plik


ÿþ1. Wstp Problem kruchych pkni pojawiB si w okrtownictwie jako skutek uboczny wprowadzenia spawana do budowy statków. Najcz[ciej stosowan w badaniach wytrzymaBo[ci dynamicznej jest próba udarno[ci sBu|ca do oceny zachowania si metali w warunkach skrajnie sprzyjajcych kruchemu pkniciu, tzn. przy: -ð ostrych karbach -ð du|ej szybko[ci przyrostu odksztaBcenia (udarowe dziaBanie siBy) -ð obni|onej temperaturze Udarowe dziaBanie siBy i obni|ona temperatura sprzyjaj kruchemu pkaniu tylko przy jednoczesnym oddziaBywaniu karbu. Obecnie próba udarno[ci sBu|y jako podstawowe kryterium oceny odporno[ci materiaBu na kruche pkanie, a wymagania odno[nie warto[ci pracy zBamania próbek ze stali kadBubowych w okre[lonych temperaturach s podstaw podziaBu tych stali na kategorie. Udarno[ wyznacza si jako stosunek energii K, do powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu S0: K J éð ùð KC =ð S0 êðcm2 úð ëð ûð gdzie: K  energia zu|yta na zBamanie próbki [J] Tak przyjte okre[lenie udarno[ci nie ma podstaw fizycznych, a przy badaniu próbek z karbem nie wystpuje prawo podobieDstwa. Std udarno[ mo|na porównywa jedynie w odniesieniu do jednego rodzaju i wymiarów próbek. Ten niedostatek jest przyczyn braku metod obliczeD konstrukcji, w których w sposób bezpo[redni wykorzystano by udarno[. Podajc wyniki próby symbol pracy Bamania K lub udarno[ci KC uzupeBnia si liter oznaczajc ksztaBt karbu próbki (V lub U) oraz indeksem oznaczajcym temperatur próby w stopniach Celsjusza [°ðC]. Nastpnie podaje si liczby oznaczajce: -ð maksymaln (pocztkow) energi mBota w d|ulach [J], -ð gBboko[ karbu (a-h) [mm], -ð szeroko[ próbki (b) w [mm]. Indeks temperatury pomija si zawsze dla temperatury pokojowej, energi pocztkow pomija si dla 300 J, szeroko[ próbki dla b=10 mm, za[ gBboko[ karbu dla a-h = 5 mm w przypadku karbów U oraz zawsze dla karbów V (a-h = 2 mm). Prób udarno[ci metali mo|na przeprowadzi równie| w temperaturach obni|onych. Na podstawie warto[ci K lub KC w ró|nych temperaturach wyznacza si temperaturow krzyw przej[cia stali w stan kruchy. KV stal 2 stal 1 KVwym TK2 TK1 TEMP. T - 1 - Rys. 1  Temperaturowa krzywa przej[cia stali w stan kruchy: Stal 1- wyraznie zaznaczony zakres temperatur przej[cia w stan kruchy (TK1), Stal 2- Bagodne przej[cie w stan kruchy z umown temperatur przej[cia w stan kruchy (TK2), KVwym- wymagana (dla danej kategorii stali) warto[ energii Bamania próbki. W zakresie wy|szych temperatur udarno[ stali jest stosunkowo du|a i stal jest w tzw. stanie cigliwym, natomiast w zakresie niskich temperatur udarno[ jest stosunkowa maBa i wystpuje tzw. stan kruchy. Pomidzy tymi stanami znajduje si stan przej[ciowy, w którym udarno[ maleje (w sposób gwaBtowny lub nie, w zale|no[ci od rodzaju stali). Dla wszystkich kategorii stali kadBubowych zwykBej wytrzymaBo[ci wymagana