PRÓBA UDARNO CI METALI W TEMPERATURZE
POKOJOWEJ
Celem wiczenia jest wykonanie zgodnie z norm PN-79/H-04370 próby udarno ci stali. Próba
ta pozwala zbada zachowanie si metalu w warunkach sprzyjaj cych kruchemu p kaniu. Warunki
takie uzyskuje si na skutek udarowego działania siły na próbk z karbem.
4.1. WPROWADZENIE
Nowoczesne maszyny w czasie pracy cz sto s nara one na obci enia dyna-miczne. Istnieje
wi c konieczno badania wła ciwo ci charakteryzuj cych za-chowanie si materiału w przypadku
wyst pienia nagłych zmian obci e . W tym celu stosuje si próby dynamiczne, w których działanie
siły trwa bardzo krótko, a nagły wzrost obci enia powoduje du e szybko ci odkształcenia.
W czasie bada udarowych mo na dokładniej ni podczas bada statycznych okre li zmiany
wła ciwo ci wytrzymało ciowych materiału poddanego proce-som technologicznym. Otrzymuje si
inne wyniki udarno ci w zale no ci od po-ło enia próbki wzgl dem kierunku walcowania, stopnia
zgniotu (zgniot obni a udarno ), zawarto ci w gla (wzrost zawarto ci w gla obni a udarno ). Inne
te one b d w ró nych temperaturach. Na ogół udarno obni a si wraz ze spadkiem temperatury.
Ka da stal charakteryzuje si tzw. temperatur krytyczn , poni ej której warto udarno ci
gwałtownie spada. Ponadto próba udarno ci pozwala łatwiej ni próba statyczna wykry wady
strukturalne materiału, powstałe wskutek nieprawidłowej obróbki cieplnej.
Rozró nia si nast puj ce próby udarowe: rozci ganie, ciskanie, skr canie i zginanie. W
praktyce najcz ciej stosuje si prób ostatni , która nazywa si prób na zginanie udarowe — w
przypadku gdy wykonana jest na próbkach bez karbu, oraz prób na udarno — w przypadku gdy
wykonana jest na próbkach z karbem.
Zastosowanie karbu do próby na udarno ma na celu zlokalizowanie p kni cia i stworzenie
warunków do powstania kruchego p kni cia w materiałach ci gliwych. Kruchym p kni ciem
materiału nazywane jest takie p kni cie, przy którym nie dostrzega si objawów odkształcenia
materiału (np. zw enia prze-
kroju przy p kni ciu). Przełom w próbie udarno ciowej jest na ogół błyszcz cy, ziarnisty a nie
matowy oraz włóknisty jak przy próbie na rozci ganie.
Warto ci udarowe uzyskane na próbkach ró nego kształtu nie s ze sob po-równywalne.
Stosuje si na wiecie ró ne kształty próbek udarno ciowych. W polskich Normach zaleca si próbki o
przekroju prostok tnym i wymiarach 55x10x10 mm z karbem w kształcie litery U, o wysoko ci w
miejscu karbu h = 8 mm, h = 7 mm oraz h = 5 mm oraz próbki z karbem w kształcie litery V, o
wysoko ci w miejscu karbu h = 8 mm. Schematy przykładowych próbek przedstawiono na rys. 4.1.
Rys. 4.1. Próbki pomiarowe: a) Mesnager, b) ISO-Charpy U, c) ISO-Charpy V
Liczb próbek potrzebnych do bada , miejsce ich pobrania oraz poło enie osi karbu ustalaj
normy przedmiotowe lub warunki techniczne. Zwykle do bada pobiera si trzy próbki. Warunki
pobrania próbki powinny by takie, aby nie spowodowa podczas ci cia próbki zgniotu i zmian
strukturalnych. Obróbka samych próbek powinna by całkowicie wiórowa. Karb wykonuje si za
pomoc frezowania lub wiercenia i przecinania. Du y wpływ na udarno ma promie zaokr glenia i
gł boko karbu, niedopuszczalne s na dnie karbu rysy widoczne gołym okiem.
Prób udarno ci przeprowadza si przy u yciu młotów wahadłowych. Prób nale y
przeprowadzi tak, aby uderzenie młota było rodkowe oraz o karbu le ała w płaszczy nie ruchu
młota i karb był po stronie przeciwnej do uderzenia (rys. 4.2).
Do próby udarno ci słu y wg PN młot wahadłowy typu Charpy. Schemat działania młota
wahadłowego przedstawiono na rys. 4.3. Po opuszczeniu luzem z poło enia 0 młot osi gnie poło enie
1. Je eli natomiast w poło eniu równowagi młota jest umieszczona próbka udarno ciowa, to młot
spadaj c musi wykona prac na zniszczenie tej próbki i po jej złamaniu wznie si do poło enia 2.
Rys. 4.3. Schemat działania młota wahadłowego typu Charpy
Zatem energia zu yta na złamanie próbki b dzie równa ró nicy zasobów energii potencjalnej w
poło eniu 1 i 2:
K = L
1
- L
2
= Gh
1
-Gh
2
,
(4.1)
gdzie:
G - ci ar młota,
L
1
- zasób energii młota na wysoko ci h
1
,
h
1
- wysoko podniesienia młota swobodnego, puszczonego z wysoko ci h
0
,
L
2
- zasób energii młota w poło eniu 2,
h
2
- wysoko podniesienia młota, puszczonego z wysoko ci h
0
po złamaniu próbki.
