ISO 148-1: Испытание металлических образцов с надрезом на ударный изгиб по Шарпи
Испытание образца с надрезом на ударный изгиб по ISO 148 предназначено для определения энергии удара и характеристик хрупкого разрушения металлических материалов. Этот метод особенно актуален для областей применения, где материалы должны выдерживать значительные ударные нагрузки. Применяется для контроля качества, разработки материалов, контроля на производстве и аккредитации.
На практике разброс значений часто возникает из-за неточных размеров образцов, качества надреза, температурных отклонений или влияния человеческого фактора. Фирма ZwickRoell предлагает подходящие маятниковые копры, вспомогательные приспособления для загрузки, решения для термообработки, программное обеспечение testXpert и автоматизацию.
Метод испытания также описан и регламентирован в стандарте ASTM E23. Стандарт ISO дословно повторяет европейский стандарт EN ISO 148-1.
Частые источники ошибок Проведение испытания Возможности автоматизации Часто задаваемые вопросы к стандарту Запросить консультацию
ISO 148-1 – кратко о самом главном
- Стандарт ISO 148-1 содержит описание испытания металлических образцов с U- или V-образным надрезом на ударный изгиб по Шарпи и предназначен для определения энергии удара (энергии удара по образцу) и ударной вязкости.
- Испытание показывает, проявляет ли металл склонность к вязкому или хрупкому поведению; дополнительно можно определять переход от вязкого состояния к хрупкому в зависимости от температуры.
- На практике основные источники ошибок связаны с размерами образцов, глубиной надреза, позицией надреза, качеством поверхности, неверным положением образца и недостаточным контролем температуры.
- Температурные испытания сложны, поскольку образец после извлечения из термокамеры необходимо испытать в течение нескольких секунд.
- Правильный размер маятника, нормативная скорость удара, откалиброванный упоры и компенсация потерь на трение и сопротивление воздуха являются решающими для сходимости результатов.
- Фирма ZwickRoell для испытаний по ISO 148 предлагает подходящие маятниковые копры, ударные кронштейны по Шарпи, вспомогательные приспособления для загрузки, решения для термообработки и автоматизацию.
- Программное обеспечение testXpert поддерживает стандартизированные процессы испытаний, надежную настройку параметров, прозрачное документирование и интеграцию данных испытаний в лабораторные процессы.
Стандарт ISO 148-1 на практике: основные источники ошибок и влияние на результаты испытаний
На практике качество испытания образцов с надрезом на ударный изгиб определяется не только маятниковым копром. Зачастую разброс возникает еще до удара: при изготовлении образцов, при термообработке и при ручной загрузке образцов. Именно эти этапы определяют, будут ли результаты сопоставимыми, воспроизводимыми и надежными.
Возможные источники ошибок на следующих этапах:
Изготовление и качество образцов Загрузка и выравнивание Влияние температуры Испытательная система
Изготовление и качество образцов
Типичные источники ошибок:
- Не соответствующие стандарту размеры образцов: стандартные образцы по Шарпи обладают размерами 10 × 10 × 55 мм. Погрешности изменяют поведение при разрушении и усложняют сравнение с эталонными значениями.
- Некорректный или неравномерный надрез: глубина и радиус надреза значительно влияют на измеренную энергию. Меньший надрез может приводить к повышенной энергии удара, больший - к пониженным значениям.
- Расположенный не по центру надрез: при испытании по Шарпи надрез должен располагаться по центру образца, чтобы удар молота маятника с противоположной стороны приходился точно в нужное место.
- Некорректное использование V- и U-образных надрезов: V-образные и U-образные надрезы из-за различий в геометрии приводят к несопоставимым результатам.
- Дефекты поверхности и царапины: повреждения или царапины могут влиять на раскрытие трещины и в неблагоприятных случаях даже повредить упоры.
- Неоднородность материала или несоответствующая партия:Различные состояния материала непосредственно влияют на ударную вязкость и долю хрупкого излома.
Загрузка и выравнивание образца
Образец должен располагаться в ударном кронштейне по центру и с корректной ориентацией. Если его уложить не по центру, то маятник не попадет точно по противоположной стороне надреза. Это изменяет изгибающее нагружение и может привести к некорректности или разбросу результатов.
