Wstęp:
W rozważaniach nad stalą podkreślano zawsze znaczenie plastyczności
jako najważniejszego zjawiska fizycznego. Stal niskowęglowa, stosowana na
kadłuby statków, jest materiałem plastycznym i pęka dopiero po znacznym
odkształceniu plastycznym oraz absorpcji energii. Jednakże w okresie II wojny
światowej konstruktorzy statków przekonali się, że stal może ulegać nagłemu
zniszczeniu na skutek kruchych pęknięć bez istotnych odkształceń plastycznych.
Problem ten pojawił się w okrętownictwie głównie jako skutek uboczny
wprowadzenia spawania do budowy statków. Pęknięcia te spowodowane były:
1) -niewłaściwym składem chemicznym stali,
-zmianami strukturalnymi w strefie wpływu ciepła złącz spawanego,
-spawalniczymi naprężeniami spawalniczymi;
2) -karbami na krawędzi nadlewu oraz grani spoiny.
Kruche pękanie znane było już przed 1939 rokiem. Opisano nawet, bez
podania szczegółów, kilkanaście znaczących przypadków zniszczenia: mostów,
statków oraz zbiorników. Jednakże mało który z techników orientował się w
problemie i większego znaczenia nabrał on dopiero podczas II wojny światowej,
kiedy to znacznym uszkodzeniom uległo wiele statków budowanych w tym
okresie, a wiele z nich zatonęło. Statki te miały konstrukcję spawaną, a
pęknięcia przebiegały z dużą prędkością przez wiele płyt często dzieląc statek
na dwie połowy. Klasycznym tego przykładem był zbiornikowiec
"Schenectady", który pękł w poprzek i rozpadł się na dwie połowy, znajdując się
na spokojnej wodzie przy nabrzeżu wyposażeniowym. Obciążenia były
statyczne i niewielkie (60-90 MPa), a temperatura otoczenia poniżej 5 stopni C.
Szybki rozwój badań na kruche pękanie spowodowany został zawodnością
oceny stanu ciągliwości stali na podstawie wyników badań gładkich próbek na
rozciąganie i zginanie. Ocena ta jest szczególnie zawodna dla stali stosowanych
na konstrukcje spawane.
Częstokroć sama obecność dostatecznie ostrego karbu może sprawić, że
stal, zachowująca się plastycznie przy rozciąganiu próbek gładkich, pęka w
sposób kruchy (bez uprzednich odkształceń plastycznych w skali makro) już
przy statycznym rozciąganiu próbek z karbem. Kruchość lub plastyczność
materiału, wynikająca ze sposobu zachowania się gładkiej próbki rozciąganej
jednoosiowo, jest pojęciem względnym. Materiały uważane za ciągliwe mogą
ulec kruchemu pęknięciu pod wpływem wieloosiowych naprężeń
rozciągających. W Tym wypadku zachodzi potencjalne niebezpieczeństwo
uszkodzenia, a nawet zniszczenia kadłuba, jeśli zastosowane materiały nie będą
wystarczająco odporne na kruche pękanie. Ze względu na szybki rozwój badań
w tym kierunku, w latach 1980-90 znacznie zmniejszyło się zjawisko kruchych
pęknięć w statkach, trzeba tu zaznaczyć, iż pęknięcia te miały miejsce w stali
kat. A.
1
Kruche pękanie charakteryzuje się tym, że rozwija się w materiale
praktycznie bez odkształceń plastycznych z bardzo dużymi prędkościami (ok.
1800 m/s). Udarowa próba zginania próbek z karbem (próba udarności) służy do
oceny zachowania się stali pod działanie następujących czynników
sprzyjających kruchemu pękaniu: -ostrego karbu, -dużej szybkości przyrostu
odkształcenia oraz -obniżonej temperatury. (dwa ostatnie wraz z
oddziaływaniem karbu).
Próba udarności służy jako podstawowe kryterium oceny odporności
materiału na kruche pękanie, a wymagania odnośnie do wartości pracy złamania
próbek ze stali kadłubowej w określonych temperaturach są podstawą podziału
tych stali na kategorie.
Opis metodyki badań:
Próbę udarności wykonano na młocie wahadłowym Charpy`ego,
przeznaczonego do udarowego zginania próbek podpartych swobodnie na obu
końcach. Próbkę umieszcza się na podporach młota tak, aby oś karbu leżała w
płaszczyz
nie ruchu wahadła młota. Odległość między podporami młota powinna
wynosić 40 Ä…ð0,5 mm. Karb skierowany jest do podpór, natomiast próbka
powinna przylegać do podpór młota.
