- 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

- 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

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

- 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

- 4 -

próbek R

s



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



b

h a

b

h

a

- 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

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:

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

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

- 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

a

KV

[J

]

- 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.