1

Ć

wiczenie 6

BADANIE UDARNOŚCI METALI

Opracował: dr inż. Jerzy Stuczyński

1. Wprowadzenie

Elementy konstrukcji w czasie pracy narażone są bardzo często na obciążenia

dynamiczne. Z tego powodu konieczna jest znajomość własności charakteryzujących
zachowanie się materiału w przypadku wystąpienia nagłych zmian obciążenia. Dlatego też
próby udarowe stosuje się przede wszystkim w tym celu, aby stwierdzić, czy zwiększenie
szybkości obciążenia nie przesunie materiału w stan kruchości. Dotyczy to zarówno prób w
temperaturach normalnych jak i obniżonych. Na ogół udarność materiałów obniża się wraz ze
spadkiem temperatury. Każda stal charakteryzuje się pewną tzw. temperaturą krytyczną,
poniżej której wartość udarności gwałtownie spada. Próby udarowe również mogą służyć do
kontroli jakości obróbki cieplnej i wykrywania wad materiałowych. W praktyce najczęściej
stosuje się udarową próbę zginania na próbkach z karbem, która nosi nazwę próby udarności.

2. Cel ćwiczenia

Celem ogólnym ćwiczenia jest zapoznanie się z próbą udarności stali i żeliwa.
Celem szczególnym jest zbadanie wpływu kształtu karbu i rodzaju materiału na udarność.

Próba udarności polega na złamaniu jednym uderzeniem spadającego młota wahadłowego
próbki z karbem w środku i podpartej obydwoma końcami w warunkach określonych normą
PN–EN 10045-1:1990 i pomiarze energii zużytej na jej złamanie.

Rys. 1. Schemat próby udarności

Miarą udarności na zginanie jest praca zużyta na zniszczenie (złamanie) próbki

jednorazowym uderzeniem. Stosunek tej pracy do powierzchni przekroju poprzecznego
zginanej udarowo próbki przyjęto nazywać udarnością

0

S

K

KC

=

(1)

gdzie: K [J] – praca zużyta na złamanie próbki, S

0

[cm

2

] – powierzchnia przekroju

porzecznego próbki w miejscu karbu mierzona przed próbą.

40

0

+0,5

1

0

+0,5

2

0

+0,5

11

°±

1

°

30

°±

1

°

2

3. Rodzaje próbek

Polska norma PN–EN 10045–1 rozróżnia dwa rodzaje karbów:

a) karb w kształcie litery U,
b) karb w kształcie litery V.
Kształt i wymiary próbek z karbem przedstawiono na rys. 2, rys. 3, rys. 4.

Rys. 2. Próbka z karbem U (płytkim)

Rys. 3. Próbka z karbem V

10

7.5

±

0,10

b [mm]

5

±

0,05

10

7,5

±

0,11

b [mm]

5

±

0,06

90

°±

2

°

1

±

0,07

2

1

0

±

0

,0

6

8

±

0

,1

0

3.2

1,25

27,5

±

0,40

55

±

0,60

90

°±

2

°

b
0

90

°±

2

°

3

.2

3

.2

90

°±

2

°

90

°±

2

°

1

0

±

0

,1

1

8

±

0

,0

6

3.2

3.2

27,5

±

0,42

55

±

0,60

90

°±

2

o

b

90

°±

2

°

3

.2

3

.2

90

°±

2

o

A

A

0,25

±

0,025

45

°±

2

°

3

Rys. 4. Próbka z karbem U (głębokim)

Typowa stosowana próbka wg PN ma wymiary 55

×

10

×

10 mm z karbem, tj. wycięciem o

odpowiednim kształcie (U lub V) karbu na głębokość 2 mm na środku jednej z bocznych
ś

cian i kierunku prostopadłym do osi wzdłużnej próbki.

Standardowe warunki badania powinny odpowiadać początkowej energii maszyny

(300±10) J i stosowaniu próbki o standardowych wymiarach. W protokole badania zużytą
energię oznacza się za pomocą symboli: KU dla próbki z karbem U i KV dla próbki z karbem
V. Na przykład KV = 121 J oznacza:
– początkową energię 300 J,
– standardową próbkę z karbem V,
– zużytą energię na złamanie próbki: 121 J.

W przypadku badań na pocienionych próbkach z karbem V, symbol KV powinien być

uzupełniony wskaźnikiem oznaczającym w pierwszej kolejności początkową energię
maszyny do badania, a w drugiej kolejności szerokością próbki, np.

a) KV 300/7,5: początkowa energia 300 J, szerokość próbki 7,5 mm,

b) KV 150/5: początkowa energia 150 J, szerokość próbki 5 mm,

c) KV 150/7,5 = 83 J oznacza:

– początkową energię 150 J,
– Próbkę z karbem V o pomniejszonym przekroju i początkowej szerokości 7,5 mm,
– zużytą energia na złamanie próbki: 83 J.

