Ударная вязкость и хладноломкость: испытание на ударный изгиб

• 0,25 ммрадиус дна V-образного надреза, допуск ±0,025 мм
• не менее 3образцов ломают при каждой температуре сериальных испытаний
• 50 %вязкой составляющей в изломе — частый критерий температуры вязко-хрупкого перехода
• −100…+1200 °Cтемпературы испытаний на ударный изгиб по ГОСТ 9454-2025

Почему прочный металл ломается хрупко

При растяжении гладкого образца конструкционная сталь ведёт себя пластично: перед разрывом она заметно вытягивается и образует шейку — об этом статья «Механические испытания металла». Но та же сталь при определённых условиях разрушается хрупко: трещина пробегает почти без пластической деформации, и деталь раскалывается, не успев заметно изменить форму.

Хрупкому разрушению помогают три обстоятельства: низкая температура, надрез или трещина, у вершины которых металл растянут сразу в нескольких направлениях, и большая скорость нагружения — удар. Испытание на ударный изгиб соединяет все три: образец с надрезом ломают ударом, а температуру выбирают по условиям службы металла.

Вязкое и хрупкое разрушение стали

Хрупкому разрушению помогают холод, надрез и удар — испытание на ударный изгиб соединяет все три.

Хладноломкость — склонность к хрупкому разрушению на холоде — свойственна углеродистым и низколегированным сталям, включая теплоустойчивые корпусные: их кристаллическая решётка такая же, как у феррита. У аустенитных нержавеющих сталей, меди и алюминия решётка другая, резкого перехода к хрупкости у них нет, поэтому их применяют и при очень низких температурах.

Цену этого свойства инженеры узнали в годы Второй мировой войны. В США тогда массово строили сварные транспорты «Либерти» и танкеры, и многие суда получили трещины корпуса, а некоторые раскололись. Танкер «Скенектади» в январе 1943 года в спокойную погоду переломился почти пополам прямо у достроечного причала. Исследования, в том числе британского металловеда Констанс Типпер, показали: сталь корпусов на холоде переходила в хрупкое состояние, а трещины начинались у концентраторов напряжений — острых углов вырезов и дефектов сварки.

Копёр, образец и надрез

Испытание ведут на маятниковом копре. Тяжёлый маятник с бойком поднимают на заданную высоту и отпускают; в нижней точке он ломает образец, лежащий на двух опорах, и, потеряв часть энергии, взлетает по другую сторону ниже, чем стартовал. Разность энергий до и после удара — работа удара K в джоулях; её показывает шкала или электроника копра.

Стандартный образец — брусок 10 × 10 × 55 мм с надрезом посередине одной из граней. Его кладут надрезом от бойка, так что удар приходится в середину противоположной грани, а металл у дна надреза растягивается. Скорость маятника в момент удара — около 5 м/с, типичный копёр для таких образцов запасает 300 Дж.

Чтобы сравнивать образцы разных размеров, работу удара делят на площадь сечения под надрезом и получают ударную вязкость KC в Дж/см². У стандартного образца с надрезом глубиной 2 мм это сечение 10 × 8 мм, то есть 0,8 см². Обозначения KCU и KCV без индексов означают испытание при комнатной температуре на копре не слабее 300 Дж, а температуру указывают верхним индексом: KCV⁻⁴⁰ — при минус 40 °C.

Стандартное испытание на ударный изгиб в цифрах

• 0,8 см²площадь сечения под надрезом стандартного образца
• 300 Джзапас энергии типичного копра
• ≈ 5 м/сскорость маятника в момент удара

Ударная вязкость — работа удара, делённая на площадь сечения под надрезом.

Метод испытания устанавливает ГОСТ 9454-2025, который с 1 мая 2026 года сменил ГОСТ 9454-78; в чертежах, технических условиях и сертификатах прошлых лет стоит ссылка на прежний стандарт. Новый ГОСТ охватывает температуры от минус 100 до плюс 1200 °C. Главное различие образцов — форма надреза.

Чем острее надрез, тем сильнее он выявляет склонность металла к хрупкому разрушению. Поэтому KCU годится для общего контроля качества — её, например, нормирует ГОСТ 8479-70 для поковок, — а для ответственных сталей и для поиска температуры перехода берут образцы с V-надрезом.

Температура: вязкий и хрупкий излом

Одно испытание при одной температуре говорит мало: сталь, вязкая при комнатной температуре, на морозе может оказаться хрупкой. Поэтому проводят сериальные испытания: образцы ломают при нескольких температурах, при каждой не меньше трёх, и строят график ударной вязкости или работы удара от температуры.

У углеродистых и низколегированных сталей этот график похож на растянутую букву S. При высоких температурах — верхнее плато: металл разрушается вязко, работа удара велика. При низких — нижнее плато: разрушение хрупкое, энергии нужно в разы меньше. Между ними — переходная область с большим разбросом: образцы из одного металла при одной температуре могут дать результаты, различающиеся в несколько раз.

