Испытание на удар по Шарпи:как измеряется ударная вязкость материала, процедура и интерпретация

Испытание на удар по Шарпи было впервые разработано в 1900-х годах, чтобы лучше понять, почему материалы преждевременно выходят из строя. Испытание Шарпи определяет, сколько энергии поглощает материал во время разрушения, известной как энергия удара, и используется для оценки ударной вязкости материала по Шарпи. Испытание является сравнительным, что означает, что ударная вязкость различных материалов сравнивается друг с другом при условии, что они были испытаны по одному и тому же стандарту. Процедура испытания на удар по Шарпи включает в себя удары по образцу с надрезом качающимся маятником. Высота маятника до и после удара используется для определения того, сколько энергии было поглощено образцом. Испытание помогает оценить ударную вязкость надреза, которая указывает на устойчивость материала к разрушению в месте надреза.

Испытание на удар по Шарпи — это метод, используемый при испытании материалов для измерения ударной вязкости, который отвечает на вопрос:«Что такое испытание по Шарпи?», определяя, сколько энергии поглощает материал во время разрушения. Энергия, поглощенная во время испытания, измеряется по разнице высот до и после удара, а результат зависит от характеристик образца для испытания на удар по Шарпи.

Что такое испытание на удар по Шарпи?

Испытание на удар по Шарпи используется для измерения способности материала поглощать энергию во время разрушения. Испытание на удар по Шарпи проводится путем удара по образцу с надрезом качающимся маятником. Количество энергии, поглощаемой при ударе, определяется разницей высот до и после замаха. Целью испытания является оценка ударной вязкости материала, в частности его устойчивости к хрупкому разрушению при высоких скоростях деформации. Испытание на удар по Шарпи необходимо для понимания того, как материалы ведут себя в реальных условиях (экстремальные температуры или внезапные удары). Тест Шарпи измеряет прочность материалов, проверяя их реакцию на внезапные воздействия.

Определение ударного испытания предполагает сравнение энергии, поглощаемой различными материалами в стандартизированных условиях.

Какова история испытания на удар по Шарпи?

История испытания на удар по Шарпи восходит к началу 20 века, когда оно было разработано для лучшего понимания разрушения материала при внезапном ударе. Испытание на удар по Шарпи было изобретено Джорджем Огюстеном Альбертом Шарпи в 1901 году. Испытание было создано, чтобы выяснить, почему машины (паровые котлы, паровые двигатели и военное вооружение) преждевременно выходят из строя. Шарпи усовершенствовал подход, основанный на маятнике, впервые разработанный С.Б. Рассел. Он обнаружил, что добавление насечки к образцу помогает повысить точность и чувствительность теста. Тест был назван в честь Шарпи, поскольку он отвечал за различные усилия по стандартизации и техническим улучшениям. 

В чем важность испытания на удар по Шарпи?

Важность испытания на удар по Шарпи заключается в том, что оно дает ценную информацию о способности материала противостоять внезапным нагрузкам или ударам. Это испытание необходимо в области материаловедения, поскольку оно помогает определить прочность и надежность материалов в средах, подверженных быстрым нагрузкам или колебаниям температуры. Понимание ударной вязкости печатных материалов по Шарпи гарантирует, что напечатанные детали выдержат реальные нагрузки без сбоев при 3D-печати. Испытание играет важную роль в механическом проектировании, где материалы должны выбираться с учетом их способности противостоять разрушению при неожиданных нагрузках. Испытание на удар по Шарпи оценивает ударную вязкость, которая измеряет способность материала противостоять распространению трещин в месте надреза, что делает его важным для выбора материалов для применений, где разрушение приводит к катастрофическим последствиям.

Как рассчитать испытание на удар по Шарпи?

