P O L I T E C H N I K A W R O C Ł A W S K A

SPRAWOZDANIE nr 2.

* udarność stali

* spawalność stali

wykonali:

Ewa Krawczyszyn

Rmigiusz Gąsiorowski

Krzysztof Holinej

Michał Muszyński

1. Badanie udarności

1.1. Wprowadzenie

Materiały stosowane w metalowych konstrukcjach budowlanych ze względu na warunki pracy tych konstrukcji, oprócz innych właściwości, muszą odznaczać się odpowiednią odpornością na działanie obciążeń dynamicznych w dość dużym zakresie temperatur. Wyniki badań statycznych nie dają informacji o zachowaniu się materiałów w razie występowania nagłych zmian obciążenia. Wobec tego, aby określić te właściwości, stosuje się badania udarowe. Są stosowane przy tym następujące próby udarowe: rozciągania, ściskania, skręcania i zginania.

W praktyce najczęściej stosuje się próbę udarowego zginania, która może być wykonywana na próbkach bez karbu lub na próbkach z karbem (nazywa się wówczas próbą udarności). Próba udarności polega na złamaniu znormalizowanej próbki z karbem za pomocą odpowiedniego urządzenia, zwanego młotem wahadłowym, i wyznaczeniu potrzebnej do tego pracy. Dzieląc te pracę przez przekrój próbki w miejscu karbu otrzymuje się wielkość umowną, zwaną udarnością. Ponieważ jednak nie zachodzi wprost proporcjonalna zależność energii od przekroju złamanej próbki, przeto tak określona udarność nie ma bezpośredniego znaczenia fizycznego i należy ją rozumieć jako energię potrzebną do złamania znormalizowanej próbki z karbem.

Tak zdefiniowania udarność, będąca miarą odporności materiału na pękanie pod wpływem uderzenia, stanowi również miarę kruchości materiału, tzn. że im bardziej kruchy jest dany materiał, tym mniejsza jest jego udarność. W konstrukcjach metalowych, podobnie jak i w innych dziedzinach techniki, są ustalone pewne minimalne wartości udarności dla określonych materiałów.

Próby udarności wykonuje się na młotach wahadłowych. Przeznaczonych do badań próbek podpartych swobodnie na obu końcach. Dopuszczalne straty energii wywołane tarciem nie powinny przekraczać 0,5 % największej energii uderzenia.

2. Czynniki wpływające na udarność stali

1.2.1. Temperatura

Przy względnie niskich temperaturach (w zasadzie ujemnych) w stali obserwuje się zjawisko kruchości na zimno .

Przedział kruchości na zimno ograniczają temperatury T_d i T_g , związane z charakterem przełomu próbek udarności, oznaczające tzw. dolny i górny próg kruchości. Dla temperatur niższych od T_d występuje tylko przełom kruchy, a dla temperatur wyższych od T_g - wyłącznie przełom plastyczny. W przypadku temperatur z przedziału T_d, T_g mamy do czynienia z dużym rozrzutem udarności, gdyż możliwe są tu oba mechanizmy przełomu.

W przedziale 25 - 250^o C obserwuje się w stali zjawisko kruchości niebieskiego przełomu (obszar b na rys. 1.24). Kruchość ta, wykryta w roku 1880 podczas badania na rozciąganie stali w temperaturze 100 - 250 ^oC (odpowiadającej niebieskiej barwie zgorzeliny), wynika że zwiększenia twardości i wytrzymałości oraz zmniejszenia plastyczności stali. Podczas badań udarowych również obserwuje się powstawanie kruchości niebieskiego przełomu, lecz jej przedział przesuwa się w stronę temperatur wyższych (250 - 550 ^oC). Kruchość ta ujawnia się tylko w przypadku badania w wymienionym zakresie temperatur.

Po dłuższym wygrzewaniu w przedziale temperatur 350 - 600 ^oC rozwija się w stali kruchość cieplna (obszar b na rys. 1.24), która w odróżnieniu od kruchości niebieskiego przełomu zależy od czasu wygrzewania w temperaturach podwyższonych i ujawnia się dopiero podczas badań wykonywanych w temperaturze otoczenia.

Kruchość ujawnia się w stali poddanej hartowaniu z różnych temperatur, leżących w przedziale przemiany fazowej między punktami A_o1 u A_o3, Anomalia plastyczności w przedziale przemiany fazowej występuje nie tylko podczas hartowania z temperatur A_o1 u A_o3, lecz również podczas badań lub odkształceń w tym przedziale temperatur, o czym już od dawna wiedzieli specjaliści zajmujący się obróbką plastyczną na gorąco.

