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.
30°±1°
2 +0,5
0
1 +0,5
0
40 +0,5
0
11°±1°
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
K
KC =
(1)
S 0
gdzie: K [J] – praca zużyta na złamanie próbki, S 0 [cm2] – powierzchnia przekroju porzecznego próbki w miejscu karbu mierzona przed próbą.
1
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.
90°±2°
90°±2°
3.2
0
6
.2
,1
1±0,07
,0
3
±0
.2
8
±0
3
01
2
1,25
27,5±0,40
55±0,60
b
90°±2°
0
10
90°±2°
±0,10
b [mm]
7.5
5
±0,05
Rys. 2. Próbka z karbem U (płytkim)
A
90°±2o
90°±2°
0,25±0,025
3.2
6
1
,0
.2
,1
3
±0
.2
8
±0
3
0
1
A
3.2
45°±2°
27,5±0,42
90°±2o
55±0,60
b
10
90°±2°
±0,11
b [mm]
7,5
5
±0,06
Rys. 3. Próbka z karbem V
2
9
90°±2o
90°±2°
,0±0 3.2
5
1±0,07
0
.2
,1
3
±0
.23
01
2
3.2
27,5±0,42
55±0,60
90°±2°
10±0,11
90°±2°
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 ścian 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.
3
Tabela 1. Wykaz zalecanych oznaczeń udarności w zależności od początkowej energii młota szerokości próbki oraz rodzaju i głębokości karbu
Oznaczenie udarności (pracy łamania) 1)
K ... [J]
Początkowa Szerokość
dotyczącej próbki z karbem
energia
próbki
U
V
młota J
mm
o głębokości krabu [mm]
2
3
5
2
10
KU2
KU3
KU
KV
300
7,5
KU300/2/7,5
KU300/3/7,5
KU300/7,5
KV300/7,5
5
KU300/2/5
KU300/3/5
KU300/5
KV300/5
10
KU150/2
KU150/3
KU150
KV150
150
7,5
KU150/2/7,5
KU150/3/7,5
KU150/7,5
KV150/7,5
5
KU150/2/5
KU150/3/5
KU150/5
KV150/5
10
KU100/2
KU100/3
KU100
KV100
100
7,5
KU100/2/7,5
KU100/3/7,5
KU100/7,5
KV100/7,5
5
KU100/2/5
KU100/3/5
KU100/5
KV100/5
10
KU50/2
KU50/3
KU50
KV50
50
7,5
KU50/2/7,5
KU50/3/7,5
KU50/7,5
KV50/7,5
5
KU50/2/5
KU50/3/5
KU50/5
KV50/5
10
KU10/2
KU10/3
KU10
KV10
10
7,5
KU10/2/7,5
KU10/3/7,5
KU10/7,5
KV10/7,5
5
KU10/2/5
KU10/3/5
KU10/5
KV10/5
10
KU5/2
KU5/3
KU5
KV5
5
7.5
KU5/2/7,5
KU5/3/7,5
KU5/7,5
KV5/7,5
5
KU5/2/5
KU5/3/5
KU5/5
KV5/5
cd. tabeli 1
Oznaczenie udarności KC1)... [J/cm2] dotyczącej próbki z karbem
Początkowa Szerokoś
energia
ć próbki
U
V
młota J
mm
o głębokości karbu [mm]
2
3
5
2
10
KCU2
KCU3
KCU
KCU
300
7,5
KCU300/2/7,5
KCU300/3/7,5
KCU300/7,5
KCV300/7,5
5
KCU300/2/5
KCU300/3/5
KCU300/5
KCV300/5
10
KCU150/2
KCU150/3
KCU150
KCV150
150
7,5
KCU150/2/7,5
KCU150/3/7,5
KCU50/7,5
KCV150/7,5
5
KCU150/2/5
KCU150/3/5
KCU150/5
KCV150/5
10
KCU100/2
KCU100/3
KCU100
KCV100
100
7,5
KCU100/2/7,5
KCUl00/3/7,5
KCU100/7,5
KCV100/7,5
5
KCU100/2/5
KCU100/3/5
KCU100/5
KCV100/5
10
KCU50/2
KCU50/3
KCU50
KCV50
50
7,5
KCU50/2/7,5
KCU50/3/7,5
KCU50/7,5
KCV50/7,5
5
KCU50/2/5
KCU50/3/5
KCU50/5
KCV50/5
10
KCU10/2
KCU10/3
KCU10
KCV10
10
7,5
KCU10/2/7,5
KCU10/3/7,5
KCU10/7,5
KCV10/7,5
5
KCU10/2/5
KCU10/3/5
KCU10/5
KCV10/5
10
KCU5/2
KCU5/3
KCU5
KCV5
5
7.5
KCU5/2/7,5
KCU5/3/7,5
KCU5/7,5
KCV5/7,5
5
KCU5/2/5
KCU5/3/5
KCU5/5
KCV5/5
cd. tabeli 1
4
K ..
K .
C .. =
,
S0
gdzie S0 jest powierzchnią przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu, w cm2.
Wynik próby udarności (pracy łamania) K... [ J] lub udarności KC... [J/cm2] należy podawać z dokładnością 0,1 J lub 0,1 J/cm2 odpowiednio dla udarności (pracy łamania) do 10 J lub udarności do 10 J/cm2 oraz 1,0 J
lub 1,0 J/cm2 odpowiednio dla udarności (pracy łamania) powyżej 10 J lub udarności powyżej 1 J/cm2.
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.
5
młot wahadłowy
młot wahadłowy
wskazówka główna
skala pracy łamania
wskazówka ustalająca
próbka na podporze
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 6
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.
7
Tabela pomiarowa. Wyniki pomiarów udarności
Wymiary
So
K
KC
Lp.
Materiał
Rodzaj karbu
pod karbem
[cm2]
[J]
[J/cm2]
Uwagi
[mm]
1
stal
półokrągły
2
stal
kwadratowy
3
stal
prostokątny
4
stal
trójkątny
5
żeliwo
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.
8