warto[ KV dla próbek wzdBu|nych wynosi 27 J, a dla próbek poprzecznych 20 J. Niektóre materiaBy (stopy Al i  do pewnego stopnia  stale austenityczne) nie wykazuj spadku udarno[ci przy obni|aniu temperatury. Dodatkowych informacji o wBasno[ciach badanego materiaBu dostarcza obserwacja przeBomu próbek po zBamaniu. Wyró|nia si przeBom kruchy o wygldzie ziarnistym (skrzcym), przeBom cigliwy o wygldzie bardziej matowym (niekiedy miejscami uko[ny pod ktem okoBo 45°ð od osi próbki) oraz przeBom mieszany, w którym wyodrbnione s strefy: cigliwa i krucha. CaBkowita energia zBamania próbki KV skBada si z energii inicjacji (zapocztkowania pknicia w dnie karbu) KVi i energii propagacji (rozwoju pknicia) KVp. Energia propagacji jest energi, jak materiaB przeciwstawia rozwojowi pknicia. Je[li jest ona dostatecznie du|a, to mo|e nawet doprowadzi do zatrzymania si pknicia ju| zainicjowanego w karbie. Z tego wzgldu, i| udarno[ bardzo silnie zale|y od geometrii próbki, a zwBaszcza karbu nie mo|e by ona uznana za prawdziw wBasno[ materiaBów. W rzeczywisto[ci geometrie konstrukcji, ostro[ci karbów konstrukcyjnych s odmienne od próbek, std nie ma mo|liwo[ci zastosowania wyników prób udarno[ci do obliczeD i analizy odporno[ci konstrukcji na kruche pkanie. Jednak ze wzgldu na prostot i niskie koszty przeprowadzenia prób udarno[ci metoda ta jest najpowszechniej stosowana i okazaBa si skutecznym miernikiem jako[ci materiaBów pod wzgldem ich odporno[ci na kruche pkanie. 2. Metodyka badaD Prób udarno[ci wykonuje si zgodnie z norm PN-EN10045-1 na mBotach wahadBowych typu Charpy, przeznaczonych do udarowego zginania próbek podpartych swobodnie na obu koDcach. 7 2 4 - 2 - 5 6 1 3 Rys. 2  Schemat mBota wahadBowego Charpy`ego: 1-korpus, 2-rami bijaka, 3-próbka, 4-skala, 5-wskazówka, 6-dzwignia hamulca, 7-zaczepy WahadBo mBota w swoim pocztkowym poBo|eniu posiada maksymaln energi pocztkow: Kmax =ð m ×ð g ×ð h1 [J] gdzie: m  masa bijaka mBota [kg] m m éð ùð éð ùð g  przyspieszenie ziemskie ; g =ð 9,81 êð úð êð úð s2 s2 ëð ûð ëð ûð h1  wysoko[ wzniesienia wahadBa ponad próbk [m] Pocztkowa energia mBota wynosi 150 J. WahadBo wychylone od pionu o kt rozwarty ±1 po zwolnieniu z zaczepów spada w dóB i Bamie próbk z karbem, podpart swobodnie obydwoma koDcami na podporach mBota, po czym wznosi si na wysoko[ h2 i wychyla si od pionu o kt ±2. Praca zBamania próbki: K =ð Kmax -ð K2 =ð m×ð g ×ð(ðh1 -ð h2)ð =ð m×ð g ×ð R ×ð(ðcosað2 -ð cosað1)ð [J] gdzie: R  dBugo[ wahadBa od osi obrotu do [rodka próbki [m] Na skali odczytujemy warto[ energii zBamania próbki K. Próbki jakie stosuje si do prób udarno[ci wymagane przez przepisy towarzystw klasyfikacyjnych to próbki o dBugo[ci 55 mm (±ð0,60 mm), wysoko[ci 10 mm (±ð0,06 mm) i szeroko[ci 10 mm (±ð0,11 mm), z karbami typu: -ð Charpy V  karb w ksztaBcie litery V o gBboko[ci 2 