мn усиливает отпускную хрупкость, так как легирующие элементы значительно увеличивают термодинамическую активность примесей и их приток к границам. Обратимая отпускная хрупкость связана с обогащением границ зерен примесями, в первую очередь фосфором и его химическими аналогами: сурьмой, мышьяком, а также оловом.
Таким образом, разрушение – это, как правило, не свойство данного материала, а способность к его проявлению при определенном сочетании внешних факторов (низкая температура, большая доля растягивающих напряжений, высокая скорость приложения нагрузки и т.д.), факторов структуры и фазового состава.
Типичными примерами роли термообработки в снижении склонности к хрупкому разрушению могут быть: гомогенизирующий отжиг, устраняющий ликвационную неоднородность; перекристаллизационный отжиг, исправляющий структуру литой и перегретой стали; регулирование скорости и температуры охлаждения при отпуске с целью избежать проявления необратимой или обратимой отпускной хрупкости и многие другие.
Ударная вязкость стали и металлов: что это такое, в чем измеряется и как обозначается
При создании высокопрочных деталей необходимо знать, как их ключевые свойства будут проявляться и изменяться на практике многолетней эксплуатации. Поэтому в фокусе нашего сегодняшнего внимания ударная вязкость материала, то есть его способность деформироваться пластически под воздействием динамических нагрузок.
Другими словами, это также эффективность сопротивления хрупкому типу разрушения – одному из самых опасных видов, при котором трещина очень быстро становится магистральной: мгновенно возникает, а разрастается за доли секунды. Если взять в качестве примера коммуникационную линию, то в ней при появлении такого повреждения меньше чем за минуту порвет сразу несколько труб.
Поэтому просто необходимо учитывать рассматриваемый параметр при проектировании каких-либо объектов из металлоконструкций, особенно сложных, предназначенных для использования в жестких климатических условиях: при низких температурах, при постоянно меняющемся микроклимате, при высоком механическом давлении, физических воздействиях и так далее.
Что называют ударной вязкостью – это
Начнем с определения: это показатель количества работы (энергии), необходимой для хрупкого разрушения материала. Вычисляется опытным путем, по результатам комплексных тестов, проводимых методом маятникового копра.
Все проверки выполняются на стандартизованных образцах – стержнях квадратного сечения с нанесенным на какой-то из его граней искусственным концентратором напряжения. Последний может быть выполнен:
В итоге выявляют не только интересный нам параметр, но также качество и характер деформации поверхности, а затем и соотношение составляющих повреждения. Это может быть или исключительно визуальный анализ, или более глубокий, с оценкой текстуры и слоев при помощи цифровых и компьютерных технологий.
Естественно, данный показатель отличается в зависимости от материала. Потому помните, когда мы рассматриваем, что такое ударная вязкость стали, это эффективность сопротивления именно конкретно взятого металла или сплава и только его, а не всех вообще.
Критическая температура хрупкости
Окружающая среда напрямую влияет на сопротивление детали разрушению. Данная зависимость настолько очевидная, что была выделена в явление – под названием хладноломкость – и объясняется неизбежными деформациями при переходе в хрупкое состояние под воздействием мороза.
Температура, при которой наблюдается изменение и появляется повреждение, и считается критической. В технической литературе ее зачастую сокращают до аббревиатуры Тхр, а также записывают как «порог хладноломкости», который, помимо всего прочего, показывает, что составляющие в заготовке находятся в равных долях.
Естественно, при прочих равных заготовки или целые функциональные узлы лучше делать из того сырья, порог хладноломкости которого сравнительно ниже, ведь тогда изделия можно будет эксплуатировать и в более жесткой климатической среде.
Почему у металлов различная хрупкость
При значительных нагрузках в условиях действия стабильно низких температур свое влияние оказывают следующие факторы:
Вот от чего зависит ударная вязкость на практике, и следует помнить, что большинство из перечисленных выше факторов также меняются. Те же повреждения со временем развиваются, становясь серьезнее и нарушая структуру.
Относительная нестабильность свойств – именно та причина, по которой при выпуске деталей требуется выполнять проверки. По результатам тестов можно с высокой степенью точности установить, при какой температуре допустимо стабильно эксплуатировать заготовку. Поэтому необходимо подробно рассмотреть, как их проводить, какие образцы при этом использовать, что за предварительную подготовку осуществить и так далее.
Методы испытаний металлов на ударную вязкость
Сначала – немного классификации, чтобы вы понимали, по каким причинам стоит делать выбор в ту или иную пользу. Существующие сегодня варианты лабораторных изысканий разделяют на несколько групп по следующим критериям:
Также есть способы проверки, названные в честь тех, кто их ввел:
При этом любая из вышеперечисленных разновидностей испытаний стали на ударную вязкость (и каких-либо других металлов тоже) сводится к попытке разрушения стандартного образца падающим предметом. Отличие только в специфике тестов, проводимых без надреза или с ним. Первый случай актуален только для листовых прокатных изделий, толщина которых одинакова по всей их площади, и его итоговые значения в несколько раз (до 10) превышают результаты в обычной среде, это нужно учитывать и соответствующим путем коррелировать дальнейшие расчеты.
Поскольку разница в нюансах, а не в принципе, рассмотрим один популярнейший метод, чтобы вы получили понимание о том, как проверки осуществляются в лабораторных условиях и насколько они точны.
