Wstęp

Udarowa próba zginania próbek z karbem, zwana próbą udarności, służy do oceny zachowania się stali pod działaniem następujących czynników sprzyjających kruchemu pękaniu:

- ostrego karbu

- dużej szybkości przyrostu odkształcenia (udarowe działanie siły)

- obniżonej temperatury.

Problem kruchych pęknięć pojawił się w okrętownictwie jako skutek uboczny wprowadzenia spawania do budowy statków. Było to wynikiem zastosowania stali o niewłaściwym składzie chemicznym, zmianami strukturalnymi w strefie wpływu ciepła złącza spawanego, spawalniczymi naprężeniami oraz karbami na krawędzi nadlewu i w grani spoiny. Do lat 50 problem ten był przyczyną wielu zatonięć statków handlowych oraz okrętów marynarek wojennych na całym świecie (szczególnie we flocie USA). Problem nie zniknął do końca o czym może świadczyć niedawne zatonięcie tankowca British Navy w okolicach zatoki św. Wawrzyńca oraz uszkodzenie polskiego siarkowca w marcu tego roku. Jest on jednak opanowany i kontrolowany, czemu przyczyniła się próba udarności stali. Obecnie próba ta służy jako podstawowe kryterium oceny odporności materiału na kruche pękanie, a wymagania odnośnie do wartości pracy złamania próbek ze stali kadłubowych w określonych temperaturach są podstawą podziału tych stali na kategorie. Należy zaznaczyć, że wartość udarności (lub energi łamania) bardzo silnie zależy od geometrii próbki, a zwłaszca karbu. Stąd udarności nie można uznać za jednoznaczną własność materiałową. Geometrie konstrukcji są zwykle odmienne od próbek, stąd niemożliwe jest bezpośrednie zastosowanie wyników prób udarności do obliczenia analizy odporności konstrukcji na kruche pękanie. Jest ona jednak skutecznym miernikiem jakości materiałów stosowanym powszechnie przy klasyfikacji stali kadłubowych. Do doświadczenia wykorzystuje się próbki z dopuszczalnymi odchyłkami wymiarowymi według normy Euronorma EN 10045-1:1990. Obejmuje ona próbki Charpy V (z karbem w kształcie litery V, o głębokości 2 mm) oraz Charpy U (z karbem w kształcie litery U, o głębokości 5 mm). Wartości pracy łamania KV na tych próbkach powinny odpowiadać wymaganiom podanym w odpowiedniej tablicy w przepisach towarzystw klasyfikacyjnych. Całkowita energia złamania próbki KV składa się z energii inicjacji KVi (zapoczątkowanie pęknięcia w dnie karbu) i energii propagacji KVp (rozwoju pęknięcia). Energia propagacji jest to energia, którą materiał przeciwstawia rozwojowi pęknięcia. Jest ona w przybliżeniu proporcjonalna do wielkości powierzchni przełomu ciągliwego w próbce (w niskich temperaturach jest ona znikoma).

Metodyka badań

Próbę udarności wykonuje się na młocie wahadłowym typu Charpy. Polega ona na złamaniu badanej próbki z karbem, którą umieszczamy podpartą swobodnie na podporach młota i pomiarze energii K zużytej na złamanie próbki.Należy pamiętać o tym, aby przed wykonaniem próby zmierzyć z dokładnie wymiary przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu oraz zbadać gotowość młota do próby tzn.:

1. Zbadać, czy odległość między podporami młota wynosi 40 mm.

2. Zbadać, czy bijak młota uderza symetrycznie między podporami.

3. Zbadać, czy wskazówka wskaże na skali wartość energii łamania próbki równą 0 po pełnym swobodnym wahnięciu młota bez próbki.

