background image

WSTĘP 

 
Wiadomości podstawowe 

 
Szybki  rozwój  badań  odporności  na  kruche  pękanie  spowodowany  został 

zawodnością oceny ciągliwości stali na podstawie wyników badań  gładkich próbek 

na  rozciąganie  lub  zginanie.  Ocena  ta  jest  zawodna  szczególnie  dla  stali 

stosowanych  na  konstrukcje  spawane.  W  okrêtownictwie  pojawi³  siê  rónie¿  jako 

skutek  uboczny  wprowadzenia  spawania  do  budowy  statków.  By³o  to 

spowodowane: 

 

niew³aœciwym  sk³adem  chemicznym  stali,  zmianami  strukturalnymi  w  strefie 

wp³ywu ciep³a z³¹cza spawanego oraz spawalniczymi naprê¿eniami pozostaj¹cymi 

 

karbami na krawêdzi nadlewu oraz w grani spoiny 

Niekiedy  sama obecnoœæ karbu mo¿e niekiedy spowodowaæ, ¿e stal zachowuj¹ca 

siê  plastycznie  przy  rozci¹ganiu  próbek  g³adkich,  pêka  w  sposób  zbli¿ony  do 

pêkania kruchego tzn. Bez uprzednich odkszta³ceñ plastycznych w skali makro.  

Udarowa próba zginania próbek z karbem, zwana prób¹ udarnoœci, s³u¿y do oceny 

zachowania  siê  stali  pod  dzia³aniem  nastêpuj¹cych  czynników  sprzyjaj¹cych 

kruchemu pêkaniu: 

  ostrego karbu 

 

du¿ej szybkoœci przyrostu odkszta³cenia 

 

obni¿onej temperatury 

background image

 

Zasady próby 

Próba  udarnoœci  polega  na  z³amaniu  jednokrotnym 

uderzeniem  bijakiem  m³ota  wahad³owego  próbki  z 

karbem,  podpartej  swobodnie  obydwoma  koñcami  na 

podporach  m³ota,  i  pomiarze  energii  K  zu¿ytej  na 

z³amanie próbki (rys4.2). Kszta³t i wymiary próbek oraz 

warunki próby okreœla norma: PN-EN 10045-1. Wynik 

próby  stanowi  energia  zu¿yta  na  z³amanie  próbki  (K). 

Energia  ta  podzielona  na  przekrój  poprzeczny  pocz¹tkowy  próbki  jest  miar¹ 

udarnoœci materia³u, co wyra¿a siê wzorem:  

 

KC=K/S

o

 [J/m

2

Póba udarnoœci 

Próbê udarnoœci przeprowadza siê na m³otach wahad³owych typu Charpy (rys4.1). 

Wahad³o  m³ota  w  swoim  pocz¹tkowym  po³orzeniu  posiada  max.  energiê 

pocz¹tkow¹: 

 

K

max

=mgh

gdzie: m.-masa bijaka m³ota,  

 h

o

-wysokoœæ wzniesienia bijaka ponad   próbkê 

g- przyspieszenie ziemskie 

Pocz¹tkowa  energia  uderzenia  w  naszym  laborztorium  wynosi  150  J,  ale 

dopuszczalne  s¹  jeszcze  inne  wartoœci  energii  np.  300  J,  lub  o  mniejszej  energii. 

Wahad³o  wychylone  od  pionu  o  k¹t  rozwarty 

,  zostaje  zwolnione  z  zaczepów  i 

spadaj¹c w dó³ ³amie próbkê po czym  

wznosi  siê  na  wysokoœæ  h

k

  i  wyhyla  od  pionu  o  k¹t 

,  co  odpowiada  koñcowej 

energii K

k

. Praca z³amania próbki: 

 

Rys4.2 

background image

 

K = K

max 

- K

= mg(h

o

-h

k

) = mgR(cos

-cos

)  

 

gdzie R- d³. wahad³a od osi obrotu whad³a do œrodka próbki na podporach 

Na  skali  m³ota  mo¿na  odczytaæ  wartoœæ  energii  lub  te¿  wartoœæ  k¹tow¹.  W 

naszym  przypadku  odczytaliœmy  od  razu  wartoœæ  energii,  dla  poszczególnych 

próbek (wartoœci te przytoczymy póŸniej). Tak przyjête okreœlenie udarnoœci nie 

ma  podstaw  fizycznych,  a  przy  badaniu  próbek  z  karbem  nie  wystêpuje  prawo 

podobieñstwa.  St¹d  udarnoœæ  mo¿na  porównywaæ  jedynie  w  odniesieniu  do 

jednego rodzaju i wymiarów próbek. 

