Próba Udarności

1.Podstawy teoretyczne:

W procesie eksploatacji wiele elementów konstrukcyjnych ulega zniszczeniu na

skutek nagłego obciążenia, które pojawia się w układzie na skutek np. awarii

maszyny. Amplituda uderzenia wcale nie musi przekroczyć wartości dopuszczalnego

obciążenia, a mimo to element jest zniszczony. Zachowanie elementów

obciążonych siła impulsowa podobnie jak w przypadku obciążeń okresowych

jest wiec inne jak pod działaniem obciążeń quasistatycznych. W procesie projektowania

należy uwzględnić to zjawisko. Najprostszym sposobem jest doświadczalne

sprawdzenie jak zachowuje się konkretny materiał, element czy połączenie

pod działaniem impulsowych sił. W praktyce laboratoryjnej prowadzone sa

badania różnych próbek poddanych: rozciąganiu, ściskaniu, skręcaniu i zginaniu.

Próbę udarności stosuje się do kontroli obróbki cieplnej i stwierdzenia skłonności

materiału do starzenia, kruchości na zimno, na gorąco, wad materiału itp.

Najbardziej rozpowszechniona jest udarowa próba zginania. Próbę te przeprowadza

się zgodnie z norma PN-EN 10045-1:1994 Metale - Próba udarności

sposobem Charpy'ego - Metoda badania. Do prób stosowane są próbki obciążone

udarowo siła w połowie rozpiętości.

Dla ułatwienia złamania próbki w połowie próbki jest wykonany karb o ustalonej

geometrii w kształcie litery U lub V. Typowa próbka zgodna z norma ma

wymiary 55×10×10 mm z karbem o głębokości 2 mm. Udarnością K próbki

nazywamy stosunek pracy Lu zużytej na jej złamanie do pola powierzchni Są

przekroju poprzecznego w miejscu karbu.

Przy wycinaniu odcinków próbnych na próbki należy unikać miejsc, które

mogłoby zmienić własności mechaniczne. Odcinki próbne wycina się na zimno.

Próbki powinny być całkowicie obrabiane wiórowo. Jako obróbkę końcowa

zaleca się szlifowanie. W przypadku stosowania próbek obrabianych cieplnie,

obróbkę cieplna należy przeprowadzić przed wykonaniem karbu. Próbę udarności

przeprowadza się tak, aby uderzenie młota było środkowe oraz os karbu leżała

w płaszczyźnie ruchu młota i karb był skierowany do podpór. Do przeprowadzenia

prób ubywa się młotów wahadłowych Charpy’ego (rys. 12.1) o energii od

100 do 300Nm, przy czym prędkość w chwili uderzenia powinna wynosić

4÷7m/s, a dopuszczalne straty wywołane tarciem do 1% zgodnie z PN-EN

10045-2:1996 Metale - Próba udarności sposobem Charpy'ego - Sprawdzanie

młotów wahadłowych.

Młot Charpy’ego składa się z obudowy i bijaka w postaci wahadła matematycznego,

całość na trwałe zamocowana na fundamencie. Na osi obrotu na sztywno

zamocowano tarcze z przeciwskazań. Tarcza wyskalowana jest w stopniach do

pomiaru katów i w jednostkach pracy do pomiaru rozproszonej energii. Wskazówka

automatycznie zatrzyma się w najwyższym punkcie. Standardowy młot posiada

początkowa energie (300±10) J. W stanie spoczynku bijak jest podniesiony

i zablokowany na wysokość h1 i tworzy z pionem kat 1=160o. Po zwolnieniu

bijaka w najniższym punkcie uderza w próbkę lecąca na stoliku. Niszcząc ja

rozprasza energie o wartości Lu. Pozostała energia zamienia się w energie potencjalna

i bijak wznosi się na wysokość h2 tworząc z pionem kat 2. Powrotne

wahniecie jest zatrzymywane przez hamulec.

Przeprowadzona próbę oznaczamy zgodnie z norma np. KU300/2/7,5 gdzie K –

oznacza udarność wykonana dla próbki z U-karbem, energia początkowa młota

wynosiła 300 J, głębokość karbu 2 zaś szerokość próbki 7,5. W normie dopuszcza

się próbkę z V-karbem oznaczmy próbę KV, głębokości karbu: 2, 3, 5 mm

dla próbki z U-karbem i 2mm z V-karbem, szerokość próbki: 10, 7.5, 5 mm,

młot może mieć energie początkowa: 300, 150, 100, 50, 10, 5 N.

Jeżeli podczas próby próbka nie została złamana, lecz jedynie zgięta i przeszła

przez podpory, zużyta energia nie może być traktowana jak wynik udarności.

