Wstęp:

W rozważaniach nad stalą podkreślano zawsze znaczenie plastyczności jako najważniejszego zjawiska fizycznego. Stal niskowęglowa, stosowana na kadłuby statków, jest materiałem plastycznym i pęka dopiero po znacznym odkształceniu plastycznym oraz absorpcji energii. Jednakże w okresie II wojny światowej konstruktorzy statków przekonali się, że stal może ulegać nagłemu zniszczeniu na skutek kruchych pęknięć bez istotnych odkształceń plastycznych. Problem ten pojawił się w okrętownictwie głównie jako skutek uboczny wprowadzenia spawania do budowy statków. Pęknięcia te spowodowane były:

1) -niewłaściwym składem chemicznym stali,

-zmianami strukturalnymi w strefie wpływu ciepła złącz spawanego,

-spawalniczymi naprężeniami spawalniczymi;

2) -karbami na krawędzi nadlewu oraz grani spoiny.

Kruche pękanie znane było już przed 1939 rokiem. Opisano nawet, bez podania szczegółów, kilkanaście znaczących przypadków zniszczenia: mostów, statków oraz zbiorników. Jednakże mało który z techników orientował się w problemie i większego znaczenia nabrał on dopiero podczas II wojny światowej, kiedy to znacznym uszkodzeniom uległo wiele statków budowanych w tym okresie, a wiele z nich zatonęło. Statki te miały konstrukcję spawaną, a pęknięcia przebiegały z dużą prędkością przez wiele płyt często dzieląc statek na dwie połowy. Klasycznym tego przykładem był zbiornikowiec "Schenectady", który pękł w poprzek i rozpadł się na dwie połowy, znajdując się na spokojnej wodzie przy nabrzeżu wyposażeniowym. Obciążenia były statyczne i niewielkie (60-90 MPa), a temperatura otoczenia poniżej 5 stopni C.

Szybki rozwój badań na kruche pękanie spowodowany został zawodnością oceny stanu ciągliwości stali na podstawie wyników badań gładkich próbek na rozciąganie i zginanie. Ocena ta jest szczególnie zawodna dla stali stosowanych na konstrukcje spawane.

Częstokroć sama obecność dostatecznie ostrego karbu może sprawić, że stal, zachowująca się plastycznie przy rozciąganiu próbek gładkich, pęka w sposób kruchy (bez uprzednich odkształceń plastycznych w skali makro) już przy statycznym rozciąganiu próbek z karbem. Kruchość lub plastyczność materiału, wynikająca ze sposobu zachowania się gładkiej próbki rozciąganej jednoosiowo, jest pojęciem względnym. Materiały uważane za ciągliwe mogą ulec kruchemu pęknięciu pod wpływem wieloosiowych naprężeń rozciągających. W Tym wypadku zachodzi potencjalne niebezpieczeństwo uszkodzenia, a nawet zniszczenia kadłuba, jeśli zastosowane materiały nie będą wystarczająco odporne na kruche pękanie. Ze względu na szybki rozwój badań w tym kierunku, w latach 1980-90 znacznie zmniejszyło się zjawisko kruchych pęknięć w statkach, trzeba tu zaznaczyć, iż pęknięcia te miały miejsce w stali kat. A.

Kruche pękanie charakteryzuje się tym, że rozwija się w materiale praktycznie bez odkształceń plastycznych z bardzo dużymi prędkościami (ok. 1800 m/s). Udarowa próba zginania próbek z karbem (próba udarności) służy do oceny zachowania się stali pod działanie następujących czynników sprzyjających kruchemu pękaniu: -ostrego karbu, -dużej szybkości przyrostu odkształcenia oraz -obniżonej temperatury. (dwa ostatnie wraz z oddziaływaniem karbu).

Próba udarności służy jako podstawowe kryterium oceny odporności materiału na kruche pękanie, a wymagania odnośnie do wartości pracy złamania próbek ze stali kadłubowej w określonych temperaturach są podstawą podziału tych stali na kategorie.

