Жорж Шарпи

Жорж Шарпи (фр. Georges Charpy; 1 сентября 1865, Уллен — 25 ноября 1945, Париж) — французский инженер-металлург и учёный в области материаловедения, наиболее известный как создатель маятникового копра для испытания материалов на ударную вязкость — маятника Шарпи.

Биография

Ранние годы и образование

Жорж Огюстен Шарпи родился 1 сентября 1865 года в коммуне Уллен (департамент Рона, Франция) в семье инженера. В 1885 году поступил в престижную Политехническую школу (École Polytechnique), которую окончил в 1887 году. Продолжил обучение в Горной школе Парижа (École des Mines de Paris), где получил диплом горного инженера в 1890 году.

Профессиональная деятельность

После окончания обучения Шарпи начал работать на металлургических заводах, где занимался вопросами качества стали и её механических свойств. В 1901 году он стал профессором металлургии в Горной школе Парижа, где читал лекции до 1935 года. Параллельно с преподавательской деятельностью Шарпи работал в лаборатории завода «Шнейдер» (Le Creusot), где проводил исследования по механике разрушения материалов.

В 1905 году Шарпи представил свою разработку — маятниковый копёр для испытания образцов на ударный изгиб. В 1909 году он опубликовал фундаментальную работу «Опыты по определению ударной вязкости» (фр. «Essais de résilience»), в которой подробно описал конструкцию и методику испытаний.

В 1915 году Жорж Шарпи был избран членом Французской академии наук. В 1920-х годах он активно участвовал в разработке стандартов механических испытаний материалов, которые впоследствии были приняты Международной ассоциацией испытаний материалов (IATM).

Научная деятельность

Маятник Шарпи

Основным вкладом Шарпи в науку является создание маятникового копра — устройства для испытания металлов на ударную вязкость. Принцип работы основан на измерении энергии, затраченной на разрушение стандартного образца при ударе маятником. Образец, имеющий V-образный или U-образный надрез, помещается на опоры, после чего маятник с известной кинетической энергией ударяет по нему. Разница между начальной и конечной высотой подъёма маятника позволяет вычислить работу разрушения, отнесённую к площади поперечного сечения образца.

Метод Шарпи позволил количественно оценивать способность материала поглощать энергию при динамическом нагружении, что особенно важно для материалов, работающих в условиях низких температур (явление хладноломкости). В отличие от существовавших ранее статических испытаний на растяжение, испытание Шарпи моделировало реальные условия эксплуатации, когда детали могут подвергаться внезапным ударным нагрузкам.

Влияние на материаловедение

Работы Шарпи заложили основы современной механики разрушения. Его метод стал стандартным для оценки склонности стали к хрупкому разрушению, что имело решающее значение для судостроения, мостостроения, авиации и нефтегазовой промышленности. В частности, после катастрофы «Титаника» (1912) и серии разрушений сварных судов типа «Либерти» в 1940-х годах испытания по Шарпи стали обязательными для контроля качества судостроительных сталей.

Шарпи также внёс вклад в теорию термообработки стали, исследовал влияние легирующих элементов (хрома, никеля, молибдена) на ударную вязкость, а также изучал явление отпускной хрупкости.

Метод испытания по Шарпи

Стандартные образцы

Согласно современным стандартам (ISO 148, ASTM E23, ГОСТ 9454), для испытания на ударный изгиб используются образцы квадратного сечения 10×10 мм длиной 55 мм. На образце выполняется надрез одного из трёх типов:

• V-образный (глубина 2 мм, радиус вершины 0,25 мм) — наиболее распространённый тип, чувствительный к хрупкому разрушению.
• U-образный (глубина 2 мм, радиус 1 мм) — используется для пластичных материалов.
• Без надреза — для материалов с низкой прочностью или для специальных исследований.

Процедура испытания

Образец помещается на опоры копра так, чтобы надрез находился с противоположной от удара стороны. Маятник поднимается на фиксированную высоту (обычно 1,5–2 м) и освобождается. Удар наносится по центру образца. После разрушения маятник продолжает движение, поднимаясь на меньшую высоту. Разность потенциальных энергий маятника в начальном и конечном положениях равна работе разрушения \( KV \), которая измеряется в джоулях (Дж).

Ударная вязкость \( KCU \) или \( KCV \) вычисляется как отношение работы разрушения к площади поперечного сечения образца в месте надреза (обычно 0,8 см²). Результат выражается в Дж/см².

Температурные зависимости

Одним из важнейших приложений метода является построение кривых ударной вязкости в зависимости от температуры. Для многих конструкционных сталей существует температурный интервал перехода от вязкого разрушения (высокая энергия) к хрупкому (низкая энергия). Температура, при которой материал теряет половину своей вязкости, называется температурой вязко-хрупкого перехода (ТВХП). Испытания Шарпи позволяют определить эту температуру, что критически важно для выбора материалов для северных регионов, Арктики и криогенной техники.

Критика и ограничения

Несмотря на широкое распространение, метод Шарпи имеет ряд недостатков, которые были выявлены в XX веке:

• Локализация напряжений: V-образный надрез создаёт сложное трёхосное напряжённое состояние, которое не всегда адекватно моделирует реальные условия эксплуатации.
• Зависимость от геометрии: результаты испытаний зависят от формы и размеров образца, что затрудняет прямое сравнение данных, полученных на разных образцах.
• Неполная информация: метод даёт только интегральную энергию разрушения, но не позволяет разделить энергию зарождения и распространения трещины.
• Скорость деформации: скорость удара маятника (обычно 5–5,5 м/с) может не соответствовать реальным скоростям нагружения в конструкциях.

В современной механике разрушения для более точной оценки используются методы линейной механики разрушения (коэффициент интенсивности напряжений \( K_{IC} \)) и J-интеграла, однако испытания по Шарпи остаются наиболее простым и дешёвым способом контроля качества материалов.

Память и наследие

Имя Шарпи увековечено в названии маятникового копра и метода испытаний. В 1950 году Международная организация по стандартизации (ISO) приняла метод Шарпи в качестве международного стандарта. В России и странах СНГ метод регламентируется ГОСТ 9454-78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах».

В 1960-х годах на основе работ Шарпи был разработан метод инструментального ударного испытания, позволяющий регистрировать диаграмму «нагрузка — время» в процессе разрушения, что даёт дополнительную информацию о механических свойствах материала.

В 2015 году, к 150-летию со дня рождения учёного, Французская академия наук провела мемориальную конференцию, посвящённую истории и современному состоянию испытаний на ударную вязкость.

Источники

• Charpy G. «Essais de résilience» // Annales des Mines, 1909, série 10, vol. 15, p. 55–104.
• Шарпи Ж. «Испытание металлов на удар» / пер. с фр. — СПб.: Типография И. Н. Скороходова, 1912. — 48 с.
• ГОСТ 9454-78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах». — М.: Издательство стандартов, 1978.
• ISO 148-1:2016 «Metallic materials — Charpy pendulum impact test — Part 1: Test method».
• Фридман Я. Б. «Механические свойства металлов». — М.: Машиностроение, 1974. — 472 с.
• Ботвина Л. Р. «Механика разрушения: история и современность». — М.: Наука, 2008. — 320 с.