2. Próba udarności

Najprostszą metodą odporności na pękanie jest próba udarności. Próba ta polega na dynamicznym łamaniu na specjalnym młocie wahadłowym, próbek o przekroju 10 x 10mm mających z jednej strony karb. Karb próbki powinien być usytuowany po stronie przeciwnej do kierunku uderzenia młota. W Polsce obowiązują próbki typu Menagera i Charpy V.

Badając udarność materiału i mierząc również procentową zawartość powierzchni krystalicznej, jak również zwężenie boczne próbki tuż pod dnem karbu, można uzyskać wiele bardzo cennych informacji, które umożliwiają prawidłową selekcję materiału pod względem odporności na pękanie.

Zastosowanie i rodzaje prób udarowych

W elementach konstrukcyjnych bardzo często pojawiają się zmienne obciążenia dynamiczne, które charakteryzują się bardzo gwałtownymi zmianami. Mówimy wtedy, że mamy do czynienia z udarnością. Zjawisko to wymaga określenia oddzielnych własności materiału. Do określania tych własności służy próba udarowa mająca na celu stwierdzenie jakości materiału po obróbce cieplnej oraz skłonności przechodzenia materiału w stan kruchy pod wpływem zwiększonej szybkości obciążenia. Stosuje się następujące próby udarowe:

1. Próba rozciągania

2. Próba ściskania

3. Próba skręcania

4. Próba zginania

Najczęściej stosowaną w praktyce jest próba zginania wykonywana na próbach z karbem lub bez karbu. Wyniki badań w znacznym stopniu zależy od temperatury badań, procesów technologicznych jakim był poddawany półwyrób. Duże znaczenie ma też zawartość węgla, która w stalach podeutektoidalnych gwałtownie obniża udarność.

Definicja udarności

Udarność KC wyrażona jest ilorazem pracy łamania do pola przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu.

Gdzie:

K[J]- praca łamania próbki

pole przekroju poprzecznego w miejscu karbu zmierzone przed próbą.

Rysunek próbki Mesnagera

Sposób pobierania próbek określa norma PN-75/H-04308, według której próbki należy pobierać w sposób nie powodujący zgniotu ani zmian strukturalnych. W przypadku wycinania próbki palnikiem acetylenowym lub nożycami, brzegi próbki powinny znajdować się w takiej odległości od płaszczyzny cięcia, aby materiał nie wykazywał zmian wskutek cięcia i zgniotu. Do badania potrzebne są przynajmniej trzy próbki. Obrabia się je mechanicznie przez skrawanie. Próbka nie powinna mieć także wad wykrywalnych gołym okiem, a chropowatość powierzchni nie powinna przekroczyć 1,25 μm. Bardzo ważne jest wykonanie próbki w podanych tolerancjach.

Do próby udarności stosuje się urządzenie zwane młotem Charpy'ego .

Budowa i zasada działania młota wahadłowego

Do prób udarności używa się młotów o stałym lub zmiennym zasobie energii potencjalnej. Ramie wahadła 2 zamocowane jest wahadliwie na podstawie 1 . Na obrotowej osi połączonej Z wahadłem znajduje się wskazówka 5. Do podstawy przymocowana jest nieruchomo podziałka 4 , względem której może przesuwać się wskazówka. Odczyt pracy łamania odbywa się bezpośrednio z podziałki ; wyskalowana jest w jednostkach pracy - julach . Zapadka 7 służy do utrzymywania młota w położeniu początkowym przed wykonaniem próby, a hamulec 6 z pasem blokującym zamocowanym na dzwigni służy do natychmiastowego zatrzymania młota.

1- korpus

2- ramie wahadła

3- próbka

4- skala

5- wskazówka

6- hamulec

7- zapadka

Wnioski

Przeprowadzona próba udarowa jest metodą dokładną, błąd pomiaru jest nieznaczny. Na dokładność wyników mogły mieć wpływ próbki posiadające wymiary nie zgodne z normami. Na zniszczonej próbce widać odkształcenia plastyczne- włókniste. Na dnie karbu uwidaczniają się zygzakowate pęknięcia. Próbki na których przeprowadzaliśmy badania wykazały przełomy kruche, trwale się odkształciły, jednakże nie uległy złamaniu. Zostały one wykonane ze stali niskowęglowej oraz były poddane walcowaniu na gorąco. Cechą charakterystyczną tych próbek jest duża udarność i anizotropia.