Opis metodyki badań:

Próbę udarności wykonano na młocie wahadłowym Charpy`ego, przeznaczonego do udarowego zginania próbek podpartych swobodnie na obu końcach. Próbkę umieszcza się na podporach młota tak, aby oś karbu leżała w płaszczyźnie ruchu wahadła młota. Odległość między podporami młota powinna wynosić 40 0,5 mm. Karb skierowany jest do podpór, natomiast próbka powinna przylegać do podpór młota.

Początkowa energia młota wynosi w naszej próbie 150J, lecz także wykonuje się próby na młotach o energii początkowej 300J. Przed dokonaniem pomiaru należy sprawdzić poprawność działania młota, tzn. Sprawdzić, czy po pełnym swobodnym wahnięciu wskazówka wskaże energię równą 0 (zero).

Wahadło młota w swoim położeniu początkowym posiada maksymalną energię początkową :

Kmax = m g h1

gdzie :

m - masa bijaka młota

g - przyspieszenie ziemskie

h1 - wysokość wzniesienia wahadła ponad próbkę

W czasie próby wahadło wychylone od pionu o kąt rozwarty 1 zostaje zwolnione z zaczepów i spadając w dół łamie próbkę, po czym wznosi się na wysokość h2 i wychyla od pionu o kąt 2 . Praca złamania próbki :

K = Kmax - K2 = mg ( h1 - h2 ) = mgR (cos2 - cos1 )

gdzie:

Kmax -maksymalna energia początkowa młota

K -praca uderzenia odpowiadająca energii zużytej na złamanie próbki

K2 - energia złamania próbki

m - masa bijaka młota

g - przyspieszenie ziemskie

h1 (1) - wysokość wzniesienia wahadła ponad próbkę przed złamaniem (wychylenie wachadła od pionu o kąt rozwarty)

h2 (2) - wysokość wzniesienia wahadła po złamaniu próbki (wychylenie o kąt)

R -odległość od osi wahadła młota do środka próbki ustawionej na podporach

Na skali młota można odczytać wartość kąta 2 lub też bezpośrednio wartość energii złamania próbki K. Prędkość bijaka młota wahadła w chwili uderzenia w próbkę powinna wynosić V =
= 55,5 m/s.

Rozróżniamy dwa rodzaje próbek wymagane do stosowania przez przepisy towarzystw kwalifikacyjnych :

- z karbem w kształcie litery U (zwane Charpy U ) , o głębokości karbu 5mm ,

- z karbem w kształcie litery V (zwane Charpy V ) , o głębokości karbu 2mm.

Długość dla każdego rodzaju próbek wynosi 55mm, szerokość zaś 10mm. Próbki, a zwłaszcza karby powinny być wykonane drogą obróbki mechanicznej przez skrawanie, aby nie dopuścić do powstawania nierówności i rys zarówno na powierzchni próbki, jak i dnie karbu, widocznych gołym okiem.

Sama próbka powinna być wykonana według dopuszczalnych norm dla danej próby udarności. Tabela przedstawia wymiary i odchyłki dla próbki z karbem V użytej w czasie próby:

Oznaczenia	Wymiar nominalny	Odchyłka dla obróbki
Długość	55 mm	0,60 mm
Wysokość	10 mm	0,06 mm
Szerokość	10 mm 7,5 mm 5 mm	0,11 mm 0,11 mm 0,06 mm
Kąt karbu	45	2
Promień zaokrąglenia dna karbu próbki	8 mm	0,06 mm
Wysokość poniżej karbu	0,25 mm	0,025 mm
Odległość płaszczyzny symetrii karbu od końca próbki	27,5 mm	0,42 mm
Kąt między płaszczyzną symetrii karbu a wzdłużną osią próbki	90	2
Kąt między przyległymi wzdłużnymi płaszczyznami próbki	90	2

