Bez nazwy

4. PRÓBA UDARNOŚCI 4.1. Charakterystyka kruchości stali

W codziennej praktyce o kruchości lub plastyczności określonego materiału wnioskujemy na podstawie zachowania się gładkiej próbki poddanej rozciąganiu, zginaniu lub skręcaniu. Materiały kruche nie wykazują dostrzegalnych odkształceń trwałych przed wystąpieniem złomu, do ich złamania wystarczy stosunkowo nieduża energia, a prędkość propagacji pęknięcia kruchego jest duża. Taki sposób pękania stanowi poważne zagrożenie dla konstrukcji, gdyż od momentu zapoczątkowania pęknięcia do chwili złomu mija bardzo krótki okres, co utrudnia zapobieżenie skutkom awarii. ¹

Materiały plastyczne i sprężysto-plastyczne (np. stal) ulegają zniszczeniu dopiero po znacznych odkształceniach trwałych, a do ich złamania jest potrzebna znacznie większa energia niż w przypadku materiałów kruchych o tych samych wymiarach próbek.

Ocena kruchości lub plastyczności materiału na podstawie wyników prób rozciągania, skręcania lub zginania gładkich próbek jest jednak niewystarczająca. Spotykamy się bowiem ze zjawiskiem przejścia stali plastycznej w stan kruchy, co najsilniej uwidacznia się w konstrukcjach spawanych. Znane są wypadki załamania mostów, kadłubów statków, zbiorników ciśnieniowych, rurociągów i innych konstrukcji spawanych, w których materiał pękał w sposób kruchy, mimo że podczas badań odbiorczych za pomocą prób rozciągania i zginania gładkich próbek wykazywał się dużymi odkształceniami plastycznymi. Szybki rozwój badań nad zjawiskiem kruchego pękania stali nastąpił po II wojnie światowej, a bezpośrednią tego przyczyną były katastrofy budowanych w USA statków typu Liberty o spawanych kadłubach. Obecnie zagadnienie kruchego pękania jest już w znacznym stopniu rozpoznane i wiadomo, jak zapobiegać jego występowaniu, chociaż wiele problemów z nim związanych wymaga dalszych badań.

4.2. Czynniki wypływające na kruchość stali

Przejście materiału plastycznego w stan kruchy może być spowodowane wieloma czynnikami. Najważniejsze z nich, według Butnickiego [4], to:

-    warunki pracy materiału, czyli: stan naprężenia, szybkość odkształcenia i temperatura pracy materiału,    .    i

-    metalurgiczny stan materiału, czyli: skład chemiczny, stopień i sposób odtlenie-nia i odgazowania, stan obróbki cieplnej,

-    proces wytwarzania konstrukcji,

-    warunki eksploatacji konstrukcji.

- -i

Wyjątkowo duży wpływ na przejście materiału w stan kruchy wywiera obniżona temperatura pracy materiału, zwłaszcza gdy towarzyszy jej wieloosiowy stan naprężenia (wywołany np. działaniem karbu) oraz duża szybkość odkształcania. Rozciągając gładką próbkę ze stali niskowęglowej w różnej temperaturze można stwierdzić, że wraz z obniżaniem temperatury badania wzrasta granica plastyczności materiału R_c, jego wydłużenie zaś A_p zmniejsza się. Temperaturę, w której gra-nica plastyczności R< osiąga wartość równą wytrzymałości na rozciąganie R_m, natomiast wydłużenie A_p zmniejsza się do zera, nazywamy temperatura kruchości ^{2 3}

1

2

materiału. Temperatura kruchości należy do podstawowych kryteriów oceny odporności materiału na kruche pękanie i zależy również od warunków odkształcania. Najniższą temperaturę kruchości uzyskuje się przy rozciąganiu gładkich próbek, najwyższą zaś przy dynamicznym rozciąganiu lub łamaniu próbek z ostrym karbem. Oznacza to, że również w konstrukcji ten sam materiał będzie zachowywał się (pod względem kruchego pękania) różnie, w zależności od temperatury pracy, stanu naprężenia i rodzaju obciążenia.

Rozpatrując wpływ czynników metalurgicznych na kruche pękanie, Butnicki

3

zwraca uwagę na powiązanie tej cechy materiału z jego składem chemicznym. W przypadku stali wzrost zawartości węgla przesuwa progi kruchości ku wyższym temperaturom, a więc zwiększa prawdopodobieństwo kruchego pęknięcia. Spośród dodatków stopowych również pogarszających odporność na pękanie wymienić można: chrom, kobalt, krzem, wanad i molibden, natomiast mangan, nikiel i tytan działają przeciwnie. Stale odtlenione i odgazowanę. (uspokojone) wykazują się mniejszą skłonnością do kruchego pękania. Istotny wpływ na kruchość ma również wielkość ziarna - stale drobnoziarniste są bardziej odporne na kruche pękanie.

W procesie wytwarzania konstrukcji materiał jest poddawany różnym procesom technologicznym, jak: cięcie, gięcie (na zimno i gorąco), spawanie itp. Wszystkie te procesy w różnym stopniu wpływają na odporność materiału na kruche pękanie.

Szczególnie niekorzystnie na kruchość stali wpływa spawanie wskutek:

-    wprowadzenia do materiału wad spawalniczych (nieciągłość materiału),

-    zmian metalurgicznych w strefie wpływu ciepła,

-    powstania spoiny będącej koncentratorem naprężeń.

Zgniot na zimno i wiążący się z nim proces starzenia przesuwają temperaturę przejścia stali w stan kruchy ku wyzszej temperaturze. Zgniot i starzenie ze względu na kruche pękanie są szczególnie niebezpieczne, jeżeli występują w obszarach spiętrzenia naprężeń, np. w pobliżu karbu, wokół wad w spoinach i w strefie wpływu ciepła. Zgniot materiału pogarsza też własności plastyczne materiału i powoduje anizotropię jego własności mechanicznych. Przejawia się ona na przykład w tym, że próbki wycięte z płyty w kierunku walcowania są bardziej odporne na kruche pękanie od wyciętych poprzecznie. Stale niskowęglowe, uspokojone krzemem z dodatkiem aluminium, są najmniej wrażliwe na wszelkie zabiegi technologiczne. Stale nieuspokojone i półuspokojone są wrażliwe na wszelkie procesy odkształcania na zimno i w podwyższonej temperaturze. Należy zatem zadbać, aby rozwiązania konstrukcyjne i technologiczne nie wymagały stosowania takich zabiegów, które dla danego gatunku stali są szkodliwe.