Próba udarności metali

1.Ogólna charakterystyka

Celem prób udarności jest określenie wpływu prędkości obciążenia i odkształcenia na właściwości mechaniczne materiałów przy obciążeniach dynamicznych. Wzrost prędkości obciążenia próbki wywołuje znaczne wewnętrzne siły bezwładności, które wpływają w zasadniczy sposób na stan naprężenia. Powodują mianowicie podwyższenie granicy plastyczności i wytrzymałości materiału oraz zmniejszenie odkształceń plasiycznych. Występujący w badaniach udarowych wzrost granicy plastyczności materiału przy jednoczesnym ograniczeniu odkształceń plastycznych jest wynikiem zahamowania mechanizmów tego typu odkształceń przy dużych prędkościach obciążenia.

0o wykonywania badań udarowych wykorzystuje się urządzenia umożliwiające przyłożenie siły w bardzo krótkim czasie, nazywane młotami udarowymi. Duże trudności w pomiarze stanu naprężenia i odkształcenia w czasie prób udarowych sprawiają, że przebieg doświadczenia sprowadza się do oceny bilansu energetycznego próby. Najczęściej przeprowadzane są: próba udarowego zginania i próba udarowego rozciągania, a rzadko próby udarowego ściskania czy skręcania.

Duże znaczenie dla oceny materiału ma również określenie udarności w zależności od temperatury, szczególnie w niskich temperaturach. Wartość udarności umożliwia w sposób porównawczy ocenić kruchość materiału - im kiuchszy materiał, tym mniejsza udarność. Należy jednak zaznaczyć, że wprowadzona miara udarności (bilansu energetycznego) nie ma określonego uzasadnienia fizycznego i dlatego udarność jako wielkość charakteryzująca właściwości materiału może być porównywana jedynie w przypadku ściśle takich samych warunków przeprowadzenia próby. [4]

2.Maszyny do badań udarowych

Do wykonywania prób udarowych stosuje się wiele typów urządzeń w zależności od rodzaju próby (realizowanego stanu naprężeń) oraz od wymaganej prędkości przyłożenia obciążenia (lub prędkości odkształcenia). Najczęściej spotykanym urządzeniem jest młot wahadłowy Charpye'go (rys. 2.17) stosowany głównie przy wykonywaniu udarowej próby zginania.

Młot wahadłowy Charpy*ego przedstawiony na rysunku 2.17 składa się z ciężkiej podstawy 1, przytwierdzonej trwale do fundamentu 2. Podstawa 1 tworzy wraz

z dwoma stojakami 3 korpus młota. W stojakach 3 zamocowana jest oś obrotowa 4 połączona sztywno z ramieniem wahadła 5, zakończonym wymiennym łbem 6.

Rys. 2.17. Młot wahadłowy typu Charpy'ego: a - schemat, b - charakterystyczne wymiary młota

Na osi 4 znajduje się wskazówka 7, która z pewnym oporem może się obracać wokół osi. Po zamocowaniu wahadła w górnym, początkowym położeniu (wychylenie o kąt a) wskazówka 7 powinna się dosunąć do oporu 8. Po wyciągnięciu bezpiecznika 16 i zwolnieniu zapadki 9 za pomocą zwalniacza 10, młot opada na próbkę 11 ułożoną na podporach 12. łamie ją, po czym wychyla się o kąt [3, którego wartość po zatrzymaniu wahadła za pomocą hamulca 13, 14 odczytuje się na podziałce 15.

Konstrukcja młota Charpye'go pozwala na osiągnięcie prędkości odkształcenia do 10 m/s, co umożliwia niszczenie próbek w czasie od 0,01 s (dla metali plastycznych) do 0,001 s (dla metali kruchych). Młoty wahadłowe do udarowego zginania próbek metalowych pozwalają na uzyskanie energii do 300 Nm. [4]

3.Udarowa próba zginania

W praktyce przemysłowej bardzo duże zastosowanie znalazła udarowa próba zginania próbek z karbem. Próba ta nie daje nam infoimacji o zachowaniu się materiału przy obciążeniu dynamicznym, ze względu na znaczną koncentrację naprężeń w karbie, natomiast

może stanowić podstawę do oceny kruchości materiału. Dodatkowo dostarcza ona informacji o strukturze metalu, ujawnia mikropęknięcia oraz pozwala na ujawnienie błędów w procesach technologicznych (kucia, odlewania, obróbki cieplnej). Zmiany procesu technologicznego wpływają na wyniki udarowej próby zginania próbek z karbem w znacznie większym stopniu, niż na wyniki prób statycznych. Sprawia to, że badanie udarności metali jest szeroko stosowaną metodą kontroli przebiegu procesów technologicznych.

Udarowa próba zginania (próba udarności) dla stali i staliwa została objęta normą PN-EN 10045-2. Powszechnie stosuje się badania udarności stali i staliwa na próbkach typu Mesnager (rys 2.18) ISO - Charpy U (rys. 2.19) oraz ISO - Charpy V (rys. 2.20).

Badanie udarności (udarowego zginania) polega na złamaniu jednym uderzeniem wahadłowego młota próbki z karbem i pomiarze pracy L_u zużytej na złamanie tej próbki. Miarą udarowej próby zginania jest wartość pracy K odpowiadającej energii zużytej na zniszczenie (złamanie) próbki. Natomiast udarność - odporność materiału na działanie obciążeń dynamicznych - jest to iloraz pracy K i pola pierwotnego przekroju poprzecznego próbki So w miejscu karbu.

