При работе деталей машин возможны динамические нагрузки, при которых многие металлы проявляют склонность к хрупкому разрушению. Опасность разрушения усиливают надрезы - концентраторы напряжений. Для оценки склонности металла к хрупкому разрушению под влиянием этих факторов проводят динамические испытания на ударный изгиб на маятниковых копрах (рис. 1). Стандартный образец устанавливают на две опоры и посредине наносят удар, приводящий к разрушению образца. По шкале маятникового копра определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний - ударную вязкость:

KC = K/S'0 ,

где S'0 - площадь поперечного сечения образца в месте надреза.

Единица измерения ударной вязкости – мегаджоуль на квадратный метр (МДж/м2).

В соответствии с ГОСТ 9454-78 предусмотрены испытания образцов с концентратором напряжений трех видов: (U-образным (радиус надреза r = 1мм); V-образным (r = 0,25 мм) и Т-образным (трещина усталости, созданная в основании надреза). Соответственно ударную вязкость обозначают: KCU, КСТ, KCV. Основным критерием ударной вязкости является KCU. Она состоит из двух составляющих:

KCU = КС3 + КСр,

где КС3 - работа зарождения трещины; КСР ≈ КСТ - работа распространения трещины. Чем острее надрез, тем меньше КС3. Критерий КСТ является критерием трещиностойкости, оценивающим сопротивление материала распространению трещины.

Рис. 1. Схема маятникова копра (а) и испытание под удар (б):

1 - образец; 2 - маятник; 3 - шкала; 4 - стрелка шкалы; 5 – тормоз

Ударная вязкость из всех характеристик механических свойств наиболее чувствительна к снижению температуры. Поэтому испытания на ударную вязкость при пониженных температурах используют для определения порога хладноломкости - температуры или интервала температур, в котором происходит снижение ударной вязкости.

Хладноломкость - свойство металлического материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры. Хладноломкость проявляется у железа, стали, металлов и сплавов, имеющих ОЦК или ГП решетку. Она отсутствует у металлов с ГЦК решеткой.

Рис. 2. Влияние температуры испытания на процент вязкой составляющей в изломе (В) и ударную вязкости материала KCU, КСТ

На переход от вязкого разрушения к хрупкому указывают изменения строения излома и резкое снижение ударной вязкости (рис. 2) в интервале температур (tB–tx) (граничные значения температур вязкого и хрупкого разрушения). Строение излома изменяется от волокнистого матового при вязком разрушении (t ≥ tB) до кристаллического блестящего при хрупком разрушении (t ≤ tx). Порог хладноломкости обозначают интервалом температур (tB - tH) либо одной температурой t50 при которой в изломе образца имеется 50% волокнистой составляющей и КСТ снижается наполовину.

Многие детали машин (валы, шатуны, зубчатые колеса) испытывают во время работы повторяющиеся циклические нагружения. Цикл напряжения - совокупность изменения напряжений между двумя его предельными значениями σmax и σmin в течение периода Т. При экспериментальном исследовании сопротивления усталости материала за основной принят синусоидальный цикл изменения напряжения (рис.3). ............