INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Z WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW

Transkrypt

1 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

2 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 do 0.01s w zależności od badanego materiału (większy dla materiałów plastycznych, mniejszy dla kruchych).

3 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.

4 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 karb w kształcie litery U o głębokości 5 mm i promieniu zaokrąglenia dna 1 mm 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

5 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 gdzie K (KV lub KU) oznacza pracę złamania [J], S 0 pole przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu [cm 2 ]. K S 0 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 >.

6 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