Подсказывает и вид излома. Вязкий излом матовый и волокнистый, со следами пластической деформации, хрупкий — блестящий, кристаллический, без таких следов. В переходной области в изломе есть обе зоны, и по их площадям определяют долю вязкой составляющей в процентах от сечения под надрезом; в цехе её называют долей волокна.

Температуру, при которой металл переходит от вязкого разрушения к хрупкому, называют температурой вязко-хрупкого перехода, или порогом хладноломкости. Единого способа её найти нет: за неё принимают температуру, при которой работа удара или ударная вязкость не ниже заданной, доля вязкой составляющей не меньше заданной, например 50 %, или результат достигает половины суммы значений на верхнем и нижнем плато. Какой критерий применять, указывают документы на металлопродукцию или договорённость с заказчиком.

Испытание на ударный изгиб (схема). Маятник копра, поднятый на высоту, падает и одним ударом ломает образец с надрезом, лежащий на опорах; по тому, насколько маятник поднялся после удара, находят работу разрушения. Справа — ударная вязкость в зависимости от температуры испытания: при высокой температуре излом вязкий, при низкой — хрупкий, между ними — переходная область.

Критическая температура хрупкости

Для металла корпусов реакторов и другого оборудования атомных станций главная характеристика сопротивления хрупкому разрушению — критическая температура хрупкости Тк. Её находят по сериальным испытаниям образцов с V-надрезом. В упрощённом виде это температура, при которой средняя ударная вязкость не ниже нормы, зависящей от предела текучести стали, а на 30 °C выше ударная вязкость уже в полтора раза больше нормы и вязкая составляющая занимает не меньше половины излома.

Через Тк нормы расчёта на прочность связывают температуру металла с его способностью сопротивляться развитию трещины. Её определяют для основного металла и металла сварных швов, а режимы гидроиспытаний, пусков и остановов строят так, чтобы высокое давление не действовало на холодный металл: корпус реактора, например, испытывают подогретой водой.

У нового металла корпуса критическая температура хрупкости намного ниже рабочих температур, но под потоком нейтронов она растёт. Как это учитывают и как за ней следят по образцам, которые облучаются в самом реакторе, рассказано в статье «Радиационное охрупчивание и образцы-свидетели», а из каких сталей делают корпус и почему в них ограничивают фосфор, медь и никель — в статье «Материалы атомной отрасли».

Что сдвигает переход к хрупкости

Температура перехода — не постоянная марки стали: она зависит от того, как металл выплавлен, прокован, термообработан и сварен.

• Зерно. Чем мельче зерно, тем ниже температура перехода. Нормализация и улучшение измельчают его, а перегрев при ковке или термообработке укрупняет и сдвигает переход к более высоким температурам.
• Сера и фосфор. Фосфор, собираясь на границах зёрен, повышает температуру перехода — это классическая причина хладноломкости. Сера образует сульфиды, вытянутые вдоль волокна, и снижает ударную вязкость поперёк него.
• Никель. Понижает температуру перехода, поэтому его вводят в стали для работы на холоде. В металле швов корпуса реактора его, однако, ограничивают: под облучением никель ускоряет охрупчивание.
• Термообработка. Лучшее сочетание прочности и вязкости даёт улучшение — закалка с высоким отпуском. У некоторых легированных сталей медленное охлаждение после отпуска вызывает отпускную хрупкость — о ней в статье «Термическая обработка стали».
• Сварка. Самое уязвимое место — участок зоны термического влияния у линии сплавления, где выросло крупное зерно. Поэтому образцы вырезают и из металла шва, и из этой зоны, а надрез ставят точно в заданное место.
• Облучение. Нейтроны сдвигают температуру перехода вверх — это радиационное охрупчивание металла корпуса реактора.

Требования в чертеже и ТУ

Норма ударной вязкости без температуры почти ничего не говорит. В чертеже или технических условиях указывают тип образца, температуру испытания и норму — обычно «не менее» для среднего по трём образцам и отдельно наименьшее допустимое значение для одного, — а также направление и место вырезки образцов. Для металла атомного оборудования добавляют требования к критической температуре хрупкости и к доле вязкой составляющей.

Частая путаница — единицы. Ударная вязкость KCU и KCV измеряется в Дж/см², а работа удара KU и KV — в джоулях; зарубежные стандарты и сертификаты обычно нормируют именно работу удара. Для стандартного образца сечение под надрезом 0,8 см², поэтому, например, KV = 40 Дж соответствует KCV = 50 Дж/см². В старых документах встречаются кгс·м/см²: 1 кгс·м/см² — около 9,8 Дж/см².

Нормы зависят и от сечения изделия. ГОСТ 8479-70 для поковок категории прочности КП 245 требует KCU не менее 49 Дж/см² при диаметре до 100 мм, 39 Дж/см² — свыше 100 до 300 мм и 34 Дж/см² — для более крупных поковок, до 800 мм. Сравнивать результат из сертификата нужно с нормой для того же сечения, типа образца и температуры.

