Szczecin 07.01.2001

Andrzej Gnat

Norbert Linke

GRUPA II

SPRAWOZDANIE

Temat: Próba udarności

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z praktycznym sposobem wykonania próby udarności metali, używanymi do tego celu próbkami i urządzeniami oraz interpretacją wyników próby. Próbę udarności wykonuje się w celu dokonania oceny zachowania się materiału w warunkach sprzyjających kruchemu pęknięciu, stworzonych w próbce obecnością karbu i dużą szybkością odkształcenia wywołaną działaniem dynamicznym siły oraz działanie temperatury.

1. Opis próby

Próby udarowe są próbami dynamicznymi, określającymi zdolność materiału do przenoszenia gwałtownych obciążeń typu uderzeniowego. Charakteryzują one te własności mechaniczne materiału, których nie można wykryć przy pomocy prób statycznych.

1. Próbki

W próbie udarności stosuje się trzy rodzaje próbek:

• Mesnager

• ISO - Charpy U (wg normy PN-EN 10045-1:1990)

• ISO - Charpy V (wg normy PN-EN 10045-1:1990)

Próbka typu Mesneger ma wymiary 10x10x55 mm (szerokość x wysokość x długość) i karb (w połowie długości) w kształcie litery U o głębokości 2mm. W przypadku wyrobów z których nie można wyciąć próbki o szerokości 10 mm stosuje się próbki o szerokości 7,5 i 5 mm.

Próbka standardowa typu Charpy powinna mieć długość 55 mm i przekrój poprzeczny kwadratowy o boku 10 mm. W połowie długości powinien znajdować się karb. W próbkach typu Charpy rozróżnia się dwa rodzaje karbów.

1. karb w kształcie litery V; o kącie 45⁰, głębokości 2 mm i promieniu zaokrąglenia jego dna 0,25 mm. W przypadku wyrobu nie pozwalającego na pobranie próbki standardowej, należy stosować próbkę o pomniejszonym przekroju o szerokości 7,5 mm lub 5 mm z karbem wyciętym na dowolnej węższej powierzchni.

2. karb w kształcie litery U lub w kształcie otworu do klucza; o głębokości 5mm i promieniu zaokrąglenia dna 1 mm.

Próbki powinny być ze wszystkich stron obrobione mechanicznie, wyjątkowo, w przypadku precyzyjnego odlewania próbek, dwie powierzchnie równoległe do płaszczyzny symetrii karbu mogą być nieobrobione. Płaszczyzna symetrii karbu powinna być prostopadła do wzdłużnej osi próbki. Obróbka mechaniczna próbki powinna być przeprowadzona w taki sposób, aby starzenie próbki, np. spowodowane zgniotem na zimno lub przez nagrzanie, zostało ograniczone do minimum. Karb powinien być wykonany starannie, tak by wzdłuż dna karbu nie była widoczna gołym okiem żadna rysa. Próbka może być oznakowana na dowolnej powierzchni nie stykającej się z podporami lub przyporami w odległości co najmniej 5 mm od karbu, aby uniknąć wpływu zgniotu na zimno spowodowanego znakowaniem. Sposób pobierania odcinków próbnych i wykonania próbek nie powinien zmieniać właściwości materiału.

2.2 Maszyna do badania.

Do prób udarności używa się młotów wahadłowych o stałym zasobie energii lub takich, których konstrukcja pozwala na zmianę zasobu energii potencjalnej. Najczęściej stosowany jest młot typu Charpy (tak jest też w naszym przypadku). Wahadło 2 młota Charpy zamocowane jest obrotowo w sztywnym korpusie 1. Na osi obrotowej połączonej sztywno z wahadłem znajduje się zabierak wskazówki biernej 3, która z pewnym oporem może się

obracać dookoła osi. Po zamocowaniu wahadła w górnym początkowym położeniu wskazówkę 3 należy ustawić w położeniu dolnym. Po zwolnieniu zaczepu wahadło opada po łuku na próbkę 4, po czym wychyla się o kąt
. O wartość kąta
wychyla się również wskazówka 3 i wskazuje na odpowiedniej skali wartość pracy zużytej na złamanie próbki w J. Po złamaniu próbki wahadło zatrzymuje się ręcznie przy użyciu hamulca 5.

Młot spadający z wysokości początkowej h do położenia A osiąga w nim maksymalną prędkość. W tym położeniu młot ma największą energię kinetyczną. Po zniszczeniu próbki reszta energii kinetycznej wychyla młot do położenia B i przechodzi w energię potencjalną.

