形成され、熱い冷たいのシャルピー衝撃試験圧延多様な温度条件下における鋼

金属の構造に関心を持っている気配があるような延性挙動を取得または切迫した失敗の前兆します。たとえば、鉄骨梁のこれは過度の変形の形で来るかもしれない。このパフォーマンスは、材料の靭性、延性や脆性挙動に最も密接に関連付けられている機械的性質は、応力-ひずみ曲線の下の領域として定義によって定量化されます。靱性強度と靭性の両方に関連しています。靭性は材料の失敗の前に塑性変形能力が、靭性はどの位材料が失敗の前に塑性変形の対策です。低延性ですが高い強度を持つ素材が低強度を有する材料と同様、タフではありません、高靭性がタフではありません。タフになる材料で、高応力・歪 (延性と強度) を吸収できなくてはなりません。

同じ素材、軟鋼、たとえば、actualmaterial 化学、処理、および荷重条件に応じて延性または脆性的に動作できます。そこは、少なくともこのパフォーマンスの変化を fivemain ドライバー。

1. 分子の細かい粒と、材料のミクロ組織強度の増加し、延性としばしばほとんど鋼の延性の低下で、結果、炭素などの合金の大量の存在の減少します。

2. 別での靭性鋼板の圧延方向に垂直なとプレートの厚処理材料を受けるおそれがあります。厚板間で一貫性のある組織を開発するは難しいが、この後者の方向は特に敏感です。

3. よくせん断応力の開発を阻害する (3 次元での読み込み)、載荷条件。1 次元と 2次元読み込み、1 つは通常、読み込み状況には大きなせん断応力の上昇そしてこうして多くを発生します多収性・延性挙動。3 D の静水圧荷重の制限でモールの円の半径はありません、したがってせん断はありません。このような場合材料は得られませんが、突然失敗します。

4. 高い強みにつながるが、変形能力の減少ひずみ率の増加。

5. 大幅につながることができる温度の減少は、靭性に減少します。室温で非常に延性がありますいくつかの材料は温度が大幅に低下する場合、非常に壊れやすくなるかもしれない。

材料の脆性や延性な動作かどうかを決定するには、1 つは通常シャルピー衝撃試験を実行します。ヨーロッパで最もよく使われる靱性試験であるアイゾット衝撃試験などの他の同様のテストがあります。これらのテストは、ときに突然の衝撃荷重を受ける材料の少量を吸収できるエネルギーを測定するつもりです。前述したように、このエネルギーは直接応力-ひずみ曲線の下の領域に関連するといえるかもしれません。

衝撃への抵抗をテストする各シャルピー V 形切欠き試験片は寸法を標準化し設計、サポート、れ読み込まれますので、標準化された方法で適用される 1 つの打撃を受けるときに失敗します。シャルピー測定は、試料の形状とボリュームに関連し、こうして結果が材料の相対的な挙動を比較して、絶対値のために役に立つことが重要です。

テストを実施するには、(図 1) 片側切欠きを有する小さな、ビームのような試料は固定高さ (図 2) から落として固定重量のハンマーから影響を受けるです。体重 150 ポンドと 300 ポンドの間は、通常、エネルギーの異なった量を生成するさまざまな高さのドロップすることができます。V ノッチは、こうしてローカル ストレスの大幅増加応力集中を誘導するために設計されています。ビームがだけ 2 つの側面でサポートされている真ん中を襲った、切り込みのある張力のビームが和らぎます。その結果、これは打ったときの試験片によるき裂進展が作成されます。

図 1:シャルピー 。

図2:シャルピー試験機.