Чтобы рассчитать испытание на удар по Шарпи, необходимо выполнить четыре шага. Сначала подготовьте испытание, закрепив образец для испытаний на удар по Шарпи под маятником. Во-вторых, отпустите маятник и дайте ему ударить по образцу с надрезом. В-третьих, измерьте высоту маятника до и после удара, чтобы определить, сколько энергии было поглощено. Наконец, используйте формулу испытания на удар Шарпи, чтобы рассчитать энергию, поглощенную образцом, которая представляет собой разницу потенциальной энергии за вычетом потерь энергии из-за трения и сопротивления воздуха. Это делается с использованием формулы ударного испытания, которая включает массу маятника и разницу высот, при этом учитываются потери энергии из-за трения и парусности.

Какова формула испытания на удар по Шарпи?

Формула испытания на удар по Шарпи используется для расчета энергии, поглощенной образцом во время удара. 
Формула испытания на удар показана ниже.

E =мгΔч

E — энергия, поглощенная образцом (в джоулях), m — масса маятника (в килограммах), g — ускорение свободного падения (9,81 м/с²), а Δh — разница высот маятника до и после удара (в метрах).

Например, маятник массой 1,5 кг раскачивается с высоты 2 метра и после удара по образцу опускается на высоту 1 метр.

Формула показана ниже.

Э =1,5 ⋅ 9,81 ⋅ ( 2 - 1 )

Е =1,5 ⋅ 9,81 ⋅ (1) =14,715 Дж

E =14,715 Дж

Во время удара образец поглотил 14,715 джоулей энергии. Испытание на удар по Шарпи определяет поглощенную энергию, обычно выражаемую в Джоулях, тогда как ударная вязкость часто рассчитывается как энергия на единицу площади (Дж/см2 или кДж/м2).

Какова единица измерения ударного испытания по Шарпи?

Результаты испытаний на удар по Шарпи измеряются в джоулях, что является единицей энергии в системе СИ. Единица измерения — это объем работы, совершаемой при приложении силы в 1 Ньютон на расстоянии 1 метр. Это значение используется для расчета энергии удара в Дж/м2 путем деления значения джоулей на площадь поперечного сечения образца в надрезе образца.

Каковы пошаговые процедуры испытаний на удар по Шарпи?

Пошаговые процедуры испытаний на удар по Шарпи перечислены ниже.

1. Подготовка образцов :Начните с вырезания образца материала до необходимых размеров, стандартной прямоугольной формы, проверяя, чтобы на нем не было каких-либо поверхностных дефектов.  Образец должен быть помещен в испытательную машину стороной с надрезом в сторону от качающегося маятника. Правильная подготовка образца необходима для получения точных результатов в процедуре испытания Шарпи.
2. Ориентация выемки:выемка должна быть точно выровнена, поскольку ее расположение и ориентация влияют на результаты. Надрез располагается в центре образца и должен быть направлен в сторону от направления удара. Правильная ориентация надреза необходима для проведения испытания материала на удар по Шарпи.
3. Удар маятника :Отпустить маятник с известной высоты так, чтобы он опустился и ударился о образец с надрезом. Сила, приложенная к образцу при ударе, приводит к его разрушению, и высота маятника соответственно уменьшается. Этот этап является частью процедуры испытания на удар, используемой для имитации внезапного воздействия на материал.
4. Измерение энергии :Измерьте разницу высот маятника до и после удара по образцу после удара. Энергия, поглощаемая образцом, рассчитывается с использованием разницы высот, массы маятника и силы тяжести. На этом этапе завершается процедура испытания на удар по Шарпи, определяющая прочность и устойчивость материала к удару.

Какая машина используется при испытаниях на удар по Шарпи?

Для испытания ударной вязкости образца используется машина для испытания на удар по Шарпи. Машина относительно проста и работает путем поворота маятника в образец, чтобы разрушить его. Энергия, поглощенная образцом, считывается по шкале на машине. 

Машина относительно проста и работает путем поворота маятника в образец, чтобы разрушить его. Энергия, поглощенная образцом, считывается по шкале на машине. 

Что такое стандарт испытаний на удар по Шарпи?