W takim przypadku próbę unieważniamy. Należy pamiętać, aby do porównań

brać wyniki otrzymane na próbkach o takim samym kształcie, rodzaju karbu, a wymiary

mogą być porównywalne. Nie ma metody przeliczania wyników otrzymanych

jedna metoda badania na wartości, które można otrzymać inna metoda badan.

Pomiędzy udarnością a rodzajem złomu istnieje pewna zależność. Dlatego należy

obserwować złom po przeprowadzonej próbie, aby potwierdzić otrzymane wyniki.

Rozróżniamy trzy charakterystyczne rodzaje złomów:

1) Złom poślizgowy oznacza, _e próbka została zgięta, silnie zdeformowana i pękła

przy znacznym odkształceniu trwałym. Na powierzchni bocznej widać dużą strefę

plastycznego płynięcia.

2) Złom kruchy - próbka pękła nie wykazując odkształceń plastycznych.

3) Złom z rozwarstwieniem – próbka ma wyraźne pęknięcia wzdłuż_ swojej długości.

Wskazuje to na duży stopień anizotropowości materiału. Może być to spowodowane

obróbka plastyczna, lub wskazywać na obecność zanieczyszczeń.

Zastosowanie i rodzaje prób udarowych

W elementach konstrukcyjnych bardzo często pojawiają się zmienne obciążenia dynamiczne, które charakteryzują się bardzo gwałtownymi zmianami. Mówimy wtedy, że mamy do czynienia z udarnością. Zjawisko to wymaga określenia oddzielnych własności materiału. Do określania tych własności służy próba udarowa mająca na celu stwierdzenie jakości materiału po obróbce cieplnej oraz skłonności przechodzenia materiału w stan kruchy pod wpływem zwiększonej szybkości obciążenia. Stosuje się następujące próby udarowe:

1. Próba rozciągania

2. Próba ściskania

3. Próba skręcania

4. Próba zginania

Najczęściej stosowaną w praktyce jest próba zginania wykonywana na próbach z karbem lub bez karbu. Wyniki badań w znacznym stopniu zależy od temperatury badań, procesów technologicznych jakim był poddawany półwyrób. Duże znaczenie ma też zawartość węgla, która w stalach podeutektoidalnych gwałtownie obniża udarność.

Definicja udarności

Udarność KC wyrażona jest ilorazem pracy łamania do pola przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu.

Gdzie:

K[J]- praca łamania próbki

pole przekroju poprzecznego w miejscu karbu zmierzone przed próbą.

Młot Charpy'ego – urządzenie, za pomocą którego dokonuje się pomiaru udarności poszczególnych materiałów w postaci specjalnie przygotowanych próbek.

Miarą udarności jest stosunek pracy, jaka została włożona, aby zniszczyć próbkę, do pola powierzchni przekroju w miejscu występowania karbu.

Umożliwia on wyznaczenie energii potrzebnej do udarowego złamania (pracy łamania K) próbki podpartej końcami na dwóch podporach za pomocą uderzającego w nią środkowo wahadła. Praca łamania K [J] jest różnicą energii potencjalnej młota w położeniu początkowych Kmax i końcowym Kmin. Do ich obliczenia, przy danej masie wahadła m i długości ramienia R, konieczna jest znajomość kątów α i β, określających położenia wahadła przed złamaniem i po złamaniu próbki.

Młot Charpy'ego składa się z podstawy i dwóch słupów w których łożyskowane jest wahadło z bijakiem. Do słupów przymocowane są podpory, na których umieszcza się próbkę w taki sposób aby karb usytuowany był od strony przypór. Po zwolnieniu zaczepu wahadło z bijakiem opada z najwyższego położenia określonego kątem α zamieniając swą początkową energię potencjalną Kmax na kinetyczną. Uderzając w próbkę w najniższym swym położeniu, młot osiąga maksymalną prędkość

,

gdzie:

g – przyspieszenie ziemskie

R – odległość od osi wahadła do środka próbki

α – kąt spadania wahadła młota

Po złamaniu próbki reszta energii kinetycznej młota zmienia się w energię potencjalną, której wartość jest proporcjonalna do wysokości, jaką osiągnęło wahadło po próbie. Kąt wychylenia wahadła po próbie β określa wskazówka na skali popychana przez zabierak, który obraca się wraz z wahadłem. Za pomocą hamulca zatrzymuje się wahadło po złamaniu próbki. Początkowa energia młota (w położeniu górnym):

a po próbie:

gdzie m jest masą wahadła młota sprowadzona do środka uderzenia. Praca łamania próbki:

Zgodnie z normą PN-EN 10045-1 standardowe warunki badania przewidują stosowanie młotów o początkowej energii Kmax = 300 +/- 10 [J] chociaż dopuszcza się używanie młotów o innej energii początkowej (150, 100, 50, 10 lub 5 [J]). Charakterystyczne wymiary młota są określone w powyższej normie.

