1. Wstęp

Problem kruchych pęknięć pojawił się w okrętownictwie jako skutek uboczny wprowadzenia spawana do budowy statków. Najczęściej stosowaną w badaniach wytrzymałości dynamicznej jest próba udarności służąca do oceny zachowania się metali w warunkach skrajnie sprzyjających kruchemu pęknięciu, tzn. przy:

• ostrych karbach

• dużej szybkości przyrostu odkształcenia (udarowe działanie siły)

• obniżonej temperaturze

Udarowe działanie siły i obniżona temperatura sprzyjają kruchemu pękaniu tylko przy jednoczesnym oddziaływaniu karbu.

Obecnie próba udarności służy jako podstawowe kryterium oceny odporności materiału na kruche pękanie, a wymagania odnośnie wartości pracy złamania próbek ze stali kadłubowych w określonych temperaturach są podstawą podziału tych stali na kategorie.

Udarność wyznacza się jako stosunek energii K, do powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu S₀:

gdzie: K - energia zużyta na złamanie próbki [J]

Tak przyjęte określenie udarności nie ma podstaw fizycznych, a przy badaniu próbek z karbem nie występuje prawo podobieństwa. Stąd udarność można porównywać jedynie w odniesieniu do jednego rodzaju i wymiarów próbek. Ten niedostatek jest przyczyną braku metod obliczeń konstrukcji, w których w sposób bezpośredni wykorzystano by udarność.

Podając wyniki próby symbol pracy łamania K lub udarności KC uzupełnia się literą oznaczającą kształt karbu próbki (V lub U) oraz indeksem oznaczającym temperaturę próby w stopniach Celsjusza [°C]. Następnie podaje się liczby oznaczające:

• maksymalną (początkową) energię młota w dżulach [J],

• głębokość karbu (a-h) [mm],

• szerokość próbki (b) w [mm].

Indeks temperatury pomija się zawsze dla temperatury pokojowej, energię początkową pomija się dla 300 J, szerokość próbki dla b=10 mm, zaś głębokość karbu dla a-h = 5 mm w przypadku karbów U oraz zawsze dla karbów V (a-h = 2 mm).

Próbę udarności metali można przeprowadzić również w temperaturach obniżonych. Na podstawie wartości K lub KC w różnych temperaturach wyznacza się temperaturową krzywą przejścia stali w stan kruchy.

Rys. 1 - Temperaturowa krzywa przejścia stali w stan kruchy:

Stal 1- wyraźnie zaznaczony zakres temperatur przejścia w stan kruchy (T_K1),

Stal 2- łagodne przejście w stan kruchy z umowną temperaturą przejścia w stan kruchy (T_K2),

KV_wym- wymagana (dla danej kategorii stali) wartość energii łamania próbki.

W zakresie wyższych temperatur udarność stali jest stosunkowo duża i stal jest w tzw. stanie ciągliwym, natomiast w zakresie niskich temperatur udarność jest stosunkowa mała i występuje tzw. stan kruchy. Pomiędzy tymi stanami znajduje się stan przejściowy, w którym udarność maleje (w sposób gwałtowny lub nie, w zależności od rodzaju stali). Dla wszystkich kategorii stali kadłubowych zwykłej wytrzymałości wymagana wartość KV dla próbek wzdłużnych wynosi 27 J, a dla próbek poprzecznych 20 J. Niektóre materiały (stopy Al i - do pewnego stopnia - stale austenityczne) nie wykazują spadku udarności przy obniżaniu temperatury.

Dodatkowych informacji o własnościach badanego materiału dostarcza obserwacja przełomu próbek po złamaniu. Wyróżnia się przełom kruchy o wyglądzie ziarnistym (skrzącym), przełom ciągliwy o wyglądzie bardziej matowym (niekiedy miejscami ukośny pod kątem około 45° od osi próbki) oraz przełom mieszany, w którym wyodrębnione są strefy: ciągliwa i krucha.

