Испытания материалов падающим грузом

Испытание падающим грузом (ИПГ) – метод анализа реакции материала на внезапный удар с оценкой ударной прочности и других механических свойств материала.

Суть ИПГ основывается на воздействии падающего груза на испытываемый образец, по характеру разрушения которого делается вывод о свойствах материала.

Метод оценки прочности и др. механических характеристик материалов падающим грузом является наиболее эффективным.

Ударные испытания

Ударные испытания являются одним из основных видов испытаний материалов на ударную прочность, вязкость разрушения, поглощения энергии. Все эти параметры характеризуют надежность материала, способность противостоять внезапным ударным нагрузкам, безопасность при использовании в проектируемых конструкциях.

В процессе испытаний определяются прочность, жесткость, поглощенная энергия, гибкость и ударопрочность (способность поглощать энергию удара без образования трещин или разрушения) материала.

Виды испытаний

Существует несколько видов испытаний ударной нагрузки. Основными (по типу испытательных машин) считаются:

• Ударное испытание по Шарпи;
• Ударное испытание по Изоду;
• Инструментальное испытание на удар по Шарпи/Изоду;
• Испытание падающим грузом;
• Испытание падающим грузом (стальным шариком).

Ударное испытание по Шарпи – широко известный метод определения вязкости. Суть испытаний заключается в поглощении энергии маятника, ударяющего по образцу. Метод наиболее приемлем при испытании металлов и керамики. Схема метода приведена на рисунке.

Испытание по Изоду аналогично предыдущему. Но в этом случае образец располагается вертикально. При испытании определяется энергия маятника, необходимая для разрушения образца.

Испытание по Шарпи/Изоду – усовершенствованная версия ранее перечисленных методов. Энергия, прилагаемая к образцу, фиксируется специальными приборами. Обеспечивается более подробный анализ состояния материала при повышенных нагрузках.

Испытание падающим грузом проводится путем падения груза с определенной высоты. Энергия, поглощаемая образцом, высчитывается на основании силы удара и скорости падения груза. Метод актуален при оценке устойчивости материала к внезапным и точечным ударам.

Испытание падающим стальным шариком применяется при определении ударопрочности материалов.

Заслуживает внимания еще один метод испытаний падающим грузом, который называется методом Пеллини-Пьюзака. В этом случае в центре образца делается хрупкая наплавка, по которой наносится надрез (имитирует трещину в образце). Испытания проводят при различных температурах.

После нагружения образца энергией падающего груза определяется температура нулевой пластичности (когда трещина проходит через все сечение образца). Схема метода Пеллини-Пьюзака представлена на рисунке.

Значение прочности материала

При конструировании каких-либо изделий и механизмов инженерам необходимо знать одну из важнейших характеристик материала – прочность, т. е. свойство сопротивляться разрушению под воздействием внешних сил.

Прочность представляет собой обобщенное понятие:

• Предела текучести;
• Предела упругости;
• Предела прочности;
• Предела выносливости.

Прочность материала влияет на его свойства (износостойкость, сопротивление ударам, вибрациям, растяжению, эксплуатационный ресурс и др.).

В качестве примера рассмотрим понятие «Прочность» на крепежных металлических изделиях (метизах). Они предназначены для надежной фиксации соединяемых элементов конструкций.

Важными показателями механических свойств металла являются предел прочности и предел текучести, которые составляют основу классификации изделий. Таким образом, в первую очередь метизы разделяются по классам прочности. Визуально на готовых изделиях класс прочности определяется по цифрам на головке болта (см. рис. 4).

Рисунок 4

Первая цифра указывает предел прочности материала изделия, вторая – отношение предела прочности к пределу текучести. Например, обозначение 4.6 говорит о том, что указанный болт изготовлен из стали с пределом прочности 40 кгс/мм² (400 кН) и пределом текучести 24 кгс/мм² (240 кН).

Разрушающие нагрузки для болтов различных классов прочности приведены в таблице (см. табл. 1).

Таблица 1

При ударных испытаниях определяется прочность и прогнозируются долговечность и безопасность материалов, возможность эксплуатации в конкретных конструкциях.

Руководящие документы при испытаниях материалов падающим грузом

Для испытаний различных материалов падающим грузом разработан ряд соответствующих стандартов:

• ГОСТ 30456-2021 «Металлопродукция. Трубы стальные, прокат стальной листовой и рулонный. Метод испытания на ударный изгиб падающим грузом»;
• ГОСТ 33496-2015 «Композиты полимерные. Метод испытания на сопротивление при ударе падающим грузом»;
• ГОСТ Р 53655.1-2009 «Пленки и листы полимерные. Определение ударной прочности методом свободнопадающего груза. Ступенчатые методы»;
• ГОСТ 27736-88 «Детали и изделия из древесины и древесных материалов. Метод определения ударной прочности защитно-декоративных покрытий»;
• ГОСТ Р 53190-2008 «Методы испытания на стойкость к механическим внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий. Испытания на удар с воспроизведением ударного спектра»;
• ГОСТ 16782-2015 «Пластмассы. Метод определения температуры хрупкости при ударе»;
• ГОСТ 53007-2008 «Материалы лакокрасочные. Метод испытания на быструю деформацию (прочность при ударе)».

Соблюдение требований стандартов позволяет не только оценить качество материала, но и определить целесообразность его применения в конкретной конструкции или механизме.