Испытания металлов на ударную вязкость по методу Шарпи: проблемы и пути обеспечения прослеживаемости измерений

Испытания металлов на ударную вязкость по методу Шарпи наряду со статическими испытаниями на растяжение составляют основу оценки их конструкционной прочности и надежности в самых разных отраслях промышленности. В настоящее время прослеживаемость измерений, проводимых при испытаниях на ударную вязкость с применением маятниковых копров, обеспечивается в основном результатами их поверки. Действующие методики поверки не учитывают критическую значимость одной из основных подсистем копра — подсистему нанесения удара и разрушения образца. В результате копёр, признанный по результатам поверки годным, в действительности показывает завышенные результаты измерений поглощенной энергии из-за ее паразитных потерь.

Анализ российских и международных стандартов по испытаниям на ударную вязкость, публикаций отечественных и зарубежных авторов позволил выявить факторы, приводящие к завышенному результату измерения поглощенной энергии классическими копрами. Проведенные межлабораторные сличительные испытания, с одной стороны, это подтвердили, а с другой — обосновали нецелесообразность построения прослеживаемости измерений на основе классического метода испытаний на ударную вязкость.

Предложено в качестве основы обеспечения прослеживаемости измерений к действующему Государственному первичному эталону единицы силы ГЭТ 32–2011 применение эталонного маятникового копра наивысшей точности, поддерживающего инструментированный метод испытаний. Наличие в его составе измерительного преобразователя силы позволило рассматривать его в качестве рабочего эталона для дальнейшей передачи единицы силы эталонным мерам (образцам). А от них — инструментированным и классическим копрам соответственно. Предложено также включение эталонного копра непосредственно в состав совершенствуемых Государственного первичного эталона единицы силы ГЭТ 32–2011 или Государственного первичного эталона единицы ударного ускорения ГЭТ 57–84.

Для устранения проблемы, связанной с завышенными результатами измерения поглощенной энергии, необходима разработка и утверждение типа мер и стандартных образцов силы и поглощенной энергии. А для массового внедрения рассмотренного подхода, кроме государственной поверочной схемы, необходимы разработка единой методики поверки и ее распространение на все маятниковые копры, эксплуатируемые в России.

Описанные выше меры позволят в действительности обеспечить единство измерений при испытаниях на ударную вязкость, проводимых с применением как классических, так и инструментированных копров.

1. Лаврентьев Н. Д., Максютин И. В., Погуляев С. И. Экспериментальное обоснование нового подхода к оценке степени опасности механических дефектов на магистральных газопроводах // Вести газовой науки. 2022. № 1 (50). С. 94–100.

2. Оценка критической температуры перехода в хрупкое состояние конструкционных сталей, эксплуатирующихся в Арктическом регионе / Л. Г. Петрова [и др.] // Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли. 2023. № 2 (7). С. 59–70.

3. Петрова Л. Г. Металловедческая экспертиза разрушений конструкций по причине хладноломкости: исторический обзор // Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли. 2022. № 2 (3). С. 29–46.

4. Испытания на ударную вязкость. Действующие стандарты и перспективы развития отечественной нормативной базы / Д. Д. Заботкин [и др.] // Механометрика : Материалы конференции «Механометрика 2025. Механические измерения и испытания», г. Санкт-Петербург, 1–3 июля 2025 года / ВНИИМ им. Д. И. Менделеева. Санкт-Петербург: ВНИИМ, 2025. С.17–18.

5. Зайцев Г. П. О сравнимости показаний маятниковых копров // Заводская лаборатория. 1938. № 11.

6. Бейль С. Я. К вопросу о сравнимости показаний маятниковых копров различных конструкций // Исследования в области механических измерений: Труды ВНИИМ. Выпуск 1 (61) / Под редакцией В. Г. Махровского. Ленинград : ВНИИМ, 1948. С. 91–104.

7. Ченцова Ю. С., Толмачев В. В., Забелина А. А. Оценивание неопределенности при испытаниях на ударный изгиб с использованием стандартного образца // Эталоны. Стандартные образцы. 2023. Т. 19, № 4. С. 143–150. https://doi.org/10.20915/2077-1177-2023-19-4-143-150

8. Driscoll D. E. Reproducibility of Charpy Impact Test // ASTM Special Technical Publication. 1955. STP 176. P. 3–15. https://doi.org/10.1520/STP47578S

9. Fahey N. H. The Charpy Impact Test — its accuracy and factors affecting test results. In: Driscoll D. E. (ed.). Impact Testing of Metals, ASTM STP 466, ASTM International, 1970, pp. 76–92. https://doi.org/10.1520/STP32057S

10. Manahan M. P., Stonesifer R. B. The difference between total absorbed energy measured using an instrumented striker and that obtained using an optical encoder // Pendulum Impact Testing: A Century of Progress. W. Conshohocken: ASTM, 2000. P.181–197.

11. Vigliotti D. P., Siewert T. A., McCowan C. N. Maintaining the accuracy of Charpy Impact machines // Pendulum Impact Testing: A Century of Progress. W. Conshohocken: ASTM, 2000. P. 134–145.

12. Influence of loading rate on the calibration of instrumented Charpy strikers / E. Lucon [et al.] // Journal of Testing end Evaluation. 2009. Vol. 37, Iss. 6. P. 520–530. https://doi.org/10.1520/JTE102330

13. Vlajic N., Chijioke A. Traceable dynamic calibration of force transducers by primary means. Metrologia. 2016. Vol. 53, № 4. P. S136. https://doi.org/10.1088/0026-1394/53/4/S136

14. Investigations on SI-Traceable dynamic calibration of instrumented Charpy Strikers / A. Chijioke [et al.] // Technical Note (NIST TN), National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD. 2018. URL: https://doi.org/10.6028/NIST.TN.1991