Próbę udarności przeprowadzono w różnych temperaturach dla stali kadłubowych kategorii A, próbka Charpy V, stale walcowane. Przy pomiarach udarności w obniżonych temperaturach należy przed badaniem schłodzić próbkę do wymaganej temperatury. Schładzanie próbek przeprowadza się w komorze chłodzącej zwanej termostatem, wykonanej jako naczynie o podwójnych ściankach lub z materiału izolacyjnego, jak w naszym przypadku. Pomiar temperatury przeprowadzono przy użyciu termometru, znajdującego się w cieczy, wraz z chłodzoną próbką. Jako środek oziębiający stosuje się ciecz, której temperatura zamarzania jest większa niż temperatura próby, do tego celu użyto alkoholu etylowego zwanego denaturatem. Do schładzania użyto dwutlenku węgla ( suchego lodu CO2(s)). Po osiągnięciu przez ośrodek oziębiający żądanej temperatury, suchy lód wyjęto z cieczy, a komorę wraz z próbką i kleszczami do przenoszenia próbki zamknięto szczelnie w termostacie na co najmniej 15 minut.

Próbę wykonano dla temperatury -20C i 20C. Po wyjęciu próbki, wstrząśnięto nią, w celu oczyszczenia jej z pozostałości cieczy chłodzącej.

Liczba pomiarów	temp. pomiaru [oC]	Udarność [J]
1	+20	20
2	-20	7
3	-40	4,5

Wyniki badań:

Udarność KCV = KV/So [J/cm2]

gdzie:

KV energia złamania próbki z karbem V

So Powierzchnia przekroju poprzecznego próbki w

miejscu karbu

So = X o * yo

gdzie:

X wysokość poniżej karbu

y szerokość próbki

So = 0,8 * 1 = 0,8 [cm2]

Czyli dla temperatur odpowiednio:

KCV150 = 25 [J/cm2]

KCV-20150 = 8,75 [J/cm2]

KCV-40150 = 7,5 [J/cm2]

Wykres krzywej przejścia stali w stan kruchy z otrzymanych z danych w czasie ćwiczenia.

Próbki wycięte w poprzek kierunku walcowania, Kwym = 20J, najlepiej jest używać powyżej temperatury TK = 10 oC (odczytane z wykresu), gdyż poniżej materiał ukzuje przełom kruchy. W celu obniżenia temperatury TK dodaje się nikiel, który przesuwa ją w dół.

W czasie ćwiczenia podano także udarność stali kategorii D 60 [J]. Jak widać jest ona dużo większa, czyli posiada lepszą jakość do zastosowania .

Stal kategorii A jest najgorsza w porównaniu z innymi kategoriami, niemniej także stosowana na stale kadłubowe. Przełom tej próbki w temperaturze +20C wykonano dla dwóch próbek. Pierwsza z nich, nie udała się, gdyż przełom tej próbki mijał się z oczekiwanymi (prawie całkowity przełom kruchy) . Dla kategorii D stali, to 97% przełom kruchy i 3% przełom ciągliwy.

Drugi był przełomem mieszanym, czyli spodziewany. Po bokach i u dołu próbki pasek około 1mm różniły się, był to pasek ciągliwy 25%. Przełom kruchy to pozostałe 75%. Wygląd przełomu był książkowy, czyli w środku ziarnisty skrzący, na obrzeżach matowy.

Natomiast dla temperatury -20C stal kategorii A, posiada przełom kruchy.

Wnioski i spostrzeżenia:

Z powodu ukazania tylko samej zasady badania próbki Charpy V, na młocie wahadłowym Charpy, ilość zbadanych próbek była ograniczona względami ekonomicznymi. Część danych została zaczerpnięta od innych grup, które badały próbki w innych temperaturach. Sama próba ukazuje wytrzymałośc materiału na kruche pękanie. Nie jest ona bardzo dokładna, ale wystarczająco informuje nas o jej własnościach.

Próba nie została przeprowadzona ściśle z zaleceniami towarzystw, czy z dokładnością, co byłoby oczywiście bardzo trudne, wręcz niemożliwe, lecz dla potrzeb ćwiczenia ukazanie dokładnych wyników nie było zamiarem.

Uważam, że ćwiczenie jest bardzo przydatne i pouczające studenta, mogącego w przyszłości spotkać się z zagadnieniem “udarności”.

4

---