Стандарт испытаний на удар по Шарпи определяется конкретными рекомендациями, обеспечивающими последовательность и надежность процедур испытаний. Наиболее признанными стандартами являются ASTM E23 и ASTM D6110. ASTM E23 — это стандарт, используемый для испытаний металлических материалов, предоставляющий методы измерения ударных свойств металлов (подготовка образцов, процедуры испытаний и требования к оборудованию). ASTM D6110 применяется к пластмассам и описывает методы определения ударной вязкости полимерных материалов с использованием теста Шарпи. ASTM E23 и ASTM D6110 необходимы для обеспечения точности и сопоставимости результатов испытаний для различных материалов и условий испытаний.

Какова температура испытания на удар по Шарпи?

Температура испытаний на удар по Шарпи составляет 23 °C. Однако эти испытания проводятся во многих температурных диапазонах, чтобы определить температуру перехода материалов из пластичного состояния в хрупкое.

Каковы два типа результатов испытаний на удар по Шарпи?

Ниже перечислены два типа результатов испытаний на удар по Шарпи.

1. Количественные результаты :Количественные результаты предоставляют измеримые данные, выраженные в джоулях и представляющие количество энергии, поглощенной образцом во время удара. Это значение используется для определения ударной вязкости материала по Шарпи и его способности сопротивляться разрушению под нагрузкой. Количественные результаты помогают сравнивать различные материалы с точки зрения прочности и ударопрочности.
2. Качественные результаты :Качественные результаты дают представление о поведении материала, например о том, хрупкий или пластичный он разрушается. Их наблюдают визуально после испытаний и дают описание поверхности излома (независимо от того, есть ли на ней признаки пластической деформации/латерального расширения или кристаллическая плоская поверхность). Процедура испытания на удар по Шарпи помогает получить различные результаты, предлагая полное понимание характеристик материала при ударе.

1. Количественные результаты

Количественные результаты — это данные, основанные на числовых значениях. Количественные данные обычно представляют собой энергию, поглощенную во время разрушения образца при ударном испытании по Шарпи. Температура перехода из вязкого состояния в хрупкое (DBTT) оценивается путем испытания нескольких образцов при различных температурах, чтобы увидеть, где происходит резкое увеличение требуемой энергии удара.

Формула испытания на удар по Шарпи показана ниже.

E =м г (h₁ − h₂)

Тестирование по Шарпи с V-образным вырезом:почему это важно для испытаний по Шарпи?

Испытание с V-образным надрезом по Шарпи важно, поскольку V-образный надрез создает контролируемую концентрацию напряжений, которая заставляет разрушение начинаться в точном месте, что позволяет точно измерить ударную вязкость. Испытание на V-образный надрез по Шарпи гарантирует, что поглощение энергии оценивается в повторяющихся условиях при внезапной нагрузке. Испытание на V-образный надрез показывает, насколько эффективно материал противостоит хрупкому разрушению при воздействии высокоскоростного удара. Испытание на надрез стандартизирует зарождение трещин, поэтому значения поглощенной энергии остаются сопоставимыми для разных образцов материала. Ангуло де Шарпи определяет точный угол надреза, который контролирует интенсивность напряжения, что напрямую влияет на точность и последовательность измерения ударной вязкости.

Схема испытания на удар по Шарпи:как она представлена?

Схема испытания на удар по Шарпи представлена следующими этапами, перечисленными ниже.