Термообработка и временное окно
Температурные испытания по ISO 148 являются особенно критическими, поскольку характер разрушения металлических материалов может существенно изменяться в зависимости от температуры. Многие металлы становятся более хрупкими, особенно при низких температурах; поэтому в момент удара образец должен иметь именно требуемую температуру испытания.
Критические пункты:
- Однородная термообработка образца: образец должен быть термически обработан полностью, а не только на поверхности.
- Быстрая подача в рабочую зону:с момента извлечения образца из термокамеры до загрузки в ударный кронштейн и удара маятника максимально должно пройти 5 секунд.
- Потеря температуры вследствие обработки:температура окружающей среды, манипуляции и использование холодных/горячих вспомогательных средств могут изменить температуру образца.
- Охлаждаемые щипцы:при низкотемпературных испытаниях следует также охлаждать щипцы, чтобы они не нагревали образец.
- Воспроизводимая загрузка:В условиях дефицита времени возрастает риск того, что образец будет установлен не точно по центру или с неправильной ориентацией.
Если регламентированное временное окно превышается, то уже нельзя гарантировать, что испытание будет проводиться при заданной температуре. Это может привести к разбросу данных и негативно сказаться на сходимости результатов.
Маятниковый копер, энергия маятника и скорость удара
Сама испытательная система также должна соответствовать стандарту и испытательной задаче:
- Стандарт ISO 148 требует скорости удара в диапазоне от 5 до 5,5 м/с.
- Угол сброса и молот маятника влияют на скорость удара и, соответственно на сходимость результатов.
- Упоры изнашиваются в процессе испытаний, их следует регулярно проверять и при необходимости очищать, поворачивать или менять.
Желаете сделать испытания по ISO 148 более безопасными, воспроизводимыми или эффективными?
Мы поможем Вам выбрать маятниковый копер, ударный кронштейн, оборудование для термообработки, программное обеспечение и степень автоматизации, подходящие для материала, объема образцов, температуры испытания и требований стандартов.
Проведение испытания образцов с надрезом на ударный изгиб по ISO 148-1 на оборудовании фирмы ZwickRoell
Подробное описание критических этапов испытания и решений фирмы ZwickRoell:
Расположение образца Термообработка Выбор маятникового копра Выбор ударного кронштейна Потери энергии Возможности автоматизации
Испытание проводится следующим образом:
При испытании образцов с надрезом на ударный изгиб по ISO 148 металлический образец с надрезом укладывается на две опоры и ударно нагружается молотом маятника. Надрез располагается по центру, удар осуществляется с противоположной стороны.
Перед испытанием подготавливаются и контролируются геометрия образцов, тип надреза, глубина надреза, состояние поверхности и, при необходимости, температура испытания. При температурных испытаниях термообработка образца должна быть однородной, испытание необходимо провести в течение 5 секунд после извлечения из термокамеры.
Из разности между высотой сброса и высотой подъема маятника определяют энергию удара в джоулях. Дополнительно можно оценить составляющую хрупкого разрушения на поверхности излома (например, вручную или визуально). Полученные результаты служат для сравнения материалов, контроля качества и оценки поведения материала при ударных нагрузках.
Точное позиционирование образцов
Укладка образца по центру является решающей для получения воспроизводимых результатов. Даже небольшие погрешности расположения изменяют точку удара молота маятника и вместе с тем локальное нагружение. Щипцы, ограничители или вспомогательный центрирующий механизм облегчают быструю и воспроизводимую загрузку и снижают погрешности при ручном позиционировании
При автоматизированных ударных испытаниях позиционирование образца берет на себя испытательная система. Благодаря этому при каждом испытании образцы укладываются в одной и той же позиции. Это создает постоянные условия испытания и образует основу для получения сопоставимых и воспроизводимых результатов.
Безопасный контроль температуры
Для прошедших термообработку образцов интервал времени между извлечением из термокамеры и ударом молота маятника должен составлять не более 5 секунд. В течение этого времени необходимо корректно загрузить образец, закрыть защитную дверь и провести испытание. Короткие расстояния, приспособления для укладки и кнопка пуска в зоне досягаемости облегчают выполнение операций вручную.
Дополнительно безопасность процесса увеличивает автоматизация: она воспроизводимо укладывает образец в позицию испытания, снижает влияние человеческого фактора и обеспечивает надежное соблюдение временного окна - особенно при больших объемах образцов.
