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

2

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

o

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

3

K = K

max

- K

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

4



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.

W

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

5

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

6

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

7

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

z

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