Влияние температуры и скорости нагружения на энергию зарождения и распространения трещин в образцах Шарпи из углеродистых сталей
Проведены ударные испытания образцов Шарпи при различных температурах и скоростях нагружения. По полученным диаграммам изменения усилий определены зависимости энергии зарождения и распространения трещин в углеродистых сталях 45 и Ст. 3 от температуры. Оценено влияние скорости удара в диапазоне 1...4...
Gespeichert in:
| Datum: | 2006 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2006
|
| Schriftenreihe: | Проблемы прочности |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/47862 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Влияние температуры и скорости нагружения на энергию зарождения и распространения трещин в образцах Шарпи из углеродистых сталей / В.В. Харченко, Е.А. Кондряков, В.Н. Жмака, А.А. Бабуцкий, А.И. Бабуцкий // Проблемы прочности. — 2006. — № 5. — С. 120-127. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-47862 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-478622013-08-03T15:16:52Z Влияние температуры и скорости нагружения на энергию зарождения и распространения трещин в образцах Шарпи из углеродистых сталей Харченко, В.В. Кондряков, Е.А. Жмака, В.Н. Бабуцкий, А.А. Бабуцкий, А.И. Научно-технический раздел Проведены ударные испытания образцов Шарпи при различных температурах и скоростях нагружения. По полученным диаграммам изменения усилий определены зависимости энергии зарождения и распространения трещин в углеродистых сталях 45 и Ст. 3 от температуры. Оценено влияние скорости удара в диапазоне 1...4,4 м/с на зависимости ударной вязкости от температуры. Проведено ударні випробування зразків типу Шарпі при різних температурах та швидкостях навантаження. За допомогою отриманих діаграм зміни зусиль визначено залежності енергії зародження та розповсюдження тріщин у вуглецевих сталях 45 і Ст. 3 від температури. Оцінено вплив швидкості удару в діапазоні 1...4,4 м/с на залежності ударної в ’язкості від температури. We performed impact tests of Sharpy specimens for various temperatures and loading rates. Based on the obtained diagrams of force variation, we determined the dependences between the crack initiation and propagation energy and temperature for carbon steels of grades 45 and St. 3 in impact test conditions. We assessed the effect of impact velocity in the range 1-4.4 m/s on the dependence between the impact toughness and test temperature. 2006 Article Влияние температуры и скорости нагружения на энергию зарождения и распространения трещин в образцах Шарпи из углеродистых сталей / В.В. Харченко, Е.А. Кондряков, В.Н. Жмака, А.А. Бабуцкий, А.И. Бабуцкий // Проблемы прочности. — 2006. — № 5. — С. 120-127. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0556-171X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/47862 620.178.7 ru Проблемы прочности Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Харченко, В.В. Кондряков, Е.А. Жмака, В.Н. Бабуцкий, А.А. Бабуцкий, А.И. Влияние температуры и скорости нагружения на энергию зарождения и распространения трещин в образцах Шарпи из углеродистых сталей Проблемы прочности |
| description |
Проведены ударные испытания образцов Шарпи при различных температурах и скоростях нагружения. По полученным диаграммам изменения усилий определены зависимости энергии зарождения и распространения трещин в углеродистых сталях 45 и Ст. 3 от температуры. Оценено влияние скорости удара в диапазоне 1...4,4 м/с на зависимости ударной вязкости от температуры. |
| format |
Article |
| author |
Харченко, В.В. Кондряков, Е.А. Жмака, В.Н. Бабуцкий, А.А. Бабуцкий, А.И. |
| author_facet |
Харченко, В.В. Кондряков, Е.А. Жмака, В.Н. Бабуцкий, А.А. Бабуцкий, А.И. |
| author_sort |
Харченко, В.В. |
| title |
Влияние температуры и скорости нагружения на энергию зарождения и распространения трещин в образцах Шарпи из углеродистых сталей |
| title_short |
Влияние температуры и скорости нагружения на энергию зарождения и распространения трещин в образцах Шарпи из углеродистых сталей |
| title_full |
Влияние температуры и скорости нагружения на энергию зарождения и распространения трещин в образцах Шарпи из углеродистых сталей |
| title_fullStr |
Влияние температуры и скорости нагружения на энергию зарождения и распространения трещин в образцах Шарпи из углеродистых сталей |
| title_full_unstemmed |