Zakres temperatury eksploatacji konstrukcji stalowych obejmuje w zasadzie omówiony przedział kruchości stali na zimno, odznaczający się niekorzystnymi zmianami udarności. W związku z tym zachodzi konieczność dobierania na konstrukcje stali o odpowiedniej udarności. Na przykład na budowlane konstrukcje spawane ze stali niskowęglowych przyjmuje się stale o udarności nie mniejszej niż 0,343 MJ/m² a ze stali niskostopniowych o podwyższonej wytrzymałości - o udarności nie mniejszej ni 0,490 MJ/m² licząc oczywiście w najniższej temperaturze pracy konstrukcji.

Zgodnie z zaleceniami podanymi w pracy (24ę) stale niskowęglowe i niskostopniowe w prawidłowo ukształtowanych konstrukcjach mogą pracować w następujących przedziałach temperatur:

• węglowe zwykłej jakości (StOS, ST3S,

• stopniowe o podwyższonej wytrzymałości (09G2A, 15G2A,) od

1.2.2. Czynniki technologiczne

Na udarność stali wyraźny wpływ ma rodzaj procesu stalowniczego, zastosowanego podczas wytwarzania. W wyniku procesu besemerowskiego i thomassowskiego, otrzymujemy stal o mniejszej udarności niż w wyniku procesu elektrycznego oraz martenowskiego. Przykładowo stal martenowska staje się krucha w temperaturze ok. - 30^oC, thomasowska natomiast - już w temperaturze ok. + 15^oC

Skład chemiczny stali wpływa zdecydowanie na udarność. Wzrost zawartości węgla zmniejsza udarność i przesuwa położenie progów kruchości ku wyższym temperaturom. Identycznie wpływają tlen, azot, siarka i fosfor;

Stal nieuspokojona ma mniejszą udarność niż uspokojona.

Temperatura materiału powoduje, że próbki wycięte prostopadle od kierunku walcowania mają mniejszą udarność niż wycięte zgodnie z kierunkiem walcowania.

Wzrost ziarna wpływa na zmniejszenie udarności. Obróbka cieplna i cieplno- chemiczna jest jednym z najważniejszych czynników wpływających na udarność.

Zgodnie z podana uprzednio definicją , udarność K próbki obliczamy ze wzoru (w MJ/m²):

, gdzie:

L_u - wartość pracy odpowiadającej energii użytej na złamanie próbki

S_o - powierzchnia przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu, mierzona przed próba

2. SPAWALNOŚĆ STALI

W każdym złączu spawanym można wyodrębnić metal rodzimy i spoinę. Spoina obejmuje stopiony w procesie spawania metal rodzimy oraz dodatkowy(spoiwo). Na styku tych elementów wyróżnia się strefę ciepła , czyli pas metalu rodzimego którego struktura ulęgła zmianie pod wpływem ciepła wydzielanego podczas spawania. W obszarze strefy ciepła odzwierciedlają się te wszystkie zjawiska fizyczne które zachodzą w metalu nagrzanym poniżej temperatury solidusu.

2.1. CZYNNIKI WPLWYAJACE NA SPAWALNOŚĆ

Spawalność to kompleksowa charakterystyka technologiczna metalu rodzimego i dodatkowego.

Podstawowa definicja spawalności brzmi:

Uważa się , ze materiał jest spawalny w zadanym stopniu za pomocą określonej metody i dla danego rodzaju konstrukcji, jeśli nadaje się - przy użyciu środków ostrożności , odpowiadających temu stopniowi - do wykonania połączeń miedzy dwoma metalami. Połączenia te maja zapewnić ciągłość metaliczna , a wiec utworzyć złącza spawane, które przez swoje cechy lokalne i następstwa ogólne ich obecności, spełniają zadane wymagania będące podstawa ich oceny.

W związku z tym dzielimy metale na cztery grupy:

• łatwo spawalne

• średnio spawalne

• trudno spawalne

• niespawalne

Wstępne rozeznanie na temat spawalności stali możemy uzyskać na podstawie jej składu chemicznego, posługując się tzw. Równoważnikiem węgla C_e , do napisania tej zależności posłuży nam wzór Tremlett`a:

natomiast przyjęta w normie zależność wygląda następująco:

Na podstawie równoważnika węgla można obliczyć twardość w strefie wpływu ciepła w jednostkach Vickersa z zależności :

HV = 9,8 (1200 C_e - 260 ) - twardość minimalna

HV = 9,8 (1200 C_e - 200 ) - twardość maksymalna

Praktycznie ustalono . ze maksymalna twardość Vickers`a w strefie wpływu ciepła nie powinna przekraczać 3430 Mpa.