(1)

gdzie: K [J] - praca zużyta na złamanie próbki,

S₀ [cm2] - powierzchnia przekroju porzecznego próbki w miejscu karbu mierzona przed próba.

Przy zastosowaniu próbek z karbem w kształcie litery U, o wysokości próbki pod karbem wynoszącej 5 mm oraz dla próbek z karbem w kształcie litery V, o wysokości próbki pod karbem wynoszącej 8 mm (przy szerokości równej 10 mm), a także przy zastosowaniu młota o wyjściowej energii 300 J jako udarność przyjmuje się, wg PN, wprost pracę K zużytą na złamanie próbki.

Jeżeli nie stosuje się próbek omówionych powyżej, wówczas oznaczenie udarności K należy uzupełnić dodatkowym symbolem wskazującym typ próbki, na której przeprowadzono badanie i tak np.: KCU 150/2/7,5 oznacza udarność zmierzoną na próbce o szerokości 7,5 mm z karbem w kształcie litery U o głębokości 2 mm, na młocie o energii wyjściowej 150 J.

Rys. 2.18. Próba typu Mesnaeer (z karbem w kształcie litery U)

Rys. 2.19. Próba ISO - Charpy U (z karbem w kształcie litery U)

Rys. 2.20. Próbka typu ISO - Charpy V (z karbem w kształcie litery V)

[2][4]

4.Opis przeprowadzania próby

Próbkę ustawia się na podporach w ten sposób, aby oś karbu leżała w płaszczyźnie mchu młota, a karb był skierowany do podpór (rys. 2.21)

Rys. 2.21. Schemat ułożenia próbki do badań udarności

Temperatura próbki powinna wynosić 20 ±5°C. Bijak młota podnosi się do góry nadając mu w ten sposób odpowiedni zasób energii, a następnie zwalnia dźwignię utrzymującą wychylony bijak młota.

Bijak młota opadając uderza w próbkę, powodując jej przełamanie. Wskazówka wskazuje na skali młota, kąt wzniesienia bijaka po złamaniu próbki (3 lub wprost wartość pracy zużytej na złamanie próbki {K).

Największa energia uderzenia młota powinna wynosić 300± 10 J, zaś prędkość łba

młota wahadła w chwili uderzenia v = 4,5-^7 m/s. Oblicza się ją według wzoru:

(2)

gdzie: g - przyspieszenie ziemskie R - odległość od osi wahadła do środka próbki α - kąt spadania wahadła młota [3][5]

5.Ocena wyników badań

Pomiędzy wartością pracy K, przy udarowym zginaniu, a rodzajem złomu istnieje pewna zależność. Dlatego obserwacja złomów próbek pozwala na potwierdzenie otrzymanych wyników własności mechanicznych. Rozróżnia się trzy charakterystyczne rodzaje złomów (rys. 2.22):

złom rozdzielczy - próbka została zgięta, pęknięcie nastąpiło po przekroczeniu granicy plastyczności przy znacznym odkształceniu trwałym (rys. 2.22a);

złom kruchy - próbka pękała nie wykazując widocznego odkształcenia trwałego, (rys. 2.22b);

złom z rozwarstwieniem, wskazującym na duży stopień anizotropowości materiału spowodowany przeróbką plastyczną lub wskazujący na obecność jednego lub więcej pasm zanieczyszczeń, (rys. 2.22c).

Rys. 2.22. Typowe złomy próbek

Jeżeli złom na badanej powierzchni próbki wykazuje pęknięcia hartownicze, wtrącenia niemetaliczne, pęcherze lub przebiega linia łamana, to próbę uważa się za nieudaną.

W przypadku gdy próbka nie uległa złamaniu, lecz została przesunięta między podporami młota w protokole umieszcza się uwagę „nie złamana", a wartość ilorazu zużytej pracy i pola przekroju S₀ ujmuje się w nawias.

Jeżeli próbka nie została złamana z powodu dużej udarności materiału (i nie przeszła między podporami), wówczas w protokole umieszcza się uwagę „nie złamała się", a przed wartością K, obliczanąjako iloraz energii młota i pola przekroju S₀, stawia się znak >.

Na podstawie kształtu przekroju próbki w miejscu karbu (po złamaniu) można również ocenić własności plastyczne materiału przy udarowym zginaniu. Miarą odkształceń

plastycznych jest stopień zniekształcenia prostokątnego przekroju próbki w miejscu karbu (rys. 2.23)

Rys. 2.23. Trwałe zniekształcenia przekroju próbki w miejscu karbu

[4]

6. BIBLIOGRAFIA

1. Banasiak M.,  Ćwiczenia laboratoryjne z wytrzymałości materiałów   PWN 2000r

2. Niezgodziński M., Niezgodziński T., Wytrzymałość materiałów

3. Kowalewski Zbigniew L., Popielski Paweł Ćwiczenia laboratoryjne z wytrzymałości materiałów

4. Stanisław Wolny - Wytrzymałość Materiałów Część IV - Eksperyment w wytrzymałości materiałów - ĆWICZENIA LABORATORYJNE

5. www.studentsite.pl

6. www.konstrukcje.net.pl

str. 5

---