Влияние температуры и скорости нагружения на энергию зарождения и распространения трещин в образцах Шарпи из углеродистых сталей |
| title_sort |
влияние температуры и скорости нагружения на энергию зарождения и распространения трещин в образцах шарпи из углеродистых сталей |
| publisher |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| publishDate |
2006 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/47862 |
| citation_txt |
Влияние температуры и скорости нагружения на энергию зарождения и распространения трещин в образцах Шарпи из углеродистых сталей / В.В. Харченко, Е.А. Кондряков, В.Н. Жмака, А.А. Бабуцкий, А.И. Бабуцкий // Проблемы прочности. — 2006. — № 5. — С. 120-127. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| series |
Проблемы прочности |
| work_keys_str_mv |
AT harčenkovv vliânietemperaturyiskorostinagruženiânaénergiûzaroždeniâirasprostraneniâtreŝinvobrazcahšarpiizuglerodistyhstalej AT kondrâkovea vliânietemperaturyiskorostinagruženiânaénergiûzaroždeniâirasprostraneniâtreŝinvobrazcahšarpiizuglerodistyhstalej AT žmakavn vliânietemperaturyiskorostinagruženiânaénergiûzaroždeniâirasprostraneniâtreŝinvobrazcahšarpiizuglerodistyhstalej AT babuckijaa vliânietemperaturyiskorostinagruženiânaénergiûzaroždeniâirasprostraneniâtreŝinvobrazcahšarpiizuglerodistyhstalej AT babuckijai vliânietemperaturyiskorostinagruženiânaénergiûzaroždeniâirasprostraneniâtreŝinvobrazcahšarpiizuglerodistyhstalej |
| first_indexed |
2025-07-04T07:55:31Z |
| last_indexed |
2025-07-04T07:55:31Z |
| _version_ |
1836702218133176320 |
| fulltext |
УДК 620.178.7
Влияние температуры и скорости нагружения на энергию
зарождения и распространения трещин в образцах Шарпи из
углеродистых сталей
В. В. Харченко, Е. А. Кондряков, В. Н. Жмака, А. А. Бабуцкий,
А. И. Бабуцкий
Институт проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, Киев, Украина
Проведены ударные испытания образцов Шарпи при различных температурах и скоростях
нагружения. По полученным диаграммам изменения усилий определены зависимости энергии
зарождения и распространения трещин в углеродистых сталях 45 и Ст. 3 от темпера
туры. Оценено влияние скорости удара в диапазоне 1...4,4 м/с на зависимости ударной
вязкости от температуры.
К лю ч е в ы е с ло в а : углеродистые стали, образец Шарпи, инструментирован
ный копер, ударная вязкость, энергия зарождения и распространения тре
щины, температура вязкохрупкого перехода.
Введение. Температура вязкохрупкого перехода (ТВХП) является одной
из основных характеристик материалов при оценке прочности и надежности
конструкций и сооружений. Для ее определения используются различные
методы испытаний. Наиболее простой и распространенный - ударные испы
тания образцов Шарпи. Обычно в результате таких испытаний определя
ются зависимости ударной вязкости от температуры и путем их обработки -
температуры вязкохрупкого перехода [1-3]. При этом следует учитывать, что
ударная вязкость - это интегральная характеристика, которая включает в
себя энергию деформирования образца, энергию зарождения и распростра
нения трещины.
Использование инструментированных копров позволяет регистрировать
диаграммы изменения усилия от времени в процессе испытаний и таким
образом получать гораздо больше информации о поведении материала [1,
4-7]. Благодаря применению современных высокоскоростных цифровых
систем регистрации значительно увеличиваются возможности ее обработки.
Это, в свою очередь, позволяет анализировать разные подходы к определе
нию температуры вязкохрупкого перехода и энергии, затрачиваемой на раз
личных стадиях деформирования и разрушения образцов Шарпи при удар
ных испытаниях [2].
Цель данной работы заключалась в исследовании поведения углеро
дистых сталей Ст. 3 и 45 при различных температурах и скоростях нагру
жения с применением инструментированного вертикального копра.
М етодика испы таний и обработки результатов. Ударные испытания
сталей проводили на инструментированном вертикальном копре, оснащенном
многоканальной системой высокоскоростной регистрации усилий и дефор
маций (частота дискретизации 20 МГц), а также системой нагрева и охлаж
дения образцов в диапазоне температур Т = —150...400оС [8]. Объектом
исследований служили стандартные образцы Шарпи размером 5 5 x 1 0 x 1 0 мм
© В. В. ХАРЧЕНКО, Е. А. КОНДРЯКОВ, В. Н. ЖМАКА, А. А. БАБУЦКИЙ, А. И. БАБУЦКИЙ, 2006
120 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2006, № 5
Влияние температуры и скорости нагружения ...
