Wyższa Szkoła Agrobiznesu w Łomży

Wydział Techniczny

Kierunek Budownictwo

Instrukcja
do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu
WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW

Ćwiczenie Nr 9

Temat: Próba udarności metali

Opracowanie:

dr inż. Krzysztof Czech

Białystok, 2011 r.

1. WPROWADZENIE

Z obserwacji środowiskowych, czy też doświadczeń laboratoryjnych prowadzonych jeszcze w szkole podstawowej wiemy, że wiele materiałów, z którymi mamy na co dzień do czynienia, poddanych działaniu niskich lub wysokich temperatur znacząco zmienia swoje właściwości fizykomechaniczne (zarówno własności wytrzymałościowe jak i plastyczne). Dobrym przykładem może być guma, która wraz ze spadkiem temperatury twardnieje, a przy wzroście temperatury ponownie staje się miękka i elastyczna. Podobnie (chociaż w znacznie mniejszym stopniu) jest z materiałami konstrukcyjnymi wykorzystywanymi w budownictwie. Na domiar złego, elementy konstrukcyjne obiektów budowlanych, pracując w zróżnicowanych, często złożonych stanach naprężeń, mogą być poddawane działaniu zarówno obciążeń statycznych (bardzo powoli się zmieniających), jak i obciążeń dynamicznych (zmieniających się z częstotliwością kilku, kilkudziesięciu lub nawet kilkuset razy na sekundę [1/s = Hz]).
W takich właśnie przypadkach, gdy chcemy poznać rzeczywiste własności materiałów konstrukcyjnych pracujących w warunkach krytycznych obciążeń dynamicznych
i niekorzystnych oddziaływań środowiskowych (działanie niskich lub podwyższonych temperatur) prowadzone jest badanie udarności.

Jednym z najczęściej stosowanych materiałów konstrukcyjnych w budownictwie jest stal, z której wykonywane są główne elementy nośne wielu współcześnie wznoszonych obiektów. Stal jest również powszechnie wykorzystywana jako zbrojenie (pracujące na rozciąganie) w monolitycznych i prefabrykowanych konstrukcjach z betonu. W przypadku dynamicznego rozciągania stali konstrukcyjnej zwykłej jakości, w porównaniu z rozciąganiem statycznym analogicznej próbki materiału, uzyskujemy zazwyczaj znaczne podwyższenie granicy plastyczności i przesunięcie maksimum krzywej rozciągania w prawą stronę.

Próba udarności, w zależności od potrzeb, może być prowadzona jako próba udarnościowa: na rozciąganie, ściskanie, skręcanie lub zginanie. Obecnie najczęściej stosowaną jest próba udarnościowa na zginanie, w której jednym uderzeniem młota dokonywane jest przełamanie próbki prostopadłościennej ustawionej prostopadle do kierunku ruchu młota. Miarą udarności jest energia zużyta na przełamanie próbki.

W przypadku urządzeń starszej generacji energia zużyta na zniszczenie próbki K (wyrażona w dżulach [J]) jest odczytywana bezpośrednio z tarczy pomiarowej urządzenia. Próbę prowadzi się zgodnie z normami [3], [4].

Ww. normy zostały wycofane i zastąpione normami PN-EN ISO. Do momentu ukazania się ich polskojęzycznych odpowiedników istniej jednakże możliwość prowadzenia próby udarności według wycofanych norm.

Najnowsze urządzenia pomiarowe wykorzystują ośmio- lub szesnastobitowe przetworniki analogowo-cyfrowe i umożliwiają ciągłą cyfrową rejestrację danych i wykreślanie krzywych siła-czas lub siła-przemieszczenie. Próbę udarności w tym przypadku prowadzi się zgodnie z normami: [5], [6], [7], [8], [9].

