1

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.

2

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

3

K -praca uderzenia odpowiadająca energii zużytej na złamanie

próbki

K

2

- energia złamania próbki

m - masa bijaka młota
g - przyspieszenie ziemskie
h

1

(



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

4

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]

1

+20

20

2

-20

7

3

-40

4,5

5

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

y

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

oś

ć

[J

]

6

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

K

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”.