Pocz tkowa energia uderzenia młota wg PN powinna wynosi : 300, 150, 100, 50, 10 lub 5 J.
Nale y j dobiera w ten sposób, aby warto energii zu ytej na złamanie próbki wynosiła powy ej
10% warto ci energii pocz tkowej młota.
Młoty udarno ciowe zaopatrzone s zwykle w skal , na której mo na bezpo rednio odczyta
energi . Nale y j podawa wg PN w d ulach.
Miar udarno ci zgodnie z PN jest stosunek energii zu ytej na złamanie próbki za pomoc
jednorazowego uderzenia do przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu
(4.2)
gdzie:
K - praca uderzenia [J],
S
0
- powierzchnia pocz tkowa przekroju w miejscu karbu [cm
2
].
W PN podano wykaz stosowanych oznacze pracy uderzenia oraz udarno ci w zale no ci od
pocz tkowej energii młota, kształtu i gł boko ci karbu oraz szeroko ci próbki. Symbol pracy
uderzenia K lub udarno ci KC uzupełnia si kolejno literami U lub V, oznaczaj cymi kształt karbu,
oraz liczbami oznaczaj cymi pocz tkow energi młota w d ulach, gł boko próbki w milimetrach
oraz jej szeroko w milimetrach. Dodatkowych liczb nie podaje si w przypadku stosowania:
a) młota o pocz tkowej energii Kmax = 300 J,
b) próbek o szeroko ci b = 10 mm i gł boko ci karbu a - h = 5 mm dla próbek z karbem w
kształcie litery U oraz gł boko ci karbu a - h = 2 mm dla próbek z karbem w kształcie litery V,
np. KCU 150/3/7,5 oznacza udarno okre lon za pomoc młota o pocz tkowej energii Kmax
= 150 J, na próbce z karbem w kształcie litery U, o gł boko ci karbu a - h = 3 mm i szeroko ci
próbki b = 7,5 mm, natomiast KV oznacza prac uderzenia okre lon za pomoc młota o
pocz tkowej energii Kmax = 300 J, na próbce z karbem w kształcie litery V, o gł boko ci karbu
a - h - 2 mm i szeroko ci próbki b=10mm.
Rys. 4.4. Schemat przełomów
W próbkach mog wyst pi trzy rodzaje złomów, które przedstawiono na rys. 4.4. S to:
1) złom kruchy - próbka p kła, nie ulegaj c plastycznemu odkształceniu (rys. 4.4a);
2) złom po lizgowy - próbka została zgi ta, a p kni cie nast piło po przekroczeniu granicy
plastyczno ci (rys. 4.4b);
3) złom z rozwarstwieniem - próbka p kła, przełom wykazuje lady rozwarstwienia, du y
stopie anizotropowo ci materiału, spowodowanej np. obróbk plastyczn lub obecno ci
zanieczyszcze (rys. 4.4c).
4.2. PRZEBIEG WICZENIA
1. Zapozna si dokładnie z norm PN-79/H-04370 wraz z poprawkami wprowadzonymi w 1980 r.
(Biuletyn PKNMiJ, nr 2/80, poz.10; nr 2/80, poz.20).
2. Sprawdzi zgodno wymiarów próbek z wymogami normy.
3. Obliczy pole przekroju poprzecznego próbki S0 w miejscu karbu.
4. Sprawdzi młot — unie go do poło enia wyj ciowego i sprawdzi wskazania po wykonaniu
ruchu jałowego (wskazanie powinno wynosi 0 z dokładno ci do 1 J). Zanotowa energi
pocz tkow młota.
5. Uło y próbk na podporach młota.
6. Unie wahadło do poło enia wyj ciowego, zablokowa na zaczepach, nast pnie zwolni z
zaczepów, tak by spadaj c spowodowało złamanie próbki.
7. Odczyta z dokładno ci do 1 J warto pracy zu ytej na złamanie próbki.
8. Obliczy z dokładno ci do 1 J/cm2 warto udarno ci.
9. Oceni wyniki próby - poda wyniki udarno ci dla ka dej próbki.
Uwaga:
W pewnych przypadkach prób nale y uniewa ni i powtórzy j na próbkach zast pczych.
Nale y tak post pi , gdy:
a) przełom od strony bocznej powierzchni próbki przedstawia lini łaman lub wykazuje p kni cie
hartownicze,
b) próbka nie została złamana i przeszła przez podpory - nale y to napisa i orientacyjny wynik poda
w nawiasie,
c) próbka nie została złamana z powodu du ej udarno ci materiału i niewystarczaj cej pocz tkowej
energii uderzenia młota - nale y umie ci uwag : nie złamała si , a poza warto ci udarno ci
pozostawi znak >.
4.3. ZAWARTO SPRAWOZDANIA
Sprawozdanie powinno zawiera :
1. Charakterystyk młota Charpy (schemat, typ, energia pocz tkowa młota).
2. Szkic próbek z podaniem ich wymiarów.
3. Opis wygl du próbek, a szczególnie ich przełomu po przeprowadzeniu próby (nale y zaznaczy ,
je li prób uznaje si za niewa n wraz z uzasadnieniem decyzji).
4. Obliczenie przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu oraz udarno ci
- przy obliczeniach udarno ci nale y posłu y si redni z trzech wa nych prób dla ka dego z
badanych materiałów (zgodnie z PN).