Początkowa energia młota wynosi w naszej próbie 150J, lecz także
wykonuje się próby na młotach o energii początkowej 300J. Przed dokonaniem
pomiaru należy sprawdzić poprawność działania młota, tzn. Sprawdzić, czy po
pełnym swobodnym wahnięciu wskazówka wskaże energię równą 0 (zero).
Wahadło młota w swoim położeniu początkowym posiada maksymalną
energiÄ™ poczÄ…tkowÄ… :
Kmax = m g h1
gdzie :
m - masa bijaka młota
g - przyspieszenie ziemskie
h1 - wysokość wzniesienia wahadła ponad próbkę
W czasie próby wahadÅ‚o wychylone od pionu o kÄ…t rozwarty að1 zostaje
zwolnione z zaczepów i spadając w dół łamie próbkę, po czym wznosi się na
wysokość h2 i wychyla od pionu o kÄ…t að2 . Praca zÅ‚amania próbki :
K = Kmax - K2 = mg ( h1 - h2 ) = mgR (cosað2 - cosað1 )
gdzie:
Kmax -maksymalna energia początkowa młota
2
K -praca uderzenia odpowiadająca energii zużytej na złamanie
próbki
K2 - energia złamania próbki
m - masa bijaka młota
g - przyspieszenie ziemskie
h1 (að1) - wysokość wzniesienia wahadÅ‚a ponad próbkÄ™ przed
złamaniem (wychylenie wachadła od pionu o kąt rozwarty)
h2 (að2) - wysokość wzniesienia wahadÅ‚a po zÅ‚amaniu próbki
(wychylenie o kÄ…t) að
R -odległość od osi wahadła młota do środka próbki ustawionej
na podporach
Na skali mÅ‚ota można odczytać wartość kÄ…ta að2 lub też bezpoÅ›rednio
wartość energii złamania próbki K. Prędkość bijaka młota wahadła w chwili
uderzenia w próbkÄ™ powinna wynosić V = 2gh1 = 5¸ð5,5 m/s.
Rozróżniamy dwa rodzaje próbek wymagane do stosowania przez
przepisy towarzystw kwalifikacyjnych :
- z karbem w kształcie litery U (zwane Charpy U ) , o głębokości karbu 5mm ,
- z karbem w kształcie litery V (zwane Charpy V ) , o głębokości karbu 2mm.
Długość dla każdego rodzaju próbek wynosi 55mm, szerokość zaś 10mm.
Próbki, a zwłaszcza karby powinny być wykonane drogą obróbki mechanicznej
przez skrawanie, aby nie dopuścić do powstawania nierówności i rys zarówno
na powierzchni próbki, jak i dnie karbu, widocznych gołym okiem.
Sama próbka powinna być wykonana według dopuszczalnych norm dla
danej próby udarności. Tabela przedstawia wymiary i odchyłki dla próbki z
karbem V użytej w czasie próby:
Oznaczenia Wymiar nominalny Odchyłka dla obróbki
3
Długość
55 mm
Ä…ð 0,60 mm
Wysokość
10 mm
Ä…ð 0,06 mm
Szerokość
10 mm
Ä…ð 0,11 mm
7,5 mm
Ä…ð 0,11 mm
5 mm
Ä…ð 0,06 mm
KÄ…t karbu
45 °ð Ä…ð 2°ð
Promień zaokrąglenia dna
8 mm
Ä…ð 0,06 mm
karbu próbki
Wysokość poniżej karbu
0,25 mm
Ä…ð 0,025 mm
Odległość płaszczyzny
symetrii karbu od końca
27,5 mm
Ä…ð 0,42 mm
próbki
Kąt między płaszczyzną
symetrii karbu a wzdłużną
90°ð Ä…ð 2°ð
osią próbki
Kąt między przyległymi
wzdłużnymi płaszczyznami
90°ð Ä…ð 2°ð
próbki
Próbę udarności przeprowadzono w różnych temperaturach dla stali
kadłubowych kategorii A, próbka Charpy V, stale walcowane. Przy pomiarach
udarności w obniżonych temperaturach należy przed badaniem schłodzić próbkę
do wymaganej temperatury. Schładzanie próbek przeprowadza się w komorze
chłodzącej zwanej termostatem, wykonanej jako naczynie o podwójnych
ściankach lub z materiału izolacyjnego, jak w naszym przypadku. Pomiar
temperatury przeprowadzono przy użyciu termometru, znajdującego się w
cieczy, wraz z chłodzoną próbką. Jako środek oziębiający stosuje się ciecz,
której temperatura zamarzania jest większa niż temperatura próby, do tego celu
użyto alkoholu etylowego zwanego denaturatem. Do schładzania użyto
dwutlenku węgla ( suchego lodu CO2(s)). Po osiągnięciu przez ośrodek
oziębiający żądanej temperatury, suchy lód wyjęto z cieczy, a komorę wraz z
próbką i kleszczami do przenoszenia próbki zamknięto szczelnie w termostacie
na co najmniej 15 minut.
