Ударная вязкость стали и испытания по Шарпи

Что означает ударная вязкость стали — и чего не означает энергия по Шарпи

Ударная вязкость в сравнении с прочностью, пластичностью и вязкостью разрушения

Ударная вязкость — это сопротивление материала разрушению при быстром приложении нагрузки, часто через надрез, концентрирующий напряжения. Это не то же свойство, что прочность, пластичность при растяжении или вязкость разрушения, хотя все они могут влиять на результат.

Предел текучести характеризует напряжение, при котором во время испытания на растяжение начинается пластическая деформация. Предел прочности при растяжении — это максимальное инженерное напряжение, достигнутое в ходе такого испытания. Ни один из этих показателей не описывает поведение стали с острой трещиной при быстром нагружении. Высокопрочная сталь может иметь низкое сопротивление хрупкому разрушению, особенно при низкой температуре, тогда как сталь с меньшей прочностью может поглощать значительную энергию удара.

Пластичность характеризует пластическую деформацию до разрушения, обычно оцениваемую по относительному удлинению или относительному сужению в образце для испытания на растяжение. Ударная вязкость включает скоростной эффект и эффект надреза, которые не воспроизводятся обычным испытанием на растяжение. У надрезанного образца Шарпи мало возможностей перераспределить напряжения за счёт равномерной деформации. Поэтому надрез делает локальное стеснение деформации и зарождение трещины центральными аспектами испытания.

Поглощённая энергия по Шарпи не является значением KIC или полной характеристикой трещиностойкости. Strong evidence

ТрещиностойкостьТрещиностойкость Характеристика сопротивления распространению трещины, измеренная при заданных геометрии образца, нагружении, толщине, трещине и условиях применимости результатов.

Вязкость разрушения относится к другому классу свойств. Такие показатели, как $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ или раскрытие вершины трещины (CTOD), характеризуют сопротивление заранее существующей трещины распространению при заданных условиях, касающихся образца, его толщины, нагружения и применимости результатов. Например, $K_{\mathrm{IC}}$ — это значение вязкости разрушения в условиях плоской деформации, полученное при условиях, призванных исключить влияние размера образца и пластичности. V-образный надрез Шарпи достаточно острый, чтобы способствовать зарождению разрушения, однако такой образец не является образцом для определения вязкости разрушения с предварительно созданной усталостной трещиной, а его поглощённая энергия не представляет собой значение $K_{\mathrm{IC}}$.

Необходимо также отдельно рассматривать поведение при остановке трещины. Материал может сопротивляться зарождению трещины, но обладать иным сопротивлением распространяющейся трещине. Для трубопроводных сталей испытание на разрыв падающим грузом оценивает поведение при остановке трещины посредством измерения долей вязкого среза и хрупкого разрушения на поверхностях излома в диапазоне ударных температур. Этот метод нельзя считать взаимозаменяемым с испытанием по Шарпи.

Почему поглощённая энергия является косвенным показателем свойств материала

При обычном испытании по Шарпи маятник ударяет по надрезанному образцу, установленному на двух опорах. Разность между начальной и конечной энергией маятника характеризует работу, поглощённую образцом, а на практике — также некоторыми связанными потерями, учитываемыми методикой испытания. Результат выражают как поглощённую энергию удара, обычно в джоулях. В 2024 году NIST охарактеризовал испытание по Шарпи как испытание при высокой скорости нагружения, измеряющее энергию, поглощённую при разрушении, и дающее косвенную оценку ударной вязкости.

[1][1] ISO 148-1:2016 Metallic materials — Charpy pendulum impact test — Part 1: Test method. International Organization for Standardization. ISO standard, 2016.

Ключевым здесь является слово «косвенная». Измеренная энергия объединяет несколько процессов: пластическую деформацию вблизи надреза, зарождение трещины, стабильное или нестабильное распространение трещины, трение и эффекты, связанные с испытательной машиной, а также окончательный процесс разрушения. Это не единая константа материала, которую можно без изменений переносить на компоненты любой геометрии или на любую скорость нагружения. ASTM E23 охватывает испытания на удар по простому образцу на двух опорах по Шарпи и консольному образцу по Изоду, включая требования к образцам, методики, проверку машин, представление результатов и определение характера поверхности среза. ISO 148-1:2016 устанавливает испытания металлических материалов на маятниковый удар по образцам с V-образным и U-образным надрезом по Шарпи. Тип надреза имеет значение; результаты для V-образного и U-образного надрезов не следует считать эквивалентными без специально оговорённого основания.

Вид поверхности излома даёт сведения, которые невозможно получить только из числового значения энергии. Вязкое разрушение срезом обычно требует значительной пластической деформации и поглощает больше энергии. При разрушении, обусловленном преимущественно сколом, обычно поглощается меньше энергии. Поэтому процент вязкого среза, боковое расширение и положение результата на кривой перехода от вязкого к хрупкому разрушению могут изменить инженерную интерпретацию одной и той же номинальной энергии.

Инструментированное испытание может дополнительно предоставить информацию о зависимости силы от времени или перемещения. ISO 14556:2023 устанавливает требования к инструментированному испытанию по Шарпи образцов с V-образным надрезом и к оборудованию, применяемому для измерения и регистрации дополнительных характеристик разрушения; ISO 148-1:2016 не распространяется на этот инструментированный метод. Состояние испытательной машины также имеет значение. ASTM E23 и ISO 148-2 устанавливают требования к проверке, а Программа проверки машин Шарпи NIST использует сертифицированные образцы для периодического контроля машин.

Опасность рассмотрения одного значения по Шарпи как универсального свойства

Утверждение вроде «ударная вязкость этой стали по Шарпи составляет 80 Дж» является неполным. Может быть не указана температура. То же относится к геометрии надреза, ориентации образца, толщине листа, состоянию после термической обработки, месту отбора, направлению испытания, количеству образцов, применяемому стандарту и виду поверхности излома. Каждое из этих упущений может изменить значение результата.

Для ферритных сталей при снижении температуры обычно наблюдается переход от вязкого к хрупкому разрушению. Поэтому результат, полученный при комнатной температуре, может практически не давать уверенности в поведении материала при более низкой эксплуатационной температуре. Даже в пределах переходной области небольшие изменения температуры могут вызывать значительные изменения энергии и механизма разрушения. Энергия верхнего плато, энергия в переходной области и поведение на нижнем плато обусловлены различными механизмами разрушения, поэтому при использовании данных Шарпи для оценки нижней границы вязкости разрушения требуются отдельные корреляции. Такие корреляции могут применяться для инженерной предварительной оценки при заданных условиях эксплуатации ферритной стали, однако они не превращают поглощённую энергию в вязкость разрушения в условиях плоской деформации.

Результат испытания по Шарпи нельзя интерпретировать независимо от плана отбора образцов и их ориентации. Strong evidence

[2][2] ASTM A673/A673M: Standard Specification for Sampling Procedure for Impact Testing of Structural Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2025.

Ориентация образца — ещё одна решающая переменная. Продольный образец Шарпи характеризует сталь иначе, чем поперечный образец или образец, ориентированный по толщине, поскольку направление прокатки, включения, полосчатость и структура зерна влияют на распространение трещины. ASTM A673/A673M устанавливает процедуры отбора образцов для продольного испытания конструкционной стали по Шарпи с V-образным надрезом и различает частоту испытаний плавки и отдельных изделий. Таким образом, отбор образцов является частью результата, а не административной деталью, добавляемой после испытания.

В оценке NIST 2011 года образцов Шарпи с боковыми канавками было установлено, что боковые канавки уменьшают накопленную пластическую деформацию при энергиях верхнего плато и способствуют расслоению; наибольшая выраженность расслоения наблюдается вблизи температуры перехода от вязкого к хрупкому разрушению. Этот вывод показывает, почему геометрия образца может изменять как измеренную энергию, так и поверхность излома.

Результат испытания по Шарпи полезен, если он представлен как результат определённого испытания с указанием состояния материала, стандарта, типа надреза, ориентации, температуры, плана отбора образцов, энергии и вида поверхности излома. Без этого контекста одно число не является универсальным свойством стали и само по себе не может подтвердить безопасность эксплуатации с точки зрения разрушения.

Испытание на маятниковый удар по Шарпи: образец, надрез и событие разрушения

Стандартные образцы Шарпи с V-образным и U-образным надрезом

В испытании по Шарпи используется небольшой прямоугольный брусок с механически обработанным надрезом на одной из граней. Образец горизонтально устанавливают на две опоры, после чего маятник наносит удар по грани, противоположной надрезу. Такая схема обеспечивает зарождение трещины в контролируемом месте и её распространение через оставшуюся перемычку. Поэтому полученный результат является не просто свойством «стали», а реакцией конкретного образца с определённым надрезом, ориентацией, температурой и состоянием материала.