Маятниковый копер
Это прибор, созданный специально для проведения испытаний, и его разновидности классифицируют по следующим показателям:
При этом практически любой копер состоит из опорных стоек, на которых закрепляется проверяемый стержень, и неподвижной оси – на ней на определенной высоте размещается боек с маятниковым эффектом. Простота конструкции делает ее достаточно надежной, а также уменьшает погрешность результатов.
В списке основных рабочих характеристик каждого такого прибора: диапазон измерений, максимальная мощность и скорость движения в момент контакта, наибольший потенциал фиксируемой энергии, габариты (в частности, масса) и расстояние между опорами.
Отбор образцов
Межгосударственный стандарт, говорящий, что такое ударная вязкость металла, это ГОСТ 9454, и в соответствии с ним подходящими для проведения испытаний считаются следующие варианты:
Второй вид является наиболее часто используемым: он применим при отбраковке металлопродукции, эксплуатируемой в составе важных конструкциях, то есть в высокоточных приборах, медицинском или промышленном оборудовании, воздушных и наземных транспортных средствах. Третий ориентирован на еще более ответственные случаи, которых сравнительно немного, поэтому в количественном отношении он не получает такого распространения. Первый предназначен для всех остальных ситуаций.
Подготовка к проверке и ее проведение
В общем случае схема испытания на ударную вязкость выглядит следующим образом:
Все занятые положения фиксируются, после чего по разности потенциалов и вычисляется работа, необходимая для хрупкого разрушения. Сейчас посмотрим, как это происходит.
Стандартное обозначение ударной вязкости в расчетах – КС, запаса энергии маятника – GH.
Базовая формула выглядит так:
Энергия затрачивается при перемещении маятника из первой позиции во вторую в результате удара, поэтому:
или, если преобразовать это соотношение:
также высоту бойка в двух положениях можно выразить через силу и углы, после чего наше уравнение будет выглядеть так:
K = G x L x (cos β – cos α), где:
Все показания и позиции в ходе теста фиксируются в обязательном порядке. Но прежде чем переходить к подстановке значений в формулу и к анализу полученных цифр, еще несколько слов о том, как обозначается ударная вязкость. Дело в том, что записывать ее можно еще и с третьим индексом, обозначающим тип использованного концентратора напряжений, – для большей информативности. В таком случае рассматриваемый нами показатель будет выглядеть в формулах как KCV (по Менаже), KCT или KCU (по Шарпи) соответственно.
Обработка результатов
Взглянем на итоговое уравнение. Какие величины известны? Это масса бойка (G) и длина маятника (L). Также постоянное значение у начального угла α, а конечный – β – находится в ходе теста.
Так что для подсчетов нет препятствий – есть (или появляются) все данные для определения энергии, затрачиваемой на хрупкое разрушение.
Теперь о том, в чем измеряется ударная вязкость, – в Дж/м2 – так как, по сути, она представляет собой работу, проведенную на определенной площади формы.
С этой целью стержни помещаются в специальные морозильные камеры со спиртом или жидким азотом. Хотя можно отдать предпочтение более простому варианту – емкости, заполненной сухим льдом или керосином, она также позволяет добиться нужного терморежима.
Полезным будет и определение порога хладноломкости, то есть температуры, при которой наблюдается резкое падение КС. Для этого необходимо взять серию опытных образцов (обязательно из одной плавки), провести испытания, тщательно записывая результаты с малым шагом градусов, а потом сравнить цифры и выстроить на их основе диаграмму. По ней будет отчетливо видно, как на каком-то участке сравняется доля вязких и хрупких составляющий – эта точка и станет искомым показателем.
Другое распространенное название порога – «температура полухрупкости», которая, для сокращения, также часто записывается как Т50 – исходя из пропорции в 50 на 50%. Если вычесть ее из реальной эксплуатационной, получите запас вязкости. Чем он больше, тем надежнее считается материал (с оговоркой, что условия его использования останутся неизменными).
Наиболее наглядные результаты дадут литые сплавы магния и алюминия, а также чугун. Почему именно они? Потому что у них сопротивление отрыву характерно видно даже при статических нагрузках, не говоря уже о повышенных – есть на что ориентироваться.
Для достижения нужного уровня охлаждения можно использовать:
Естественно, это довольно опасные вещества, поэтому работы с ними должны проходить только в лабораторных условиях и с соблюдением соответствующих положений техники безопасности.
Сравнение материалов по ударной вязкости
Можно проводить его опытным путем, самостоятельно выполняя тесты, записывая полученные результаты и так далее. Но гораздо быстрее и проще воспользоваться уже найденными в ходе проверок по методу Изода значениями, сведенными в специальную таблицу. Преимущественное место в ней занимают пластики, но и другие виды сырья тоже представлены.
В любом случае, вы сэкономите свое время, ведь останется только вычислить КС и порог хладноломкости для используемого сплава, а потом сравнить их с аналогичными и уже известными цифрами.
Мы постарались дать максимальное представление о способах испытаний, подсчетах, определении, особенностях. Подробно остановились даже на том, в каких единицах измеряется ударная вязкость (размерность ее – Дж/м2, напоминаем). Столько информации – чтобы вы точно понимали важность этого показателя и могли грамотно его учитывать при выборе материала для исполнения деталей.