I. Cel ćwiczenia.

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. Dla określenia tych własności stosuje się próby udarowe, pozwalające zbadać odporność na uderzenia i jednocześnie pozwalające skontrolować jakość obróbki cieplnej, stwierdzić skłonność materiału do starzenia, zbadać kruchość na zimno i gorąco itp.

Stosowane są następujące próby udarowe: próba rozciągania, ściskania, skręcania, zginania. W praktyce najczęściej stosuje się udarową próbę zginania, która nosi popularną nazwę próby udarności. Cechą charakterystyczną badań udarowych jest fakt, że pozwalają one na dokładniejsze określenie zmian własności wytrzymałościowych materiału poddanego procesom technologicznym niż na to pozwalają próby statyczne.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z praktycznym sposobem wykonania próby udarności zgodnie z obowiązującymi normami, użytymi do tego celu próbkami i urządzeniami oraz interpretacją wyników próby.

II.Wiadomości uzupełniające..

1.Określenie próby udarności.

Miarą udarowej próby zginania jest praca zużyta na zniszczenie (złamanie) próbki. Stosunek tej pracy do pola przekroju poprzecznego zginanej udarowo próbki przyjęto nazywać udarnością.

K = Lu /So [J / m2]

gdzie:

Lu - [J] - wartość pracy zużytej na złamanie próbki

So - [m2] - pole powierzchni przekroju próbki w miejscu karbu

( dla próbek z karbem ), mierzone przed próbą

Oznaczenie udarności K należy uzupełnić dodatkowym symbolem wskazującym typ próbki, na której zostało przeprowadzone badanie. Potrzeba dodatkowego oznaczenia udarności wynika stąd, że oznaczona w sposób wyżej podany udarność nie podlega prawu podobieństwa, szczególnie udarność próbek z karbem. Z tego względu wyniki uzyskane przy udarowym zginaniu z karbem są porównywalne z wynikami otrzymanymi przy badaniu w tych samych warunkach próbek o tych samych wymiarach i kształtach karbu. Udarność jest więc umownym wskaźnikiem porównawczym.

Oprócz określenia wskaźnika K w próbie udarności obserwuje się odkształcenie plastyczne próbek. Jest ono mniejsze niż analogiczne odkształcenie, które wystąpiłoby w warunkach obciążenia statycznego ( w warunkach statycznych może nawet nie dochodzić do złamania ). Spowodowane jest to tym, że odkształcenie plastyczne zachodzi znacznie wolniej niż odkształcenie sprężyste, a próba udarności trwa bardzo krótko. Niemniej jednak z charakteru przełomu można wnioskować o własnościach plastycznych materiału.

Stosowane są dwie próby zginania wg Charpy'ego i wg Izoda. W metodzie Charpy'ego próbka stanowi belkę dwustronnie swobodnie podpartą, a w próbie Izoda jest belką jednostronnie utwierdzoną. W Polsce znormalizowana jest tylko próba Charpy'ego, gdyż jest ona próbą popularniejszą. Określa ją norma PN - 69 / H - 04370 dla stali i staliwa, PN - 62 / H - 83107 dla żeliwa szarego, PN - 71 / D - 04107 dla drewna.

71

Rys.1.1.Schemat udarności według metody Charpy'ego.

2. Próbki.

Do próby udarności używa się próbki w kształcie prostopadłościanów lub walców, gładkich albo z wykonanym karbem w miejscu, w którym przewidziany jest przełom. Próbki gładkie walcowe o 20 mm używane są do badania żeliwa szarego, gładkie prostopadłościenne 20 x 20 mm dla drewna i prostopadłościenne z karbem dla stali i staliwa. Podana już wyżej PN-69 / H - 04370 przewiduje do prób udarności stali i staliwa trzy typy próbek:

- typu Mesnager ( rys. 1.2 ),

- typu ISO - Charpy U ( rys.1.3 ),

- typu ISO - Charpy V (rys. 1.4 ).