mm (wysoko[ poni|ej karbu 8 mm) i kcie karbu 45°ð (±ð2°ð), -ð Charpy U  karb w ksztaBcie litery U o gBboko[ci 5 mm (wysoko[ poni|ej karbu równie| 5 mm). Stosuje si równie| próbki Charpy V o szeroko[ci 7,5 mm i 5 mm oraz karby w ksztaBcie litery U o gBboko[ci 3 mm (wysoko[ poni|ej karbu 7 mm), jak równie| tzw. karby Mesnagera o gBboko[ci 2 mm (wysoko[ poni|ej karbu 8 mm). Próbki (szczególnie karby) nale|y wykona caBkowicie poprzez obróbk mechaniczn (skrawanie). Próbk wyklucza zBa jako[ wykonania  rysy i nierówno[ci na dnie karbu. Chropowato[ powierzchni bocznych - 3 - próbek Rs £ð 1,25 mðm. Obróbk ciepln nale|y przeprowadzi na odcinkach próbnych lub próbkach przed wykonaniem karbu. Do badaD nale|y pobra co najmniej trzy próbki. Odpowiednie normy i przepisy towarzystw klasyfikacyjnych szczegóBowo okre[laj liczb, poBo|enie i sposób pobierania próbek. l = 55 mm l/2 = 27,5 mm L=40 mm Rys. 3  Ustawienie próbki na podporach mBota wahadBowego Charpy`ego b a) h a 45°ð b b) h a Rys. 4  Geometrie próbek stosowanych do badania udarno[ci: a) Charpy V b) Charpy U Próby udarno[ci materiaBów w obni|onych temperaturach przeprowadza si zgodnie z norm PN-79/H-04371. Zachodzi wówczas konieczno[ schBadzania próbek. Realizuje si to w termostacie wykonanym z pianki poliuretanowej. Pomiar temperatury [rodka chBodzcego dokonuje si za pomoc termometru. Jako [rodek chBodzcy stosowali[my alkohol etylowy (denaturat) schBadzany przy pomocy staBego dwutlenku wgla (suchego lodu), którego temperatura wynosi  78,5°ðC. Po osigniciu przez o[rodek wymaganej temperatury (w naszym przypadku  40°ðC ) suchy lód wyjmuje si z cieczy, a komor zamyka si szczelnie, pozostawiajc tam próbk jeszcze na okoBo 15 minut. Kleszcze sBu|ce do wyjcia próbki z o[rodka chBodzcego powinny by ozibiane razem z próbkami (szczypce u|yte w wiczeniu miaBy gumowe osBonki na koDcach ramion, a tak|e ich masa byBa stosunkowo maBa w porównaniu do masy próbki, dlatego te| ciepBo oddane przez nie podczas wyjmowania i umieszczania próbki na podporach mBota byBo znikomo maBe). Czas od chwili wyjcia próbki - 4 - do momentu zBamania nie powinien przekroczy 5 sekund. Próbk nale|y oczy[ci z pozostaBo[ci cieczy chBodzcej. U|yte na wiczeniach próbki Charpy V o szeroko[ci 10 mm byBy wykonane ze stali kadBubowej zwykBej wytrzymaBo[ci kategorii A i zostaBy wycite w poprzek kierunku walcowania (wymagane KV=20 J). Badania przeprowadzona dla dwóch temperatur: temperatury pokojowej (23±ð5°ðC) oraz dla temperatury  40°ðC. Warto[ci dla tych samych i innych temperatur wzito równie| dla porównania od innych grup laboratoryjnych, poniewa| na wiczeniach zBamano tylko po jednej próbce dla danej temperatury, a nie jak jest wymagane trzy. W przypadku gdy wyniki si dublowaBy wycignito ich [redni arytmetyczn. Stale kadBubowe zwykBej wytrzymaBo[ci zdefiniowane zostaBy