background image

 

Wstęp:

    

 
W  rozważaniach  nad  stalą    podkreślano  zawsze  znaczenie  plastyczności 

jako  najważniejszego  zjawiska  fizycznego.  Stal  niskowęglowa,  stosowana  na 
kadłuby  statków,  jest  materiałem  plastycznym  i  pęka  dopiero  po  znacznym 
odkształceniu plastycznym oraz absorpcji energii. Jednakże w okresie II wojny 
światowej  konstruktorzy  statków  przekonali  się,  że  stal  może  ulegać  nagłemu 
zniszczeniu na skutek kruchych pęknięć bez istotnych odkształceń plastycznych. 
Problem  ten  pojawił  się  w  okrętownictwie  głównie  jako  skutek  uboczny 
wprowadzenia spawania do budowy statków. Pęknięcia te spowodowane były: 
1)   -niewłaściwym składem chemicznym stali, 
 

-zmianami strukturalnymi w strefie wpływu ciepła złącz spawanego, 

     -spawalniczymi naprężeniami spawalniczymi; 
2)   -karbami na krawędzi nadlewu oraz grani spoiny. 

Kruche  pękanie  znane  było  już  przed  1939  rokiem.  Opisano  nawet,  bez 

podania szczegółów, kilkanaście znaczących przypadków  zniszczenia: mostów, 
statków  oraz  zbiorników.  Jednakże  mało  który  z  techników  orientował  się  w 
problemie i większego znaczenia nabrał on dopiero podczas II wojny światowej, 
kiedy  to  znacznym  uszkodzeniom  uległo  wiele  statków  budowanych  w  tym 
okresie,  a  wiele    z  nich  zatonęło.  Statki  te  miały  konstrukcję  spawaną,  a 
pęknięcia  przebiegały  z  dużą  prędkością  przez  wiele  płyt  często  dzieląc  statek 
na  dwie  połowy.  Klasycznym  tego  przykładem  był  zbiornikowiec 
"Schenectady", który pękł w poprzek i rozpadł się na dwie połowy, znajdując się 
na  spokojnej  wodzie  przy  nabrzeżu  wyposażeniowym.  Obciążenia  były 
statyczne i niewielkie (60-90 MPa), a temperatura otoczenia poniżej 5 stopni C. 
Szybki  rozwój  badań  na  kruche  pękanie  spowodowany  został  zawodnością 
oceny stanu ciągliwości stali  na podstawie wyników badań  gładkich próbek  na 
rozciąganie i zginanie. Ocena ta jest szczególnie zawodna dla stali stosowanych 
na konstrukcje spawane. 

Częstokroć  sama  obecność  dostatecznie  ostrego  karbu  może  sprawić,  że 

stal,  zachowująca  się  plastycznie  przy  rozciąganiu  próbek  gładkich,  pęka  w 
sposób  kruchy  (bez  uprzednich  odkształceń  plastycznych  w  skali  makro)  już 
przy  statycznym  rozciąganiu  próbek  z  karbem.  Kruchość  lub  plastyczność 
materiału,  wynikająca  ze  sposobu  zachowania  się  gładkiej  próbki  rozciąganej 
jednoosiowo,  jest  pojęciem  względnym.  Materiały  uważane  za  ciągliwe  mogą 
ulec 

kruchemu  pęknięciu  pod  wpływem  wieloosiowych  naprężeń 

rozciągających.  W  Tym  wypadku  zachodzi  potencjalne  niebezpieczeństwo 
uszkodzenia, a nawet zniszczenia kadłuba, jeśli zastosowane materiały nie będą 
wystarczająco odporne na kruche pękanie. Ze względu na szybki rozwój badań 
w tym kierunku, w latach 1980-90 znacznie zmniejszyło się zjawisko kruchych 
pęknięć  w  statkach,  trzeba  tu  zaznaczyć,  iż  pęknięcia  te  miały  miejsce  w  stali 
kat. A. 

background image

 

Kruche  pękanie  charakteryzuje  się  tym,  że  rozwija  się  w  materiale 

praktycznie  bez  odkształceń  plastycznych  z  bardzo  dużymi  prędkościami  (ok. 
1800 m/s). Udarowa próba zginania próbek z karbem (próba udarności) służy do 
oceny  zachowania  się  stali  pod  działanie  następujących  czynników 
sprzyjających  kruchemu  pękaniu:  -ostrego  karbu,  -dużej  szybkości  przyrostu 
odkształcenia  oraz  -obniżonej  temperatury.  (dwa  ostatnie  wraz  z 
oddziaływaniem karbu). 

Próba  udarności  służy  jako  podstawowe  kryterium  oceny  odporności 

materiału na kruche pękanie, a wymagania odnośnie do wartości pracy złamania 
próbek ze stali kadłubowej w określonych temperaturach są podstawą podziału 
tych stali na kategorie. 
 