ISO 148-1:2016 устанавливает метод маятникового испытания металлических материалов на удар с использованием образцов с V-образным и U-образным надрезом. Обозначения V-образный и U-образный описывают профиль надреза, а не два взаимозаменяемых результата испытаний. V-образный надрез имеет наклонные стороны, сходящиеся у основания с заданным радиусом, что создаёт относительно острую концентрацию напряжений. U-образный надрез имеет скруглённое основание и, следовательно, иное локальное поле напряжений. Глубина надреза, угол при вершине, радиус основания, размеры образца и состояние поверхности задаются применимым стандартом. Даже небольшие отклонения могут изменить зарождение трещины и пластическую деформацию до разрушения.

Номинальный размер (мм)

Обычно применяемый полноразмерный образец Шарпи имеет номинальные размеры 10 мм × 10 мм × 55 мм, однако допустимые размеры и варианты уменьшенных образцов определяются применимым стандартом и спецификацией на изделие. Для образца с V-образным надрезом глубина надреза обычно составляет 2 мм, угол при вершине — 45 градусов, а радиус основания задаётся стандартом. Эти значения описывают стандартизованную геометрию, а не универсальную схему изготовления любого ударного образца. Размеры U-образного надреза также определяются выбранным стандартом и не должны выводиться по аналогии с практикой для V-образного надреза.

ASTM E23 охватывает как испытания на удар образца Шарпи по схеме свободно опёртой балки, так и испытания образца Изода по схеме консольной балки. Это различие имеет значение. Образец Изода закрепляют как консольную балку и наносят удар выше опоры, тогда как образец Шарпи опирается с обоих концов. Результат, полученный одним методом, нельзя обозначать как результат другого метода. ASTM E23 также устанавливает требования к образцам, процедурам, проверке машин, представлению результатов и определению вида поверхности среза.

Надрез обычно ориентируют так, чтобы боёк нагружал ненадрезанную грань, а надрез находился на растянутой стороне изгибаемого участка. В этом случае трещина зарождается у основания надреза по мере изгиба перемычки. Ориентация образца также должна указываться в отчёте. Например, образец с продольным V-образным надрезом, вырезанный из листового проката, характеризует иное сочетание направления прокатки, включений, полосчатости и структуры зёрен, чем поперечный образец или образец, вырезанный в направлении толщины. ASTM A673/A673M устанавливает процедуры отбора образцов для продольных испытаний конструкционной стали на удар по Шарпи с V-образным надрезом и различает периодичность испытаний плавки и отдельных изделий. Таким образом, отбор образцов является частью смысла сообщаемого результата.

Маятниковый удар и расчёт поглощённой энергии

Перед отпуском маятник поднимают на заданную высоту, сообщая ему известную потенциальную энергию. Он движется вниз, ударяет по образцу с заданной скоростью, разрушает или изгибает брусок, а затем поднимается на противоположной стороне до меньшей высоты. В упрощённом виде поглощённая энергия определяется выражением

$$E=\mathrm{mg}(h_1-h_2),$$

где $m$ — эффективная масса маятника, $g$ — ускорение свободного падения, а $h_1$ и $h_2$ — начальная и конечная высоты маятника. В реальных машинах учитываются механические потери, трение, аэродинамическое сопротивление, геометрия бойка и калибровка машины. Отображаемое значение обычно указывается в джоулях.[3][3] Charpy Machine Verification Program. National Institute of Standards and Technology. NIST program resource, 2024.

NIST описывает испытание по Шарпи как испытание при высокой скорости нагружения, измеряющее энергию, поглощённую при разрушении, и обеспечивающее косвенную оценку ударной вязкости. Машины периодически проверяют по таким процедурам, как Программа проверки машин Шарпи NIST, с использованием аттестованных образцов в соответствии с ASTM E23 и ISO 148-2. Проверка подтверждает, что машина выдаёт приемлемые результаты; однако она не устраняет вариации, обусловленные химическим составом стали, термической обработкой, подготовкой образца или отбором образцов.

Поглощённая энергия включает не только энергию, необходимую для образования новой поверхности трещины. Она также включает упругий и пластический изгиб, зарождение трещины, стабильное распространение разрушения, эффекты трения и другие деформации, происходящие во время события. Высокое значение часто сопровождается вязким разрушением с отрывом, тогда как низкое значение обычно связано с разрушением, доминирующим по механизму скола; однако одной энергии недостаточно для определения полного процесса разрушения. Излом следует исследовать, а вид поверхности среза фиксировать в тех случаях, когда это требуется.

Температура может резко изменить результат. Ферритные стали, включая многие марки углеродистой и низколегированной конструкционной стали, при снижении температуры могут демонстрировать переход от вязкого к хрупкому разрушению. Одно значение, полученное при комнатной температуре, не может характеризовать поведение материала при расчётной зимней температуре, в зоне термического влияния сварного шва или при быстром распространении трещины в условиях эксплуатации. Энергия по Шарпи может использоваться в рамках установленных корреляций для оценки нижней границы трещиностойкости ферритных сталей, однако для нижней полки, переходной области и верхней полки применяются разные зависимости. Этот показатель не является значением трещиностойкости при плоской деформации и непосредственно не устанавливает способность материала останавливать трещину. Испытание на распространение разрушения при отрыве под действием падающего груза представляет собой отдельный метод оценки способности трубопроводной стали останавливать трещину; при нём определяют доли вязкого среза и скола в различных температурных условиях ударного нагружения.

Геометрия свободно опёртой балки, условия опирания и ориентация надреза

При ударе образец Шарпи ведёт себя приблизительно как свободно опёртая балка. Его концы опираются на наковальни с заданным пролётом, а боёк прикладывает сосредоточенную нагрузку вблизи середины. Опоры, пролёт, радиус бойка, зазор, соосность и скорость удара влияют на изгибные напряжения и степень стеснения деформации в области надреза. Образец, установленный с нарушением опирания, смещённый, повреждённый или подвергшийся удару не в установленном месте, может дать вводящее в заблуждение значение даже при aparentemente правильных размерах.

Ориентация надреза определяет, какое направление материала располагается поперёк траектории трещины. Текстура прокатки, вытянутые включения, структура металла сварного шва, ликвация и предшествующая деформация могут приводить к существенным различиям между результатами для продольного, поперечного образца и образца, вырезанного в направлении толщины. Следы механической обработки, чрезмерный радиус основания, заусенцы, коррозия и нагрев, возникающий при подготовке, также могут изменить зарождение трещины. Сопоставимость результатов требует одинаковых стандарта, типа надреза, размеров, ориентации, температуры, схемы опирания и истории подготовки образцов.

Боковые канавки показывают, как дальнейшее изменение геометрии может влиять на характер разрушения. В 2011 году NIST сообщил, что боковые канавки уменьшают накопление пластической деформации при уровнях энергии верхней полки и способствуют расслоению; наиболее выражено расслоение вблизи температуры перехода от вязкого к хрупкому разрушению. Такие образцы могут быть полезны для конкретного исследования, однако их результаты не следует объединять с обычными значениями по Шарпи без указания применённого метода.[4][4] ISO 14556:2023 Metallic materials — Charpy V-notch pendulum impact test — Instrumented test method. International Organization for Standardization. ISO standard, 2023.

ISO 14556:2023 устанавливает инструментированное маятниковое испытание образцов Шарпи с V-образным надрезом, при котором регистрируются сила и перемещение либо связанные с ними сигналы, что позволяет получить дополнительную информацию о характере разрушения. ISO 148-1:2016 не заменяет этим инструментированным методом обычное испытание на энергию. Обычный результат испытания по Шарпи представляет собой стандартизованную реакцию на одно контролируемое ударное событие, а не прямое моделирование каждой трещины, возникающей в эксплуатации, истории нагружения, условия стеснения или задачи остановки трещины.

ASTM E23, ISO 148-1:2016 и ISO 14556:2023

Результаты испытаний по методу Шарпи представляют собой стандартизированные измерения, однако они не становятся автоматически взаимозаменяемыми при выполнении испытаний по разным стандартам. Сообщаемое значение зависит от образца, надреза, ориентации, температуры испытания, маятниковой машины, статуса ее верификации, состояния материала и правил представления результатов. Кроме того, оно характеризует поглощенную энергию удара, а не трещиностойкость при плоской деформации, сопротивление остановке трещины или все аспекты поведения при разрушении.

NIST описывает испытания по методу Шарпи как испытания при высокой скорости нагружения, измеряющие энергию, поглощенную при разрушении, и дающие косвенную оценку ударной вязкости (NIST, 2024). Это различие имеет значение для ферритных сталей, которые при понижении температуры обычно претерпевают переход из вязкого состояния в хрупкое. Поэтому результат, полученный при комнатной температуре, может скрывать резкое снижение энергии при более низкой эксплуатационной температуре.

Что регулирует и какие показатели устанавливает ASTM E23[5][5] ASTM E23: Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials. ASTM International. ASTM International standard, 2025.