Całkowita energia złamania próbki KV składa się z energii inicjacji (zapoczątkowania pęknięcia w dnie karbu) KV_i i energii propagacji (rozwoju pęknięcia) KV_p. Energia propagacji jest energią, jaką materiał przeciwstawia rozwojowi pęknięcia. Jeśli jest ona dostatecznie duża, to może nawet doprowadzić do zatrzymania się pęknięcia już zainicjowanego w karbie.

Z tego względu, iż udarność bardzo silnie zależy od geometrii próbki, a zwłaszcza karbu nie może być ona uznana za prawdziwą własność materiałów. W rzeczywistości geometrie konstrukcji, ostrości karbów konstrukcyjnych są odmienne od próbek, stąd nie ma możliwości zastosowania wyników prób udarności do obliczeń i analizy odporności konstrukcji na kruche pękanie. Jednak ze względu na prostotę i niskie koszty przeprowadzenia prób udarności metoda ta jest najpowszechniej stosowana i okazała się skutecznym miernikiem jakości materiałów pod względem ich odporności na kruche pękanie.

2. Metodyka badań

Próbę udarności wykonuje się zgodnie z normą PN-EN10045-1 na młotach wahadłowych typu Charpy, przeznaczonych do udarowego zginania próbek podpartych swobodnie na obu końcach.

7

2

4

5

6

1

3

Rys. 2 - Schemat młota wahadłowego Charpy`ego:

1-korpus, 2-ramię bijaka, 3-próbka, 4-skala, 5-wskazówka,

6-dźwignia hamulca, 7-zaczepy

Wahadło młota w swoim początkowym położeniu posiada maksymalną energię początkową:

[J]

gdzie: m - masa bijaka młota [kg]

g - przyspieszenie ziemskie
;

h₁ - wysokość wzniesienia wahadła ponad próbkę [m]

Początkowa energia młota wynosi 150 J. Wahadło wychylone od pionu o kąt rozwarty α₁ po zwolnieniu z zaczepów spada w dół i łamie próbkę z karbem, podpartą swobodnie obydwoma końcami na podporach młota, po czym wznosi się na wysokość h₂ i wychyla się od pionu o kąt α₂. Praca złamania próbki:

[J]

gdzie: R - długość wahadła od osi obrotu do środka próbki [m]

Na skali odczytujemy wartość energii złamania próbki K.

Próbki jakie stosuje się do prób udarności wymagane przez przepisy towarzystw klasyfikacyjnych to próbki o długości 55 mm (±0,60 mm), wysokości 10 mm (±0,06 mm) i szerokości 10 mm (±0,11 mm), z karbami typu:

• Charpy V - karb w kształcie litery V o głębokości 2 mm (wysokość poniżej karbu 8 mm) i kącie karbu 45° (±2°),

• Charpy U - karb w kształcie litery U o głębokości 5 mm (wysokość poniżej karbu również 5 mm).

Stosuje się również próbki Charpy V o szerokości 7,5 mm i 5 mm oraz karby w kształcie litery U o głębokości 3 mm (wysokość poniżej karbu 7 mm), jak również tzw. karby Mesnagera o głębokości 2 mm (wysokość poniżej karbu 8 mm). Próbki (szczególnie karby) należy wykonać całkowicie poprzez obróbkę mechaniczną (skrawanie). Próbkę wyklucza zła jakość wykonania - rysy i nierówności na dnie karbu. Chropowatość powierzchni bocznych próbek R_s ≤ 1,25 μm. Obróbkę cieplną należy przeprowadzić na odcinkach próbnych lub próbkach przed wykonaniem karbu. Do badań należy pobrać co najmniej trzy próbki. Odpowiednie normy i przepisy towarzystw klasyfikacyjnych szczegółowo określają liczbę, położenie i sposób pobierania próbek.

