Никель отличается высокой ударной вязкостью, хорошо сплавляется со сталями. Низкоуглеродистая сталь, содержащая 3,5% никеля, может успешно применяться при -100° С, 9%-при -195° С. Марганец также благоприятно влияет на качество стали, но менее интенсивно, чем никель. Нержавеющие стали с добавкой 9% никеля абсолютно ударно-вязки.
Образцы для испытания металла по Шарпи готовят такой формы и размера, V-образный надрез выполняют поперек образца, но иногда надрезы имеют другую форму, например в виде замочной скважины. Образец устанавливается горизонтально в испытательном копре, удары наносят качающимся молотом по стороне, противоположной той, на которой сделан надрез. В момент удара по образцу в точке соприкосновения с ним молот обладает кинетической энергией в 357 Дж. Частично она рассеивается при разрушении образца, оставшаяся энергия поднимает молот в исходное положение. На шкале машины Шарпи можно видеть, какое количество энергии необходимо для того, чтобы разбить образец (машина измеряет энергию обратного хода молота и численное значение ее вычитают из 357 Дж, получая таким образом энергию разрушения).
Испытание на разрыв – простой и надежный способ определения прочности и пластичности стали. В результате эксплуатации могут возникнуть два случая хрупкого разрушения пластичной стали: хрупкий излом и разрушение от усталости. Вопрос о причинах разрушения от усталости может быть освещен здесь только вкратце. Разрушение от усталости – это разрушение при растяжении с напряжением ниже предела прочности при многократном на-гружении. Усталостное разрушение типично для деталей машин, но меньше встречается в стальных строительных конструкциях. С другой стороны, в недалеком прошлом случались разрушения стальных конструкций в результате хрупкого излома.
Пусть несколько образцов (по Шарпи) стали испытывают в диапазоне температур от +65 до – 79° С (температуру ниже-78° С можно получить с помощью ксилола или ацетона и сухого льда). По результатам испытаний строят график отношения энергии к температуре, получая типичные S-образные кривые, подобные кривой, которая является итогом испытания стойкой к надрезу марки стали. В верхнем конце температурного диапазона материал обнаруживает большую прочность к излому, образуя рваную поверхность на месте излома, который называется пластическим разрывом. Но при понижении температуры достигается такое ее значение, при котором прочность стали в месте надреза резко падает, внешний вид излома меняется и становится ярко выраженным кристаллическим разломом; сталь проявляет хрупкость.
Хрупкий излом возникает только при температуре ниже температуры перехода стали. Как правило, предназначенная для строительных конструкций сталь должна иметь температуру перехода более низкую, чем любая вероятная эксплуатационная температура. Необходимо также высококачественное выполнение работ: порезы, ожоги и другие дефекты усиливают напряжения там, где может начаться хрупкий излом.
Минимальная ударная прочность при испытании образца по Шарпи соответствует показанию прибора на отметке 20 Дж. Температуру, при которой поглощение энергии равно 20 Дж, называют температурой перехода от пластического разрыва к хрупкому излому при ударе. Любая из следующих величин может быть названа температурой перехода для хрупкой стали: температура, соответствующая показанию прибора 20 Дж; средняя температура между пластическим разрывом и хрупким изломом; точка перегиба S-образной кривой; самая низкая температура, при которой образцы обнаруживают 100%-ный пластический разрыв при разломе; температура, при которой половина площади разлома пластичная и половина хрупкая; самая высокая температура, при которой ни одна часть поверхности разлома не пластична.
При стандартном испытании на разрыв сталь подвергается воздействию напряжения только в одном направлении. Если в образце сделать надпилы под прямым углом к направлению напряжения, металл будет сохранять пластичность и не проявит чувствительности к надпилу, несмотря на то, что в его основании условия напряжения двухмерные и сложные. При испытании по Шарпи имеется вероятность того, что пластичная сталь проявит хрупкость при растяжении. В этом случае на образце выполняется надрез для того, чтобы создать сложную концентрацию напряжения в его основании; таким образом, в действительности этот метод является испытанием на чувствительность к надрезу. Необходимо отметить, что другие металлы, применяемые в строительстве, например алюминий, медь и нержавеющие стали, не разрушаются из-за хрупкости.