ASTM E23 распространяется как на ударные испытания по Шарпи на образцах, опирающихся на двух опорах, так и на консольные ударные испытания по Изоду (ASTM International, 2025). Для испытаний по Шарпи его требования охватывают размеры образца и характеристики надреза, опирание и ориентацию образца, методику испытания, работу машины, верификацию и представление результатов. Стандарт также включает определение вида поверхности излома по доле вязкого среза, что позволяет использовать поверхность излома как дополнение к результату по поглощенной энергии.

Такой охват делает сообщаемое число чем-то большим, чем просто показание маятника, однако не превращает испытание в прямое измерение трещиностойкости. Машина регистрирует разность энергий, связанную с разрушением образца; обычно результат выражают в джоулях или фут-фунтах. Значение имеет смысл только вместе с указанием типа надреза, ориентации образца, температуры испытания, идентификации материала и применимого требования приемки.

Состояние машины является частью измерительной цепочки. Маятниковые машины для испытаний по Шарпи периодически проходят верификацию с использованием сертифицированных образцов сравнения в соответствии с ASTM E23 и ISO 148-2, в том числе в рамках Программы верификации машин для испытаний по Шарпи NIST. Машина, не прошедшая применимые требования верификации, может выдать численно точный результат, который тем не менее непригоден для сравнения.

ASTM E23 также не определяет полностью смысл отбора проб для каждого вида стальной продукции. ASTM A673/A673M устанавливает процедуры отбора проб для продольных испытаний конструкционной стали на ударный изгиб по образцам с V-образным надрезом и различает частоту испытаний плавки и частоту поштучных испытаний. Поэтому два результата, полученные по одной и той же методике ударного испытания, могут отражать разные уровни производственного контроля, если планы отбора проб различаются.

Вид излома предоставляет информацию, которую невозможно получить только из значения энергии. Вязкий срез обычно поглощает больше энергии, тогда как хрупкий излом, обусловленный преимущественно сколом, обычно поглощает меньше. Доля вязкого среза может показать, где образец находится на кривой перехода, хотя измерения вида излома должны выполняться в соответствии с применимой процедурой представления результатов. Высокое значение энергии на верхнем плато не устанавливает конкретное значение $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ или трещиностойкости при остановке трещины.

Область применения ISO 148-1:2016 для обычных испытаний по методу Шарпи

ISO 148-1:2016 устанавливает маятниковые ударные испытания металлических материалов на образцах с V-образным и U-образным надрезами по методу Шарпи (ISO, 2016). Стандарт определяет обычную схему испытания: образец с надрезом опирается как балка на двух опорах и разрушается ударником маятника при заданных условиях. Получаемая поглощенная энергия является определяемой методом характеристикой ударной вязкости, а не универсальной константой материала.

Конфигурации с V-образным и U-образным надрезами не являются взаимозаменяемыми. Геометрия надреза изменяет концентрацию напряжений, пластическую деформацию, зарождение трещины и энергию, необходимую для разрушения образца. Поэтому при любом сравнении результатов по ISO 148-1:2016 с результатами, полученными другим методом, необходимо указывать размеры образца, форму надреза, ориентацию, температуру, характеристики ударника и результаты верификации машины.

ISO 148-1:2016 исключает инструментированные испытания по методу Шарпи. Он посвящен обычному маятниковому испытанию и определению поглощенной энергии; измерения, требующие регистрации силы и перемещения, относятся к ISO 14556. ISO 148-2 посвящен верификации маятниковых ударных машин для испытаний по Шарпи, поэтому соответствие ISO 148-1:2016 не следует рассматривать как доказательство того, что неверифицированная машина обеспечивает сопоставимые данные.[6][6] What fracture toughness can I assume for a ferritic steel if I know that it meets a certain Charpy energy requirement?. TWI. TWI Technical Knowledge, 2024.

Область применения стандарта также не устраняет специфические эффекты, связанные с материалом. Ферритная сталь при изменении температуры может демонстрировать нижнее плато, переходную область и верхнее плато. При использовании энергии Шарпи для оценки нижнеграничного значения трещиностойкости в этих областях требуются отдельные зависимости; зависимости для поведения на нижнем плато, в переходной области и на верхнем плато различаются (TWI, 2024). Такие корреляции применимы только в пределах установленных для них ограничений по материалу, геометрии и температуре.[7][7] Side-Grooved Charpy Impact Testing: Assessment of Splitting and Fracture Properties of High-Strength Steels. National Institute of Standards and Technology. NIST publication, 2011.

В исследовании NIST, опубликованном в 2011 году и посвященном образцам Шарпи с боковыми канавками, было установлено, что боковые канавки уменьшают накопленную пластическую деформацию при энергиях верхнего плато и способствуют расслоению. Наибольшая выраженность расслоения наблюдалась вблизи температуры перехода из вязкого состояния в хрупкое. Этот результат показывает, почему подготовка образца может изменять характер разрушения, не меняя номинального обозначения испытания по методу Шарпи.

Инструментированные испытания по методу Шарпи в соответствии с ISO 14556:2023

ISO 14556:2023 устанавливает инструментированные маятниковые ударные испытания по методу Шарпи на образцах с V-образным надрезом, а также требования к измерительному и регистрирующему оборудованию, используемому при таких испытаниях (ISO, 2023). Помимо общей поглощенной энергии маятника, инструментированная система регистрирует данные, связанные с силой, в процессе удара, что позволяет анализировать такие стадии, как зарождение трещины, нестабильное распространение и последующее разрушение, с учетом требований стандарта к измерениям и интерпретации данных.

Это может дать информацию о поведении при разрушении, а не только одно интегральное значение энергии. Записи зависимости силы от перемещения или силы от времени могут помочь отделить энергию зарождения трещины от энергии ее распространения и выявить различия между вязким разрушением с отрывом, сколом и смешанным разрушением. Дополнительные сигналы не приводят автоматически к получению значения трещиностойкости при плоской деформации; по-прежнему имеют значение размеры образца, степень стеснения деформации, острота надреза, калибровка и допущения, принятые при анализе.

ISO 14556:2023 является специальным методом инструментированных испытаний по Шарпи на образцах с V-образным надрезом. Его результаты не следует безоговорочно объединять со значениями, полученными при обычных испытаниях по ISO 148-1:2016 на образцах с V-образным надрезом, или со значениями по ASTM E23, даже если образцы внешне похожи. Различия в оборудовании, калибровке, определениях, фильтрации, правилах представления результатов и критериях приемки могут изменять сообщаемые показатели.

Испытания по методу Шарпи также не следует смешивать с испытанием на отрыв падающим грузом. Этот отдельный метод исследует поведение стали трубопроводов при остановке трещины путем измерения долей вязкого среза и скола в диапазоне температур удара. Он отвечает на другой инженерный вопрос. Энергия Шарпи, инструментированные данные ударного испытания, вид излома и измерения характеристик остановки трещины являются взаимосвязанными свидетельствами, но не взаимозаменяемыми обозначениями.

Верификация машины, калибровка и достоверность результата

Прямая верификация и сертифицированные эталонные образцы

Результат испытания по Шарпи достоверен только тогда, когда вся испытательная система продемонстрировала способность воспроизводить известный отклик. Верификация машины обеспечивает такое подтверждение. Она не сводится к проверке того, качается ли маятник, помещается ли образец между опорами или показывает ли шкала правдоподобное число.

В соответствии с ASTM E23 и ISO 148-2 при прямой верификации используются сертифицированные эталонные образцы с установленными значениями энергии удара. Лаборатория разрушает эти образцы на машине и сравнивает измеренные результаты с сертифицированным диапазоном. Поскольку поведение эталонных образцов известно, они проверяют машину и всю измерительную цепь в условиях фактического удара, а не просто отдельные размеры.

Это различие существенно, поскольку испытание по Шарпи является измерением при высокой скорости нагружения. NIST описывает это испытание как измерение энергии, поглощённой при разрушении, и косвенную оценку ударной вязкости. Маятник должен передать энергию в ходе кратковременного процесса разрушения, тогда как машина регистрирует разницу между его начальной и конечной энергией. Поэтому небольшие механические потери или геометрические погрешности могут повлиять на сообщаемое значение.

Прямая верификация может одновременно выявить несколько видов неисправностей. Чрезмерное трение маятника уменьшает доступную энергию до момента удара. Повреждённый, скруглённый, неправильно ориентированный или имеющий неверные размеры боёк изменяет характер нагружения надреза. Изношенные опоры или неправильное расстояние между ними изменяют условия изгиба и контакта. Несоосность опор может вызвать кручение или неравномерное закрепление. Машина всё ещё может обеспечивать чистое разрушение и правдоподобное показание шкалы, но при этом не соответствовать требованиям к эталонным образцам.

Мощность машины также имеет определённое значение. Слишком большой маятник для предполагаемого диапазона энергии может обеспечивать недостаточное разрешение, тогда как машина с недостаточной мощностью не сможет правильно разрушить образец или может потерять точность измерения вблизи своего предела. Применимый стандарт и конструкция машины определяют допустимую мощность, диапазон энергии, геометрию бойка, опоры образца и систему индикации.

