Badanie udarności metali Numer ćwiczenia

Politechnika Białostocka
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska
INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH
Temat ćwiczenia:
Badanie udarności metali
Numer ćwiczenia:
7
Laboratorium z przedmiotu: wytrzymałość materiałów II
Opracowanie:
dr inż. Jarosław Malesza
Katedra Mechaniki Konstrukcji
2011
1 Wprowadzenie
Badanie udarności ma na celu
odzwierciedlenie pracy konstrukcji stalowej w
warunkach
krytycznych
obciążeń
dynamicznych. Próby te służą sprawdzeniu,
czy nagła zmiana obciążenia nie spowoduje
wprowadzenia materiału w stan kruchości.
Ponadto próby udarowe mogą także być
prowadzone dla kontroli jakości obróbki
cieplnej i wykrywania wad materiałowych.
Badanie udarności, zgodnie z normą
PN–EN 10045-1:1994, polega na złamaniu
jednym uderzeniem spadającego młota
wahadłowego odpowiedniej próbki.
Miarą udarności jest energia zużyta na
zniszczenie próbki.
Rys. 1. Schemat zamocowania próbki do badań
udarności
1.1 Próbki do badań
Próba udarności powinna być wykonywana na próbkach prostopadłościennych o
wymiarach 55 × 10 × 10mm z wyciętym, w środku jednej z bocznych ścian, karbem.
Nacięcie karbu na próbce wykonuje się w celu wywołania spiętrzenia naprężeń
powodującego pęknięcie próbki wykonanej z materiału plastycznego. W przypadku braku
karbu próbka uległaby tylko zgięciu, czego nie można zaliczyć do oceny udarności.
Norma PN–EN 10045-1 rozróżnia trzy rodzaje karbów:
• płytki w kształcie litery U (2mm)
• głęboki w kształcie litery U (5mm)
• w kształcie litery V (2mm)
Wyniki prób udarności są porównywalne tylko dla próbek o jednakowym kształcie,
rodzaju karbu i wymiarach. Energię zniszczenia próbki oznacza się za pomocą symboli:
KU dla próbek z karbem w kształcie litery U i KV z karbem o kształcie V.
Rys. 2. Próbki do badań udarności z karbem płytkim w kształcie litery U
Rys. 3. Próbki do badań udarności z karbem głębokim w kształcie litery U
Rys. 4. Próbki do badań udarności z karbem w kształcie litery V
1.2 Urządzenie do badań
Próby udarności wykonuje się na młotach wahadłowych typu Charpy’ego o
standardowej energii początkowej równej 300J.
Rys. 5. Wahadłowy młot Charpy'ego do badań udarności metali
Urządzenie składa się z bijaka oraz obudowy zamocowanej na trwałe na fundamencie. Na
osi obrotu na sztywno zamocowano tarczę i wskazówkę. Tarcza wyskalowana jest w
stopniach do pomiaru kątów i w jednostkach pracy do pomiaru energii. Wskazówka
automatycznie zatrzymuje się w najwyższym punkcie. W stanie spoczynku bijak jest
podniesiony i zablokowany na wysokość h1 i tworzy z pionem kąt α1 = 1600 . Po zwolnieniu
bijaka w najniższym punkcie uderza w próbkę leżącą na stoliku. Niszcząc ją rozprasza
energię o wartości Lu . Pozostała energia zamienia się w energię potencjalną i bijak wznosi
się na wysokość h2 tworząc z pionem kąt α2 . Powrotne wahnięcie jest zatrzymywane
przez hamulec.
2 Cel ćwiczenia laboratoryjnego
Celem ćwiczenia jest sprawdzenie odporności stalowej próbki na obciążenie
impulsowe.
3 Przebieg ćwiczenia
3.1 Czynności przed badaniem
• Sprawdzić wymiary próbki,
• Sprawdzić czy młot nie ma dużych oporów. W tym celu należy zwolnić bijak z
położenia początkowego i wykonać jedno wahnięcie (bez próbki) oraz wyznaczyć
procentowe straty tarcia,
• Położyć próbkę na podporach tak, aby płaszczyzna symetrii karbu leżała w
płaszczyźnie ruchu młota, próbka przylegała do oporów, a karb znajdował się po
przeciwnej stronie miejsca przyłożenia siły uderzenia,
• Podnieść wahadło do położenia początkowego,
• Zwolnić bijak specjalną zapadką.