Выбор маятникового копра
Для испытаний по ISO 148 фирма ZwickRoell предлагает маятниковые копры HIT300P, HIT450P и HIT750P. Ключевым моментом является то, что маятник соответствует ожидаемой энергии удара и отвечает требованиям стандарта. Стандарт ISO 148-1 устанавливает верхнюю границу на уровне 80 % от энергии маятника, но не определяет нижнюю границу. Таким образом, при использовании маятникового копра HIT450P с молотом маятника на 450 Дж можно проводить соответствующие стандарту испытания в диапазоне от 0 до 360 Дж.
Выбор ударного кронштейна
Для маятниковых копров HIT300P и HIT450P фирма ZwickRoell предлагает два варианта ударных кронштейнов: ударный кронштейн по Шарпи и универсальный ударный кронштейн.
Ударный кронштейн по Шарпи специально разработан для испытаний по Шарпи. Его упоры можно вращать и дополнительно менять с одной стороны на другую. Это позволяет использовать упоры четыре раза, прежде чем понадобится их замена. Это снижает износ оборудования в повседневной эксплуатации.
Универсальный ударный кронштейн предлагает больше гибкости в видах испытаний. При необходимости его можно переоборудовать, например, для испытаний по Изод или даже для испытаний на ударное растяжение. Таким образом, он особенно подходит для лабораторий, в которых проводят различные испытания на одном маятниковом копре.
В маятниковом копре HIT750P опоры и упоры устанавливаются непосредственно в приборе, отдельного ударного кронштейна не требуется. Он принципиально подходит для испытаний по Шарпи, также с ним можно проводить испытания на ударное растяжение.
Учет потерь энергии
Трение и сопротивление воздуха всегда возникают у маятниковых копров. Приборы фирмы ZwickRoell позволяют выявить эти воздействия, что дает возможность их компенсации при сохранении неизменной конструкции. Это позволяет точнее соотнести измеренное энергопотребление с образцом, а не с испытательной системой.
Автоматизированные испытания образцов с надрезом на ударный изгиб по ISO 148-1
Автоматизация при проведении испытаний по ISO 148 особенно целесообразна, если испытывают большие объемы образцов, при температурных испытаниях и необходимости снизить влияние человеческого фактора. Автоматизированные испытательные системы обеспечивают надежное соблюдение временного окна в 5 секунд между извлечением образца из термокамеры и ударным испытанием.
С помощью автоматизированной испытательной системы roboTest I можно автоматически испытывать до 450 металлических образцов с надрезом в температурном диапазоне от -180 °C до +300 °C.
Для этого фирма ZwickRoell предлагает различные варианты, подходящие к соответствующему маятниковому копру:
- Для копра HIT450P доступен полуавтоматический вариант, при котором оператор загружает образцы в термокамеру, а затем испытание контролируемо запускается.
- Для копра HIT750P возможны полуавтоматические и полностью автоматические решения. При полностью автоматическом варианте оператор лишь заполняет магазин образцами. После запуска системы образцы подаются в термокамеру, проходят термообработку, после определенного времени выдержки испытываются и затем выводятся из рабочей зоны с помощью опциональной линии утилизации.
Ввод данных и управление осуществляются с помощью установленного на всех роботизированных испытательных системах программного обеспечения автоматизации autoEdition3.
Возможны другие опции в зависимости от необходимости:
- Сканер ID-кода для сопоставления образца, партии, производственного слота и результата.
- Опциональные системы снятия размеров, особенно глубины надреза / остаточной высоты
- Магазины вместимостью до 600 образцов
- Система загрузки образцов с защитой от ошибок (Poka-Yoke), обеспечивающая правильную ориентацию надреза
- Система очистки упоров после испытания
- Система IntelliDrive для автоматизированной регулировки высоты маятника при смене условий испытания.
- Расширенный температурный диапазон до +600 °C
- Линия утилизации и опциональная система сортировки остатков образцов
Таким образом, автоматизация подходит не только для температурных испытаний, но и для лабораторий с большими объемами образцов и стандартизированными испытательными процессами.
Типичные области применения стандарта ISO 148-1
Стандарт ISO 148 применяется везде, где необходимо оценить поведение металлических материалов при ударных нагрузках, низких температурах или переходе от вязкого состояния к хрупкому.
Типичные случаи использования:
- Контроль качества металлических материалов: подтверждение того, что материалы соответствуют спецификации, а результаты испытаний остаются сопоставимыми.