Próbka  standardowa  do  badania  udarnoœci  powinna  mieæ  d³.  55mm  i  przekrój 

poprzeczny  kwadratowy  o  boku  równym  10mm.  W  po³owie  d³.  próbki  powinien 

znajdowaæ siê karb. Rozró¿nia siê dwa rodzaje karbu: 

 

karb  w  kszta³cie litery V o k¹cie 45

o

, g³êbokoœci 2mm i promieniu zaokr¹gelnia 

dna 0,25mm 

 

karb w kszta³cie litery U o g³êbokoœci 5mm ipromieniu zaokr¹gelnia dna 2mm. 

Wa¿nym  punktem  przy  omawianiu  próbek  jest  sposób  ich  przygotowania.  Ze 

wzglêdu na to dzielimy próbki na: 

 

wzd³u¿ne, czyli wycinane wzd³u¿ kierunku walcowania  

 

background image

 

  poprzeczne,  wycinane  w  poprzek  kierunku  wlcowania  (tak  jak  w  przypadku 

naszych próbek) 

Próbki  wzd³u¿ne  musz¹  odznaczaæ  siê  wiêksz¹  udarnoœci¹  (27J)  ni¿  próbki 

poprzeczne(20J). 

Celem  próby  jest  wyznaczenie  K,  KC  przyczym  ten  ostatni  symbol  uzupe³nia  siê 

odpowiedni¹  liter¹  oznaczaj¹c¹  rodzaj  próbki,  u  góry  temp.  próby,    a  na  dole  cyfry 

oznaczaj¹ce w kolejnoœci: energiê pocz¹tkow¹ m³ota, g³êbokoœæ karbu, szerokoœæ 

próbki.  Niektóre  z  tych  cyfr  mog¹  zostaæ  pominiête  w  przypadku  próbek 

standadowych.  

Na podstawie tych danych wyznacza siê temperaturow¹ krzyw¹ przejœcia materia³u 

w stan kruchy t

k

. W zakresie wy¿szych temperatur udarnoœæ stali jest stosunkowo 

du¿a,  i  znajduje  siê  ona  w  tzn.  stanie 

ciagliwym. 

zakresie 

temp. 

niskich 

udarnoœæ  jest  stosunkowo  ma³a  i  wystêpuje 

tzw.  stan  kruchy.  Pomiêdzy  tymi  stanami 

znajduje  siê  stan  mieszany  (przejœciowy)  w 

którym  udarnoœæ  maleje  ze  spadkiem 

temperatury. 

Czasem 

spadek 

ten 

jest 

gwa³towny, a czasem tylko umowny. 

Obok  tych  wartoœci  dodatkowych  unformacji 

o  w³asnoœciach  metalu  daje  nam  wygl¹d  prze³omu  próbki.  Na  jego  podstawie 

mo¿emy  okreœlic  procentow¹  iloœæ  prze³omu  ci¹gliwego,  który  jest  wprost 

proporcjonalny  do  energii  propagacji  pêkniêcia  (rozwoju  pêkniêcia),  która¿  jest 

znowu  jedn¹  ze  sk³adowych  energii  K,  obok  energii  inicjacji  pêkniêcia.  Energia 

propagacji jest to energia, któr¹ materia³ przeciwstawia rozwojowi pêkniêcia. Jeœli 

 

background image

 

jest  ona  dostatecznie  du¿a  to  mo¿e  ona  doprowadziæ  nawet  do  zatrzymania 

pêkniêcia.ju¿ zainicjowanego w karbie.  

 

Tempratura próby 

Próbê  udarnoœci  przeprowadza  siê  w  temp.  Pokojowej  tj.  20

o

C  jak  i  w  ni¿szych 

temperaturach.  Jest  to  uzale¿nione  od  tego  gdzie  dana  konstrukcja  bêdzie 

pracowa³a. 

My 

wykonaliœmy 

próby  w  temp 

pokojewej(20

o

C)  jak  i  w 

obni¿onej 

temp. 

-40

o

C. 

Do  uzyskania 

tak  niskij temp. 

Próbkê 

sch³adza  siê  w 

komorze 

ch³odz¹cej zwanej termostatem, wykonanej jako naczynie o podwójnych œciankach 

lub  z  materia³u  izolacyjnego  (rys.4.3).  Termostat  musi  umo¿liwiaæ  pomiar  temp. 

œrodka ch³odz¹cego. Jako œrodek ch³odz¹cy stosuje siê najczêsciej alkohol etylowy 

(np. denaturat), którego temperaturê obni¿a siê za pomoc¹ suchego lodu (sta³e kostki 

dwutlenku wêgla). 