Dopuszcza się stosowanie maszyn do badania o różnej początkowej energii uderzenia. W

takim przypadku symbol KU lub KV powinien być uzupełniony wskaźnikiem oznaczającym
początkową energię maszyny do badania. Na przykład:
KV 150: o początkowej energii 150 J,
KU 100: o początkowej energii 100 J,
KU 100 = 65 J oznacza:
– początkową energię 100 J,
– standardową próbkę z karbem U,
– zużytą energię na złamanie próbki: 65 J.

90

°±

2

°

1

±

0,07

2

1

0

±

0

,1

0

5

±

0

,0

9

3.2

3.2

27,5

±

0,42

55

±

0,60

90

°±

2

o

90

°±

2

°

3

.2

3

.2

90

°±

2

°

10

±

0,11

4

Tabela 1. Wykaz zalecanych oznaczeń udarności w zależności od początkowej energii młota szerokości próbki

oraz rodzaju i głębokości karbu

Oznaczenie udarności (pracy łamania)

K

1)

... [J]

dotyczącej próbki z karbem

U

V

o głębokości krabu [mm]

Początkowa

energia
młota J

Szerokość

próbki

mm

2

3

5

2

300

10
7,5
5

KU2
KU300/2/7,5
KU300/2/5

KU3
KU300/3/7,5
KU300/3/5

KU
KU300/7,5
KU300/5

KV
KV300/7,5
KV300/5

150

10
7,5
5

KU150/2

KU150/2/7,5
KU150/2/5

KU150/3
KU150/3/7,5
KU150/3/5

KU150
KU150/7,5
KU150/5

KV150
KV150/7,5
KV150/5

100

10
7,5
5

KU100/2

KU100/2/7,5
KU100/2/5

KU100/3
KU100/3/7,5
KU100/3/5

KU100
KU100/7,5
KU100/5

KV100
KV100/7,5
KV100/5

50

10
7,5
5

KU50/2
KU50/2/7,5
KU50/2/5

KU50/3
KU50/3/7,5
KU50/3/5

KU50
KU50/7,5
KU50/5

KV50
KV50/7,5
KV50/5

10

10
7,5
5

KU10/2
KU10/2/7,5
KU10/2/5

KU10/3
KU10/3/7,5
KU10/3/5

KU10
KU10/7,5
KU10/5

KV10
KV10/7,5
KV10/5

5

10
7.5
5

KU5/2

KU5/2/7,5
KU5/2/5

KU5/3
KU5/3/7,5
KU5/3/5

KU5
KU5/7,5
KU5/5

KV5
KV5/7,5
KV5/5

cd. tabeli 1

Oznaczenie udarności KC

1)

... [J/cm

2

] dotyczącej próbki z karbem

U

V

o głębokości karbu [mm]

Początkowa

energia
młota J

Szerokoś

ć

próbki

mm

2

3

5

2

300

10
7,5
5

KCU2
KCU300/2/7,5
KCU300/2/5

KCU3
KCU300/3/7,5
KCU300/3/5

KCU
KCU300/7,5

KCU300/5

KCU
KCV300/7,5
KCV300/5

150

10
7,5
5

KCU150/2
KCU150/2/7,5
KCU150/2/5

KCU150/3
KCU150/3/7,5
KCU150/3/5

KCU150
KCU50/7,5
KCU150/5

KCV150
KCV150/7,5
KCV150/5

100

10
7,5
5

KCU100/2
KCU100/2/7,5
KCU100/2/5

KCU100/3
KCUl00/3/7,5
KCU100/3/5

KCU100
KCU100/7,5
KCU100/5

KCV100
KCV100/7,5
KCV100/5

50

10
7,5
5

KCU50/2
KCU50/2/7,5
KCU50/2/5

KCU50/3
KCU50/3/7,5
KCU50/3/5

KCU50
KCU50/7,5
KCU50/5

KCV50
KCV50/7,5
KCV50/5

10

10
7,5
5

KCU10/2
KCU10/2/7,5
KCU10/2/5

KCU10/3
KCU10/3/7,5
KCU10/3/5

KCU10
KCU10/7,5
KCU10/5

KCV10
KCV10/7,5
KCV10/5

5

10
7.5
5

KCU5/2
KCU5/2/7,5
KCU5/2/5

KCU5/3
KCU5/3/7,5
KCU5/3/5

KCU5
KCU5/7,5
KCU5/5

KCV5
KCV5/7,5

KCV5/5

cd. tabeli 1

5

0

S

...