W badanych próbkach wystąpić mogą trzy rodzaje złomów:

• złom poślizgowy (rys.1.a) - w którym próbka została zgięta, a złom nastąpił dopiero po przekroczeniu granicy plastyczności,

• złom kruchy (rys.1.b) - w którym próbka została zniszczona bez odkształceń plastycznych,

• złom z rozwarstwieniem (rys.1.c) - w którym próbka została zniszczona w związku z dużym stopniem anizotropowości próbki (zanieczyszczenia lub niewłaściwa obróbka próbki).

a) b) c)

Rys. 1. Złomy próbek [1]

1. Próbki do badań

Do badań, zgodnie z normą [3], wykorzystywane są próbki prostopadłościenne
(o wymiarach 55×10×10 mm) z karbem w kształcie litery U lub litery V (typu ISO).
W przypadku gdy do złamania próbki wymagana jest większa energia niż 300±10 J
dopuszcza się stosowanie próbek o nieco mniejszym wymiarze poprzecznym wynoszącym 7.5 mm lub 5.0 mm.

Próbki z karbem w kształcie litery U (lub w kształcie otworu do klucza - o głębokości 5 mm i promieniu zaokrąglenia dna równym 0.25 mm) i w kształcie litery V (o kącie 45°, głębokości 2 mm i promieniu zaokrąglenia dna wynoszącym 0.25 mm) schematycznie pokazano na rys. 2 i 3:

Rys. 2. Wymiary próbek i karbu w kształcie litery U [1]

Rys. 3. Wymiary próbek i karbu w kształcie litery V [1]

W przypadku realizacji prób udarności realizowanych zgodnie z PN-EN ISO próbki do badań przygotowuje się zgodnie z [7]

Miejsca, sposób pobierania i obróbki próbek, podobnie jak wymaganą minimalną liczbę próbek do badania, precyzują normy przedmiotowe.

2. Maszyna wytrzymałościowa

W przypadku realizacji próby udarności zgodnie z PN [3] do badania wykorzystywany jest młot wahadłowy typu Charpy'ego o standardowej energii początkowej E_p = 300 [J] i prędkości uderzenia noża w próbkę v = 5.0 ± 0.5 [m/s] [4]. Urządzenie schematycznie pokazano na rys. 4.

Rys. 4. Schematyczna budowa młota Charpy'ego [1]
(gdzie: L - długość wahadła, h - wysokość spadania,  - kąt odchylenia wahadła przed jego zwolnieniem,  - kąt odchylenia wahadła po złamaniu próbki)

Młot składa się z podstawy (1), wahadła (2) z nożem udarowym (8), dźwigni hamulca (6), zaczepów dźwigni i trzpienia blokującego (7) oraz tarczy (4) ze wskazówką (5), z której odczytywana jest energia niszcząc próbkę E [1].

W przypadku realizacji próby udarności zgodnie z PN-EN [6] do badania wykorzystywany jest młot wahadłowy typu Charpy'ego spełniający wymagania ISO 148-2.

2. CEL ĆWICZENIA

Celem ogólnym ćwiczenia jest zapoznanie się z próbą udarności realizowaną na wahadłowym młocie Charpy'ego.

Celem szczegółowym ćwiczenia jest przeprowadzenie udarnościowej próby na zginanie realizowanej na próbce stalowej z karbem w kształcie litery V i określenie wartości energii niszczącej próbkę - odniesionej do pola powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu.

3. PRZEBIEG ĆWICZENIA

1. Niezbędne czynności przed przystąpieniem do próby

• Przed przystąpieniem do realizacji próby należy:

• sprawdzić działanie urządzenia poprzez uniesienie wahadła do położenia wyjściowego, a następnie jego zwolnienie i odczytanie z tarczy pomiarowej wartości użytej energii - urządzenie powinno wskazywać wartość „0”
  - z dokładnością do 1 [J],

• zweryfikować zgodność wymiarów próbki z wymaganiami PN,

• obliczyć pole przekroju poprzecznego próbki S₀ [mm²],

• umieścić próbkę na podporach urządzenia - pamiętając o tym, aby karb znalazł się po stronie przeciwległej do miejsca w które uderzy wahadło (zgodnie z rys. 5.),

• sprawdzić czy położenie osi karbu próbki nie zostało przesunięte i leży dokładnie w środku pomiędzy podporami (niewłaściwe, niesymetryczne położenie karbu względem podpór spowoduje zawyżenie udarności próbki),

• unieść wahadło młota do położenia wyjściowego (górnego), a następnie zablokować je w tej pozycji.

