BADANIE UDARNOŚCI METALI ORAZ

DYNAMICZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA PRÓBEK Z KARBEM I BEZ KARBU

Patrycja Jursza

Wydział Mechaniczny

Inżynieria Mechaniczno- Medyczna

Semestr III Grupa 1B

WSTĘP

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. Dlatego próby udarowe stosuje się przede wszystkim w tym celu, aby stwierdzić, czy zwiększenie szybkości obciążenia nie przesunie materiału w stan kruchości. Dotyczy to zarówno prób w temperaturach normalnych jak i obniżonych. Na ogół udarność materiałów obniża się wraz ze spadkiem temperatury. Każda stal charakteryzuje się pewna tzw. temperatura krytyczna, poniżej której wartość udarności gwałtownie spada. Próby udarowe również mogą służyć do kontroli jakości obróbki cieplnej i wykrywania wad materiałowych. W praktyce najczęściej stosuje się udarowa próbę zginania na próbkach z karbem, która nosi nazwę próby udarności.

Próbę dynamiczna rozciągania przeprowadza się na próbkach wykonanych z gotowych elementów konstrukcyjnych narażonych w czasie pracy na obciążenia dynamiczne, jak: łańcuchy, liny, sworznie, haki, zaczepy itp. lub na próbkach wykonanych z tego samego materiału. Badania gotowych elementów na udarowa próbę rozciągania są przeważnie próbami odbiorczymi, dla których odpowiednie przepisy określają sposób ich przeprowadzenia. Udarowa próba rozciągania dla próbek z reguły polega na ich rozerwaniu przez jednorazowe uderzenie. Próba ta nie jest znormalizowana.

CELE ĆWICZENIA

• Zapoznanie się z próba udarności stali i żeliwa.

• Zbadanie wpływu kształtu karbu i rodzaju materiału na udarność.

• Wykazanie wpływu szybkości obciążenia, a zatem i odkształcenia na własności mechaniczne badanego materiału.

• Ocena wpływu karbu na wielkość pracy i odkształcenia przy dynamicznym rozciąganiu.

• Ocena wpływu karbu na wielkość pracy i odkształcenia przy statycznym rozciąganiu.

DEFINICJE

• Udarność

[J/cm²]

gdzie:

K -praca zużyta na złamanie próbki [J].

S₀ - powierzchnia przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu mierzona przed próbą [cm²]

KRYTERIA OCENY WYNIKÓW PRÓBY I RODZAJE ZŁOMÓW

Jeżeli podczas próby próbka nie została złamana, lecz tylko zgięła się i przeszła przez podpory, zużyta energia nie może być traktowana jak wynik udarności. W takim przypadku w protokole badania należy podać energie, przy której próbka nie została złamana.

Pomiędzy wartością pracy K [J] przy udarowym zginaniu, a rodzajem złomu istnieje pewna zależność. Dlatego obserwacje złomów po przeprowadzonej próbie zginania udarowego potwierdzają otrzymane wyniki własności mechanicznych. Rozróżniamy cztery charakterystyczne rodzaje złomów:

• Złom poślizgowy oznacza, że próbka została zgięta, pękniecie nastąpiło po przekroczeniu granicy plastyczności tj. już przy znacznym odkształceniu trwałym.

• Złom kruchy oznacza, że próbka pękła nie wykazując widocznego odkształcenia plastycznego.

• Złom mieszany wykazuje cechy złomu poślizgowego i kruchego. Na części przełomu (najczęściej zewnętrznej) występują odkształcenia trwałe, a na pozostałej części występuje przełom kruchy. Wówczas określa się procentowy udział przełomu kruchego w przekroju.

• Złom specyficzny z rozwarstwieniem wskazuje na duży stopień anizotropowości materiału spowodowany obróbka plastyczna, lub wskazujący na obecność jednego lub więcej pasm zanieczyszczeń.

WYNIKI POMIARÓW:

Wyniki pomiarów udarności.