4. Zbadać, czy odległość między płaszczyznami symetrii karbu i bijaka wahadła młota nie przekracza 0,5 mm

Energię wahadła młota w położeniu początkowym możemy przedstawić za pomocą wzoru:

K=mgh1

gdzie:

m - masa bijaka młota

g - przysoieszenie ziemskie

h1 -wysokość wzniesienia wahadła ponad próbkę

Wartość początkowa energii wahadła młota wynosi 150J lub 300J. Podczas wykonywania próby zwalniamy wahadło z zaczepów. Uderza ono w próbkę, a następnie wznosi się na pewną wysokość h2. Stąd wzór na pracę załamania próbki wyglądać będzie następująco:

K=Kmax-K2=mg(h1-h2)

Wzór ten można również przedstawić w innej postaci:

K=mgR(cos-cos1)

gdzie: 1- początkowe wychylenie wahadła od pionu

 - końcowe wychylenie wahadła od pionu

R - długość wachadła mierzona od osi obrotu wahadła do środka próbki na podporach

Próbę udarności możemy wykonywać w temperaturze pokojowej (23C), a także w temperaturze obniżonej. Schłodzenie próbki przeprowadza się w urządzeniu zwanym termostatem - naczyniu o podwójnych ściankach lub wykonanego z materiału izolacyjnego. Schładzanie próbki do niskich temperatur (np. -40C) jest możliwe dzięki zastosowaniu alkoholu etylowego (denaturat) oraz kostek stałego dwutlenku węgla (tzw. suchego lodu). Termostat musi umożliwiać pomiar temperatury jego wnętrza. Temperatura ośrodka winna być niższa o 4C poniżej temperatury próby. Próbę udarności należy przeprowadzić w ciągu 5 sekund od wyjęcia próbki z ośrodka ochładzającego. Jeżeli kleszcze do wyjmowania próbki nie są opatrzone w gumowe szczęki to należy je schłodzić razem z próbką.

Wyniki

Podczas ćwiczeń przeprowadziliśmy probę udarności na próbkach Charpy V, wyciętych w poprzek kierunku walcowania, dla dwoch kategorii stali:

- kategorii A (stal kadłubowa o zwyczajnej wytrzymałości, najtańsza i najczęściej stosowana)

- kategorii D

Pierwsze doświadczenie przeprowadziliśmy w temperaturze pokojowej. Energia złamania próbki w tym doświadczeniu wyniosła 24J. W złamanej próbce mogliśmy zaobserwować dominującą strefę przełomu kruchego (ok. 85% powierzchni przełomu) w części centralnej oraz niewielką (około 15%) strefę przełomu ciągliwego znajdującą się na obrzeżach próbki.

Dla drugiej próbki, schłodzonej do temperatury -40C, energię złamania wyniosła 5J. Po złamaniu, przełom próbki okazał się w całości przełomem kruchym, jednakże pod mikroskopem można było odnaleźć obszary charakteryzujące się plastycznością.

Trzecia próbka schłodzona do temperatury -20C osiągneła energię złamania równą 8J. Powierzchnię przełomu stanowił w głównej mierze przełom kruchy, choć widoczne były także minimalne obszary odkształceń plastycznych.

Przeprowadziliśmy także próbę udarności dla stali kategorii D, w wyniku której otrzymaliśmy wartość energi złamania ok. 60-70J. Przełom w przeważającej części był ciągliwy, a w mniejszej, środkowej kruchy.

kategoria stali	temp. próby	praca łamania K	przełom ciągliwy
A	23 C	24J	15%
A	-20 C	8J	minimalny
A	-40 C	5J	brak
D	23 C	60-70J	98%

Wnioski

• pierwsza próbka, testowana w temperaturze pokojowej, zprostała wymaganiom towarzystw klasyfikacyjnych uzyskując pracę łamania większą od wymaganej (20J) o 4 J.

• Ponieważ powierzchnia ciągliwa przełomu w pierwszych trzech próbach była niewielka, znikoma lub w ogóle jej nie było, to energia propagacji była znikoma.

---