Верификация не является простым синонимом калибровки. Калибровка обычно касается точности измерительного элемента относительно прослеживаемого эталона. Верификация устанавливает, обеспечивает ли собранная машина для испытаний по Шарпи, включая её механические компоненты и систему индикации энергии, приемлемые результаты при проведении предписанного испытания. Лаборатория может откалибровать энкодер или проверить шкалу, но машина всё равно может не пройти прямую верификацию из-за неисправности бойка, подшипников, системы трения или опор.

Программа NIST по верификации машин для испытаний по Шарпи

Программа NIST по верификации машин для испытаний по Шарпи поддерживает периодическую верификацию машин с использованием сертифицированных образцов в соответствии с ASTM E23 и ISO 148-2. Эта программа существует потому, что различия между машинами могут быть достаточно велики, чтобы скрывать различия в материалах, особенно когда измеренные значения энергии близки к пределу, установленному спецификацией, или когда результаты сопоставляются между лабораториями.

Сертифицированные образцы не заменяют производственные образцы. Это контрольные материалы, используемые для установления того, попадает ли измеренный машиной отклик в принятый диапазон. Положительный результат подтверждает доверие к испытательной системе на момент верификации; он не сертифицирует каждое последующее испытание и не доказывает, что каждый образец был правильно подготовлен, ориентирован, выдержан и испытан.

Между формальными верификациями необходимо проводить регулярные проверки. Персонал должен подтверждать размеры бойка и опор, соосность опор, положение маятника, горизонтальность машины, потери на трение, функционирование системы индикации или измерительной аппаратуры, а также состояние ограждений и оборудования для локализации осколков. Образец должен соответствовать установленным требованиям к размерам, радиусу надреза, глубине надреза, ориентации надреза и состоянию поверхности. Осмотр надреза может выявить заусенцы, чрезмерную шероховатость, следы механической обработки или радиус, выходящий за пределы допуска. Эти проверки относятся к геометрии образца и машины; прямая верификация оценивает измеренный отклик собранной системы при разрушении.

Контроль температуры является отдельным источником неопределённости. Ферритные стали при понижении температуры могут переходить от пластичного разрушения с высокой энергией к разрушению, преимущественно обусловленному сколом, с низкой энергией. Образец, испытанный при неправильной температуре, может дать совершенно воспроизводимое число, которое отвечает не на тот вопрос. Лаборатория должна контролировать время кондиционирования, время переноса, температуру ванны или камеры и фактическую температуру, достигнутую образцом. Процедура оператора имеет не меньшее значение: неправильное центрирование, перевёрнутый образец, задержка спуска маятника или ошибочная ориентация надреза могут сделать недействительным испытание на машине, которая в остальном прошла верификацию.

ASTM E23 охватывает испытания на удар изгибом по схеме простого бруса по Шарпи и консольного бруса по Изоду, включая верификацию машины, представление результатов и определение характера поверхности среза. ISO 148-1:2016 устанавливает требования к маятниковым испытаниям металлических материалов по Шарпи с V-образным и U-образным надрезом. Инструментированные испытания рассматриваются отдельно: ISO 14556:2023 посвящён инструментированным испытаниям по Шарпи с V-образным надрезом и оборудованию, используемому для регистрации дополнительной информации о разрушении.

Почему правильно выглядящее значение энергии удара всё ещё может быть недостоверным

Численный результат может выглядеть разумным и при этом не иметь надёжного значения для оценки материала. Верификация не устраняет разброс между образцами, различия между плавками, влияние ориентации или ошибки отбора проб. ASTM A673/A673M устанавливает процедуры отбора образцов для продольных испытаний конструкционной стали по Шарпи с V-образным надрезом и различает частоту испытаний плавки и отдельных изделий. Поэтому план отбора проб является частью того, что представляет собой результат. Три правильно испытанных образца, взятых из нерепрезентативного места, не характеризуют всю конструкцию.

Внешний вид излома даёт информацию, которую одно лишь значение энергии предоставить не может. Пластичный срез обычно требует больше энергии, чем скол, однако одна и та же поглощённая энергия может быть обусловлена различными сочетаниями среза, скола, расслоения и пластической деформации. В 2011 году NIST сообщил, что боковые канавки уменьшают накопление пластической деформации в области верхней полки и способствуют расслоению, причём максимальная выраженность расслоения наблюдается вблизи температуры перехода от пластичного разрушения к хрупкому. Геометрия образца может изменять процесс разрушения.

Энергия Шарпи также не является значением трещиностойкости при плоской деформации. Корреляционные зависимости могут использоваться для оценки нижней границы трещиностойкости определённых ферритных сталей в заданных температурных диапазонах, однако для поведения в области нижней полки, переходной области и верхней полки применяются разные зависимости. Значение, полученное при комнатной температуре, не может описывать эксплуатацию при низкой температуре, когда в стали происходит переход от пластичного разрушения к хрупкому.[8][8] What is the drop-weight tear test?. TWI. TWI Technical Knowledge, 2024.

Наконец, испытания по Шарпи не заменяют испытания на остановку трещины. Испытание на отрыв падающим грузом оценивает поведение трубопроводной стали при остановке трещины через доли вязкого среза и скола в различных температурных условиях удара. Оно отвечает на другой вопрос. Верифицированная машина делает значение Шарпи более надёжным как результат измерения, но не превращает это значение в полное описание сопротивления разрушению.

Температура, ферритные стали и вязко-хрупкий переход

Ферритные стали часто демонстрируют вязко-хрупкий переход при снижении температуры. При более высоких температурах вокруг надреза может развиваться пластическая деформация, поглощающая значительную энергию удара до разрушения образца на части. При более низких температурах движение дислокаций становится более ограниченным, локальные напряжения у основания надреза быстро возрастают, и скалывание может распространяться при ограниченной пластической деформации. Это изменение не характеризуется одной универсальной температурой или одним значением по Шарпи.

Испытание по Шарпи регистрирует энергию, поглощённую образцом с надрезом при разрушении при заданных температуре и скорости нагружения. NIST описывает его как испытание при высокой скорости нагружения и косвенную оценку ударной вязкости, а не как прямое испытание трещиностойкости при плоской деформации. Результат также зависит от формы надреза, ориентации образца, состояния листа или изделия, методики испытания и отбора образцов. ASTM E23 распространяется на ударные испытания по Шарпи на образцах с простой балочной схемой и по Изоду на образцах с консольной балочной схемой, тогда как ISO 148-1:2016 устанавливает маятниковые испытания металлических материалов по Шарпи с V-образным и U-образным надрезом. Эти обозначения и методики имеют значение при сравнении результатов.

Нижнее плато, переходная область и верхнее плато

Нижняя полкаНижняя полка Область низких температур на кривой Шарпи для ферритной стали, где поглощённая энергия относительно мала, а разрушение обычно определяется сколом.

Привычную температурную кривую Шарпи обычно разделяют на три интерпретационные области. Нижнее плато — это область низких температур, в которой поглощённая энергия остаётся относительно низкой, а её изменение с температурой может быть умеренным. Разрушение происходит преимущественно по механизму скалывания, хотя могут сохраняться небольшие участки вязкого разрушения или губы среза. Низкое значение на нижнем плато указывает на ограниченное поглощение энергии за счёт пластической деформации; само по себе оно не даёт полного описания распространения трещины в конструкции.

Переходная область располагается между нижним и верхним плато. Здесь небольшое изменение температуры может вызвать значительное изменение поглощённой энергии и вида излома. На некоторых образцах могут наблюдаться смешанные механизмы скалывания и вязкого среза, а разброс результатов может быть существенным. Поэтому температура, соответствующая заданной энергии, например предусмотренной требованием контракта, не является автоматически физической температурой перехода материала. В другом определении может использоваться средняя энергия, критерий вида излома или заданная доля поверхности вязкого среза.

На верхнем плато образец поглощает значительно больше энергии благодаря интенсивной пластической деформации перед окончательным разрушением. Однако измеренное значение всё равно не является прямым значением трещиностойкости. Энергия по Шарпи на верхнем плато зависит от размеров образца, остроты надреза, скорости деформации, ориентации и стеснения деформации. В 2011 году NIST сообщил, что боковые канавки на образцах для испытаний по Шарпи уменьшают накопление пластической деформации при уровнях энергии верхнего плато и способствуют расслоению, причём интенсивность расслоения максимальна вблизи температуры вязко-хрупкого перехода. Результат для образца с боковыми канавками не следует считать взаимозаменяемым с результатом для стандартного образца без модификации.

Эти области не являются точками на линейной шкале от «плохого» к «хорошему». Как отмечает TWI в 2024 году, для установления корреляции энергии по Шарпи с нижней границей трещиностойкости при поведении на нижнем плато, в переходной области и на верхнем плато применяются отдельные зависимости. Такие корреляции требуют применимого класса стали, диапазона температур, конфигурации образца и допущений относительно стеснения деформации. Энергия по Шарпи остаётся энергией удара, измеряемой в джоулях; трещиностойкость обычно выражают через такие параметры, как $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ или связанный с ними показатель в вершине трещины.