W warunkach normalnych do badań stosuje się 13 próbek. Za pomocą tych badań możemy również zbadać jakość obróbki cieplnej, skontrolować kruchość na zimno i gorąco oraz skłonność materiału do starzenia się.

1.Podstawy teoretyczne:

W procesie eksploatacji wiele elementów konstrukcyjnych ulega zniszczeniu na

skutek nagłego obcia_enia, które pojawia sie w układzie na skutek np. awarii

maszyny. Amplituda uderzenia wcale nie musi przekroczyc wartosci dopuszczalnego

obcia_enia, a mimo to element jest zniszczony. Zachowanie elementów

obcia_onych siła impulsowa podobnie jak w przypadku obcia_en okresowych

jest wiec inne jak pod działaniem obcia_en quasistatycznych. W procesie projektowania

nale_y uwzglednic to zjawisko. Najprostszym sposobem jest doswiadczalne

sprawdzenie jak zachowuje sie konkretny materiał, element czy połaczenie

pod działaniem impulsowych sił. W praktyce laboratoryjnej prowadzone sa

badania ró_nych próbek poddanych: rozciaganiu, sciskaniu, skrecaniu i zginaniu.

Próbe udarnosci stosuje sie do kontroli obróbki cieplnej i stwierdzenia skłonnosci

materiału do starzenia, kruchosci na zimno, na goraco, wad materiału itp.

Najbardziej rozpowszechniona jest udarowa próba zginania. Próbe te przeprowadza

sie zgodnie z norma PN-EN 10045-1:1994 Metale - Próba udarnosci

sposobem Charpy'ego - Metoda badania. Do prób stosowane sa próbki obcia_one

udarowo siła w połowie rozpietosci.

Dla ułatwienia złamania próbki w połowie próbki jest wykonany karb o ustalonej

geometrii w kształcie litery U lub V. Typowa próbka zgodna z norma ma

wymiary 55×10×10 mm z karbem o głebokosci 2 mm. Udarnoscia K próbki

nazywamy stosunek pracy Lu zu_ytej na jej złamanie do pola powierzchni So

przekroju poprzecznego w miejscu karbu:

o u S L K  (1)

Przy wycinaniu odcinków próbnych na próbki nale_y unikac miejsc, które

mogłoby zmienic własnosci mechaniczne. Odcinki próbne wycina sie na zimno.

Próbki powinny byc całkowicie obrabiane wiórowo. Jako obróbke koncowa

zaleca sie szlifowanie. W przypadku stosowania próbek obrabianych cieplnie,

obróbke cieplna nale_y przeprowadzic przed wykonaniem karbu. Próbe udarnosci

przeprowadza sie tak, aby uderzenie młota było srodkowe oraz os karbu le_ała

w płaszczyznie ruchu młota i karb był skierowany do podpór. Do przeprowadzenia

prób u_ywa sie młotów wahadłowych Charpy'ego (rys. 12.1) o energii od

100 do 300Nm, przy czym predkosc w chwili uderzenia powinna wynosic

4÷7m/s, a dopuszczalne straty wywołane tarciem do 1% zgodnie z PN-EN

10045-2:1996 Metale - Próba udarnosci sposobem Charpy'ego - Sprawdzanie

młotów wahadłowych.

Młot Charpy'ego składa sie z obudowy i bijaka w postaci wahadła matematycznego,

całosc na trwałe zamocowana na fundamencie. Na osi obrotu na sztywno

zamocowano tarcze z przeciwskazem. Tarcza wyskalowana jest w stopniach do

pomiaru katów i w jednostkach pracy do pomiaru rozproszonej energii. Wskazówka

automatycznie zatrzyma sie w najwy_szym punkcie. Standardowy młot posiada

poczatkowa energie (300±10) J. W stanie spoczynku bijak jest podniesiony

i zablokowany na wysokosc h1 i tworzy z pionem kat 1=160o. Po zwolnieniu

bijaka w najni_szym punkcie uderza w próbke le_aca na stoliku. Niszczac ja

rozprasza energie o wartosci Lu. Pozostała energia zamienia sie w energie potencjalna

i bijak wznosi sie na wysokosc h2 tworzac z pionem kat 2. Powrotne

wahniecie jest zatrzymywane przez hamulec.