1. Представьте макет схемы испытаний на удар по Шарпи . На диаграмме испытаний на удар по Шарпи показана жесткая опорная рама с маятником, установленным на фиксированной высоте над образцом. Конструкция иллюстрирует, как потенциальная гравитационная энергия преобразуется в энергию удара в точке удара.
2. Покажите расположение на диаграмме теста Шарпи . Диаграмма испытания по Шарпи показывает образец, лежащий горизонтально на двух наковальнях с определенным промежутком между опорами. Выемка обращена к маятнику, поэтому разрушение начинается при самой высокой концентрации напряжения во время удара.
3. Изображение работы ударного прибора Шарпи . На рисунке ударного прибора Шарпи прослеживается дуга маятника от момента освобождения до контакта с образцом. Разница между начальной высотой и высотой отскока представляет собой энергию, поглощенную во время разрушения.
4. Проиллюстрируйте этап измерения энергии . На заключительном этапе диаграммы отображается механическая шкала или цифровой дисплей, подключенный к оси маятника. Измеренные потери энергии напрямую отражают ударную вязкость материала при внезапной нагрузке.

Какие факторы влияют на испытание на удар по Шарпи?

Факторы, влияющие на испытание на удар по Шарпи, перечислены ниже.

• Предел текучести :Предел текучести влияет на жесткость материала, более высокая прочность снижает деформацию перед разрушением.
• Выемка :Выемки создают точки напряжения, а канавки способствуют разрушению.
• Температура :Температура влияет на хрупкое или пластичное поведение, изменяя энергию, необходимую для разрушения. 
• Механизм разрушения :Механизм разрушения показывает, как материал разделяется при ударе, отражая сопротивление его внутренней структуры силе.

1. Предел текучести

Предел текучести материала увеличивается при уменьшении энергии удара. Материалы с более высоким пределом текучести имеют меньшую ударную вязкость. Материалы, которые пластически деформируются до окончательного разрушения, считаются более прочными. Предел текучести и более высокий предел текучести являются факторами, влияющими на испытание на удар по Шарпи, которое создает более жесткую реакцию, уменьшающую количество энергии, поглощаемой во время удара.

2. Нотч

Надрез создает контролируемую точку напряжения, которая направляет путь разрушения и влияет на измеренную вязкость. Образец с V-образным надрезом используется, когда материал хрупкий, а образец с U-образным надрезом используется, когда материал пластичный. Образец с U-образным надрезом имеет более высокий коэффициент концентрации напряжений, чем образец с V-образным надрезом. Следует отметить, что насечки должны быть точно такими же, чтобы получить точные результаты, сравнимые с прошлыми тестами.

3. Температура

Температура изменяет поведение материала, смещая баланс между хрупкостью и пластичностью во время ударной нагрузки. Испытания на удар по Шарпи обычно проводятся при температуре 23 °C. Однако более высокие и более низкие температуры используются для построения кривой, отражающей поведение материала при переходе от пластичного к хрупкому. Более высокие температуры увеличивают ударную вязкость.

4. Механизм разрушения

Механизм разрушения определяет, как материал отделяется под действием внезапной силы, и определяет количество энергии, необходимое для завершения разрушения. Двумя механизмами разрушения являются раскол, который характерен для хрупких материалов, и слияние микропор, которое более характерно для пластичных материалов. Материалы, которые разрушаются по механизму расщепления, имеют меньшую энергию удара, чем материалы, которые разрушаются за счет слияния микропор. 

Важен ли тест на удар по Шарпи в 3D-печати?

Да, испытание на удар по Шарпи важно при 3D-печати. Проведение испытаний на удар по Шарпи на 3D-напечатанных образцах помогает инженерам определить ударную вязкость различных материалов для 3D-печати, учитывая, что некоторые технологии печатают детали с анизотропными свойствами. Тестирование образцов с различной геометрией печати помогает инженерам понять, как оптимизировать свои конструкции с точки зрения ударной прочности. Испытание на удар по Шарпи важно в 3D-печати, поскольку этот метод обеспечивает четкое измерение того, как печатный материал поглощает энергию во время внезапной нагрузки. Для получения дополнительной информации см. наше руководство «Все, что вам нужно знать о 3D-печати».

Ознакомьтесь с нашим глоссарием технических характеристик, чтобы узнать больше о различных свойствах материалов.



Понимание пластичного разрушения:причины, стратегии обнаружения и предотвращения 3D-печать в образовании:преобразование обучения с помощью практических инноваций