Разрушение скалыванием и вязкий срез

Скалывание — это быстрый процесс хрупкого разрушения, при котором трещина распространяется вдоль предпочтительных кристаллографических плоскостей при незначительной предшествующей пластической деформации. Поверхность излома часто выглядит относительно светлой и зернистой. Поскольку совершается лишь ограниченная работа пластической деформации, образцы с преобладанием скалывания обычно поглощают меньше энергии по Шарпи. Поэтому нижнее плато связано с низкой энергией и высокой долей хрупкого разрушения, хотя конкретный вид излома зависит от стали, ориентации, надреза и температуры испытания.

Вязкое разрушение развивается посредством пластического течения, зарождения, роста и слияния микроскопических пор. Обычно оно требует большей энергии и формирует волокнистую или матовую поверхность, часто с губами среза у наружных поверхностей. Переходная область может включать оба механизма на одной поверхности излома. Представление только поглощённой энергии без описания вида излома может скрыть это изменение.

По этой причине стандарты и технические условия могут требовать указывать не только энергию, но и процент поверхности вязкого среза. Образец с умеренной энергией и смешанным изломом свидетельствует о другом механизме разрушения, чем образец с такой же энергией, но преимущественно вязким срезом. ASTM E23 включает определение вида поверхности среза при разрушении и требования к представлению результатов. Инструментированные испытания позволяют дополнительно получить информацию о силе, перемещении и поглощённой энергии в ходе события: ISO 14556:2023 посвящён инструментированным испытаниям по Шарпи с V-образным надрезом, тогда как ISO 148-1:2016 не распространяется на этот инструментированный метод.

Испытание на растяжение с падающим грузом и последующим раскрытием трещины даёт ещё одно полезное различие. Это отдельный метод для трубных сталей, предназначенный для оценки поведения при остановке трещины, с определением долей вязкого среза и скалывания в различных диапазонах температур удара. Его результаты нельзя подменять энергией по Шарпи или представлять как тот же самый показатель.

Почему рабочая температура должна определять температуру испытания

Определяющая температура испытания должна соответствовать наиболее низкому значимому условию эксплуатации с учётом поправок, предусмотренных применимыми расчётными нормами и техническими условиями. Результат испытания по Шарпи при комнатной температуре характеризует эксплуатационные свойства только при этой или близкой к ней испытательной температуре. Он не позволяет установить положение нижнего плато, характеристики перехода или вид излома при более низкой расчётной температуре.

Это ограничение особенно важно для ферритных конструкционных сталей. ASTM A673/A673M устанавливает процедуры отбора образцов для продольных испытаний конструкционной стали по Шарпи с V-образным надрезом и различает частоту испытаний плавки и отдельных изделий. Отбор образцов является частью смысла результата: один комплект соответствующих требованиям образцов не обязательно характеризует каждое место, ориентацию, плавку, толщину или состояние изделия.

Поэтому температуру испытания следует указывать вместе с поглощённой энергией, ориентацией образца, обозначением надреза, стандартом и любым требованием к поверхности вязкого среза. Состояние испытательной машины также имеет значение; ASTM E23 и ISO 148-2 устанавливают основы процедур проверки, а Программа проверки машин для испытаний по Шарпи NIST использует сертифицированные образцы для периодической проверки машин. Без этих сведений сообщённое числовое значение «трещиностойкости по Шарпи» является неполным. Температура — не сноска к результату; для ферритной стали она может определять, будет ли наблюдаемое разрушение преимущественно вязким или происходящим по механизму скалывания.

Отбор проб, ориентация и история обработки стали

ASTM A673/A673M и отбор проб конструкционной стали

Результат испытания по Шарпи описывает определённый образец, взятый из определённого участка стали. Для конструкционного листового проката ASTM A673/A673M имеет важное значение, поскольку устанавливает процедуры отбора образцов для продольных испытаний на ударный изгиб с V-образным надрезом, а не рассматривает отбор проб как административную деталь, добавляемую после испытания. Стандарт определяет, откуда берутся образцы и с какой периодичностью требуются ударные образцы в соответствии с положениями об испытаниях плавки или отдельных изделий. Эти решения являются частью содержания и значения результата.

Место отбора образца может иметь значение, поскольку лист не является идеально однородным по длине, ширине или толщине. Химическая ликвация может быть более выраженной в определённых областях слитка или непрерывнолитой заготовки, тогда как обжатие при прокатке, скорость охлаждения и различия температур между поверхностью и центральной зоной могут приводить к формированию различной микроструктуры по толщине. Поэтому образец, вырезанный из одного из разрешённых мест, демонстрирует поведение только отобранного материала при заданном плане испытаний. Он не устанавливает автоматически поведение каждого участка листа, каждого листа из производственной партии или каждого изготовленного из него компонента.

ASTM A673/A673M следует также рассматривать совместно с применимой спецификацией на материал и требованиями к закупке или изготовлению. Конкретные положения об отборе проб определяются редакцией стандарта и правилами, относящимися к данному виду продукции. В отчёте, где указано только «испытано по Шарпи», отсутствует существенная информация: применяемый стандарт, ориентация образца, температура испытания, место отбора образца, требуемая периодичность, результат по поглощённой энергии и любые требования к виду излома. ASTM E23 устанавливает общие положения для испытаний по Шарпи на изгиб свободно опёртого образца, включая требования к образцам, процедуры, проверку испытательной машины, составление отчётности и определение характеристик срезного излома. Программа проверки машин Шарпи NIST описывает это испытание как измерение энергии, поглощённой при разрушении с высокой скоростью нагружения; она не превращает эту энергию в непосредственное значение вязкости разрушения при плоской деформации.

Продольные и поперечные испытания

Термин «продольное испытание по Шарпи» обозначает ориентацию образца относительно основного направления прокатки изделия. У продольного образца его длина, как правило, совпадает с направлением прокатки, тогда как ориентация надреза определяет направление продвижения трещины в материале. Поперечный образец вырезают так, чтобы его длина была ориентирована поперёк направления прокатки. Это разные направления в материале, а не взаимозаменяемые обозначения.

При прокатке зёрна и включения вытягиваются, что может приводить к формированию полосчатой микроструктуры. Поэтому трещина, распространяющаяся поперёк вытянутых структурных элементов, может встречать другую последовательность феррита, перлита, ликвационных полос или включений, чем трещина, распространяющаяся вдоль них. Измеренная энергия может изменяться в зависимости от ориентации, особенно в листовых сталях с выраженной текстурой, заметной полосчатостью или ослаблением в направлении толщины. Этот эффект не определяется одним лишь наименованием марки. На него влияют толщина листа, степень обжатия, режим повторного нагрева, контролируемая прокатка, нормализация, закалка и отпуск, а также история охлаждения.

Ориентация надреза и направление распространения трещины требуют такого же внимания. Обозначение «продольный» в ASTM A673/A673M не является универсальной заменой требованиям к поперечной трещиностойкости, трещиностойкости в направлении толщины или к трещиностойкости сварного соединения. Если конструкция будет нагружать лист в направлении, не представленном испытательным образцом, приведённое значение может быть недостаточной основой для оценки. Инженер должен сопоставить ориентацию образца с предполагаемой траекторией трещины и требованиями применимого проектного стандарта или стандарта на материал.

Температура создаёт ещё одно ограничение. При понижении температуры для ферритных сталей обычно характерен переход от вязкого разрушения к хрупкому. Поэтому значение, полученное для продольного образца при комнатной температуре, может скрывать значительно более низкий результат при рабочей температуре или отличаться от результата для поперечного образца при той же температуре. Поглощённую энергию и вид излома следует рассматривать совместно: вязкий срез обычно сопровождается поглощением большей энергии, тогда как излом, в котором преобладает хрупкий скол, обычно сопровождается поглощением меньшей энергии. ASTM E23 включает определение характеристик срезного излома, а ISO 148-1:2016 устанавливает методы маятниковых испытаний металлических материалов с V-образным и U-образным надрезами по Шарпи. Инструментированные измерения представляют собой отдельный вид испытаний; ISO 14556:2023 распространяется на инструментированные испытания по Шарпи с V-образным надрезом и оборудование, используемое для регистрации дополнительных данных о силе и перемещении.

Испытания плавки, испытания отдельных изделий и изменчивость материала

Испытания плавки и испытания отдельных изделий являются стратегиями отбора проб, а не двумя названиями одного и того же испытания. При испытаниях плавки периодичность отбора образцов связывается с плавкой стали — материалом, полученным из одного контролируемого расплава определённого химического состава. При испытаниях отдельных изделий отбор образцов осуществляют от отдельных изделий или единиц продукции в соответствии с применимыми требованиями. ASTM A673/A673M различает эти подходы и устанавливаемую для них периодичность, поэтому спецификацию, предусматривающую один из них, нельзя толковать так, будто она требует другого. Конкретную периодичность следует брать из применимой редакции стандарта и положений, относящихся к соответствующему виду продукции; её не следует выводить из общей практики проведения испытаний по Шарпи.

