background image

 

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

°

 

background image

 

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] 

 

±

0,05 

10 

7,5 

±

0,11 

b [mm] 

±

0,06 

90

°±

2

°

 

1

±

0,07 

1

0

±

0

,0

6

 

8

±

0

,1

0

 

3.2 

1,25 

27,5

±

0,40 

55

±

0,60 

90

°±

2

°

 

b

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

 

90

°±

2

°

 

3

.2

 

3

.2

 

90

°±

2

o

 

0,25

±

0,025 

45

°±

2

°

 

background image

 

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 

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 

background image

 

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  

o głębokości krabu [mm] 

 

Początkowa 

energia 
młota J 

 
 
 

 

Szerokość 

próbki 

mm 

 
 
 

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  

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  

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 

o głębokości karbu [mm] 

 

Początkowa 

energia 
młota J 

 
 
 

 

Szerokoś

ć

 próbki 

mm 

 
 
 

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  

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  

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 

background image

 

5

0

S

...

K

...

KC

=

 ,  

gdzie S

 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.  

 
 
 
 
 
 

background image

 

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 

background image

 

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. 

 

background image

 

8

Tabela pomiarowa. Wyniki pomiarów udarności 

 

Lp. 

 

Materiał 

 

Rodzaj karbu 

Wymiary 

pod karbem 

[mm] 

S

[cm

2

[J] 

KC 

[J/cm

2

 

 

Uwagi 

stal 

półokrągły 

 

 

 

 

 

stal 

kwadratowy 

 

 

 

 

 

stal 

prostokątny 

 

 

 

 

 

stal 

trójkątny 

 

 

 

 

 

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.