próba udarności.docx

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.

Czynniki wpływające na udarność stali

Temperatura

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

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

W przedziale 25 – 250o C obserwuje się w stali zjawisko kruchości niebieskiego przełomu. 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, 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 Ao1 u Ao3, Anomalia plastyczności w przedziale przemiany fazowej występuje nie tylko podczas hartowania z temperatur Ao1 u Ao3, 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

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. – 30oC, thomasowska natomiast – już w temperaturze ok. + 15oC

              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:

Lu – wartość pracy odpowiadającej energii użytej na złamanie próbki

So – powierzchnia przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu, mierzona przed próba

Urządzenie do badania udarności

Do określania udarności używany jest młot typu Charpy przedstawiony na rys. 6. W celu przeprowadzenia pomiaru umieszcza się próbkę na podporach, a wahadło podnosi się na wysokość H. Opuszczone z tej wysokości uderza ono w próbkę, a po jej zniszczeniu unosi się jeszcze na wysokość h mniejszą od H. Jeżeli ciężar wahadła wynosi G, to w położeniu górnym energia potencjalna młota wynosi:

L1 =GH

Po złamaniu próbki pozostała w wahadle jeszcze energia, dzięki której może się ono unieść na wysokość h. Energia ta wynosi:

L2 = Gh

Zatem energia potrzebna do zniszczenia próbki wynosi:

L = L1-L2 = G(H-h)

Jeżeli przekrój próbki wynosi A, to praca jednostkowa zużyta na jej złamanie wynosi:

U = L/A = G(H-h)/A

A Wysokość uniesienia wahadła przed i po złamaniu próbki (H i h) mogą być określone za pomocą długości wahadła i kątów wychylenia wahadła na początku i na końcu próby, a mianowicie:

H=l(1 -cosα)              h=l(l-cosβ)

Po podstawieniu zamiast H i h powyższych wyrazów otrzymamy:

L = Gl(1 –cosα - 1+ cosβ) = Gl(cosβ - cosα)

Kąt wstępnego (wyjściowego) odchylenia wahadła od położenia pionowego jest dla danego młota wielkością stałą. Wartość kąta wychylenia wahadła po złamaniu próbki odczytujemy bezpośrednio na skali w kształcie łuku, z podziałką w stopniach; odpowiedni kat podaje wskazówka obracająca się z niewielkim tarciem na nieruchomej osi wahadła.

Na rys. 7 pokazany jest schemat wyjaśniający pomiar kaja wzniesienia wahadła po zniszczeniu próbki. Na rys. 7 a pokazano wahadło w położeniu pionowym, na rys. 7 b wahadło w położeniu wyjściowym przed próba , wskazówkę ustawia się w położeniu zerowym, na rys. 7 c - wahadło po uderzeniu w próbkę wychyla się o pewien kat, wskazówka pozostaje na miejscu, powstrzymana przez opór, na rys. 7 d - wahadło powraca do położenia pionowego; wskazówka pociągnięta przez wahadło wskazuje kąt wychylenia wahadła po złamaniu próbki.

Przy ruchu wahadła w górę, po wykonaniu pracy, wskazówka ustawiona przed rozpoczęciem badania w położeniu zerowym, utrzymuje się przez cały czas w tym położeniu dzięki wspornikowi zatrzymującemu; dopiero po powrocie wahadła do położenia pionowego, wskazówka posuwa się za wahadłem i gdy wahadło zajmuje położenie pionowe - wskaże kąt odrzutu, czyli wychylenia wahadła od pionu po złamaniu próbki. Iloczyn Gl jest wielkością stałą dla każdego typu młota i powinien być uwidoczniony na wahadle.

Przy ustawieniu próbki odchylenie wahadła utrzymujemy za pomocą podkładki drewnianej, wkładanej miedzy ramię wahadła a kadłub maszyny. Niedopuszczalne jest zakładanie próbek przy młocie podniesionym na pewną wysokość, gdyż stwarza to duże niebezpieczeństwo dla obsługi w razie przypadkowego zerwania się wahadła.