Tabela 1

L.P	Materiał	Rodzaj próbki	Wymiary pod karbem [mm]	S0 [cm^2]	K [J]	KC [J/cm^2]	Uwagi
1	stal	półokrągła	8,08 x 9,93	0,802	164	204,40	przełom plastyczny niecałkowity
2	stal	kwadratowa	8,08 x 9,96	0,805	138	171,48	przełom plastyczny niecałkowity
3	stal	prostokątna	8,32 x 9,95	0,828	153	184,82	przełom plastyczny niecałkowity
4	stal	trójkątna	7,99 x 9,99	0,798	111	139,06	przełom plastyczny niecałkowity
5	żeliwo	szare	7,94 x 9,95	0,790	2	2,53	przełom kruchy całkowity
6	żeliwo	sferoidalne	8,07 x 10,0	0,807	9	11,15	przełom kruchy całkowity

Tabela 2

L.P	Materiał	Rodzaj karbu	Rodzaj próby	d0 [mm]	S0 [cm^2]	K [J]	Fe [daN]	Fm [daN]
1	stal	bez karbu	statyczna	5,26	0,217		-	873,09
2	stal	bez karbu	dynamiczna	4,97	0,194	127,53	-	-
3	stal	z karbem	statyczna	4,96	0,193		-	1226,25
4	stal	z karbem	dynamiczna	4,96	0,193	39,24	-	-

METODYKA OBLICZEŃ:

[cm²]

[cm²]

[J/cm²]

WNIOSKI:

Udarność zależy nie tylko od wielkości pola, lecz także od kształtu próbki, wymiarów próbki i karbu, stanu powierzchni próbki, temperatury w jakiej przeprowadzone jest badanie, prędkość obciążenia, itp. Im karb jest głębszy i ostrzejszy tym udarność jest mniejsza. Spadek temperatury i zgniot obniża udarność stali.

W przypadku próbki ze stali z karbem półokrągłym, kwadratowym oraz prostokątnym, wynik badania nie jest miarodajny oraz rzetelny, gdyż podczas przeprowadzenia próby udarności za pomocą młota wahadłowego typu Charpy, próbka nie została złamana, lecz tylko zgięła się i przeszła przez podpory, co świadczy o fakcie, iż zużyta energia nie może być traktowana jak wynik udarności.

Próbki na których przeprowadzaliśmy badania wykazały przełomy kruche, natomiast trwale się odkształciły, jednakże nie uległy złamaniu.

Próbki stalowe nie uległy pęknięciu w opozycji do próbek wykonanych z żeliwa, co świadczy o fakcie, iż żeliwo jest materiałem kruchym, natomiast stal materiałem plastycznych, ale to już wiemy z poprzednich zajęć. Można pokusić się stwierdzenia, iż stal jest materiałem odpowiedniejszym, aniżeli żeliwo do pracy w warunkach wymagających podwyższonej wytrzymałości uderzeniowej np. młotek.

Najwyższa wartość udarności ma stal z przełomem półokrągłym, natomiast najniższą żeliwa szare z przełomem kruchym.

Zerwanie próbki z karbem następuje w miejscu karbu, ponieważ występuje w tym miejscu spiętrzenie naprężeń. Praca włożona na zerwanie próbki z karbem jest znacznie mniejsza niż próbki bez karbu. Odkształcenia próbek z karbem są mniejsze w porównaniu z odkształceniem próbek bez karbu ze względu na mała zdolność tych próbek do powstawania odkształceń trwałych. Odkształcenia te powstają tylko w strefie karbu.

Podczas prób statycznego rozciągania próbek z karbem obserwujemy wydatne zmniejszenie się własności plastycznych i podwyższenie granicy plastyczności i wytrzymałości przy równoczesnym zmniejszeniu plastyczności. Materiał plastyczny staje się pozornie kruchy. Fakt ten tłumaczy się przejściem jednoosiowego stanu naprężenia w trójosiowy stan naprężeń w miejscu karbu.

Na zachowanie się materiału przy rozciąganiu wpływa istotnie promień krzywizny dna karbu, a co za tym idzie uwarunkowany nim stan naprężeń.

Na ewentualne błędy pomiarowe mają wpływ standardowe i wielokrotnie już przeze mnie wymieniane we wcześniejszych sprawozdaniach następujące czynniki:

• Niejednoznaczna perspektywa obserwatora.

• Dysfunkcja wzrokowa osoby odczytującej pomiar.

• Wyeksploatowany sprzęt.

• Zaburzenia dokładności odczytu spowodowane zróżnicowanym kątem odczytu parametrów.

• Zmienne warunki przeprowadzania próby na skutek obecności licznej grupy studentów na małej powierzchni, co przyczyniło się do nieznacznej zmiany temperatury.

4

---