Budowa i zasada działania młota wahadłowego

Do prób udarności używa się młotów o stałym lub zmiennym zasobie energii potencjalnej. Ramie wahadła 2 zamocowane jest wahadliwie na podstawie 1 . Na obrotowej osi połączonej Z wahadłem znajduje się wskazówka 5. Do podstawy przymocowana jest nieruchomo podziałka 4 , względem której może przesuwać się wskazówka. Odczyt pracy łamania odbywa się bezpośrednio z podziałki ; wyskalowana jest w jednostkach pracy - julach . Zapadka 7 służy do utrzymywania młota w położeniu początkowym przed wykonaniem próby, a hamulec 6 z pasem blokującym zamocowanym na dzwigni służy do natychmiastowego zatrzymania młota.

1- korpus

2- ramie wahadła

3- próbka

4- skala

5- wskazówka

6- hamulec

7- zapadka

Tabela wyników

Symbol	Wymiary [mm]	S0	K	KC
Próbki	l	C	l1	h1
S1	55,0	2,2^*	27,6	7,9
S2	55,0	2,3^*	27,6	7,8^*
S3	54,9	2,3^*	27,8	7,9
S4	55,0	2,3^*	27,6	8
S5	55,0	2,2^*	27,8	7,9
S6	54,8	2,2^*	27,5	7,9

Symbol (*) - wymiar nie mieści się w tolerancji

Obliczenia udarności i analiza dokładności

Dla S₁

Dla S₂

Dla S₃

Dla S₄

Dla S₅

Dla S₆

Dokładność pomiaru udarności :

ΔK = 2 J; Δh₁ = 0,1 mm; Δb = 0,1 mm

Do oszacowania dokładności używam różniczki zupełnej w postaci :

czyli :

próbka nr1 Δ(KC)₁= 0,025 + 0,015 + 0,018 = 0,0589 [J/mm² ]

próbka nr2 Δ(KC)₂ = 0,026 + 0,018 + 0,023 = 0,067 [ J/mm²]

próbka nr3 Δ(KC)₃ = 0,026 + 0,0196 + 0,016 = 0,0616 [J/mm²]

próbka nr4 Δ(KC)₄ = 0,025 + 0,018 + 0,022 = 0,065 [J/mm²]

próbka nr5 Δ(KC)₅ = 0,025 + 0,015 + 0,019 = 0,059 [J/mm²]

próbka nr6 Δ(KC)₆ = 0,026 + 0,015 + 0,02 = 0,061 [J/mm²]

Określenie błędów :

S₁ : KC₁ = 1,49 J/mm² 0,0589 J/mm²

S₂ : KC₂ = 1,78 J/mm² 0,067 J/mm²

S₃ : KC₃ = 1,55 J/mm² 0,0616 J/mm²

S₄ : KC₄ = 1,77 J/mm² 0,065 J/mm²

S₅ : KC₅ = 1,50 J/mm² 0,059 J/mm²

S₆ : KC₆ = 1,51 J/mm² 0,061 J/mm²

Wartość średnia dokładności :

Względna dokładność pomiaru wynosi :

Wartość średnia udarności i jej przedział ufności

Wartość średnia (oczekiwana) udarności :

Odchylenie standartowe wyników :

S_n - odchylenie standartowe wyników próby

Przedział ufności dla wartości średniej :

Przedział ufności określa się z rozkładu prawdopodobieństwa t - Studenta dla przyjętego poziomu istotności α, według wzoru :

gdzie : t_α − kwantyl rozkładu t - Studenta odczytany z tablic dla (n-1) stopni swobody

Kwantyl t_{(1-α , n-1)} dla (n-1) = 5 stopni swobody i poziomu istotności α = 5 % odczytany z tablic wynosi t_α = 2.571

Podstawiam do wzoru :

Estymator KC zawiera się więc w granicach: ( 1,46 ; 1,74 )

Wnioski

Przeprowadzona próba udarowa jest metodą dokładną, błąd pomiaru jest nieznaczny. Na dokładność wyników mogły mieć wpływ próbki posiadające wymiary nie zgodne z normami. Na zniszczonej próbce widać odkształcenia plastyczne- włókniste. Na dnie karbu uwidaczniają się zygzakowate pęknięcia. Próbki na których przeprowadzaliśmy badania wykazały przełomy kruche, trwale się odkształciły, jednakże nie uległy złamaniu. Zostały one wykonane ze stali niskowęglowej oraz były poddane walcowaniu na gorąco. Cechą charakterystyczną tych próbek jest duża udarność i anizotropia.