W wyniku pomiaru udarności możemy otrzymać trzy charakterystyczne rodzaje przełomów (rys. 8):

przełom poślizgowy - próbka została zgięta, pękniecie nastąpiło po przekroczeniu granicy plastyczności, tj. przy znacznych odkształceniach trwałych,

przełom kruchy - próbka pękła bez widocznego odkształcenia plastycznego,

przełom z rozwarstwieniem - wskazujący na duży stopień anizotropowości materiału, spowodowany przeróbką plastyczna lub wskazujący na obecność jednego lub więcej pasm zanieczyszczeń.

Na rodzaj przełomu wpływają oprócz własności materiału, także kształt i wymiary karbu.

Rodzaje próbek

Próbka standardowa powinna mieć długość 55 mm i przekrój poprzeczny kwadratowy o boku 10 mm. W połowie długości powinien znajdować się karb. Rozróżnia się następujące typy próbek

-  typu Mesnager,

-  typu Charpy U z karbem w kształcie litery U lub w kształcie otworu do klucza; o głębokości a - h = 5 mm i promieniu zaokrąglenia dna 1 mm, stosowane do okre­ślania udarności materiałów o dużym zapasie plastyczności,

-  typu Charpy V z karbem w kształcie litery V; o kącie 45°, głębokości 2 mm i promieniu zaokrąglenia jego dna 0,25 mm.

W przypadku wyrobów, z których nie można wyciąć próbek o szerokości 10 mm lub dla tych materiałów, które do złamania próbki wymagają energii powyżej 300 J, norma dopuszcza stosowanie próbek o szerokości 7,5 i 5 mm zarówno z karbem w kształcie litery U, jak i z karbem w kształcie litery V.

Wymiary z dopuszczalnymi odchyłkami stosowanych próbek do próby udarności wg Charpy'ego zestawiono w tablicy 6 1.

Metoda Izoda różni się od metody Charpy'ego sposobem zamocowania próbki, wymiarami próbek oraz prędkość uderzenia wahadła młota bada się wyłącznie próbki z karbem. Próbkę mocuje się pionowo, jednym końcem w uchwycie podstawy młota i łamie ostrzem walcowym wahadła młota w określonej odległości od krawędzi uchwytu. Udarność określa praca zużyta na dynamiczne złamanie próbki z karbem odniesiona do początkowego przekroju poprzecznego w miejscu karbu, wyrażona w kJ/m2.

Odcinki próbne, z których wykonuje sic próbki, należy wycinać "na zimno" na obrabiarkach do skrawania metali. Unikać przy tym należy miejscowego nagrzania lub gniotu, które mogłyby zmienić własności materiału. Dopuszczalne jest wycinanie odcinków próbnych za pomocą palnika acetylenowego lub nożyc, ale należy wówczas przewidzieć taki naddatek, przeznaczony do usunięcia za pomocą obróbki wiórowej, aby mieć pew­ność, że własności materiału samej próbki nie uległy zmianie.

Obróbka samych próbek powinna być całkowicie wiórowa. W przypadkach pre­cyzyjnego odlewania próbek, dwie powierzchnie równolegle do płaszczyzny syme­trii karbu mogą być nieobrobione.

Karb wykonuje się przez frezowanie, struganie, wiercenie i przecinanie, a na­stępnie próbki są szlifowane.

Niedopuszczalne są na dnie karbu rysy wzdłużne widoczne nieuzbrojonym okiem, pochodzące od obróbki wiórowej.

Obróbkę cieplną próbek obrabianych cieplnie należy przeprowadzić na odcin­kach próbnych lub próbkach przed wykonaniem karbu

Nic należy stosować do badań próbek skrzywionych i z pęknięciami hartowniczymi, próbek z wgnieceniami i zadziorami na krawędziach

Pomiędzy wynikami próby udarności, przeprowadzonej na różnych rodzajach próbek, nie zachodzi podobieństwo, bowiem praca zużyta na złamanie próbki zależy nie tylko od powierzchni jej przekroju poprzecznego, lecz i innych czynników, jak kształtu i wymiaru próbki i karbu, stanu powierzchni, temperatury badania, prędko­ści obciążenia itp. Największy jednak wpływ na wartość udarności ma kształt i głę­bokość karbu. Im karb jest głębszy i ostrzejszy, tzn. im promień zaokrąglenia karbu jest mniejszy, tym udarność jest mniejsza.