instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z wytrzymałości

INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH
Politechnika Śląska w Gliwicach
INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH
Z WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW
PRÓBA UDARNOŚCI METALI
Opracował:
Dr inż. Grzegorz Nowak
Gliwice 2001
1. Wprowadzenie
Materiały, z których wykonane są elementy maszyn i konstrukcji podlegają rożnego
rodzaju obciążeniom. Obciążenia te mogą mieć charakter statyczny bądź dynamiczny. W
przypadku kiedy obciążenie zewnętrzne działające na dany element konstrukcyjny narasta
powoli (z małą prędkością) od zera do wartości maksymalnej to mamy do czynienia z
obciążeniem statycznym. Jeżeli zaś obciążenie narasta z dużą prędkością to mówimy o
obciążeniu
dynamicznym.
Charakter
obciążenia
istotnie
wpływa
na
własności
wytrzymałościowe materiałów co pociąga za sobą konieczność badań zachowania się
materiałów przy statycznym i dynamicznym wzroście obciążenia. Wzrost prędkości
obciążenia prowadzi do podniesienia wartości granicy plastyczności i wytrzymałości
materiału. Ponadto obserwuje się przesuniecie maksimum obciążenia w kierunku odkształceń
sprężystych czyli zmniejszają się obserwowane odkształcenia plastyczne. Jest to wynikiem
zahamowania
mechanizmów
plastycznego
płynięcia
materiału
przy
wzrastających
prędkościach odkształcenia, czyli przy obciążeniach dynamicznych.
Ze względu na wspomnianą odrębność zachowania się materiałów przy obciążeniach
statycznych i dynamicznych przeprowadza się odrębne badania materiałowe. Dla celów
określenia własności materiału przy dużych prędkościach odkształcenia przeprowadza się
próby udarnościowe. Mogą to być próby udarnościowe na rozciąganie, ściskanie, skręcanie
czy wreszcie na zginanie. Obecnie najbardziej rozpowszechniona jest próba udarowego
zginania. Polega ona na złamaniu próbki przy jednorazowym uderzeniu. Próbę udarności
wykonuje się na urządzeniu zwanym młotem udarowym. Jest to tzw. młot udarowy
Charpy’ego, zaś przeprowadzana próba udarowego zginania nosi nazwę próby Charpy’ego.
2. Działanie młota udarowego.
Działanie młota udarowego opiera się na wykorzystaniu energii opadającego wahadła,
które uderza w badaną próbkę. W zależności od badanych materiałów wykorzystuje się
wahadła o różnej energii (masie). W przypadku badania metali energia ta wynosi zwykle
300J. Wykorzystanie takiego sposobu obciążania próbek pozwala na osiąganie prędkości
odkształcenia materiału do 10m/s. Przeliczając to na czas potrzebny do zniszczenia próbki
uzyskujemy 0.001 do 0.01s w zależności od badanego materiału (większy dla materiałów
plastycznych, mniejszy dla kruchych).
Głównymi elementami młota udarowego Charpy’ego są:

korpus

wahadło

przypory

wskaźnik pomiaru energii złamania / kąta odchylenia wahadła.
Na wyposażeniu laboratorium znajduje się młot udarowy firmy Roel/Amsler. Jest on
zaopatrzony w wahadło o energii początkowej 300 J. Podnoszenie wahadła do pozycji
wyjściowej odbywa się przy pomocy silnika elektrycznego i w tej pozycji jest ono blokowane
zamkiem elektromagnetycznym. Zwolnienie wahadła odbywa się na drodze elektrycznej
poprzez naciśnięcie przycisku START. Uruchomienie urządzenia powoduje opadanie młota
na drodze którego znajduje się zamocowana na stoliku próbka. Uderzenie powoduje złamanie
próbki. Zniszczenie próbki nie powoduje całej utraty energii wahadła, które swobodnie
odchyla
się
do
pozycji
maksymalnej
po
czym
jest
przy
pomocy
hamulca
elektromagnetycznego zatrzymywane, a następnie podnoszone do pozycji wyjściowej.
Odchylenie wahadła po złamaniu próbki jest rejestrowane przy pomocy wskaźnika
zegarowego wyskalowanego w jednostkach energii oraz stopniach kątowych.
3. Badanie
Próba udarności polega na złamaniu jednym uderzeniem spadającego młota
wahadłowego próbki z karbem w środku i podpartej obydwoma końcami. Energia zużyta na
złamanie próbki wyrażona jest w dżulach i jest ona miarą udarności badanego materiału.
Próbki do badań udarności określone są poprzez odpowiednie normy. Standardowa
próbka powinna mieć długość 55 mm oraz przekrój kwadratowy 10x10 mm. W połowie
długości próbki znajduje się jeden z dwu rodzajów karbów:

karb w kształcie litery V o kącie 45° i głębokości 2 mm. Promień zaokrąglenia dna
wynosi 0.25 mm
10
2
55
45°

karb w kształcie litery U o głębokości 5 mm i promieniu zaokrąglenia dna 1 mm
5
10
55
2
Omówione próbki powinny być obrobione mechanicznie.
Standardowe badanie powinno odbywać się przy początkowej energii maszyny 300 ± 10 J
przy zastosowaniu próbki o standardowych wymiarach. Energię zużytą na złamanie próbki
oznacza się:

KU dla próbki z karbem U

KV dla próbki z karbem V
Podczas badania próbka powinna leżeć na podporach w taki sposób, aby odległość
płaszczyzny symetrii karbu (środka karbu) od płaszczyzny symetrii podpór była nie większa
niż 0.5 mm. Uderzenie młota następuje po przeciwnej stronie karbu, który jest inicjatorem
pęknięcia. Temperatura w czasie badania powinna wynosić 23°C ± 5°C. Jeżeli próba ma być
przeprowadzona w innej temperaturze niż pokojowej powinna być ona zanurzona w ośrodku
oziębiającym bądź ogrzewającym na czas pozwalający na osiągnięcie równomiernej
temperatury w całej objętości próbki (np. co najmniej 10 min w ośrodku ciekłym oraz 30 min
w gazowym). Po nagrzaniu/oziębieniu próbka powinna zostać złamana w ciągu 5 sekund.
Jeżeli w trakcie badania próbka nie została złamana, lecz tylko zgięta, zużyta energia nie
może stanowić wyniku udarności.
W czasie zniszczenia próbek mogą powstać trzy rodzaje złomu:

złom kruchy – pęknięcie próbki bez wyraźnych odkształceń plastycznych

złom poślizgowy – pęknięcie nastąpiło po przekroczeniu granicy plastyczności.
Widoczne odkształcenia plastyczne

złom z rozwarstwieniem – przełom wykazuje duże rozwarstwienie wynikłe z
anizotropowości materiału
Udarność próbki określa się na podstawie zależności:
KC 
K
S0
gdzie K (KV lub KU) oznacza pracę złamania [J], S 0 – pole przekroju poprzecznego próbki w
miejscu karbu [cm2].
Jeżeli złom na powierzchni próbki wykazuje pęknięcia hartownicze, pęcherze,
wtrącenia niemetaliczne lub kiedy przebiega linią łamaną, to taką próbę uważa się za
nieudaną. Jeżeli próbka w czasie badania nie uległa złamaniu, natomiast przeszła między
podporami młota to w sprawozdaniu z badania umieszcza się uwagę „nie złamana”, zaś
wartość udarności ujmuje się w nawias. Jeżeli próbka nie złamała się i nie przeszła przez
podpory, co oznacza dużą udarność materiału, to w sprawozdaniu zapisuje się „ nie złamała
się”, a przed wartością K umieszcza się znak „>”.
Na podstawie kształtu przekroju próbki po złamaniu można także oceniać własności
plastyczne materiału przy udarowym zginaniu. Miarą powstałych odkształceń plastycznych
jest stopień zniekształcenia przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu.
Określanie udarności materiału, które przyjęte jest w normach nie posiada podstaw
fizycznych, co uniemożliwia porównywania badań prowadzonych na różnych próbkach
(różne wymiary i kształty karbu). Uzyskana w wyniku badania energia złamania próbki może
stanowić pewien wskaźnik mówiący o wytrzymałości rozdzielczej materiału. Energia ta jest
funkcją temperatury materiału i rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Tym samym obserwuje
się również wzrost udarności. Badania prowadzone dla różnych temperatur pozwalają na
wyznaczenie tzw. temperatury przejścia plastyczno-kruchego tzn. temperatury, kiedy
pęknięcie wywołane uderzeniem zmienia charakter z plastycznego na kruchy i odwrotnie.
Istotną sprawę stanowi również fakt, że zarówno kształt jak i wymiary karbu
zasadniczo wpływają na możliwość powstawania odkształceń plastycznych. Im bardziej ostry
karb, tym większe spiętrzenie naprężeń. To z kolei prowadzi do przesunięcia obszaru
kruchości materiału w zakres wyższych temperatur. Również wzrost wielkości ziarna
materiału powoduje przesunięcie obszaru kruchości w zakres wyższych temperatur.
4. Przygotowanie sprawozdania
Sprawozdanie z przeprowadzonej próby udarowego zginania powinno zawierać:
1. Opis metody
2. Krótki opis urządzenia, na którym wykonywano badanie
3. Podanie rodzaju użytej próbki oraz warunki badania
4. Uzyskaną w badaniu wartość energii złamania oraz określoną udarność
5. Opis powstałego przełomu.
6. Wnioski z ćwiczenia