Это различие имеет значение, когда из одной плавки изготавливают большое количество листов, когда листы существенно различаются по толщине или когда условия обработки изменяются в процессе производства. Образец, отобранный на уровне плавки, может предоставлять данные о материале, охваченном установленным планом отбора проб, но не способен выявить каждую локальную строчку неметаллических включений, ликвационную полосу, расслоение или изменение условий обработки. Испытания отдельных изделий усиливают непосредственную связь между результатом и конкретным изделием, однако и в этом случае исследуется отобранная область, а не вся готовая конструкция.

Обработка после изготовления листа может ещё больше отдалить результат для основного металла от поведения в эксплуатации. Сварка создаёт термические циклы, изменяющие размер зёрен, продукты превращения, твёрдость, остаточные напряжения и локальную трещиностойкость в зоне термического влияния. Последующая термическая обработка после сварки может вновь изменить эти характеристики. Образец основного металла листа, отобранный в соответствии с ASTM A673/A673M, не подтверждает соответствие сварного металла или зоны термического влияния, если эти области отдельно не отобраны и не испытаны по применимой процедуре.

В 2011 году NIST сообщил, что боковые надрезы в образцах Шарпи уменьшают накопление пластической деформации при энергиях верхней полки и способствуют расщеплению; максимальная выраженность расщепления наблюдается вблизи температуры перехода от вязкого разрушения к хрупкому. Это показывает, почему геометрия образца и вид излома могут изменять интерпретацию значения энергии. Энергия по Шарпи может использоваться для получения предусмотренных оценок нижнеграничной вязкости разрушения ферритных сталей, однако для поведения на нижней полке, в переходной области и на верхней полке применяются разные зависимости. Это по-прежнему результат испытания на ударную энергию для отобранной ориентации и состояния материала, а не полное описание каждой траектории трещины, зоны сварного соединения или компонента.

Вид поверхности излома, площадь среза, расщепление и боковые канавки

Разрушенный образец Шарпи содержит информацию, которую значение поглощённой энергии само по себе показать не может. Энергия представляет собой работу, выполненную маятником при разрушении образца; вид поверхности излома показывает, каким образом эта работа была затрачена. Высокое значение может отражать значительную пластическую деформацию, тогда как более низкое значение может указывать на быстрое хрупкое разрушение по механизму скола, однако одна и та же номинальная энергия может быть результатом различных сочетаний пластичности, распространения трещины и стеснения деформации.

Это различие особенно важно для ферритных сталей, которые обычно переходят от вязкого поведения при более высоких температурах к поведению, обусловленному сколом, при понижении температуры. Поэтому результат, полученный при комнатной температуре, может скрывать переход, в пределах которого механизм разрушения резко изменяется на сравнительно небольшом температурном интервале. ASTM E23 включает определение вида поверхности разрушения по срезу при испытаниях Шарпи и Изода, тогда как ISO 148-1:2016 устанавливает испытания металлических материалов на удар маятником с V-образным и U-образным надрезом по методу Шарпи. Ни один из этих стандартов не рассматривает вид поверхности излома как замену энергии, трещиностойкости или квалификационной оценки пригодности к эксплуатации.

Анализ признаков вязкого разрушения и скола

Область вязкого разрушения по срезу обычно имеет волокнистый, матовый или рваный вид. Трещина распространяется при значительной пластической деформации, часто за счёт зарождения, роста и слияния микропор. На поверхности излома этот механизм может создавать более шероховатую текстуру и наклонные губы среза вблизи свободных поверхностей. Соответствующее испытание часто фиксирует большую поглощённую энергию, поскольку перед полным разделением образец заметно деформируется.

Поверхность скола обычно выглядит более светлой и кристаллоподобной; на ней наблюдаются относительно плоские фасетки и речные узоры, указывающие на быстрое распространение трещины по предпочтительным кристаллографическим плоскостям. По сравнению с вязким разрушением такой механизм сопровождается значительно меньшей макроскопической пластической деформацией. Поверхность, на которой преобладает скол, обычно соответствует низкому значению ударной энергии, однако её визуальную оценку необходимо проводить с учётом ориентации образца, марки стали, температуры, состояния надреза и метода исследования. Поверхность излома не является полноценной металлографической диагностикой.

Переход часто имеет смешанный, а не скачкообразный характер. Один образец может содержать участки вязкого разрушения по внешним поверхностям и область скола ближе к надрезу либо отдельные зоны вязкого разрушения и скола, разделённые видимой границей. Представление доли разрушения по срезу, часто в виде процента площади поверхности излома, может показать, что материал проходит вязко-хрупкий переход, даже если значения энергии перекрываются. Например, два образца могут поглотить сходную энергию, при этом один будет иметь преимущественно волокнистую поверхность излома, а другой — значительную область скола; такие результаты не несут одинакового предупреждения о распространении трещины при низкой температуре.

Вид поверхности излома также помогает выявить разброс результатов. На энергию Шарпи влияют острота надреза, локальные включения, структура зерна, ориентация образца и температура испытания. Одно среднее значение может скрывать образец с необычно большой областью скола. Исследование разрушенных поверхностей обеспечивает дополнительную физическую проверку того, соответствует ли измеренная энергия ожидаемому механизму разрушения.

Эти данные не следует ошибочно обозначать как трещиностойкость при плоской деформации. NIST описывает испытание Шарпи как испытание при высокой скорости нагружения, измеряющее энергию, поглощённую при разрушении, и обеспечивающее косвенную оценку ударной трещиностойкости. Корреляционные зависимости могут использоваться для оценки нижней границы трещиностойкости ферритных сталей, однако для поведения на нижней полке, в переходной области и на верхней полке применяются разные зависимости. Значение, полученное при испытании Шарпи, не является прямым измерением $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ или характеристик остановки трещины.

Вид поверхности разрушения по срезу как регистрируемый результат

Вид поверхности разрушения по срезу указывают наряду с поглощённой энергией, температурой испытания, ориентацией образца и идентификационными данными. При работе в соответствии со стандартами важен метод, использованный для определения доли среза; визуальные оценки, процедуры сравнения и методы измерения нельзя смешивать без указания основы оценки. В отчёте следует указать, имел ли образец стандартную конфигурацию с V-образным или U-образным надрезом, а также присутствовала ли какая-либо модификация, например боковые канавки.

Увеличение доли разрушения по срезу с повышением температуры обычно подтверждает переход от скола к вязкому разрушению. Само по себе оно не устанавливает универсальную температуру перехода. Инженеры могут определять температуру перехода по критерию энергии, по критерию площади среза или по заданной комбинации критериев, причём эти температуры необязательно совпадают. Поэтому выбранный критерий должен быть указан.

Инструментированные испытания могут предоставить дополнительную информацию о нагружении и событиях разрушения. ISO 14556:2023 распространяется на инструментированные испытания образцов Шарпи с V-образным надрезом и оборудование, используемое для измерения и регистрации поведения при ударе; инструментированные испытания не входят в область ISO 148-1:2016. Эти методы могут помочь различать особенности зарождения и распространения трещины, однако и при их применении необходимо контролировать геометрию, состояние материала, температуру и ориентацию.

На интерпретацию также влияет отбор образцов. ASTM A673/A673M устанавливает процедуры отбора образцов для продольных испытаний конструкционной стали по методу Шарпи с V-образным надрезом и различает частоту испытаний по плавке и испытаний отдельных изделий. Таким образом, фотография поверхности излома и значение энергии описывают конкретный испытанный образец; они автоматически не характеризуют каждую плиту, каждое изделие или каждую плавку.

Выводы NIST по образцам Шарпи с боковыми канавками

Оценка NIST 2011 года, посвящённая испытаниям на удар образцов Шарпи с боковыми канавками, показала, что боковые канавки изменяют не только контур образца. При энергиях верхней полки они уменьшают накопление пластической деформации и способствуют расщеплению. Наибольшая выраженность расщепления была зарегистрирована вблизи температуры вязко-хрупкого перехода.

Расщепление представляет собой продольное разделение или отрыв, который может развиваться перед основным фронтом разрушения либо одновременно с ним. Боковые канавки направляют деформацию и изменяют стеснение по ширине образца, меняя характер роста трещины и результирующую морфологию поверхности излома. Они могут придавать поверхности излома более сегментированный вид и влиять как на измеренную энергию, так и на соотношение между областями вязкого разрушения и скола.

По этой причине образцы Шарпи с боковыми канавками и обычные образцы Шарпи не следует сравнивать безоговорочно. Изменённая геометрия меняет стеснение деформации, пластичность, распространение трещины и условия для возникновения расщепления. Результат для образца с боковыми канавками может быть полезен для конкретной исследовательской или квалификационной цели, однако он не является просто более острым вариантом стандартного результата. Геометрия, форма надреза, размеры канавок, ориентация, температура и метод представления результатов должны соответствовать предполагаемому сравнению.