- Металлургические и литейные заводы: определение характеристик материалов для составления технических паспортов, согласования с заказчиками и контроля качества.
- Разработка материалов и конструирование: выбор подходящих материалов для производства изделий, которые должны безопасно использоваться в определенных условиях окружающей среды.
- Оценка характеристик хрупкого разрушения: исследование температуры, при которой характер разрушения материала меняется с более хрупкого на более пластичный (или наоборот).
- Учреждения по калибровке и аккредитации: проверка приборов, испытательных процессов и лабораторий.
- Исследовательские, образовательные учреждения и университеты: ознакомление с основными методами испытания материалов и исследование характера разрушения металлических материалов.
ISO 148-1 с программным обеспечением testXpert
Программное обеспечение testXpert поддерживает проведение испытаний по ISO 148 предварительно регламентированными испытательными процессами, стандартизированными настройками и отслеживаемым документированием в стандартных и универсальных программах испытаний. В зависимости от конфигурации, ПО testXpert можно использовать непосредственно на приборе с помощью цифрового дисплея или на подключенном ПК. Подключение ПК особенно важно при необходимости более широкого документирования результатов, их дальнейшей обработки или передачи в существующие структуры данных.
Функциональная польза для лабораторий:
- Меньше влияние человеческого фактора благодаря стандартизированным испытательным процессам
- Отслеживаемая регистрация параметров испытания и результатов
- Согласованный анализ повторяющихся испытаний
- Улучшенное документирование для контроля качества, аккредитации и отчетов для заказчиков
- Способность подключения к цифровым лабораторным процессам
Часто задаваемые вопросы по стандарту ISO 148
Стандарт ISO 148 содержит описание испытания металлических образцов с надрезом на ударный изгиб по Шарпи. Испытание предназначено для определения энергии удара, поглощенной материалом, и оценки характера разрушения, в частности доли хрупкой или вязкой составляющих.
Центральной характеристикой является используемая энергия удара (работа удара по надрезу) в джоулях. Дополнительно можно определять хрупкую составляющую разрушения на основе поверхности излома. На практике, согласно интервью, эта составляющая оценивается вручную или визуально по поверхности излома.
Типичными причинами являются не соответствующие стандарту размеры образцов, некорректные надрезы, расположение надрезов не по центру, дефекты поверхности, некорректная укладка образца, недостаточная термообработка, превышение временного окна между термообработкой и ударом, а также неподходящая конфигурация или некорректная калибровка оборудования.
Испытания по ISO 148 можно проводить на маятниковых копрах HIT300P, HIT450P и HIT750P фирмы ZwickRoell.
Нет. Маятниковый копер HIT50P не достигает требуемой в стандарте ISO 148 скорости удара в 5 - 5,5 м/с.
Принципиально нет. Стандарт ISO 148 регламентирует лишь верхнюю границу: используемая энергия удара должна максимально составлять 80 % от энергии маятника. Нижнюю границу стандарт не регламентирует.
На копре HIT450P с энергией маятника 450 Дж можно, таким образом, проводить испытания с энергией удара от 0 до 360 Дж.
Однако при очень малых энергиях удара необходимо учитывать полученное трение. Если энергия трения сопоставима с энергией удара, измеренной на образце, или даже превышает ее, это может снизить информативность результата. В этом случае подходящим выбором является меньший молот маятника.
Если используется одна и та же геометрия образцов, то необходим больший маятник. В качестве альтернативы можно использовать уменьшенные образцы с малой толщиной (например, 7,5 мм, 5 мм или 2,5 мм). Для этих значений толщины предлагаются подкладные пластины, чтобы удар наносился по центру образца.
При низких температурах разрушение металлических материалов может быть более хрупким. Поэтому необходимо выполнять термообработку всего образца и испытывать очень быстро после извлечения из термокамеры. Стандарт ISO 148 регламентирует временное окно в 5 или 10 секунд, в зависимости от разности температур с окружающей средой.
V- и U-образные надрезы обладают разной геометрией и создают разную концентрацию напряжения в надрезе. Вследствие этого различаются результаты измерений.
Автоматизация рациональна, прежде всего, при проведении температурных испытаний, узком временном окне, больших объемах образцов или для снижения влияния человеческого фактора. Она обеспечивает более равномерные процессы, воспроизводимую загрузку образцов и надежное соблюдение интервала времени между термообработкой и ударом.