Rys. 5. Położenie karbu względem noża udarowego młota Charpy'ego [1]

1. Realizacja próby udarności

• W celu określenia udarności próbki należy:

• zwolnić wahadło młota z zaczepów,

• po wykonaniu pełnego wahnięcia, w wyniku którego próbka ulegnie zniszczeniu, unieruchomić wahadło młota za pomocą hamulca,

• odczytać wielkość energii K zużytej na złamanie próbki (pracę łamania).

1. Opracowanie wyników

• Udarność próbki wyznaczamy z poniższej zależności:


, (1)

w której: K - wielkości energii zużytej na złamanie próbki [J] (praca łamania),

S₀ - pole przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu [mm²].

Występująca w powyższym równaniu praca łamania K może być odczytana bezpośredniego z urządzenia lub zostać wyznaczona na podstawie odczytu kątów położenia wahadła. W tym drugim przypadku wartość K wyznaczamy ze wzoru:


, (2)

gdzie: m - masa bijaka (noża udarowego),

g - przyspieszenie ziemskie [m/s2],

h₁ - wysokość uniesienia bijaka przed uderzeniem - odpowiadająca kątowi
uniesienia ₁ = 160°,

h₂ - wysokość uniesienia bijaka po uderzeniu, której odpowiada kąt
₂ - odczytany na skali urządzenia pomiarowego.

• W przypadku nietypowych wymiarów próbki lub większej niż standardowa energii początkowej E_p = 300 [J] urządzenia, udarność próbki opisujemy następująco:

KCU100/2/7.5
(gdzie: U - karb w kształcie litery U, 100 = energia początkowa E_p = 100 [J],
2 - głębokość karbu = 2 mm, 7.5 - szerokość próbki = 7.5 mm)

KCV
(gdzie: V - karb w kształcie litery V; E_p, głębokość karbu i szerokość próbki - standardowe)

BIBLIOGRAFIA

[1] Banasiak M. (red.): Ćwiczenia laboratoryjne z wytrzymałości materiałów. Wydawnictwa Naukowe PWN. Warszawa, 2000.

[2] Rżysko J., Wilczyński A.: Laboratorium wytrzymałości materiałów. Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej. Warszawa, 1973.

WYCOFANE NORMY
(obowiązują do chwili ukazania się polskojęzycznych odpowiedników norm PN-EN ISO)

[3] PN-EN 10045-1:1994. Metale. Próba udarności sposobem Charpy'ego. Część 1: Metoda badania.

[4] PN-EN 10045-2:1996. Metale. Próba udarności Charpy'ego. Część 2: Sprawdzanie młotów wahadłowych.

NORMY PN-EN ISO

[5] PN-EN ISO 148-1:2010. Metale. Próba udarności sposobem Charpy'ego. Część 1: Metoda badania (oryg. eng.).

[6] PN-EN ISO 148-2:2009. Metale. Próba udarności Charpy'ego. Część 2: Sprawdzanie młotów wahadłowych (oryg. eng).

[7] PN-EN ISO 148-3:2009. Metale. Próba udarności Charpy'ego. Część 3: Przygotowanie i charakterystyka próbek wzorcowych Charpy-V do pośredniego sprawdzania młotów wahadłowych (oryg. eng.).

[8] PN-EN ISO 14556:2003. Stal. Próba udarności Charpy-V oprzyrządowanym młotem wahadłowym. Metoda badania.

[9] PN-EN ISO 14556:2003/A1:2007. Stal. Próba udarności Charpy-V oprzyrządowanym młotem wahadłowym. Metoda badania.

[10] PN-ISO 946:1994. Żeliwo szare. Próba udarności na próbkach bez karbu.

- 7 -

---