PróbÄ™ wykonano dla temperatury -20°ðC i 20°ðC. Po wyjÄ™ciu próbki,
wstrząśnięto nią, w celu oczyszczenia jej z pozostałości cieczy chłodzącej.
Liczba pomiarów temp. pomiaru [oC] Udarność [J]
1 +20 20
2 -20 7
3 -40 4,5
4
Wyniki badań:
Udarność KCV = KV/So [J/cm2]
gdzie:
KV energia złamania próbki z karbem V
So Powierzchnia przekroju poprzecznego próbki w
miejscu karbu
So = X o * yo
gdzie:
X wysokość poniżej karbu
y szerokość próbki
So = 0,8 * 1 = 0,8 [cm2]
Czyli dla temperatur odpowiednio:
KCV150 = 25 [J/cm2]
KCV-20150 = 8,75 [J/cm2]
KCV-40150 = 7,5 [J/cm2]
25
20
15
10
5
0
20 -20 -40
Temperatura [°C]
5
Udarność [J]
 Wykres krzywej przejścia stali w stan kruchy z otrzymanych z
danych w czasie ćwiczenia.
Próbki wycięte w poprzek kierunku walcowania, Kwym = 20J, najlepiej
jest używać powyżej temperatury TK = 10 oC (odczytane z wykresu), gdyż
poniżej materiał ukzuje przełom kruchy. W celu obniżenia temperatury TK
dodaje się nikiel, który przesuwa ją w dół.
W czasie ćwiczenia podano także udarność stali kategorii D 60 [J]. Jak
widać jest ona dużo większa, czyli posiada lepszą jakość do zastosowania .
Stal kategorii A jest najgorsza w porównaniu z innymi kategoriami,
niemniej także stosowana na stale kadłubowe. Przełom tej próbki w
temperaturze +20°ðC wykonano dla dwóch próbek. Pierwsza z nich, nie udaÅ‚a
się, gdyż przełom tej próbki mijał się z oczekiwanymi (prawie całkowity
przełom kruchy) . Dla kategorii D stali, to 97% przełom kruchy i 3% przełom
ciÄ…gliwy.
Drugi był przełomem mieszanym, czyli spodziewany. Po bokach i u dołu
próbki pasek około 1mm różniły się, był to pasek ciągliwy 25%. Przełom kruchy
to pozostałe 75%. Wygląd przełomu był książkowy, czyli w środku ziarnisty
skrzący, na obrzeżach matowy.
Natomiast dla temperatury -20°ðC stal kategorii A, posiada przeÅ‚om
kruchy.
Wnioski i spostrzeżenia:
Z powodu ukazania tylko samej zasady badania próbki Charpy V, na
młocie wahadłowym Charpy, ilość zbadanych próbek była ograniczona
względami ekonomicznymi. Część danych została zaczerpnięta od innych grup,
które badały próbki w innych temperaturach. Sama próba ukazuje wytrzymałośc
materiału na kruche pękanie. Nie jest ona bardzo dokładna, ale wystarczająco
informuje nas o jej własnościach.
Próba nie została przeprowadzona ściśle z zaleceniami towarzystw, czy z
dokładnością, co byłoby oczywiście bardzo trudne, wręcz niemożliwe, lecz dla
potrzeb ćwiczenia ukazanie dokładnych wyników nie było zamiarem.
Uważam, że ćwiczenie jest bardzo przydatne i pouczające studenta,
mogącego w przyszłości spotkać się z zagadnieniem  udarności .
6