3.2 Czynności po wykonaniu próby
• po wykonaniu jednego wahnięcia zatrzymać bijak za pomocą hamulca,
• odczytać na podziałce młota wartość pracy zużytej na złamanie próbki i kąt
położenia wahadła α2 .
4 Opracowanie wyników badań
4.1 Ocena pęknięcia próbki
Jeżeli podczas badania próbka nie została złamana, a jedynie zgięła się i przeszła
przez podpory, uzyskana energia nie może być traktowana jak wynik udarności. W takim
przypadku w protokole badania należy podać energię, przy której próbka nie została
złamana. Na podstawie obserwacji złomów po przeprowadzonej próbie zginania
udarowego uzyskujemy informacje o własnościach mechanicznych badanego materiału.
Rozróżniamy cztery charakterystyczne rodzaje złomów:
• złom poślizgowy oznacza, że próbka została zgięta, pęknięcie nastąpiło po
przekroczeniu granicy plastyczności tj. przy znacznym odkształceniu trwałym,
• złom kruchy oznacza, że próbka pękła nie wykazując widocznego odkształcenia
plastycznego,
• złom mieszany wykazuje cechy złomu poślizgowego i kruchego, na części przełomu
(najczęściej zewnętrznej) występują odkształcenia trwałe, a na pozostałej części
występuje przełom kruchy. Wówczas określa się procentowy udział przełomu kruchego
w przekroju,
• złom specyficzny z rozwarstwieniem wskazuje na duży stopień anizotropowości
materiału spowodowany obróbką plastyczną lub wskazujący na obecność jednego lub
więcej pasm zanieczyszczeń.
4.2 Wyniki badania - na podstawie bezpośredniego odczytu energii
Energię K zużytą na złamanie próbki możemy odczytać wprost z urządzenia. Wynik
próby udarności oblicza się wówczas ze wzroru:
KC =
K
S0
gdzie: K - jest energią zużytą na złamanie próbki nazywaną też pracą łamania,
S0 - powierzchnią przekroju próbki w miejscu karbu (pod karbem)
4.3 Wyniki badania - na podstawie odczytu kątów położenia wahadła
Ustalenie energii zużytej na złamanie próbki może odbywać na podstawie kątów
położenia wahadła przed i po uderzeniu. Wynik próby udarności oblicza się korzystając z
zasady zachowania energii, ze wzoru:
K = m · g · (h1 − h2)
gdzie: m - jest masą bijaka,
h1 - wysokość uniesienia bijaka przed uderzeniem, której odpowiada kąt uniesienia
α1 = 1600
h2 - wysokość uniesienia bijaka po uderzeniu, której odpowiada kąt α2 odczytany na
skali urządzenia,
5 Wymagania BHP
Urządzenie do badania udarności jest obsługiwane wyłącznie przez pracowników
laboratorium. Studenci sprawdzają wymiary próbki do badań, odczytują wskazania
urządzenia.
Politechnika Białostocka
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska
SPRAWOZDANIE Z ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH
Z WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW
Temat ćwiczenia:
Badanie udarności metali
Numer ćwiczenia:
7
imię i nazwisko studenta: …...............................................................
rodzaj studiów: …...............................................................................
kierunek: …........................................................................................
specjalność: …...................................................................................
semestr: …....................................
grupa: ….......................................
prowadzący ćwiczenia: dr inż. Jarosław Malesza
...........................................
(data wykonania ćwiczenia)
1. Wymiary próbki
- długość:
L=
[mm]
- wymiary przekroju poprzecznego:
bxh=
[mm]
- głębokość karbu:
d=
[mm]
- pole przekroju poprzecznego w miejscu karbu:
[cm2]
S0 = b x (h-d) =
2. Udarność – na podstawie odczytu energii zużytej na zniszczenie próbki
- energia zużyta na złamanie próbki:
K=
[J]
- udarność próbki:
KC =
K
=
S0
[J/cm2]
3. Udarność – na podstawie pomiaru kątów położenia wahadła
- długość bijaka:
L=
[mm]
- masa bijaka:
m=
[kg]
- początkowy kąt uniesienia bijaka:
1 =
[0]
- kąt uniesienia bijaka po złamaniu próbki:
2 =
[0]
- początkowa wysokość uniesienia bijaka:
[mm]
h 1=
- wysokość uniesienia bijaka po złamaniu próbki:
[mm]
h2 =
- energia zużyta na złamanie próbki:
[J]
K =m⋅g⋅h 1 −h 2 =
- udarność próbki:
KC =
K
=
S0
[J/cm2]