Rys. 3 - Ustawienie próbki na podporach młota wahadłowego Charpy`ego

Rys. 4 - Geometrie próbek stosowanych do badania udarności:

a) Charpy V b) Charpy U

Próby udarności materiałów w obniżonych temperaturach przeprowadza się zgodnie z normą PN-79/H-04371. Zachodzi wówczas konieczność schładzania próbek. Realizuje się to w termostacie wykonanym z pianki poliuretanowej. Pomiar temperatury środka chłodzącego dokonuje się za pomocą termometru. Jako środek chłodzący stosowaliśmy alkohol etylowy (denaturat) schładzany przy pomocy stałego dwutlenku węgla (suchego lodu), którego temperatura wynosi -78,5°C. Po osiągnięciu przez ośrodek wymaganej temperatury (w naszym przypadku -40°C ) suchy lód wyjmuje się z cieczy, a komorę zamyka się szczelnie, pozostawiając tam próbkę jeszcze na około 15 minut. Kleszcze służące do wyjęcia próbki z ośrodka chłodzącego powinny być oziębiane razem z próbkami (szczypce użyte w ćwiczeniu miały gumowe osłonki na końcach ramion, a także ich masa była stosunkowo mała w porównaniu do masy próbki, dlatego też ciepło oddane przez nie podczas wyjmowania i umieszczania próbki na podporach młota było znikomo małe). Czas od chwili wyjęcia próbki do momentu złamania nie powinien przekroczyć 5 sekund. Próbkę należy oczyścić z pozostałości cieczy chłodzącej.

Użyte na ćwiczeniach próbki Charpy V o szerokości 10 mm były wykonane ze stali kadłubowej zwykłej wytrzymałości kategorii A i zostały wycięte w poprzek kierunku walcowania (wymagane KV=20 J). Badania przeprowadzona dla dwóch temperatur: temperatury pokojowej (23±5°C) oraz dla temperatury -40°C. Wartości dla tych samych i innych temperatur wzięto również dla porównania od innych grup laboratoryjnych, ponieważ na ćwiczeniach złamano tylko po jednej próbce dla danej temperatury, a nie jak jest wymagane trzy. W przypadku gdy wyniki się dublowały wyciągnięto ich średnią arytmetyczną.

Stale kadłubowe zwykłej wytrzymałości zdefiniowane zostały jako materiał o minimalnej granicy plastyczności R_e=235 MPa i wytrzymałości na rozciąganie R_m = 400÷490 MPa. Stale te dzielą się na cztery kategorie: A, B, D, E, różniące się między sobą składem chemicznym, sposobem odtleniania, stanem dostawy. a przede wszystkim kryterium odporności na kruche pękanie. Należy przy tym zaznaczyć, że kadłuby statków budowane są ze stali kategorii A i B (zwykle ponad 80%), natomiast stale kategorii D, a w szczególności E stosowane są jedynie na najbardziej odpowiedzialne wysoko obciążone elementy konstrukcyjne w środowej części kadłuba, mające wpływ na bezpieczeństwo całej konstrukcji. Dodatkowo stal kategorii A jako jedyna nie wymaga próby udarności.

3. Wyniki badań

Wartość energii potrzebnej do złamania próbki KV odczytywano bezpośrednio ze wskaźnika młota. Aby wyznaczyć udarność należy skorzystać z podanego we wstępie wzoru:

Przykrój próbki w miejscu karbu S₀ (prostokąt) obliczamy ze wzoru:

[cm²]

gdzie: a₀ - szerokość próbki

b₀ - wysokość próbki poniżej karbu

Zatem

Zestawienie wyników:

Kategoria stali	Temperatura próby [°C]	Energia KV [J]		Udarność KCV [J/cm^2]	Rodzaj i wielkość przełomu
							pomierzona	wyniki innej grupy lab.
										kruchy	ciągliwy
A	23±5	21	22	26,875	≈70% - środkowa część przełomu	≈30% - pasek rzędu 1mm naprzeciw karbu
A	-20	−	6,5	8,125	niemal całkowicie	znikoma część
A	-40	7,5	5	7,8125	całkowicie (≈99,9%)	mikroskopijnie mały (≈0,1%)
D	23±5	−	70	87,5	≈97% - znaczna większość	≈3% - małe oczko na środku

Obliczania udarności dla:

1. stali kategorii A (w przypadku dublowania się wyników do obliczeń użyto ich średniej arytmetycznej obliczonej ze wzoru
   )