Gdy wartość równoważnika węgla (obliczona ze wzoru, po wstawieniu składników stopowych w procentach jeśli:

* < 0,42 %- wówczas stal uważa się łatwo spawalna

* 0,42 %- 0,60 % - średnio spawalna

* 0,60 % - trudno spawalna

1. BADANIE TWARDOŚCI STREFY CIEPŁA

Najprostszym wskaźnikiem dużej niejednorodności właściwości mechanicznych złącza spawanego jest rozkład twardości , ten rozkład jest również wskaźnikiem dobrej lub źle spawalności stali. Jeżeli złącze spawane elementów stalowych danej grubości wykazuje nadmierna twardość w strefie wpływu ciepła świadczy to , iż dana stal może wykazywać skłonność do tworzenia się pęknięć na skutek dużej hartowności.

W złączu najbardziej niebezpieczna nie jest wysoka temperatura ale jej zróżnicowanie , należy dążyć aby różnica miedzy największa twardością a najmniejsza była minimalna i nie przekraczała 30% największej twardości, która w strefie ciepła nie powinna przekraczać 3430 HV

2.3. METODA ISKRZENIA

Inna metodą identyfikacji stali jest próba iskrowa, która opiera się na zależności zachodzącej między składem chemicznym metalu a barwą i postacią iskier powstających podczas szlifowania materiałów metalowych. Na podstawie obserwacji snopu iskier , tzn. kształtu poszczególnych iskier ich liczby i koloru, oraz sposobu w jaki się układają w snopie określa się jakościowo przybliżony skład chemiczny materiału. Rozpoznawanie odbywa się przez porównywanie z wzorcami.

3. OBLICZENIA

3.1. ZESTAWIENIE WYNIKÓW I OBLICZENIE UDARNOŚCI

Wymiary próbki w miejscu karbu (mm)		So	Lu	K
Wysokość	Szerokość	[ mm^2]	[ J]	[ MJ/ m^2]
1,8	5,9	10,62	5,2	0,49

Udarność naszej próbki :

K = 0,49 [ MJ/ m² ]

3.2. RÓWNOWAŻNIK WĘGLA

zawartość procentowa metali w naszej próbce:

C = 0,18 % M._n = 1,55 % C_r = 0,30 %

M._o = 0,10 % V = 0,05 % N_i = 0,12 %

C_u = 0,10 % P = 0,05 % S = 0,05 %

ponieważ wartość równoważnika węgla wynosi : 0,543 stal ta może być stalą łatwo spawalna.

Aby to określić jednoznacznie, musi spełniać następujące warunki:

• 
  

• 
  

• 
  * nie jest spełniony

• 
  

• 
  

• 
  * nie jest spełniony

• 
  

3.3. Badanie twardości spoiny i strefy ciepła metoda Vickers`a

Nr próby	odcisku	Twardość odczytana z tablic
I	0,302	102 HV
II	0,320	90,6 HV
III	0,344	78,4 HV
Siła nacisku = 5 kg

III I II

4. WNIOSKI

Po oględzinach próbki po zniszczeniu, można było zaobserwować, iż wystąpił złom kruchy. Próbka ta miała stosunkowo wysoka udarność, stąd tez można przypuszczać i pochodziła ze stali uspokojonej, gdyż te maja większą udarność niż nie uspokojone.

Skład chemiczny próbki która pisaliśmy przy pomocy równoważnika węgla może być stalą łatwo spawalną ponieważ jej równoważnik wynosi 0,543, ale ze względu iż nie zostały spełnione dwa warunki dodatkowe, ( C + M._o , oraz C + M._n ), za taka jej uznać nie można. Co najwyżej średnio spawalną.

Metal użyty do próby metodą Vickers`a można uznać za metal dobrze spawalny ponieważ różnica twardości miedzy największą a najmniejsza wartością nie przekracza 30 % największej twardości, ( wynosi 23, 14 % ). A ponad to twardość w strefie wpływu ciepła nie przekracza 33430 HV.

5. ANALIZA BŁĘDÓW

0,1 mm

0,1 mm

J

J

---