Введение
Метод измерения количества энергии, поглощаемой материалом при разрушении.
В материаловедении испытание на удар по Шарпи, также известное как испытание на V-образную выемку по Шарпи, является стандартизированным высокоскоростным испытанием, определяющим количество энергии, поглощаемой материалом при разрушении. Поглощенная энергия является мерой ударной вязкости материала. Оно широко используется в промышленности благодаря простоте подготовки и проведения, а также возможности быстро и недорого получить результаты. Недостатком является то, что некоторые результаты носят лишь сравнительный характер. Испытание сыграло ключевую роль в понимании проблем разрушения судов во время Второй мировой войны. Испытание было разработано около 1900 года С. Б. Расселом (1898, американец) и Жоржем Шарпи (1901, француз). В начале 1900-х годов испытание стало известно как испытание Шарпи благодаря техническому вкладу и усилиям по стандартизации, предпринятым Шарпи.
История
В 1896 году С. Б. Расселл предложил концепцию энергии остаточного разрушения и разработал испытание на разрушение маятником. Первоначальные испытания Рассела проводились на ненадрезанных образцах. В 1897 году Фремонт представил метод измерения того же явления с использованием машины с пружинным механизмом. В 1901 году Жорж Шарпи предложил стандартизированный метод, усовершенствовав метод Рассела путем внедрения переработанного маятника и образца с надрезом, с четкими техническими характеристиками.
Определение
Аппарат состоит из маятника известной массы и длины, который сбрасывается с известной высоты для удара по образцу материала с вырезом (надрезом). Энергия, передаваемая материалу, определяется путем сравнения разницы в высоте подъема маятника до и после разрушения образца (энергия, поглощенная при разрушении). Наличие выреза (надреза) в образце влияет на результаты испытания на удар, поэтому необходимо, чтобы вырез имел точные размеры и геометрию. Размер образца также может влиять на результаты, поскольку его размеры определяют, находится ли материал в состоянии плоского напряжения. Это различие может существенно повлиять на сделанные выводы. Стандартные методы испытаний на удар металлических материалов с надрезом приведены в ASTM E23, ISO 148 или EN 10045 (устаревший, заменен ISO 148), где подробно описаны все аспекты испытаний и используемое оборудование.
Количественные результаты
Количественный результат испытаний на удар определяет энергию, необходимую для разрушения материала, и может использоваться для измерения вязкости материала. Существует связь с пределом текучести, но она не может быть выражена стандартной формулой. Также скорость деформации может быть исследована и проанализирована для оценки ее влияния на разрушение. Температура хрупкого-плавного перехода (DBTT) может быть определена по температуре, при которой энергия, необходимая для разрушения материала, резко изменяется. Однако на практике четкого перехода не наблюдается, и получение точной температуры перехода затруднено (фактически это переходная область). Точное значение DBTT может быть эмпирически определено различными способами: по определенной поглощенной энергии, изменению характера разрушения (например, при 50% площади, занимаемой сколами) и т.д. Если материал разрушается по плоской поверхности, то разрушение является хрупким, а если с зазубринами или признаками сдвига – пластичным. Обычно разрушение происходит не только одного типа, поэтому сравнение площадей зазубренной и плоской поверхностей разрушения позволяет оценить процент пластичного и хрупкого разрушения. Стандартный размер образца для испытания на удар по Шарпи составляет 10 мм × 10 мм × 55 мм. Размеры уменьшенных образцов: 10 мм × 7,5 мм × 55 мм, 10 мм × 6,7 мм × 55 мм, 10 мм × 5 мм × 55 мм, 10 мм × 3,3 мм × 55 мм, 10 мм × 2,5 мм × 55 мм. Детали образцов согласно ASTM A370 (Стандартный метод испытаний и определения для механических испытаний стальных изделий). Согласно EN 10045-1 (снят с производства и заменен ISO 148), стандартный размер гладкого образца составляет 10 мм (±0,125 мм) x 10 мм (±0,125 мм) x 55 мм (±2,5 мм).
Результаты испытаний на удар низкопрочных и высокопрочных материалов
Энергия удара металлов с низкой прочностью, не демонстрирующих изменения характера разрушения с изменением температуры, обычно высока и малочувствительна к температуре. По этим причинам, испытания на ударную вязкость редко используются для оценки сопротивления разрушению материалов с низкой прочностью, у которых характер разрушения не меняется с температурой. Испытания на ударную вязкость обычно показывают переход от пластичного к хрупкому разрушению для материалов с высокой прочностью, которые демонстрируют изменение характера разрушения с температурой, таких как объемно-центрированные кубические (ОЦК) переходные металлы. Испытания на ударную вязкость природных материалов (которые можно рассматривать как малопрочные), таких как древесина, используются для изучения вязкости материала и связаны с рядом проблем, включая взаимодействие маятника с образцом, высшие моды колебаний и множественные контакты между бойком маятника и образцом. Как правило, высокопрочные материалы имеют низкую энергию удара, что свидетельствует о легкости зарождения и распространения трещин в высокопрочных материалах. Энергия удара высокопрочных материалов, отличных от сталей или ОЦК-переходных металлов, обычно не чувствительна к температуре. Высокопрочные ОЦК-стали демонстрируют более широкий диапазон изменения энергии удара, чем высокопрочные металлы, не имеющие ОЦК-структуры, поскольку стали подвержены микроскопическому переходу от пластичности к хрупкости. Тем не менее, максимальная энергия удара высокопрочных сталей все равно остается низкой из-за их хрупкости.