W warunkach normalnych do badań stosuje się 13 próbek. Za pomocą tych badań możemy również zbadać jakość obróbki cieplnej, skontrolować kruchość na zimno i gorąco oraz skłonność materiału do starzenia się.

Pomiar Twardości metodą Brinella

W metodzie Brinella pomiar twardości polega na wgniataniu w powierzchnię metalu lub stopu kulki o dużej twardości własnej. Twardość w tej metodzie określa się jako stosunek siły wywartej na kulkę do powierzchni odcisku na materiale badanym.

gdzie:

HB - wynik badania w kG/mm²,

P - siła nacisku wywartego na kulkę w kG,

D - średnica kulki w mm,

d - średnica odcisku w mm.

W metodzie tej stosuje się najczęściej kulki stalowe hartowane rzadziej z węglików wolframu. Stosowane kulki posiadają następujące średnice:

10±0.01; 5±0.01 i 2.5±0.01mm

Twardość stosowanych kulek powinna wynosić powyżej 850 HB. Przy użyciu kulek stalowych można badać twardość do 450 HB, natomiast dla wyższych twardości należy stosować kulki z węglików wolframu. Kulki stalowe przy twardości powyżej 450 HB odkształcają się, stąd wyniki pomiarów obarczone są błędami.

Zasadniczo pomiary twardości według tej metody ograniczone są do 630 HB.

Warunki wykonania badania twardości wg Brinella określają dobór średnicy i obciążenie kulek a ponadto czas trwania nacisku na kulkę.

Obciążenie winno być tak dobrane ażeby średnica odcisku mieściła się w granicach:

0.2*D < d < 0.7*d

Przy średnicach odcisku mniejszych od 0.2 D krawędzie odcisku są mało ostre, stąd błędy odczytania średnicy są bardzo duże. Natomiast przy średnicach odcisku większych od 0.7 D znacznym zmianom twardości odpowiadają nieznaczne zmiany średnicy, co również zmniejsza dokładność pomiarów. Wyżej podana zależność zostaje zachowana, jeżeli obciążenie zostanie dobrane wg równania:

P=n*D kG;

gdzie:

P - obciążenie w kG

D - średnica kulki w mm

n - współczynnik materiałowy.

Wartość współczynnika dla różnych metali i stopów podana jest w poniższej tablicy:

Współczynnik n	Rodzaj materiału
30	stal i żeliwo
10	stopy miedzi i stopy aluminium o twardości powyżej 60 HB
5	miedź i aluminium o twardości od 20 - 60 HB
2.5	stopy łożyskowe o twardości poniżej 20 HB

Dla podanych współczynników oraz różnych średnic kulek otrzymuje się różne wartości siły obciążającej:

Średnica	Współczynnik n
kulki D	30
w mm	Siła obciążająca w kN (kG)
10	29.4 (3000)
5	7.3 (750)
2.5	1.8 (187.5)

Czas działania pełnego obciążenia na kulkę zależny jest od rodzaju materiału, przy czym wynosi on:

1. dla żeliwa i stali - 10÷15 sekund

2. dla innych metali i stopów o twardości powyżej 32 HB - 30 sekund

3. dla innych metali i stopów o twardości poniżej 32 HB - 60 sekund

Jednocześnie czas wprowadzania pełnego obciążenia powinien wynosić około 10 sekund.

Wyniki badań:

Lp.	Materiał	Warunki obciążenia	Średnica odcisku mm	Twardość HB
		siła N (kG)	czas s	pom 1
1	Żeliwo sferoidalne ferrytyczne	29.4 kN (3000)	15	4.60
2	Stal 45	29.4 kN (3000)	15	5.6 5.75
3	Żeliwo sferoidalne perlityczne	29.4 kN (3000)	15	3.9 4.05
4	Stal 15	29.4 kN (3000)	15	5.7 5.65
5	Żeliwo szare zwykłe	29.4 kN (3000)	15	4.65 4.6
6	Miedź czysta	4.9 kN (500)	30	3.6 3.55
7	Stop Al PA6	4.9 kN (500)	30	2.15 2.25
8	Mosiądz M58	9.8 kN (1000)	30	3.25 3.30

Wnioski i spostrzeżenia:

Każdy wynik z metody Brinella obdarzony jest pewnym błędem, dlatego wskazane jest wykonanie kilku pomiarów i uśrednienie otrzymanych wyników. Ten zabieg pozwoli na otrzymanie wyniku najbardziej zbliżonego do rzeczywistego.

Literatura:

1. Blicharski M. – Wstęp do inżynierii materiałowej. WNT Warszawa 2001

2. Dobrzański L. – Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach. WNT Warszawa

1998

3. Dobrzański L. – Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali. Wydawnictwo

Politechniki Śląskiej, Gliwice 1993