jako materiaB o minimalnej granicy plastyczno[ci Re=235 MPa i wytrzymaBo[ci na rozciganie Rm = 400¸ð490 MPa. Stale te dziel si na cztery kategorie: A, B, D, E, ró|nice si midzy sob skBadem chemicznym, sposobem odtleniania, stanem dostawy. a przede wszystkim kryterium odporno[ci na kruche pkanie. Nale|y przy tym zaznaczy, |e kadBuby statków budowane s ze stali kategorii A i B (zwykle ponad 80%), natomiast stale kategorii D, a w szczególno[ci E stosowane s jedynie na najbardziej odpowiedzialne wysoko obci|one elementy konstrukcyjne w [rodowej cz[ci kadBuba, majce wpByw na bezpieczeDstwo caBej konstrukcji. Dodatkowo stal kategorii A jako jedyna nie wymaga próby udarno[ci. 3. Wyniki badaD Warto[ energii potrzebnej do zBamania próbki KV odczytywano bezpo[rednio ze wskaznika mBota. Aby wyznaczy udarno[ nale|y skorzysta z podanego we wstpie wzoru: K KC =ð S0 Przykrój próbki w miejscu karbu S0 (prostokt) obliczamy ze wzoru: S0 =ð a0 ×ðb0 [cm2] gdzie: a0  szeroko[ próbki b0  wysoko[ próbki poni|ej karbu Zatem S0 =ð 1cm ×ð 0,8cm =ð 0,8cm2 Zestawienie wyników: Energia KV [J] Udarno[ Rodzaj i wielko[ przeBomu Kategoria Temperatura KCV wyniki innej stali próby [°ðC] pomierzona [J/cm2] grupy lab. kruchy cigliwy »ð70% - [rodkowa »ð30% - pasek rzdu A 23±ð5 21 22 26,875 cz[ przeBomu 1mm naprzeciw karbu A -20 6,5 8,125 niemal caBkowicie znikoma cz[ -ð caBkowicie mikroskopijnie maBy A -40 7,5 5 7,8125 (»ð99,9%) (»ð0,1%) »ð97% - znaczna »ð3% - maBe oczko na D 23±ð5 -ð 70 87,5 wikszo[ [rodku - 5 - Obliczania udarno[ci dla: a) stali kategorii A (w przypadku dublowania si wyników do obliczeD u|yto ich [redniej KV1 +ð KV2 arytmetycznej obliczonej ze wzoru KV =ð ) 2 21,5 J KCV 150 =ð =ð 26,875 0,8 cm2 6,5 J KCV-20 150 =ð =ð 8,125 0,8 cm2 6,25 J KCV-40 150 =ð =ð 7,8125 0,8 cm2 b) stali kategorii D 70 J KCV 150 =ð =ð 87,5 0,8 cm2 Temperaturowa krzywa przej[cia stali kategorii A w stan kruchy 25 20 15 10 5 0 -40 -20 23 Temperatura [ oC ] 4. Wnioski i spostrze|enia Badana stal kategorii A podczas wiczeD wykazaBa wy|sz udarno[ od wymaganej. Zwiadczy to o dobrym wykonaniu blach. Stal kategorii A nie ma wymogu badania udarno[ci. Próbka wykazywaBa Bagodne obni|anie si udarno[ci wraz ze spadkiem temperatury. Nie mo|emy bezpo[rednio odczyta temperatury przej[cia stali w stan kruchy. Wyznacza si umown temperatur TK2, dla której udarno[ spada poni|ej warto[ci wymaganej Kwym. Dla stali u|ytej w wiczeniu warto[ wymagana wynosiBa 20 J. Warto[ci tej na wykresie odpowiada 16°ðC. Poni|ej tej temperatury stal przyjmuje wBa[ciwo[ci materiaBu kruchego. Powy|ej tej temperatury stal cechuje si wiksz plastyczno[ci. Dla próbki kategorii A badanej w temperaturze -40°ðC wyszBa dosy wysoka warto[ energii KV=7,5 J (powinna by równa ok. 5 J). BBd ten znacznie zafaBszowaBby pomiary, gdy| badano tylko jedn próbk, zamiast wymaganych