Przeprowadzona próbe oznaczamy zgodnie z norma np. KU300/2/7,5 gdzie K -

oznacza udarnosc wykonana dla próbki z U-karbem, energia poczatkowa młota

wynosiła 300 J, głebokosc karbu 2 zas szerokosc próbki 7,5. W normie dopuszcza

sie próbke z V-karbem oznaczmy próbe KV, głebokosci karbu: 2, 3, 5 mm

dla próbki z U-karbem i 2mm z V-karbem, szerokosc próbki: 10, 7.5, 5 mm,

młot mo_e miec energie poczatkowa: 300, 150, 100, 50, 10, 5 N.

Je_eli podczas próby próbka nie została złamana, lecz jedynie zgieta i przeszła

przez podpory, zu_yta energia nie mo_e byc traktowana jak wynik udarnosci.

W takim przypadku próbe uniewa_niamy. Nale_y pamietac, aby do porównan

brac wyniki otrzymane na próbkach o takim samym kształcie, rodzaju karbu, a wymiary

moga byc porównywalne. Nie ma metody przeliczania wyników otrzymanych

jedna metoda badania na wartosci, które mo_na otrzymac inna metoda badan.

Pomiedzy udarnoscia a rodzajem złomu istnieje pewna zale_nosc. Dlatego nale_y

obserwowac złom po przeprowadzonej próbie, aby potwierdzic otrzymane wyniki.

Rozró_niamy trzy charakterystyczne rodzaje złomów:

1) Złom poslizgowy oznacza, _e próbka została zgieta, silnie zdeformowana i pekła

przy znacznym odkształceniu trwałym. Na powierzchni bocznej widac du_a strefe

plastycznego płyniecia.

2) Złom kruchy - próbka pekła nie wykazujac odkształcen plastycznych.

3) Złom z rozwarstwieniem - próbka ma wyrazne pekniecia wzdłu_ swojej długosci.

Wskazuje to na du_y stopien anizotropowosci materiału. Mo_e byc to spowodowane

obróbka plastyczna, lub wskazywac na obecnosc zanieczyszczen.

Próby udarności są próbami dynamicznymi . Obciążenie działa gwałtownie - uderzeniowo. Celem prób udarnościowych jest określenie szybkiego (dynamicznego) obciążenia na własności mechaniczne materiału . Badania prowadzone są głównie dla oceny zachowania się materiału w warunkach sprzyjających kruchemu pękaniu . Powszechnie stosowana próba udarności , polega na złamaniu jednym uderzeniem wahadłowego młota próbki z karbem , podpartej swobodnie na obu końcach .

Próba udarności metodą Charpy`ego pozwala wyznaczyć pracę łamania próbki. Badana próbka miała rysy - nie była wykonana zgodnie z normą, ale nadawała się do badań gdyż miała odpowiednie wymiary. Aby usunąć istniejące rysy na dnie karbu należałoby zastosować np. drobny papier ścierny, pasty polerskie lub gładziki, ponieważ według normy PN-EN 10045-1 zadrapania nie mogą być widoczne gołym okiem. Nie zmierzyliśmy odległości karbu od końca próbki - można to zrobić za pomocą np. mikroskopu lub suwmiarki. Nie pomierzyliśmy także promienia karbu, ale można tego dokonać przy pomocy wzornika. Należałoby również zmierzyć kąt pomiędzy powierzchnią próbki a płaszczyzną boczną karbu, co możliwe jest przy użyciu mikroskopu warsztatowego. Przyrząd, na którym dokonywaliśmy pomiaru był sprawdzany przed pomiarem - błąd mieścił się w normie, zakłada ona aby był on równy 1% czyli 3J, a w naszym przypadku wyniósł 1,2J. Po przeprowadzonej próbie przełom próbki był plastyczno-kruchy. Próbka nie została złamana przy energii 179 J lub 224 J/cm² więc otrzymanych wyników nie możemy traktować jako wyników udarności. Z powyższych wniosków wynika, że próbka cechowała się wysoką udarnością.

---