Energia młota w położeniu początkowym wynosi

,

zaś po złamaniu w położeniu B wynosi

, gdzie

G - ciężar wahadła młota sprowadzony do środka zetknięcia młota z próbką

Praca wykonana przez młot na zniszczenie próbki wynosi

[m] i

[m,] gdzie:

a - odległość od położenia początkowego do punktu zaczepienia młota.

R - odległość od osi wahadła młota do środka powierzchni zetknięcia noża wahadła z próbką [m]

Ostatecznie wartości wykonanej pracy wyniesie

Największa prędkość młota wynosi

g - przyśpieszenie ziemskie w [m/s²]

Standardowe warunki badania powinny odpowiadać początkowej energii maszyny 300
10 J i stosowaniu próbki o standardowych wymiarach. Prędkość młota w chwili zderzenia powinna mieścić się w granicach 5 m/s do 5,5 m/s.

2.3. Wymagania dotyczące przeprowadzenia próby.

Próbka powinna leżeć prostopadle w podporach 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, uderzenie było środkowe, próbka przylegała do pdpór (rys).

Badanie powinno być przeprowadzone w temperaturze 23⁰C
5⁰C. 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 (np. co najmniej 10 min w ciekłym ośrodku lub co najmniej 30 min w gazowym ośrodku). Próbka powinna być złamana w ciągu 5 s od czasu wyjęcia jej z ośrodka.

3. Wykonanie próby i wyznaczanie udarności (opis wyznaczanej wartości).

Wykonanie próby udarności polega na złamaniu jednym uderzeniem młota wahadłowego próbki z karbem podpartej swobodnie na obu końcach i pomiarze pracy odpowiadającej energii zużytej na jej złamanie.

Udarnością nazywa się odporność materiału na działanie obciążeń dynamicznych. Udarność K oblicza się ze wzoru

, gdzie

W - wartość pracy odpowiadającej energii zużytej na złamanie próbki

S₀ - pole powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu, mierzone przed próbą
.

Oznaczenie udarności K uzupełnia się dodatkowym symbolem oznaczającym typ próbki, na której zostało przeprowadzone badanie.

• KM udarność próbek typy Mesneger

• KU udarność próbek typu ISO - Charpy U

• KV udarność próbek typu ISO - Charpy V

W próbach udarności rezygnuje się z wyznaczania naprężeń, określa się natomiast pracę zniszczenia próbki. Jest to spowodowane zupełnie innym stanem naprężeń występujących w próbce podczas obciążeń statycznych niż występujących przy obciążeniu udarowym. Udarność nie jest wskaźnikiem charakteryzującym własności wytrzymałościowe materiału.

4. Przełomy

Rozróżnia się trzy charakterystyczne rodzaje przełomów:

• przełom rozdzielczy - próbka została zgięta, pęknięcie nastąpiło po przekroczeniu granicy plastyczności, tj. przy znacznych odkształceniach trwałych (rys pkt.a))

• przełom kruchy - próbka pękła bez widocznego odkształcenia plastycznego (b))

• przełom z rozwarstwieniem - wskazujący na duży stopień anizotropowości materiału spowodowany przeróbką plastyczną, lub wskazujący na obecność jednego lub więcej pasm zanieczyszczeń.

Na rodzaj przełomu wpływa też kształt i wymiar karbu.

Próbę należy uznać za nieważną lub też niepewną jeżeli:

• przełom na bocznej powierzchni próbki przebiega linią łamaną lub wykazuje pęknięcia hartownicze

• próbka nie została przełamana lecz przeszła przez podpory. W tym przypadku należy

zanotować w protokole „nie złamana”, a otrzymaną wartość udarności ująć w nawiasy.

• próbka nie została przełamana z powodu dużej udarności materiału i niewystarczającej energii uderzenia młotem. W tym wypadku należy zanotować w protokóle uwagę „nie złamała się” i pod wartością udarności postawić znak >.

5. -Wnioski.

Próbka stali z karbem Mesnager 2 mm pękła za pierwszym. Był to przełom kruchy.

Należy zauważyć, że na wytrzymałość uderzeniową próbki bardzo duży wpływ ma rodzaj karbu i sposób jej pobrania (wzdłuż lub w poprzek włókien).

Reasumując, badania udarności mają szczególne znaczenie dla stali ulepszanych cieplnie, gdy wraz z korzystnym wzrostem wytrzymałości i twardości zachodzi szkodliwy wzrost kruchości materiału. Pozwalają one w tym przypadku ustalić optymalne warunki obróbki cieplnej.

1

6

---