из стали Ст. 3 и 45 [9, 10]. Скорость удара V0 варьировали от 1,0 до 4,4 м/с,
температуру - от -1 3 5 до 315°С.
Известно, что характер разрушения образцов изменяется в зависимости
от температуры испытания и скорости деформирования. По полученным
диаграммам Р ( г), имеющим достаточно высокое разрешение по обеим коор
динатам (рис. 1), можно определить энергию, затрачиваемую на разрушение
образца, а также разделить ее на энергию до момента образования трещины
(зарождения трещины), энергию вязкого и (или) хрупкого распространения
трещины [5].
Р , Н
і , с
і , с
б
Рис. 1. Характерная диаграмма Р(г) для стали 45 в области вязкохрупкого перехода при
Уо = 2 м/с, Т = 20°С (а) и изменение сигнала во время хрупкого проскока трещины при
увеличении масштаба по времени (б).
Величину составляющих энергии можно определить двумя способами.
Первый способ [9] предполагает преобразование зависимости нагрузка Р -
время г в зависимость нагрузка Р - перемещение s. Для этого по извест
ным массе ударника (нагружающего устройства) т , начальной скорости
удара Vо и зависимости Р(г) двойным последовательным интегрированием
находят изменение скорости ударника V( г) при нагружении образца Шарпи
по уравнению
ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2006, № 5 121
В. В. Харченко, Е. А. Кондряков, В. Н. Жмака и др.
V ( ) = V 0 -----
т
1 ^
— f р ( t ) л ,
затем - зависимость перемещения ударника 5 от времени V.
t
5( 1:) = f у( I )Л.
о
%о
По полученным зависимостям можно построить расчетную кривую
Р (5) и определить составляющие энергетических затрат на разрушение.
Однако данный способ представляется достаточно трудоемким, так как
предполагает двойное интегрирование.
Согласно второму способу, предложенному в работе [11], энергия
деформирования и разрушения образцов Шарпи определяется по формуле
А( t 1, 12 ) =
1
т
1
<7( Ь ) - 2 Д д( 12 ) Д д ( t l , 12 ),
где д ( t ) = mv(t ); т - масса ударника; V - скорость ударника.
Таким образом, для вычисления работы на отрезке времени от ^ до 12
требуется определить запас количества движения к началу интервала вре
мени tl и изменение Дд на этом интервале. Вычисления значений энергии
деформирования и разрушения образцов проводились именно этим способом.
Анализ результатов испытаний. Характерные диаграммы изменения
усилия во времени представлены на рис. 2, 3. При испытаниях сталей 45 и
Ст. 3 при температурах ниже 50оС наблюдался хрупкий проскок трещины.
Видно, что величина усилия Ра , при котором наблюдаются остановка хруп
кой трещины и последующий вязкий долом образца, монотонно уменьшает
ся до нуля с понижением температуры испытаний. Также монотонно увели
чивается зона хрупкого разрушения, прослеживаемая на изломе образцов.
На основании анализа диаграмм усилия можно предложить следующий
простой способ определения верхней и нижней температурной границы
зоны вязкохрупкого перехода (ЗВХП) в углеродистых сталях. Исчезновение
на диаграмме Р ( t ) резкого уменьшения (скачка) усилия (Ры — Р а = 0) при
повышении температуры испытаний свидетельствует о верхней границе
ЗВХП, уменьшение усилия до нуля (Ра = 0) при понижении температуры - о
нижней границе.
Высокая чувствительность цифровой системы регистрации сигнала по
зволяет растянуть масштаб сигнала по времени в области хрупкого распро
странения трещины (рис. 1,6). Проведенные оценки показывают, что дли
тельность хрупкого проскока t = 15...35 мкс. Это дает возможность с доста
точной точностью оценить среднюю скорость распространения хрупкой
трещины V тр (длину трещины можно определить по излому разрушенного
образца). Для стали 45 Vтр изменяется в диапазоне 150...400 м/с, для стали
Ст. 3 наблюдается аналогичная картина. Из рис. 1,6 видно, что снижение
122 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2006, № 5
Влияние температуры и скорости нагружения
нагрузки при распространении хрупкой трещины происходит достаточно
плавно, без резких скачков. Также можно оценить скорость развития вязкого
разрушения - скорость такой трещины составляет 1...20 м/с. Такие величи
ны скоростей согласуются с оценкой, полученной по результатам испытаний
корабельной стали [12].