K

...

KC

=

,

gdzie S

0

jest powierzchnią przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu, w cm

2

.

Wynik próby udarności (pracy łamania) K... [ J] lub udarności KC... [J/cm

2

] należy podawać z dokładnością

0,1 J lub 0,1 J/cm

2

odpowiednio dla udarności (pracy łamania) do 10 J lub udarności do 10 J/cm

2

oraz 1,0 J

lub 1,0 J/cm

2

odpowiednio dla udarności (pracy łamania) powyżej 10 J lub udarności powyżej 1 J/cm

2

.

Wynik próby, jeżeli normy przedmiotowe lub warunki zamówienia nie podają inaczej, stanowi średnią

wartość arytmetyczną co najmniej trzech pomiarów i należy ją zaokrąglić zgodnie z PN–71/N–02021 wg
metody Z.

4. Przygotowanie próbek do badań

Liczbę próbek potrzebnych do badań, miejsce ich pobrania oraz położenia osi karbu i

próbki ustalają normy przedmiotowe lub warunki techniczne. Odcinki próbne, z których
wykonujemy próbki, należy wycinać „na zimno”, na obrabiarkach do skrawania metali.
Unikać przy tym należy miejscowego nagrzania lub zgniotu, które mogłyby zmienić
własności próbki. Dopuszczalne jest wycinanie odcinków próbnych za pomocą palnika
acetylenowego lub nożyc, ale należy wówczas przewidzieć taki naddatek przeznaczony do
usunięcia za pomocą obróbki wiórowej, aby mieć pewność, że własności materiału samej
próbki nie uległy zmianie. Obróbka samych próbek powinna być całkowicie wiórowa.
W pewnych przypadkach, przewidzianych w normach przedmiotowych, dopuszcza się
pozostawienie jednej z bocznych powierzchni surowej, a dla wyrobów o grubości nominalnej
10 mm i poniżej – obydwu powierzchni surowych. Karb wykonuje się przez frezowanie.
Niedopuszczalne są widoczne nieuzbrojonym okiem rysy wzdłużne na dnie karbu,
pochodzące od obróbki wiórowej.

Wyniki prób udarności są porównywalne tylko dla próbek o jednakowym kształcie,

rodzaju karbu i wymiarach.

Nacięcie karbu na próbce wykonuje się w celu wywołania spiętrzenia naprężeń

powodującego pęknięcie próbki wykonanej z materiału plastycznego. Przeprowadzanie próby
udarności próbki bez karbu wykonanej z takiego materiału byłoby w ogóle niemożliwe,
ponieważ próbka uległaby tylko zgięciu.

Nie należy stosować do badań próbek skrzywionych i z pęknięciami hartowniczymi, a

także próbek z wgniotami i zadziorami na krawędziach.

5. Maszyna do badania udarności

Próby udarności przeprowadza się na młotach wahadłowych typu Charpy, którego

schemat przedstawiono na rys. 5.

6

wskazówka główna

wskazówka ustalaj

ą

ca

próbka na podporze

skala pracy łamania

młot wahadłowy

młot wahadłowy

Rys. 5. Schemat młota wahadłowego typu Charpy

6. Wymagania

6.1. Położenie próbki

Próbka powinna leżeć prostopadle na podporach i przylegać do podpór w taki sposób,

ażeby odległość płaszczyzny symetrii karbu od płaszczyzny symetrii podpór nie była większa
niż 0,5 mm. Próbka powinna leżeć na podporach w taki sposób, by ostrze noża wahadła
uderzało próbkę po przeciwnej stronie karbu (rys. 1).

6.2. Temperatura badania

O ile temperatura badania nie jest określona w odpowiedniej normie na wyrób, badanie

powinno być przeprowadzone w temperaturze (23 ± 5)°C. O ile temperatura badania jest
określona w odpowiedniej normie na wyrób, lecz bez określonych dopuszczalnych odchyłek,
powinna ona być utrzymana w zakresie ± 2°C. Do przeprowadzenia badań w temperaturze
innej niż pokojowej, próbka powinna być zanurzona do oziębiającego lub ogrzewającego
ośrodka na czas wystarczający ażeby wymagana temperatura została osiągnięta w całej
objętości próbki (na przykład, co najmniej 10 minut w ciekłym ośrodku lub co najmniej 30
minut w gazowym ośrodku). Próbka powinna być złamana w ciągu 5 sekund od czasu
wyjęcia jej z ośrodka. Urządzenie do przenoszenia próbki powinno być tak zaprojektowane,
aby temperatura próbki była zachowana w dopuszczalnym zakresie.