Rys.1.2.Próbka typu Mesnager

( z karbem w kształcie litery U ).

Do badania stali i staliwa powszechnie używane są próbki typu Mesnager. Próbki typu ISO - Charpy U z karbem o głębokości 5 mm stosuje się wtedy, gdy materiał jest na tyle ciągliwy, że próbki typu Mesnager nie ulegają złamaniu przy użyciu całego zasobu energii młota. Norma PN - 69 / H - 04370 dopuszcza stosowanie próbek typu Mesnager i ISO Charpy V o szerokości 7,5 i 5 mm dla wyrobów, z których nie można wyciąć próbki o szerokości 10 mm oraz dla materiałów, które do złamania próbki wymagają energii powyżej 300 J.

Liczbę próbek potrzebnych do badania, miejsce ich pobrania oraz położenie osi karbu i próbki ustalają normy przedmiotowe lub warunki techniczne.

Odcinki próbne, z których wykonuje się próbki należy wycinać "na zimno" na obrabiarkach do skrawania. 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.

72

Rys.1.3.Próbka typu

ISO - Charpy ( z karbem w kształcie litery U).

Rys.1.4.Próbka typu ISO - Charpy ( z karbem w kształcie litery V ).

Próbki powinny być całkowicie obrobione skrawaniem, a karby należy wykonać frezowaniem lub wierceniem i przecinaniem. 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. Gładkość powierzchni wywiera pewien, choć nieznaczny wpływ na udarność. Promień zaokrąglenia i głębokość karbu mają bardzo duży wpływ na udarność próbki. Niedopuszczalne są na dnie karbu rysy wzdłużne widoczne nieuzbrojonym okiem.

3.Urządzenia do przeprowadzenia próby.

Próbę udarności przeprowadza się na młotach typu Charpy, Amsler lub innych przeznaczonych do badań próbek podpartych na obu końcach. Najczęściej w laboratoriach krajowych stosuje się młoty Charpy ( rys. 1.3 ). Młot 2 jest zamocowany wachliwie na podstawie 1. Na osi obrotowej połączonej sztywno z wachadłem znajduje się wskazówka 5, która z pewnym oporem może obracać się wokół osi.

73

Po zamocowaniu wahadła w górnym początkowym położeniu, wskazówkę 5 powinno się dosunąć do oporu 3. Po zwolnieniu zaczepu młot opada na próbkę 6, po czym wychyla się o kąt , o wartość kąta wychylenia się również wskazówka 5 i wskazuje na odpowiedniej skali wartość pracy zużytej na złamanie próbki. Po złamaniu próbki wahadło zatrzymuje się ręcznie przy pomocy hamulca 7.

Młoty wahadłowe powinny mieć konstrukcję sztywną oraz powinny być dostatecznie ciężkie, trwale przymocowane do fundamentu i posiadać energię uderzenia 300 10 J. Prędkość młota wahadłowego w chwili uderzenia powinna wynosić v = 4,5 - 7 m / s. Straty energii na skutek tarcia nie powinny przekraczać 0,5 % największej energii uderzenia.

Rys.1.5.Młot wachadłowy Charpy'ego.

4.Przełomy próbek.

Po złamaniu próbki analizuje się jej przełom. Między wartością pracy złamania a rodzajem przełomu istnieje pewna zależność, która potwierdza otrzymane wyniki i dostarcza informacje o własnościach materiału próbki, wadach wewnętrznych itp. Rozróżnia się trzy charakterystyczne rodzaje przełomów ( rys. 1.4 ):

1/ przełom rozdzielczy - próbka została zgięta, pęknięcie nastąpiło po przekroczeniu granicy plastyczności, tj. przy znacznym odkształceniu trwałym,

2/ przełom kruchy - próbka pękła nie wykazując widocznego odkształcenia plastycznego,

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

Na rodzaj przełomu oprócz własności materiału wpływają również kształt i wymiary karbu.