Р , Н
Ь, С
Рис. 2. Диаграммы Р(г) для стали 45 при скорости нагружения 2 м/с: 1 - Т = 10°С; 2
Т = 20°С.
Р , Н
Ь, С
Ь, С
Рис. 3. Диаграммы Р (г) для стали Ст. 3 при скорости нагружения 4,4 (а) и 1 м/с (б): 1 -
Т = —5°С; 2 - Т = 20°С; 3 - Т = 30оС; 4 - Т = 40оС; 5 - Т = 50оС; 6 - Т = -20оС; 7 - Т = 0оС;
8 - Т = 10оС; 9 - Т = 20оС; 10 - Т = 55оС.
а
ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2006, № 5 123
В. В. Харченко, Е. А. Кондряков, В. Н. Жмака и др.
На рис. 4 показаны зависимости полной энергии деформирования и
разрушения от температуры при различных скоростях деформирования образ
цов Шарпи из стали 45. В таблице приведены значения составляющих
энергии. Видно, что зависимость энергии от температуры в ЗВХП слабо
чувствительна к скорости удара, и ЗВХП находится в диапазоне температур
-2 0 ...5 0 оС.
Значения общей энергии деформирования и разрушения и ее составляющих
в зависимости от скорости нагружения и температуры испытания для стали 45
№ образца „Ом Т, ос жЧсч Е , Дж ,Дж„
-СЕ Ей, Дж
203 2,0 -135 1,38 1,25 0,12 -
206 2,0 -90 1,90 1,75 0,16 -
205 2,0 -50 2,75 2,62 0,13 -
212 2,0 -20 5,59 5,36 0,22 -
204 2,0 0 9,80 7,11 0,29 2,40
215 2,0 10 15,92 9,72 0,36 5,85
231 2,0 10 10,26 6,33 0,40 3,54
207 2,0 20 23,15 9,84 0,41 12,89
232 2,0 20 17,26 6,64 0,40 10,22
233 2,0 40 20,75 7,28 0,38 13,08
223 2,0 44 23,19 8,86 0,38 13,94
224 2,0 100 28,32 9,98 - 18,34
230 2,0 155 25,26 9,15 - 16,11
211 4,4 -50 3,15 2,41 0,73 -
214 4,4 -20 4,34 3,33 0,61 0,39
209 4,4 0 6,86 5,77 0,82 0,26
217 4,4 10 11,56 5,90 1,08 4,57
222 4,4 20 15,61 7,98 0,86 6,77
234 4,4 20 14,29 6,94 0,91 6,44
225 4,4 43 24,32 7,55 0,90 15,87
235 4,4 50 31,91 9,58 0,76 21,57
226 4,4 100 33,54 10,14 - 23,40
236 4,4 150 31,46 9,62 - 21,84
Примечание. Е{ - общая энергия деформирования и разрушения; Е1 - энергия зарождения
трещины; Еь - энергия хрупкого разрушения; Ел - энергия вязкого разрушения.
Были проведены также испытания при более низких скоростях нагруже
ния: V о =1 и 1,4 м/с. Согласно рис. 5 полная энергия разрушения слабо
зависит от скорости удара в диапазоне 1...4,4 м/с.
Аналогичные зависимости полной энергии разрушения от температуры
были получены для стали Ст. 3, для которой ТВХП находится в интервале
0...50ОС.
124 Й'ОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2006, N 5
Влияние температуры и скорости нагружения
Е , Дж
Рис. 4. Зависимости полной энергии деформирования и разрушения от температуры при
различных скоростях деформирования образцов Шарпи из стали 45: 1 - у0 = 4,4 м/с; 2 -
у0 = 2 м/с.
Е, Дж
Рис. 5. Изменение полной энергии разрушения стали 45 в зависимости от скорости нагру
жения при Т = 10°С (1) и -20°С (2).
На рис. 6 представлены зависимости всех составляющих энергии де
формирования и разрушения образцов Шарпи из стали 45 от температуры
испытания для скоростей нагружения Vо = 2 и 4,4 м/с. Видно, что большая
часть энергии расходуется на вязкое разрушение, тогда как энергия, затрачи
ваемая на хрупкое разрушение, является незначительной.
Аналогичные зависимости составляющих энергии разрушения от тем
пературы получены для стали Ст. 3.