Что важно изготовителю

Образцы вырезают механической обработкой, оберегая металл от нагрева и наклёпа, — так же, как для растяжения. Направление оси образца и надреза задают документы на продукцию; в сварном соединении надрез ставят точно по металлу шва, линии сплавления или зоне термического влияния, а маркировку наносят на грани, которые не касаются опор и бойка.

Надрез — самое ответственное место образца. Радиус дна V-надреза — 0,25 мм с допуском ±0,025 мм; получится дно острее или тупее — сместится и результат. Поэтому надрезы прорезают фрезой или протяжкой и проверяют их профиль на проекторе или по шаблону.

Для испытания на холоде образцы выдерживают в термостате — например, в ванне со спиртом, охлаждаемой сухим льдом или жидким азотом, — не меньше 15 минут. Охлаждают чуть ниже заданной температуры: при испытании от минус 40 до плюс 10 °C — на 2–3 °C, от минус 60 до минус 40 °C — на 3–4 °C, чтобы образец не успел согреться по дороге. От извлечения из ванны до удара проходит не больше 5 секунд, а опоздавший образец возвращают в ванну ещё минимум на 15 минут.

Испытание на холоде: от ванны до удара

1. Выдержка в термостатене меньше 15 минут
2. Переохлаждениена 2–3 °C ниже заданной при испытании от минус 40 до плюс 10 °C
3. Перенос на копёрот извлечения из ванны до удара — не больше 5 секунд
4. Опоздал — назад в ваннуещё минимум на 15 минут
5. Удар и протоколработа удара и ударная вязкость каждого образца

Копёр поверяют и калибруют, а работа удара не должна приближаться к запасу энергии маятника: стандарт рекомендует не больше 80 % от него. В протокол записывают тип образца, энергию и скорость маятника, температуру, работу удара и ударную вязкость каждого образца, при необходимости — долю вязкой составляющей, номер плавки и партии; если образец не разломился на две части, это отмечают особо.

Если результат не дотянул до нормы, испытание по стандартам на продукцию обычно повторяют на удвоенном числе образцов — для поковок так требует ГОСТ 8479-70. Но металла в пробе на это должно хватить, поэтому запас на повторные ударные испытания закладывают сразу, вместе с пробой на растяжение.

Термины

• Ударная вязкостьРабота удара, отнесённая к площади сечения образца под надрезом; обозначается KCU, KCV или KCT и измеряется в Дж/см².
• Работа удараЭнергия, затраченная маятником на разрушение образца с надрезом; обозначается KU, KV или KT и измеряется в джоулях.
• Маятниковый копёрМашина для испытания на ударный изгиб: падающий маятник ломает образец, лежащий на двух опорах.
• ХладноломкостьСклонность металла к хрупкому разрушению при понижении температуры.
• Сериальные испытанияИспытания серии образцов при нескольких температурах, по которым строят зависимость ударной вязкости от температуры.
• Доля вязкой составляющейЧасть площади излома с вязким, волокнистым разрушением, в процентах от сечения образца под надрезом.
• Температура вязко-хрупкого переходаТемпература, ниже которой металл разрушается преимущественно хрупко; её определяют по выбранному критерию.
• Критическая температура хрупкостиНормируемая характеристика сопротивления хрупкому разрушению металла оборудования АЭС, определяемая по сериальным испытаниям образцов с V-надрезом.

Частые вопросы

Чем KCU отличается от KCV?

Это ударная вязкость, определённая на образцах с разными надрезами: U-образным с радиусом дна 1 мм и V-образным с радиусом 0,25 мм. Острый V-надрез сильнее выявляет склонность металла к хрупкому разрушению, поэтому по нему ищут температуру перехода и критическую температуру хрупкости.

Как перевести работу удара KV в ударную вязкость KCV?

Работу удара в джоулях делят на площадь сечения под надрезом в квадратных сантиметрах. У стандартного образца с надрезом глубиной 2 мм она равна 0,8 см², поэтому KV = 40 Дж соответствует KCV = 50 Дж/см².

Что такое хладноломкость?

Это склонность металла при охлаждении переходить от вязкого разрушения к хрупкому. Ею обладают углеродистые и низколегированные стали, а аустенитные нержавеющие стали резкого перехода не имеют.

Зачем смотреть на излом образца?

По излому определяют долю вязкой составляющей: вязкий излом матовый и волокнистый, хрупкий — блестящий и кристаллический. Эта доля — один из критериев температуры вязко-хрупкого перехода.

Почему охлаждённый образец ломают за несколько секунд?

Вынутый из ванны образец быстро согревается, а в переходной области несколько градусов заметно меняют результат. Поэтому ГОСТ 9454-2025 требует испытать его не позже чем через 5 с и разрешает немного переохлаждать.