5.Ocena wyników i unieważnienie próby.

W procesie wykonywania próbek trudno jest się ustrzec od popełnienia błędów kształtu, szczególnie błędów kształtu karbu, stąd w próbach udarności występuje duża rozbieżność wyników. Aby uzyskać miarodajne dane doświadczalne, należy badać większe liczby próbek i opierać się na wynikach średnich.

74

Przyjęte jest, że dla wyznaczenia wskaźnika K dla danego materiału należy zbadać co najmniej trzy próbki.

Rys. 1.6. Wygląd próbek po zginaniu udarowym przy złomie:

a / rozdzielczym, b / kruchym, c / z rozwarstwieniem

Jeżeli przełom na bocznej powierzchni próbki przebiega linią łamaną lub wykazuje pęknięcia hartownicze, próbę należy uznać za nieważną i powtórzyć próbę na jednej próbce zastępczej. W przypadku gdy próbka nie została przełamana, lecz przeszła przez podpory, należy zanotować w protokóle "nie złamana", a otrzymaną wartość udarności zapisać w nawiasie. Jeżeli próbka nie została przełamana z powodu dużej udarności materiału i niewystarczającej energii uderzenia młota, należy w protokóle umieścić "nie złamała się" i pod wartością udarności postawić znak >.

III.Przebieg ćwiczenia..

1.Przygotować arkusz protokółu,

2.Sporządzić w protokóle schemat podparcia i obciążenia próbki oraz zapisać dane charakterystyczne młota, typ i pole przekroju próbki. Pole przekroju próbki określa się z pomiaru suwmiarką szerokości i grubości w przekroju karbu.

3.Ułożyć próbkę na podporach. Przy tej czynności należy przestrzegać, aby:

- uderzenie młota było środkowe,

- oś karbu leżała w płaszczyźnie ruchu młota,

- karb był skierowany do podpór,

- próbka przylegała do podpór.

Jeśli z elementów nie można wyciąć próbki o szerokości 10 mm lub, jeśli złamanie próbki wymaga energii powyżej 300J, stosuje się próbki typu Mesnager i ISO - Charpy V o szerokości 7,5 mm lub 5,0 mm.

       Czasami, w przypadku specjalnych przepisów odbiorczych, stosowane są próbki o innym sposobie zamocowania oraz o innym kształcie i wymiarach niż przedstawiono to na rys.1do 4.

       Przykładowo, na rys. 5 przedstawiono sposób zamocowania oraz wymiary próbki typu Izoda. Próbka ta nie jest jednak objęta Polską Normą.

  Liczbę próbek potrzebnych do badań, miejsce ich pobrania oraz położenie 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 należy przy tym 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. Gładkość powierzchni próbki wywiera pewien, choć nieznaczny wpływ na udarność.

       Karb wykonuje się za pomocą frezowania lub wiercenia i przecinania. Niedopuszczalne są na dnie karbu rysy wzdłużne widoczne nieuzbrojonym okiem, pochodzące od obróbki wiórowej. Promień zaokrąglenia i głębokość karbu mają bardzo duży wpływ na udarność próbki.

       Wyniki prób udarności są porównywalne tylko dla próbek o jednakowym kształcie.

       Nacięcie karbu na próbce wykonuje się w celu wywołania spiętrzenia naprężeń powodującego pęknięcie próbki wykonanej z materiału plastycznego. Przeprowadzenie próby udarności próbki bez karbu wykonanej z takiego materiału byłoby w ogóle niemożliwe, ponieważ próbka uległa by tylko zgięciu.

       Nie należy stosować do badań: próbek skrzywionych i z pęknięciami hartowniczymi, próbek z wgniotami i zadziorami na krawędziach.

       Próbę udarności stosuje się do złączy spawanych i zgrzewanych doczołowo o dowolnym kształcie.