Заключение. Ударные испытания образцов Шарпи с использованием
инструментированного вертикального копра позволили получить зависимос
ти энергии зарождения и распространения трещин в углеродистых сталях от
температуры при скоростях нагружения в диапазоне 1...4,4 м/с.
Предложен способ определения нижней и верхней температурной гра
ницы ЗВХП в сталях.
ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2006, № 5 125
В. В. Харченко, Е. А. Кондряков, В. Н. Жмака и др.
Е , Дж
а
Е, Дж
б
Рис. 6. Зависимости энергии зарождения трещины Еі (▼), энергии вязкого разрушения Ей
(•), энергии хрупкого разрушения Еъ (И) и общей энергии деформирования и разрушения
Е{ (А) от температуры при у0 = 2 м/с (а) и у0 = 4,4 м/с (б) для стали 45.
Показано, что скорость распространения трещины в образцах Шарпи из
углеродистых сталей при вязком разрушении составляет примерно 1.. .20 м/с,
при хрупком - 100...400 м/с.
Р е з ю м е
Проведено ударні випробування зразків типу Шарпі при різних температу
рах та швидкостях навантаження. За допомогою отриманих діаграм зміни
зусиль визначено залежності енергії зародження та розповсюдження тріщин
у вуглецевих сталях 45 і Ст. 3 від температури. Оцінено вплив швидкості
удару в діапазоні 1 .4 ,4 м/с на залежності ударної в ’язкості від темпера
тури.
126 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2006, № 5
Влияние температуры и скорости нагружения
1. M akhu tov N. A ., M orozov E. M ., a n d M atvienko Yu. G. The history and the
development of the impact test in Russia // Proc. Charpy Centenary Conf.
(Poitiers, France, 2-5 Oct., 2001). - Poitiers, 2001. - P. 557 - 566.
2. P roceedings Charpy Centenary Conference (Poitiers, France, 2-5 Oct., 2001).
- Poitiers, 2001. - Vol. 1, 2. - 861 p.
3. К расовский А. Я ., К аш т алян Ю . А ., К расико В. H . Исследование тре-
щиностойкости корпусных сталей при статическом и динамическом
нагружении с учетом эффекта масштаба испытуемых образцов. - Киев,
1982. - 63 с. (Препр. / АН УССР. Ин-т пробл. прочности.)
4. Tanguy B ., P iques R ., a n d P ineau A . Experimental analysis of Charpy
V-notch specimens // Proc. Charpy Centenary Conf. (Poitiers, France, 2-5
Oct., 2001). - Poitiers, 2001. - P. 425 - 432.
5. G allo C., A lva rez J. A ., G utierrez-Solana F ., a n d P olanco J. A . Predicting
crack arrest behavior o f structural steels using small-scale material
characterisation tests // Proc. Charpy Centenary Conf. (Poitiers, France, 2-5
Oct., 2001). - Poitiers, 2001. - P. 661 - 668.
6. Значковский О. Я ., Н овиков И. В. Испытания на ударный изгиб при
низких температурах с записью диаграмм деформирования // Пробл.
прочности. - 1972. - № 12. - С. 55 - 57.
7. С т риж ало В. А ., Значковский О. Я ., Н овогрудский Л. С. Особенности
распространения трещин в конструкционных сплавах при температурах
до 4,2 К // Там же. - 1997. - № 6. - С. 36 - 40.
8. К ондряков Е. А ., Ж м ака В. Н , Х арченко В. В. и др. Система измерения
деформаций и усилий при динамических испытаниях // Там же. - 2005.
- № 3. - С. 140 - 146.
9. IS O 14556. Steel Charpy V-Notch Pendulum Impact Test - Instrumented
Test Method. - 05.01.2005.
10. Г О С Т 9454-78. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при
пониженных, комнатной и повышенных температурах. - Введ. 01.01.79.
11. Б акш и О. А ., П инчук И. О., К укин А. Г. и др. Измерительное устройство
для определения критериев хрупкости материалов по методу тензо-
метрирования процесса разрушения образца ударным изгибом // Прибо
ры для исследования физических свойств материалов. - Киев: Наук.
думка, 1974. - С. 200 - 206.
12. D om azet Z., R a ic J ., a n d P ap ic J.In troduction of instrumented testing in
shipyards // Proc. Charpy Centenary Conf. (Poitiers, France, 2-5 Oct., 2001).
- Poitiers, 2001. - P. 683 - 689.
Поступила 19. 06. 06
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2006, № 5 127
|