background image

 

- 1 - 

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 S

0

0

S

K

KC

  





2

cm

J

 

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. 

 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

KV 

KV

wym 

T

K2

 

T

K1 

TEMP. T 

stal  2 

stal  1 

background image

 

- 2 - 

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 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.  

 

 
 
 
 
 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

       

 

 

 

 

 

 

 

   2 

 

 

 

 

 

background image

 

- 3 - 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

               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: 

1

max

h

g

m

K

 

[J] 

gdzie:  m – masa bijaka młota [kg] 

g – przyspieszenie ziemskie 





2

s

m

;  

81

,

9

g

 





2

s

m

 

h

1

 – wysokość wzniesienia wahadła ponad próbkę [m] 

Początkowa energia młota wynosi 150 J. Wahadło wychylone od pionu o kąt rozwarty 

α

1

  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 h

2

  i wychyla się 

od pionu o kąt α

2

. Praca złamania próbki: 

1

2

2

1

2

max

cos

cos

R

g

m

h

h

g

m

K

K

K

 

[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 

background image

 

- 4 - 

próbek  R

  1,25 

m.  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 

 

a) 

 

 
 
 
 

b) 

 

 
 
 
 

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 

l/2 = 27,5 mm

 

   l = 55 mm

 

L=40 mm

 

45

 

h     a     

h     

a     

background image

 

- 5 - 

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

= 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: 

0

S

K

KC

 

Przykrój próbki w miejscu karbu S

0

 (prostokąt) obliczamy ze wzoru: 

0

0

0

b

a

S

 

[cm

2

gdzie:  a

0

 – szerokość próbki  

 

b

0

 – wysokość próbki poniżej karbu  

Zatem 

2

0

8

,

0

8

,

0

1

cm

cm

cm

S

 

 
 

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 

23

21 

22 

26,875 

70% -  środkowa 
część przełomu 

30% - pasek rzędu 

1mm naprzeciw karbu 

-20 

 

6,5 

8,125 

niemal całkowicie  

znikoma część 

-40 

7,5 

7,8125 

całkowicie 

(

99,9%) 

mikroskopijnie mały 

(

0,1%) 

23

 

70 

87,5 

97% - znaczna 

większość 

3% - małe oczko na 

środku 

background image

 

- 6 - 

 

Obliczania udarności dla: 
a)  stali  kategorii  A  (w  przypadku  dublowania  się  wyników  do  obliczeń  użyto  ich  średniej 

arytmetycznej obliczonej ze wzoru  

2

2

1

KV

KV

KV

  ) 

KCV 

875

,

26

8

,

0

5

,

21

150

 

2

cm

J

 

 

KCV

-20

 

125

,

8

8

,

0

5

,

6

150

 

2

cm

J

 

 

KCV

-40

 

8125

,

7

8

,

0

25

,

6

150

 

2

cm

J

 

 
b)  stali kategorii D 

KCV 

5

,

87

8

,

0

70

150

 

2

cm

J

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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 

Temperaturowa krzywa przejścia stali 

kategorii A w stan kruchy

0

5

10

15

20

25

-40

-20

23

Temperatura  [ 

o

C ]

En

er

gi

KV

 [J

]

background image

 

- 7 - 

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.