       Badania udarności w tym przypadku ma na celu ocenę zachowania się złącza w warunkach sprzyjających kruchemu pękaniu pod wpływem dynamicznego działania siły na próbkę przy określonej temperaturze.

       Próbki do badań udarności wykonuje się z karbem typu ,,U", które są również rozmieszczone względem złącza. Próbki wykonuje się wg. Normy PN-79/M-69733.

Jeśli złom próbki wykazuje pęknięcia hartownicze (kontrola obróbki cieplnej) lub nie przebiega w płaszczyźnie symetrii karbu, próbę uważa się za nieważną. Przy przejściu próbki pomiędzy podporami, lecz niecałkowitym jej złamaniu, należy zaznaczyć w uwagach "nie złamała się". A otrzymaną wartość udarności podaje się w nawiasie.

       Pomiędzy udarnością a rodzajem złomu, istnieje pewna zależność. Dlatego obserwacja złomów ma duże znaczenie przy określaniu własności mechanicznych badanego materiału oraz rodzaju wad materiałowych. Rozróżnia się w tym przypadku trzy charakterystyczne rodzaje złomów:

1. Złom rozdzielczy - gdy pęknięcie nastąpiło przy znacznych odkształceniach plastycznych. Wygląd złomu - matowy i włóknisty (rys.10).

2. Złom kruchy - gdy pęknięcie nastąpiło bez widocznego odkształcenia plastycznego. Wygląd złomu - ziarnisty, błyszczący (rys.11).

3. Złom z rozwarstwieniem, wskazującym na anizotropowość materiału spowodowaną przeróbką plastyczną, na pasma zanieczyszczeń lub na inne wady materiałowe (rys.12)

Złom oznacza się jak przy próbie rozciągania, dodając oznaczenie Cg (ciągliwy) przy złomie rozdzielczym, zaś K przy kruchym. Trzeci rodzaj złomu opisuje się słownie w uwagach.

       Złom rozdzielczy charakteryzuje duża udarność, której odpowiada duże wydłużenie i przewężenie przy statycznej próbie rozciągania (metale plastyczne), zaś złom kruchy - bardzo mała udarność (metale kruche). Wielkość udarności charakteryzuje zatem między innymi i własności plastyczne badanego materiału przy dynamicznym obciążeniu. Mała udarność materiału, który przy statycznej próbie wykazał własności plastyczne, świadczy o skłonnościach danego materiału do przejścia w stan kruchości przy obciążeniu dynamicznym. Jest to zjawisko szczególnie niebezpieczne, gdyż zniszczenie danego elementu w czasie pracy zachodzi bez uprzednich odkształceń plastycznych. Dlatego też jednym z najważniejszych zadań próby udarności jest określenie skłonności danego materiału do przejścia w stan kruchości.

       Próba udarności ma duże znaczenie dla kontroli jakości obróbki cieplnej i plastycznej. Skłonność materiału do stanu kruchości (mała udarność) po obróbce cieplnej lub plastycznej, może być spowodowana wytworzeniem się struktury gruboziarnistej (przegrzanie, rekrystalizacja), kruchością odpuszczania lub też innymi wadami wynikającymi z nieprawidłowego przebiegu procesu ulepszania danego materiału. W podobny sposób wpływa na udarność zjawisko starzenia się stali.

       Ujemną stroną próby udarności jest duża zależność jej wyników nie tylko od własności mechanicznych badanego materiału, lecz i od warunków przeprowadzenia próby (szybkość obciążenia, temperatura, dokładność ustawienia próbki itp.) i wykonania samych prób

Udarność (ozn. K) jest to odporność materiału na pęknięcie przy uderzeniu (np. kuciu), mierzona zwykle na młocie wahadłowym Charpy'ego. O wzorze K=E/A gdzie E- część energii młota pochłonięta przy złamaniu próbki, A- pole przekroju próbki w miejscu nacięcia.

---