6.3. Ocena wyników próby

Jeżeli podczas próby próbka nie została złamana, lecz tylko zgięła się i przeszła przez

podpory, zużyta energia nie może być traktowana jak wynik udarności. W takim przypadku w
protokole badania należy podać energię, przy której próbka nie została złamana.

Uwaga: Podkreśla się, że tylko wyniki otrzymane na próbkach o takim samym kształcie,

rodzaju karbu i wymiarach mogą być porównywalne. Nie ma ogólnej metody przeliczania
wyników otrzymanych jedną metodą badania na wartości, które można otrzymać inną metodą
badania.

Pomiędzy wartością pracy K [J] przy udarowym zginaniu, a rodzajem złomu istnieje

pewna zależność. Dlatego obserwacje złomów po przeprowadzonej próbie zginania

7

udarowego potwierdzają otrzymane wyniki własności mechanicznych. Rozróżniamy cztery
charakterystyczne rodzaje złomów:

1) Złom poślizgowy oznacza, że próbka została zgięta, pęknięcie nastąpiło po

przekroczeniu granicy plastyczności tj. już przy znacznym odkształceniu trwałym
(rys.6).

2) Złom kruchy oznacza, że próbka pękła nie wykazując widocznego odkształcenia

plastycznego (rys.7).

3) Złom mieszany wykazuje cechy złomu poślizgowego i kruchego, Na części przełomu

(najczęściej zewnętrznej) występują odkształcenia trwałe, a na pozostałej części
występuje przełom kruchy. Wówczas określa się procentowy udział przełomu kruchego
w przekroju.

4) Złom specyficzny z rozwarstwieniem wskazuje na duży stopień anizotropowości

materiału spowodowany obróbką plastyczną, lub wskazujący na obecność jednego lub
więcej pasm zanieczyszczeń (rys.8).

Rys. 6. Złom poślizgowy

Rys. 7. Złom kruchy

Rys. 8. Złom specyficzny z rozwarstwieniem

Na rodzaj złomu wpływają własności materiału oraz kształt i wymiary karbu.

7. Wykonanie sprawozdania

Sprawozdanie należy wykonać według punktów:

1. tytuł i cel ćwiczenia,
2. definicja udarności,
3. rysunki próbek znormalizowanych,
4. warunki pobierania i przygotowania próbek,
5. warunki poprawnego wykonania próby,
6. kryteria oceny wyników próby i rodzaj złomów,
7. przykłady obliczeń,
8. uwagi i wnioski z przeprowadzonych badań,
9. wyniki uzyskane z pomiarów i obliczenia zamieścić w tabeli pomiarowej.

8

Tabela pomiarowa. Wyniki pomiarów udarności

Lp.

Materiał

Rodzaj karbu

Wymiary

pod karbem

[mm]

S

o

[cm

2

]

K

[J]

KC

[J/cm

2

]

Uwagi

1

stal

półokrągły

2

stal

kwadratowy

3

stal

prostokątny

4

stal

trójkątny

5

ż

eliwo

półokrągły

Literatura

[1] Bachmacz W.: Wytrzymałość materiałów. Badania doświadczalne. Skrypt Politechniki Częstochowskiej,

Częstochowa 1973.

[2] Banasik M.: Ćwiczenia laboratoryjne z wytrzymałości materiałów. PWN, Warszawa 1977.
[3] Boruszak A., Sykulski R., Wrześniowski K.: Wytrzymałość materiałów. Doświadczalne metody badań.

Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1977.

[4] Dyląg Z., Orłoś Z.: Wytrzymałość zmęczeniowa materiałów. Warszawa. WNT 1962.
[5] Jastrzębski P., Mutermilch J., Orłoś W.: Wytrzymałość materiałów. Warszawa. Arkady 1985.
[6] Katarzyński S., Kocańda S., Zakrzewski M.: Badania właściwości mechanicznych metali. WNT, Warszawa

1967.

[7] Łączkowski R.: Wytrzymałość materiałów. Gdańsk. WPG 1988.
[8] Mazurkiewicz S.: Laboratorium z wytrzymałości materiałów. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej,

Kraków 1978.

[9] Niezgodziński M.E., Niezgodziński T.: Wzory wykresy i tablice wytrzymałościowe. Warszawa. WNT

1996.

[10] Orłoś Z.: Doświadczalna analiza odkształceń i naprężeń. PWN, Warszawa 1977.
[11] Walczyk Z.: Wytrzymałość materiałów. Gdańsk. WPG 1998.