 

Opis metodyki badań: 

 

Próbę  udarności    wykonano  na  młocie    wahadłowym    Charpy`ego, 

przeznaczonego do  udarowego zginania próbek  podpartych swobodnie  na obu 
końcach. Próbkę  umieszcza się  na podporach  młota tak, aby oś karbu  leżała  w 
płaszczyźnie ruchu wahadła młota. Odległość między podporami młota powinna 
wynosić  40 

0,5  mm.  Karb  skierowany  jest  do  podpór,  natomiast  próbka 

powinna przylegać do podpór młota. 

Początkowa  energia  młota  wynosi  w  naszej  próbie    150J,  lecz  także 

wykonuje się  próby na młotach o energii początkowej 300J. Przed dokonaniem 
pomiaru  należy sprawdzić poprawność działania  młota, tzn. Sprawdzić, czy po 
pełnym swobodnym wahnięciu wskazówka wskaże energię równą 0 (zero). 

Wahadło  młota  w  swoim  położeniu  początkowym  posiada  maksymalną 

energię początkową : 
 
                                         K

max

 = m g h

1

 

gdzie :  

m - masa bijaka młota 
g - przyspieszenie ziemskie 
h

1

 - wysokość wzniesienia wahadła ponad próbkę  

                   

W czasie próby wahadło  wychylone  od pionu o kąt rozwarty 

1

  zostaje 

zwolnione z zaczepów   i spadając w dół  łamie  próbkę, po czym wznosi się  na 
wysokość h

2

 i  wychyla od pionu o kąt 

2

 . Praca złamania próbki : 

 
                          K = K

max

 - K

2

 = mg ( h

1

 - h

2

 ) = mgR (cos

2

 - cos

1

 ) 

 
 
gdzie:  
 

K

max

 -maksymalna energia początkowa młota  

background image

 

K   -praca  uderzenia  odpowiadająca  energii  zużytej  na  złamanie 
 

próbki  

K

- energia złamania próbki    

 
m   - masa bijaka młota 
g    - przyspieszenie ziemskie 
h

(

1

) - wysokość wzniesienia wahadła ponad próbkę przed  

 

złamaniem (wychylenie wachadła od pionu o kąt rozwarty) 

h

2  

(

2

) - wysokość wzniesienia wahadła po złamaniu próbki  

 

  (wychylenie o kąt) 

 

 
R   -odległość  od  osi  wahadła  młota  do  środka  próbki  ustawionej 

 

na podporach           

 
 
Na  skali  młota  można  odczytać  wartość  kąta 

2

  lub  też  bezpośrednio 

wartość  energii  złamania  próbki  K.  Prędkość  bijaka  młota  wahadła  w  chwili 
uderzenia w próbkę powinna wynosić V = 

2

1

gh

= 5

5,5 m/s. 

 

 

Rozróżniamy  dwa  rodzaje  próbek  wymagane  do  stosowania  przez  

przepisy towarzystw kwalifikacyjnych : 

 

 - z karbem w kształcie litery U  (zwane Charpy U ) , o głębokości karbu 5mm ,                                    
 - z karbem w kształcie litery V   (zwane Charpy V ) , o głębokości karbu 2mm.   

 
Długość dla każdego rodzaju próbek wynosi 55mm, szerokość zaś 10mm. 

Próbki, a zwłaszcza karby powinny być wykonane drogą obróbki mechanicznej 
przez  skrawanie,  aby  nie  dopuścić  do  powstawania  nierówności  i  rys  zarówno 
na powierzchni  próbki, jak i dnie karbu, widocznych gołym okiem. 

Sama  próbka  powinna  być  wykonana  według  dopuszczalnych  norm  dla 

danej  próby  udarności.  Tabela  przedstawia  wymiary  i  odchyłki  dla  próbki  z 
karbem V użytej w czasie próby: 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Oznaczenia 

Wymiar nominalny 

Odchyłka dla obróbki 

background image

 

Długość 

55 mm 

 0,60 mm 

Wysokość 

10 mm  

 0,06 mm 

Szerokość 

10 mm 

7,5 mm 

5 mm 

 0,11 mm 

 0,11 mm 

 0,06 mm 

Kąt karbu 

45 

 

 2

 

Promień zaokrąglenia dna 

karbu próbki  

8 mm 

 0,06 mm 

Wysokość poniżej karbu 

0,25 mm 

 0,025 mm 

Odległość płaszczyzny 

symetrii karbu od końca 

próbki 

 

27,5 mm 

 

 0,42 mm 

Kąt między płaszczyzną 

symetrii karbu a wzdłużną 

osią próbki 

 

90

 

 

 2

 

Kąt między przyległymi 

wzdłużnymi płaszczyznami 

próbki 

 

90

 

 