理論的には、ハンマーが振り子は摩擦がないと仮定すると、シャルピー試験片を打つ直前には、運動エネルギーにハンマーの指定された高さに格納されている潜在的なエネルギーを完全に変換されます。ハンマーは、試料を打つし、それが骨折、この運動エネルギーのいくつかの量が消費されます。1 つは、どのくらい振り子は逆方向に振れるバックアップを測定します。初期の高さとストライキ後に達成した高さの違いから、1 つは、潜在的なエネルギーの違いを計算できます。このプロセスで失われているすべてのエネルギーとすると、破壊の試験片に吸収されることができます。この値は、材料の応力-ひずみ曲線下面積タフネスに等しいと見なされます。

多くの金属は、体心立方 (BCC) 鋼特に展示開始約 40 または 50°F、し低いプラトー約-100°f. にさらされている多数の構造に達する温度でエネルギー吸収は非常に急激に低下、環境がこの温度範囲内にある、従ってそれは金属の故障の温度依存性を理解することが重要です。たとえば、温度が非常に低い値を達することができる北のアラスカのパイプラインを建設、金属の温度依存障害を理解することが重要ででしょう。しかし、ほとんど面心立方 (FCC) 鋼、ステンレス鋼のようなはこの温度の影響に鈍感ではありません。

理論破壊強度、またとして知られている理想的な強度は主に自由表面エネルギーと原子間距離に依存しています。理想的な材料はその弾性係数の約 1/8、1/10 力があります。実際の実験的破壊強度は欠陥、ボイド、非金属介在物や不純物のためにはるかに低いです。たとえば、緊張に読み込まれたシンプルな鋼バー、ストレスは負荷が適用されている両端付近を除いて、均一と見なされます。しかし、単純な円形の穴の導入に伴い、力ある穴の周りの流れに穴の隣に応力集中をこのように作成

応力集中の大きさは標本 (r/w) の幅に穴の半径に比例します。半径が減少、応力集中係数は大幅に増加します。しかし、自然や人工の製品では完璧な穴がないです。一般に、顕微鏡レベルでギザギザのエッジがある、従ってはるかに高い応力集中が発生します。多くの欠陥と金属の結晶格子中の欠陥があります。それはクラックを開始フォームにこれらの小さな応力集中近くで非常に迅速にロードされると、これらの亀裂が伝播、合体と最終的に失敗する材料を引き起こします。

このテストは、形成とき裂の伝播に抵抗する材料の能力の特性を含む破壊力学の領域に落ちる。線形弾性破壊力学 (前半) はエネルギー論によるアプローチ、前記システムの総エネルギー量は荷重により仕事に等しいプラス ストアドひずみエネルギーとエネルギーの新しい破面を作成する必要です。その直線的で限られた可塑性を示す脆性材料の特性評価に非常に便利です。き裂進展の前に可塑性がたくさんあるにもかかわらず、エネルギーが失われない可塑性、思い違いなどのシャルピー試験に適用されると、前半にいくつかの制限があります。

この実験では、軟鋼板の耐衝撃性、温度効果を説明するために異なる温度でいくつかシャルピー試験片をテストします。

1. 試験機を準備するには、最初のハンマーのパスが障害物のクリアを確認します。パスが明確、ラッチがかみ合うまでハンマーを持ち上げて、ハンマーの漏出を防ぐためにロックを固定します。
2. 試料を準備するには、1 つよく氷点下温度にそれぞれの金属片を冷却するのにコールド ボックスを使用します。ホット プレートを使用して、温度 200 ° F 以上に各金属の別の標本を加熱するには
3. ハンマーが発生、一度ハンマーによって影響を受ける側から離れて直面して切欠きをもつ器具の中心を確かめるトングを使用してマシンに試料を挿入します。
4. 供試体は準備ができて、一度 300 フィート ポンド。 正確にマシンにダイヤルを設定: つまみを使用してダイヤルを回します。ポインターをプッシュしない!
5. テストを開始するには、ロックを解除してレバーを押すことによって、振り子をリリースします。
6. 供試体が壊れて後、ダイヤル ゲージは試料によって吸収されるエネルギーを読みます。この値を記録します。
7. 一度吸収されたエネルギーを記録すると、スイングから振り子を停止するのに機械ブレーキを使用可能性があります。以来、読んでゲージの変更、ブレーキを使用して、必ず使用する前にデータを記録してください。
8. 振り子が停止すると試料を取得し、繊維状組織を持つ破面の面積の割合を判断します。

