Ударная вязкость

Ударная вязкость – свойство материала поглощать энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки (удара).

Ясно, что чем больше энергии поглощает материал в процессе его деформации и разрушения под действием удара, тем лучше он противостоит удару (тем труднее его разрушить ударом). Некоторые детали машин при эксплуатации подвергаются воздействию ударов. Их следует изготовлять из ударно вязких (хорошо противостоящих ударным нагрузкам) материалов.

При испытании материала на ударную вязкость измеряется работа (энергия), необходимая для разламывания образца ударом. Стандартный образец для испытания материала на ударную вязкость представляет собой небольшой брусок квадратного сечения с надрезом по середине.

При испытании удар по образцу наносят со стороны, противоположной надрезу, и образец по месту надреза разламывается. Испытание на ударную вязкость проводят на устройстве, которое называется маятниковый ударный копр. Это физический маятник, представляющий собой тяжелую (несколько кг) плоскую гирю, закрепленную на жестком подвесе-стержне длиной от 0, 5 до 1 м.

Схема испытания выглядит так:

Маятник массой m поднят и зафиксирован в верхнем положении на высоте H. Относительно нижней точки траектории его качания (точка A) он имеет потенциальную энергию mgH. Внизу, в точке A, строго под точкой O подвеса маятника, установлен испытуемый образец. Отпустим маятник, он качнется. При качании маятника вся его потенциальная энергия mgH переходит в нижней точке его траектории (точке A) в кинетическую энергию. С этой кинетической энергией маятник ударит по образцу, сломает его пополам, затратив на эту работу часть своей кинетической энергии. Оставшейся после разламывания образца кинетической энергии маятнику хватит для того, чтобы качнуться дальше в положение, показанное на рисунке штриховой линией. При этом маятник поднимется на высоту h и остаток его кинетической энергии превратится в потенциальную энергию mgh. Теперь можно вычислить работу, затраченную маятником на разламывание образца A=mgH–mgh. Вспомним, что ударная вязкость материала это работа, затрачиваемая на разламывание единицы площади поперечного сечения, по которому произошел разлом. Тогда

aн=(mg(H− h))/P,

где aн – ударная вязкость испытуемого материала;

P – площадь поперечного сечения образца, по которой произошел разлом.

Размерность ударной вязкости [aн]=Дж/м^2. Это очень мелкая единица, не удобная для практического использования. Пользуются, как правило, более крупными единицами кДж/м^2 и МДж/м^2.

При испытании на ударную вязкость образец разрушился по надрезу. Логично предположить, что форма (острота) надреза влияет на измеренную величину ударной вязкости. Образцы для испытаний на ударную вязкость имеют три разных стандартных формы надреза

U – образный надрез

Ударная вязкость, определяемая на таком образце, обозначается KCU.

V – образный надрез

Ударная вязкость, определяемая на таком образце, обозначается KCV.

Надрез-трещина

Острый V-образный надрез, в вершине которого создается трещина глубиной 1…1, 5мм. Ударная вязкость, определяемая на таком образце, обозначается KCT.

Изготовим образцы из одного и того же материала с U-образным, V-образным надрезами и надрезом-трещиной. Проведем их испытания на ударную вязкость. В результате получим:

KCU> KCV> KCT.

Ударная вязкость материала, полученная при испытаниях на разных образцах, различается в несколько раз. У некоторых материалов KCU больше, чем KCT в 10 раз. Почему? Потому что работа по разламыванию образца ударом слагается из двух работ: работы по зарождению (возникновению) трещины и работы по развитию (росту, продвижению) трещины, разрушающей образец. Работа по зарождению трещины тем меньше, чем более острый надрез. Поэтому образец с U-образным надрезом показывает самую большую ударную вязкость KCU. На образце с V-образным надрезом работа по зарождению трещины существенно меньше. Поэтому KCV< KCU. А на образце с надрезом-трещиной работа по зарождению трещины равна 0 (трещине не надо зарождаться, трещина уже есть). Поэтому ударная вязкость KCT, определенная на образце с трещиной, минимальная.

Практический вывод: детали, подвергающиеся ударная нагрузкам, должны иметь плавные очертания. В них не должно быть резких переходов от больших сечений к малым, концентраторов напряжений (канавок, ступенек, резьб и т. п. ).