 

METODYKA BADAÑ 

 

background image

 

 

Próbki  jakie  poddaliœmy  badaniu  udarnoœci  to  próbki  porzeczne  typu  V  10x10 

[mm], wykonane ze stali ZW (zwyk³ej wytrzyma³oœci) kat. A. Normalnie nie bada 

siê  ich  udarnoœci,  ale  my  wykonaliœmy  te  pomiary  w  celu  czysto dydaktycznym. 

Stale  te  s¹  przyjmowane  przez  kupuj¹cych  na  zasadzie  zaufania  do  firmy 

produkuj¹cej  stal,  niemniej ic udarnoœæ powinna dla temp. pokojowej wynosiæ 20 

J. Energia pocz¹tkowa m³ota Charpy’ego  K

max

=150 J. Na naszej skali m³ota mo¿na 

by³o odczytaæ wartoœæ energii odrazu ze skali. I tak: 

1. dla temp. 20

o

C otrzymaliœmy energiê z³¹mania próbki K=23 J 

2. dla temp. -40

o

C otrzymaliœmy energiê z³amania próbki K=5,5 J 

 

ad. 1. 

Prze³om:  matowy  po  przeciwnej  stronie  karbu  (prze³om  ci¹gliwy  30%),  reszta  to 

kruchy  70%.  Oznacza  to  ¿e  grupa  stali  z  której  zosta³a  wykonana  próbka  w  razie 

wyst¹pienia  na  niej  karbu  mo¿e  pêkn¹æ  w  sposób  kruchy  i  s¹  ma³e  szanse  na 

zatrzymanie rozwoju pêkniêcia.  

Udarnoœæ dla tej próbki: 

KU=K/S

o

=23/100=0,23 [J/mm

2

]  

 

ad.2. 

Prze³om kruchy. Konstrukcje wykonane z tego rodzaju stali pracuj¹ce w tak niskich 

temp. s¹ bardzo mocno nara¿one na kruche pêkanie. Udarnoœæ dla tej próbki: 

KU=K/S

o

=5,5/100=0,055 [J/mm

2

 

WNIOSKI 

background image

 

Dla  podania  ogólnych  wyników  próby  nie  nale¿y  siê  sugerowaæ  wynikami  jednej 

próby, dlatego te¿ sprawdziliœmy wyniki w innych grupach i o to co otrzymaliœmy:  

  dla temp. -40

o

C, energia z³amania próbki K=6 J (100%-prze³om kruchy) 

  dla temp. -20

o

C, energia z³amania próbki K=9,5 J (100%-prze³om kruchy) 

  dla temp. 20

o

C, energia z³amania próbki K=23,5 J (30%-prze³om ci¹gliwy) 

 

Œrednia enrgia z³amania próbki (w 20

o

C) wynosi: 

 

K

œr

=(K+K)/2= 23,25 [J] 

Œrednia udarnoœæ (w 20

o

C) wynosi: 

 

KU=(KU+KU)/2= 0,2325 [J/mm

2

 

 

Oprócz  tych  badañ  dodatkowo 

ogl¹daliœmy 

prókê 

karbem 

wykonan¹  ze  stali  kat.  D,  po  próbie 

udarnoœciowej.    Okaza³o  siê  ¿e 

próbka  ta  uleg³a  z³amaniu  ale  po 

uprzednim  odkszta³ceniu  plastycznym  (zgiêciu).  Prze³om  tej  próbki  by³  ci¹gliwy  w 

96%,  co  oznacza  ¿e  grupa  stali  z  której  by³a  wykonana  próbka  charakteryzuje  siê 

bardzo  du¿¹  zdolnoœci¹  do  zatrzymania  rozwoju  pêkniêcia.  Jej  K  wynosi  70  J, 

podczas gdy przez normy jest wymagane o po³owê mniej. 

Ogl¹daliœmy  równie¿  próbkê  bez  karbu,  której  próba  udaru  zosta³a  wykonana  w 

temp.  -60

o

C.  Okaza³o  siê  ¿e  próbka  ta  uleg³a  tylko  zgiêciu,  co  oznacza  ¿e  ta  stal 

je¿eli nie zainicjuje siê ¿adne pêkniêcie nie ulegnie kruchemu pêkniêciu. 

 

Temp. przejscia w stan kruchy

(wrtości uśrednione)

5,75

7,5

23,25

0

5

10

15

20

25

-40

-20

20

T [oC]

KV

[J]

 

T

k