 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
Próbę  udarności  przeprowadzono  w  różnych  temperaturach  dla  stali 

kadłubowych kategorii  A, próbka Charpy  V, stale  walcowane. Przy pomiarach 
udarności w obniżonych temperaturach należy przed badaniem schłodzić próbkę 
do wymaganej  temperatury.  Schładzanie  próbek  przeprowadza się w komorze  
chłodzącej  zwanej  termostatem,  wykonanej  jako  naczynie  o  podwójnych 
ściankach  lub  z  materiału  izolacyjnego,  jak  w  naszym  przypadku.  Pomiar 
temperatury  przeprowadzono  przy  użyciu  termometru,  znajdującego  się  w 
cieczy,  wraz  z  chłodzoną  próbką.  Jako  środek  oziębiający  stosuje  się  ciecz, 
której temperatura zamarzania jest większa niż temperatura próby, do tego celu 
użyto  alkoholu  etylowego  zwanego  denaturatem.  Do  schładzania  użyto 
dwutlenku  węgla  (  suchego  lodu  CO

2(s)

).  Po  osiągnięciu  przez  ośrodek 

oziębiający  żądanej  temperatury,  suchy  lód  wyjęto  z  cieczy,  a  komorę  wraz  z 
próbką i kleszczami do przenoszenia próbki zamknięto szczelnie w termostacie 
na co najmniej 15 minut. 

 Próbę  wykonano  dla  temperatury  -20

C  i  20

C.  Po  wyjęciu  próbki, 

wstrząśnięto nią, w celu oczyszczenia jej z pozostałości cieczy chłodzącej. 

 

Liczba pomiarów  temp. pomiaru [

o

C]  Udarność [J] 

+20 

20 

-20 

-40 

4,5 

 

background image

 

 
Wyniki badań: 
 
Udarność   KCV = KV/S

o

 [J/cm

2

 
 

gdzie: 

 

 

KV   energia złamania próbki z karbem V 
S

o

 

Powierzchnia przekroju poprzecznego próbki w  

  

miejscu karbu 

 

 

S

o = X

 

o

 * y

o

 

 

 

 

gdzie: 

 

 

X

  

wysokość poniżej karbu 

szerokość próbki 

 
S

o

 = 0,8 * 1 = 0,8 [cm

2

 

Czyli dla temperatur odpowiednio: 
 

 

 

KCV

150

    = 25     [J/cm

2

 

 

 

KCV

-20

150

 = 8,75 [J/cm

2

KCV

-40

150

 = 7,5  [J/cm

2

 
 
 

0

5

10

15

20

25

20

-20

-40

Temperatura [°C]

U

da

rn

ć 

[J

]

 

background image

 

 

Wykres  krzywej  przejścia  stali  w  stan  kruchy  z  otrzymanych  z 

danych w czasie ćwiczenia. 

 
Próbki  wycięte  w  poprzek  kierunku  walcowania,  K

wym

  =  20J,  najlepiej 

jest  używać  powyżej  temperatury  T

K

  =  10

  o

C  (odczytane  z  wykresu),  gdyż 

poniżej  materiał  ukzuje  przełom  kruchy.  W  celu  obniżenia  temperatury  T

 

dodaje się nikiel, który przesuwa ją w dół

.  

W  czasie  ćwiczenia  podano  także  udarność  stali  kategorii  D  60  [J].  Jak 

widać jest ona dużo większa, czyli posiada lepszą jakość do zastosowania . 
 

Stal  kategorii  A  jest  najgorsza  w  porównaniu  z  innymi  kategoriami, 

niemniej  także  stosowana  na  stale  kadłubowe.  Przełom  tej  próbki  w 
temperaturze  +20

C  wykonano  dla  dwóch  próbek.  Pierwsza  z  nich,  nie  udała 

się,  gdyż  przełom  tej  próbki  mijał  się  z  oczekiwanymi  (prawie  całkowity 
przełom kruchy) . Dla  kategorii D stali, to 97% przełom kruchy i 3% przełom 
ciągliwy. 

 Drugi był przełomem mieszanym, czyli spodziewany. Po bokach i u dołu 

próbki pasek około 1mm różniły się, był to pasek ciągliwy 25%. Przełom kruchy  
to  pozostałe  75%.  Wygląd  przełomu  był  książkowy,  czyli  w  środku  ziarnisty 
skrzący, na obrzeżach matowy. 

Natomiast  dla  temperatury  -20

C  stal  kategorii  A,  posiada  przełom 

kruchy. 
 

 
 
Wnioski i spostrzeżenia:
   

 

 

 

Z  powodu  ukazania  tylko  samej  zasady  badania  próbki  Charpy  V,  na 

młocie  wahadłowym  Charpy,  ilość  zbadanych  próbek  była  ograniczona 
względami ekonomicznymi. Część danych została zaczerpnięta od innych grup, 
które badały próbki w innych temperaturach. Sama próba ukazuje wytrzymałośc 
materiału  na  kruche  pękanie.  Nie  jest  ona  bardzo  dokładna,  ale  wystarczająco 
informuje nas o jej własnościach. 
 

Próba nie została przeprowadzona ściśle z zaleceniami towarzystw, czy z 

dokładnością, co byłoby oczywiście bardzo trudne, wręcz niemożliwe,  lecz dla 
potrzeb ćwiczenia ukazanie dokładnych wyników nie było zamiarem. 
 

Uważam,  że  ćwiczenie  jest  bardzo  przydatne  i  pouczające  studenta, 

mogącego w przyszłości spotkać się z zagadnieniem “udarności”.