標本と温度値が実験を繰り返し後、は、吸収されるエネルギーの温度依存性をプロットし、上下棚 (または平坦な水平部分) の存在を明確に参照してください。これらの棚は、明確なミニマと与えられた素材と処理のため達成することができますマキシマがあることを示します。主な関心は、慎重にこれらは設計されている構造の温度に該当するリスクを最小限に抑えるための転移温度を定量化します。異なる熱・力学的治療を受けている材料が類似している転移温度で幾分類似している上限と下限の棚だけでなく、明確なシフトが表示されます。構造体の破壊のリスクを下げるがちである遷移帯を左に移動ただし、処理の面で多大な追加コストを伴います。

それはまたシャルピー試験が非常に少ない延性を示す脆性材料の特性評価に有用である注意する必要があります。実際には、シャルピー試験は非常に延性金属を含む材料のすべてのタイプに使用されます。脆性破壊を駆動する変形プロセスは延性破壊で異なるために、この使用が根本的に正しくありません。それは半延性や延性材料のシャルピー、1 つのような生産の設定で使用することができます簡単なテストを派生させるされていません。したがって、シャルピ試験は近い将来、人気に残る可能性が高いです。

衝撃試験、シャルピーおよびアイゾット試験の形で、脆性破壊する金属材料の抵抗を測定する使用されます。シャルピー試験は、切欠きをもつ小さなビーム試験片を使用します。ビームは、摩擦振り子に接続されている大規模なハンマーによって読み込まれます。この読み込みシーケンスからひずみ速度の組み合わせと V ノッチの存在高速き裂伝ぱと供試体の割裂で大きな応力集中の結果を作成します。

テストでは、初めに潜在的なエネルギーを比較してインパクト ハンマーの位置から測定した場合は、テストの終了による破砕時材料が吸収するエネルギーを決定します。吸収されるエネルギーの大きさは、結果が比較の意味でのみ有効小さなビーム標本の材料の量によって異なります。

破壊力学とは、それはすべての材料を含む欠陥形状と欠陥のサイズが重要であると 1 つが設計応力集中の問題に対処する必要があることを思い出させてくれるすべての材料の研究の非常に重要な分野です。

いくつかのリバティー船、T-2 タンカーを文字通りポートで半分に分割するとき、温度依存性の重要性の 1 つのデモは第二次世界大戦でした。リバティー船のこの失敗は溶接と溶接作業による鋼製船体の脆化中に誘発され、冷たい海温を伴う応力集中とはしていた。

シャルピー試験多くの ASTM 規格の一部でありなど、私たちが毎日を使用する多くの製品があります。特に重要なアプリケーションは、橋梁設計の低温と高温シャルピー制限 (すなわち-40°F で 20 フィートと 40 フィート ポンド 80 ° f) を渡すほとんどの鋼を指定する場所です。

破壊エネルギーは非常に重要な材料です。表面エネルギー γ_sと完璧なガラス板検査した場合 = 17 × 10^-5 -ポンド/入力² E = 10 × 10⁶ psi 理論破壊強度が約 465, 000 psi、グリフィスの方程式を与えられるだろうと (σ_f = (2Eγ_s/Πa)^0.5)。1 つはガラス板に、でも大きさで 0.01 のような小さな欠陥を導入する場合破壊強度が減の 3 桁 465 psi のみ我々 は、現実の生活のような多くであります。

南極大陸および他の極地の試験装置、温度変化への大きな範囲です、宇宙旅行のためだけでなく、そり用シャルピー v 形切欠き試験が重要である他の温度依存するアプリケーションが含まれています。零度以下の温度ディップ。