trzech. Dopiero wówczas pomiar - 6 - Energia KV [J] byBby wiarygodny. Dlatego te| w sprawozdaniu wykorzystano wyniki innej grupy laboratoryjnej, aby mo|liwe dokBadnie odtworzy temperaturow krzyw przej[cia stali w stan kruchy. Stal kategorii A ma umiarkowan zdolno[ do zatrzymania zainicjowanego pknicia. Jest to czynnik bardzo wa|ny ze wzgldu na bezpieczeDstwo. Dla porównania na wiczeniach podano wyniki próby udarno[ci stali kategorii D: dla próbki Charpy V wzdBu|nej w temperaturze pokojowej energia zBamania wyniosBa 70 J. PrzeBom próbki byB w ok.97 % cigliwy. Stal t charakteryzowaBa du|a zdolno[ do zatrzymania pknicia (energia propagacji). Zatem porównujc wyniki zauwa|amy, |e stale wy|szych kategorii posiadaj wiksz udarno[, jak równie| i wytrzymaBo[. Obserwacja przeBomów próbek po zBamaniu dostarczaBa nam dodatkowych informacji. W temperaturze pokojowej badana stal posiadaBa przeBom mieszany z przewag przeBomu kruchego. Natomiast w najni|szej temperaturze przeBom stali byB prawie idealnie kruchy (elementy charakterystyczne dla przeBomu cigliwego s niewidoczne goBym okiem, ale istniej w znikomych ilo[ciach). Zwiadczy to o braku wystpowania energii propagacji, poniewa| energia propagacji jest proporcjonalna do przeBomu cigliwego (jest on ciemniejszy i bardziej matowy od przeBomu kruchego - ziarnistego i ja[niejszego). Obecnie kruche pknicia nie stanowi powa|nego zagro|enia dla stalowych konstrukcji spawanych, bowiem wymagania stawiane stalom s zawy|one. Równie| prawdopodobieDstwo wstpienia jednocze[nie czynników sprzyjajcych kruchemu pkniciu o skrajnych warto[ciach jest bardzo maBe. Dlatego te| podejmuje si to ryzyko i powszechnie stosuje si stale kategorii A do budowy statków (s one najtaDsze), u|ywajc w miejscach szczególnie nara|onych stali wy|szych kategorii. Nale|y równie| zauwa|y, i| ilo[ zatoni spowodowanych wBa[nie kruchymi pkniciami znacznie zmalaBa na przestrzeni ostatnich dziesicioleci. Sensu próby udarno[ci nie wyja[niono do koDca. Pomimo tego to gBównie dziki niej uporano si z problemem kruchych pkni. Próba udarno[ci jest du|o prostsza i taDsza od [cisBych metod mechaniki pkania. Dlatego te| jest ona szeroko stosowana. - 7 -

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Materiałoznawstwo i Techniki Wytwarzania Sprawozdanie 6A
Materiałoznawstwo i Techniki Wytwarzania Sprawozdanie 2D
Materiałoznawstwo i Techniki Wytwarzania Skrypt 2A
Materiałoznawstwo i Techniki Wytwarzania Sprawozdanie 3B
Materiałoznawstwo i Techniki Wytwarzania Sprawozdanie 1A
Materiałoznawstwo i Techniki Wytwarzania Sprawozdanie 3A
Materiałoznawstwo i Techniki Wytwarzania Sprawozdanie 5B
Materiałoznawstwo i Techniki Wytwarzania Sprawozdanie 5A
Materiałoznawstwo i Techniki Wytwarzania Sprawozdanie 2E
Materiałoznawstwo i Techniki Wytwarzania Sprawozdanie 1B

więcej podobnych podstron