Выводы NIST также подтверждают основное ограничение ударной энергии: одно это число не позволяет определить механизм разрушения. Энергию, площадь среза, признаки скола и расщепление следует рассматривать совместно, сохраняя в поле зрения применимый стандарт и конструкцию образца.

Инструментированные испытания по Шарпи и дополнительная информация, которую могут показать сигналы

Инструментированные испытания по Шарпи добавляют измерительные каналы к обычному маятниковому испытанию на удар. Вместо регистрации только начальной и конечной энергии молота машина регистрирует силу, приложенную к образцу, и её изменение в ходе испытания. Дополнительная запись может показать, когда образец начинает терять способность воспринимать нагрузку, какая работа совершается до роста трещины и как развивается разрушение после зарождения трещины. Однако такое испытание не превращает образец Шарпи в обычный образец для определения трещиностойкости.

ISO 148-1:2016 устанавливает маятниковые испытания на удар металлических материалов с V-образным и U-образным надрезом по Шарпи, однако инструментированные испытания не входят в сферу действия этого метода. Отдельный стандарт ISO 14556:2023 устанавливает инструментированные маятниковые испытания на удар образцов с V-образным надрезом по Шарпи, а также требования к измерительному и регистрирующему оборудованию, применяемому для получения дополнительной информации о поведении при разрушении в условиях удара. ASTM E23 охватывает испытания на удар образцов по Шарпи с простой балкой и образцов по Изоду с консольной балкой, включая требования к образцам, процедуры испытаний, проверку машин, представление результатов и определение вида срезного излома; при этом инструментированный результат по-прежнему зависит от применимого стандарта испытаний и требований к представлению результатов.

Информация о зависимости силы от времени и энергии от времени

Результат обычного испытания по Шарпи обычно представляют в виде поглощённой энергии удара, выраженной, как правило, в джоулях. NIST описывает испытание по Шарпи как испытание при высокой скорости нагружения, при котором измеряется энергия, поглощённая при разрушении, и получают косвенную оценку ударной вязкости. Инструментирование добавляет кривую зависимости силы от времени, а часто также кривую зависимости силы от перемещения или силы от энергии, по которой можно рассчитать полную работу. В упрощённом виде площадь под кривой «сила—перемещение» представляет собой механическую работу, переданную образцу, тогда как кривая «энергия—время» показывает скорость накопления этой работы.

Форма кривой имеет значение. Крутой начальный подъём может отражать упругое и пластическое нагружение перемычки с надрезом. Максимальная сила может соответствовать моменту, когда образец достигает наибольшей нагрузки, хотя максимальная сила не обязательно совпадает с физическим зарождением трещины. Нисходящий участок может указывать на рост трещины, пластическое разрушение, изменение контакта бойка с образцом или сочетание этих эффектов. Поэтому сигнал необходимо интерпретировать с учётом геометрии образца, конфигурации бойка, пролёта, скорости удара и температуры испытания.

Достоверная кривая начинается с качества измерений. На регистрируемую кривую влияют преобразователи силы, измерение перемещения или скорости, синхронизация, полоса пропускания усилителя, частота сбора данных и калибровка. Механические вибрации могут создавать колебания, похожие на события разрушения. Фильтрация способна удалить шум, но чрезмерная фильтрация также может сместить максимум или скрыть кратковременное событие зарождения трещины. Податливость машины и масса бойка влияют на соотношение между зарегистрированным сигналом и силой, фактически воспринимаемой образцом.

Интегрированную инструментированную энергию также следует сопоставлять с обычным результатом определения поглощённой энергии машиной. Совпадение не гарантируется: различия могут возникать из-за трения, потерь в маятнике, влияния приспособлений, ошибок калибровки и выбранного способа восстановления зависимости «сила—перемещение». Периодическая проверка машины сохраняет свою значимость. ISO 148-2 и ASTM E23 устанавливают процедуры проверки, включая применение аттестованных образцов в рамках Charpy Machine Verification Program, описанной NIST.

Поведение при зарождении и распространении трещины в условиях удара

Одно из важных применений записи силы состоит в разделении события на отдельные стадии. До продвижения трещины перемычка с надрезом может испытывать упругую и пластическую деформацию. Если затем происходит зарождение трещины, на кривой «сила—время» может наблюдаться изменение наклона, локальный максимум, резкое падение или другой признак, выбранный аналитической процедурой. Работа до выбранной точки зарождения может называться энергией зарождения, тогда как оставшаяся работа связана с последующим распространением трещины и деформацией образца.

Эти термины описывают результат анализа, а не автоматически установленную физическую истину. Зарождение трещины может произойти до очевидного падения силы, особенно если устойчивое вязкое разрушение постепенно развивается. И наоборот, резкое изменение сигнала может быть вызвано воздействием машины или контакта, а не образованием новой трещины. Для подтверждения смысла конкретного признака могут потребоваться высокоскоростная съёмка, исследование излома после испытания, анализ податливости или дополнительные датчики.

Различие особенно информативно при исследовании перехода конструкционной стали с ферритной структурой от вязкого к хрупкому разрушению. При более низких температурах хрупкое транскристаллитное разрушение сколом может вызывать быструю потерю несущей способности и относительно небольшую деформацию. При более высоких температурах вязкое разрушение с отрывом и пластическая деформация могут поглощать больше энергии на протяжении более длительного участка кривой. Вид излома имеет существенное значение для проверки интерпретации: области среза и волокнистые области обычно указывают на иной механизм, чем области, в которых преобладает разрушение сколом, даже если два образца имеют сходную общую энергию.

Ориентация образца и состояние материала также являются частью результата. ASTM A673/A673M устанавливает процедуры отбора образцов для продольных испытаний конструкционной стали на удар по Шарпи с V-образным надрезом и различает частоту испытаний плавки и отдельных изделий. Подробная кривая силы, полученная в одном месте отбора образца, не может характеризовать поведение при любой ориентации, для любой толщины листа, в любой зоне сварного соединения или при любом состоянии после термической обработки.

В оценке NIST 2011 года, посвящённой образцам Шарпи с боковыми канавками, установлено, что боковые канавки уменьшают накопление пластической деформации при энергиях верхней полки и способствуют расслоению; наибольшая выраженность расслоения наблюдается вблизи температуры перехода от вязкого к хрупкому разрушению. Такие изменения геометрии могут влиять на историю изменения силы и вид излома. При сравнении наборов данных их не следует рассматривать как незначительную модификацию.

Ограничения преобразования инструментированных данных в характеристики трещиностойкости

Инструментированные данные испытаний по Шарпи могут использоваться для расчётов механики разрушения, однако такое преобразование требует установленной аналитической процедуры, подтверждённой калибровки и допущений относительно геометрии трещины, деформации, скорости нагружения и поведения материала. Одна лишь кривая «сила—время» не даёт достоверного критического коэффициента интенсивности напряжений $K_{\mathrm{Ic}}$ или достоверного значения $J_{\mathrm{Ic}}$ для плоской деформации.

Стандартное испытание на трещиностойкость использует образец с усталостной предварительно созданной трещиной, заданными размерами, измерением размера трещины, требованиями к достоверности результата и критериями плоской деформации либо упругопластической трещиностойкости. Механически выполненный V-образный надрез образца Шарпи имеет иной радиус в основании надреза, другую геометрию перемычки, схему нагружения и часто иной уровень стеснения деформации. Динамическое нагружение дополнительно изменяет реакцию материала. Даже если инструментированная кривая позволяет оценить энергию зарождения или силу, связанную с ростом трещины, такая оценка не может автоматически считаться взаимозаменяемой с характеристикой трещиностойкости.

Энергия по Шарпи может быть связана с нижней границей трещиностойкости ферритных сталей посредством установленных корреляций, однако для поведения на нижней полке, в переходной области и на верхней полке применяются разные зависимости. Числовое значение необходимо рассматривать вместе с температурой, геометрией надреза, ориентацией образца, видом излома и состоянием материала. Поведение при остановке трещины — это уже отдельный вопрос: испытание на разрыв падающим грузом характеризует остановку трещины в трубопроводной стали по долям вязкого среза и скола в диапазоне температур удара, а не заменяет своими результатами данные испытаний по Шарпи или испытаний на трещиностойкость.

Таким образом, инструментированные испытания добавляют доказательную информацию, но не дают универсального коэффициента пересчёта. Наиболее достоверная интерпретация возможна, когда оборудование проверено, сигналы чистые и откалиброванные, образец и температура документированы, а критерий зарождения или распространения трещины сформулирован явно.

От энергии по Шарпи к трещиностойкости и остановке трещины

Энергия по Шарпи не является показателем трещиностойкости. Это энергия, поглощённая при разрушении стандартизованного образца с надрезом под воздействием маятникового удара при высокой скорости нагружения. NIST описывает этот результат как косвенную меру ударной вязкости, а не как прямое измерение параметра вершины трещины, такого как $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ или раскрытие вершины трещины. Это различие важно, поскольку небольшой образец Шарпи и крупный конструкционный элемент с трещиной испытывают разные условия стеснения, имеют разные размеры трещин, напряжённые состояния и размеры пластических зон.