KCV

KCV^-20

KCV^-40

2. stali kategorii D

KCV

4. Wnioski i spostrzeżenia

Badana stal kategorii A podczas ćwiczeń wykazała wyższą udarność od wymaganej. Świadczy to o dobrym wykonaniu blach. Stal kategorii A nie ma wymogu badania udarności. Próbka wykazywała łagodne obniżanie się udarności wraz ze spadkiem temperatury. Nie możemy bezpośrednio odczytać temperatury przejścia stali w stan kruchy. Wyznacza się umowną temperaturę T_K2, dla której udarność spada poniżej wartości wymaganej K_wym. Dla stali użytej w ćwiczeniu wartość wymagana wynosiła 20 J. Wartości tej na wykresie odpowiada 16°C. Poniżej tej temperatury stal przyjmuje właściwości materiału kruchego. Powyżej tej temperatury stal cechuje się większą plastycznością.

Dla próbki kategorii A badanej w temperaturze -40°C wyszła dosyć wysoka wartość energii KV=7,5 J (powinna być równa ok. 5 J). Błąd ten znacznie zafałszowałby pomiary, gdyż badano tylko jedną próbkę, zamiast wymaganych trzech. Dopiero wówczas pomiar byłby wiarygodny. Dlatego też w sprawozdaniu wykorzystano wyniki innej grupy laboratoryjnej, aby możliwe dokładnie odtworzyć temperaturową krzywą przejścia stali w stan kruchy.

Stal kategorii A ma umiarkowaną zdolność do zatrzymania zainicjowanego pęknięcia. Jest to czynnik bardzo ważny ze względu na bezpieczeństwo. Dla porównania na ćwiczeniach podano wyniki próby udarności stali kategorii D: dla próbki Charpy V wzdłużnej w temperaturze pokojowej energia złamania wyniosła 70 J. Przełom próbki był w ok.97 % ciągliwy. Stal tą charakteryzowała duża zdolność do zatrzymania pęknięcia (energia propagacji). Zatem porównując wyniki zauważamy, że stale wyższych kategorii posiadają większą udarność, jak również i wytrzymałość.

Obserwacja przełomów próbek po złamaniu dostarczała nam dodatkowych informacji. W temperaturze pokojowej badana stal posiadała przełom mieszany z przewagą przełomu kruchego. Natomiast w najniższej temperaturze przełom stali był prawie idealnie kruchy (elementy charakterystyczne dla przełomu ciągliwego są niewidoczne gołym okiem, ale istnieją w znikomych ilościach). Świadczy to o braku występowania energii propagacji, ponieważ energia propagacji jest proporcjonalna do przełomu ciągliwego (jest on ciemniejszy i bardziej matowy od przełomu kruchego - ziarnistego i jaśniejszego).

Obecnie kruche pęknięcia nie stanowią poważnego zagrożenia dla stalowych konstrukcji spawanych, bowiem wymagania stawiane stalom są zawyżone. Również prawdopodobieństwo wstąpienia jednocześnie czynników sprzyjających kruchemu pęknięciu o skrajnych wartościach jest bardzo małe. Dlatego też podejmuje się to ryzyko i powszechnie stosuje się stale kategorii A do budowy statków (są one najtańsze), używając w miejscach szczególnie narażonych stali wyższych kategorii. Należy również zauważyć, iż ilość zatonięć spowodowanych właśnie kruchymi pęknięciami znacznie zmalała na przestrzeni ostatnich dziesięcioleci.

Sensu próby udarności nie wyjaśniono do końca. Pomimo tego to głównie dzięki niej uporano się z problemem kruchych pęknięć. Próba udarności jest dużo prostsza i tańsza od ścisłych metod mechaniki pękania. Dlatego też jest ona szeroko stosowana.

1

- 1 -

KV

KV_wym

T_K2 T_K1

TEMP. T

stal 2

stal 1

l/2 = 27,5 mm

D l = 55 mm

L=40 mm

45°

b

h

a

a

h

b

---