ASTM E23 распространяется как на испытания на ударный изгиб по Шарпи на балке, свободно опёртой по концам, так и на консольно-балочные испытания по Изоду, тогда как ISO 148-1:2016 устанавливает проведение маятниковых испытаний металлических материалов с V-образным и U-образным надрезом по Шарпи. Инструментированные ударные испытания являются отдельным видом испытаний: ISO 14556:2023 посвящён инструментированным испытаниям по Шарпи с V-образным надрезом и предусматривает регистрацию силы, перемещения и энергии в процессе разрушения. На достоверность результата влияет также верификация испытательной машины. ASTM E23 и ISO 148-2 требуют периодической верификации, включая испытания с использованием сертифицированных эталонных образцов; NIST осуществляет Программу верификации машин Шарпи.

Таким образом, указанное значение в джоулях характеризует конкретные образец, надрез, ориентацию, температуру, скорость испытания и состояние материала. ASTM A673/A673M устанавливает дополнительное условие для конструкционной стали: этот стандарт определяет процедуры отбора образцов для продольных испытаний по Шарпи с V-образным надрезом и различает периодичность испытаний плавки и отдельных изделий. Отбор образцов является частью смысла результата. Значение, полученное на одном выбранном образце, нельзя автоматически считать репрезентативным для каждой плиты, зоны вблизи сварного шва, направления прокатки или рабочей температуры.

Условные корреляции для ферритных сталей

Для ферритных сталей энергия по Шарпи может использоваться для оценки нижней границы трещиностойкости, если соответствующая корреляция установлена для данного класса стали и режима разрушения. Это полезно, поскольку для ферритных сталей при снижении температуры обычно наблюдается переход от вязкого разрушения к хрупкому. Их кривая ударной энергии может включать нижний горизонтальный участок, переходную область и верхний горизонтальный участок, причём взаимосвязь между поглощённой энергией и сопротивлением разрушению меняется в этих областях.

Для поведения на нижней полке, в переходной области и на верхней полке применяются разные зависимости. Корреляцию, выбранную для верхней полки, не следует применять к результату, относящемуся к нижней полке, лишь потому, что оба значения выражены в джоулях. В переходной области небольшие изменения температуры могут приводить к значительным изменениям механизма разрушения и измеренной энергии, поэтому температура, при которой было получено значение по Шарпи, имеет принципиальное значение. Вторым источником информации является вид поверхности разрушения: при преобладании скола обычно поглощается меньше энергии, тогда как вязкое разрушение с отрывом обычно сопровождается большей пластической деформацией и более высокой поглощённой энергией.

Даже для ферритных сталей взаимосвязь может изменяться под влиянием химического состава, размера зерна, уровня прочности, термической обработки, толщины плиты, направления прокатки, остроты надреза, облучения или термического старения. Поэтому корреляция является условной моделью, а не универсальным пересчётом джоулей в трещиностойкость. Она может давать консервативную оценку для предварительного отбора в рамках определённой совокупности материалов, диапазона температур, ориентации образца и условий применимости. Однако она не превращает обычный результат испытания по Шарпи в измерение трещиностойкости при плоской деформации.

Сам образец также может влиять на интерпретацию. В исследовании NIST, опубликованном в 2011 году, было показано, что в образцах Шарпи с боковыми канавками при энергиях верхней полки накапливалось меньше пластической деформации и увеличивалось расслоение; наибольшая интенсивность расслоения наблюдалась вблизи температуры перехода от вязкого разрушения к хрупкому. Этот результат подтверждает следующее: даже изменённая геометрия образца Шарпи может изменить процесс разрушения и не может рассматриваться как взаимозаменяемая с обычным образцом с V-образным надрезом.

Оценки нижней границы и их ограничения

Оценка нижней границы предназначена для того, чтобы не приписывать материалу большее сопротивление разрушению, чем подтверждается имеющимися данными. Она может быть уместна для предварительного отбора, оценок целостности по установленным процедурам или ситуаций, в которых нормативный документ либо регуляторная практика прямо допускает применение зависимости на основе результатов испытаний по Шарпи. При оценке должны сохраняться условия её применимости: семейство материалов, диапазон предела текучести, ориентация, температура, конфигурация надреза, диапазон энергии и оцениваемый параметр трещиностойкости.

Нижняя граница не гарантирует, что конструкционный элемент будет сопротивляться любой трещине. Образцы Шарпи малы, и их разрушение может происходить при меньшем стеснении, чем в толстом элементе с острой усталостной трещиной. Поэтому конструкционная трещина может испытывать иное поле напряжений, чем механически выполненный надрез образца Шарпи. Толщина, остаточные напряжения, дефекты сварки, скорость нагружения, размер трещины и двухосность напряжённого состояния могут снижать применимость простой корреляции по энергии. Значение, измеренное при комнатной температуре, также мало говорит о поведении при более низкой рабочей температуре, если переходная кривая не установлена.

При оценке риска хрупкого разрушения значение энергии следует по возможности сопровождать данными о виде поверхности разрушения и температуре перехода. Один результат на верхней полке может скрывать резкий переход при более низких температурах; результат на нижней полке может указывать на состояние, при котором уже преобладает скол. Прямые испытания на трещиностойкость по-прежнему необходимы, если оценка зависит от квалифицированного значения $K$, $J$ или раскрытия вершины трещины при заданных требованиях к стеснению и условиям применимости.

Чем испытание на отрыв при падении груза отличается от испытания по Шарпи

Испытание на отрыв при падении груза отвечает на иной вопрос, чем испытание по Шарпи. Оно было разработано для оценки поведения трещин при остановке в трубной стали, а не просто для ранжирования небольших образцов по поглощённой ударной энергии. На относительно длинную полосу с надрезом воздействуют ударом в контролируемых условиях, после чего поверхность разрушения исследуют в определённом диапазоне температур. Оценка сосредоточена на соотношении вязкого среза и скола, включая вопрос о том, остаётся ли распространяющееся разрушение остановленным при изменении механизма разрушения.

При испытании по Шарпи определяется, сколько энергии поглощает стандартизованный образец с надрезом до разрушения; дополнительно могут регистрироваться поглощённая энергия, боковое расширение и вид поверхности срезного разрушения. Испытание на отрыв при падении груза показывает, как ведёт себя распространяющееся разрушение в трубной стали и как поверхность разрушения изменяется при переходе от вязкого разрушения с отрывом к сколу. Оба испытания могут выявлять переход от вязкого разрушения к хрупкому, однако их геометрия, размеры образцов, характеристики отклика при нагружении и инженерные результаты различаются.

Используйте испытание по Шарпи для определения ударной энергии и переходного поведения указанного материала и ориентации. Применяйте разрешённую корреляцию с результатами по Шарпи только для заявленной оценки нижней границы трещиностойкости. Используйте испытание на отрыв при падении груза, если инженерный вопрос касается протяжённого разрушения и остановки трещины в трубной стали. Ни один из этих результатов сам по себе не может ответить на другой вопрос.

Источники

1. [1]International Organization for Standardization. ISO 148-1:2016 Metallic materials — Charpy pendulum impact test — Part 1: Test method. ISO standard, 2016. https://www.iso.org/cms/render/live/en/sites/isoorg/contents/data/standard/06/38/63802.html
2. [2]ASTM International. ASTM A673/A673M: Standard Specification for Sampling Procedure for Impact Testing of Structural Steel. ASTM International standard, 2025. https://store.astm.org/a0673_a0673m-25.html
3. [3]National Institute of Standards and Technology. Charpy Machine Verification Program. NIST program resource, 2024. https://www.nist.gov/programs-projects/charpy-machine-verification-program
4. [4]International Organization for Standardization. ISO 14556:2023 Metallic materials — Charpy V-notch pendulum impact test — Instrumented test method. ISO standard, 2023. https://www.iso.org/cms/render/live/en/sites/isoorg/contents/data/standard/08/21/82164.html
5. [5]ASTM International. ASTM E23: Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials. ASTM International standard, 2025. https://store.astm.org/standards/e23
6. [6]TWI. What fracture toughness can I assume for a ferritic steel if I know that it meets a certain Charpy energy requirement?. TWI Technical Knowledge, 2024. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/faq-what-fracture-toughness-can-i-assume-for-a-ferritic-steel-if-i-know-that-it-meets-a-certain-charpy-energy-requirement
7. [7]National Institute of Standards and Technology. Side-Grooved Charpy Impact Testing: Assessment of Splitting and Fracture Properties of High-Strength Steels. NIST publication, 2011. https://www.nist.gov/publications/side-grooved-charpy-impact-testing-assessment-splitting-and-fracture-properties-high
8. [8]TWI. What is the drop-weight tear test?. TWI Technical Knowledge, 2024. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/faq-what-is-the-drop-weight-tear-test