BADANIA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH I BADANIA NIENISZCZĄCE

Transkrypt

1 BADANIA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH I BADANIA NIENISZCZĄCE Temat ćwiczenia: Wpływ kształtu karbu i temperatury na udarność Miejsce ćwiczeń: sala 15 Czas: 4*45 min Prowadzący: dr inż. Julita Dworecka-Wójcik, julita.dworecka@wat.edu.pl Zasady zaliczenia ćwiczeń: 1) Obowiązkowa obecność na zajęciach. 2) Pozytywna ocena z krótkiego sprawdzianu z wiedzy teoretycznej (przeprowadzonego na początku zajęć) i sprawozdania. 3) Czynny udział w zajęciach. WSTĘP TEORETYCZNY Próba udarności należy do prób dynamicznych i jest ona najprostszym badaniem odporności na pękanie materiału. Najczęściej stosowane są dwie próby udarności: Charpy ego i Izoda. Próba udarności polega na zniszczeniu, przy jednorazowym uderzeniu młotem wahadłowym, o kształcie i wymiarach określonych normą [Metale -- Próba udarności sposobem Charpy'ego -- Część 1: Metoda badania (aktualnie obowiązująca: PN-EN ISO 148-1: wersja angielska)]. Ilość energii zużyta na złamanie zależy od kilku czynników, m. in. wielkości, sposobu nacięcia na niej karbu, odległości między podporami, na których próbka się opiera w czasie próby, i wielu innych czynników. Dlatego wyniki udarności uzyskane na różnych próbkach nie mogą być ze sobą porównywane. Z tego powodu oprócz wyników liczbowych należy zawsze podać kształt użytej do badań. Wymiary próbek oraz kształt karbu są określone w normie, której to fragment zamieszczono poniżej (norma ISO 148-1:2009) 1

2 Do próby łamania (metodą Charpy ego) najczęściej stosowane są znormalizowane o przekroju kwadratowym 10 x 10 mm i długości 55mm. W połowie długości powinien znajdować się karb. Wyróżnia się dwa rodzaje karbów: w kształcie litery V o kącie 45 i głębokości 2 mm i promieniu zaokrąglenia 0,25 mm, w kształcie litery U o głębokości 5 mm i promieniu dna karbu 1 mm. Udarność określana jest jako stosunek pracy łamania K do przekroju poprzecznego A o w miejscu karbu: KC = K/A o [J/cm 2 ] W przypadku, gdy próba jest przeprowadzana w warunkach standardowych tzn. energia całkowita = 300J, szerokość 10 mm oraz głębokość karbu: typu V = 2mm lub typu U= 5mm udarność oznacza się w następujący sposób: udarność z karbem w kształcie V: KCV [J/cm 2 ] lub KV [J], udarność z karbem w kształcie U: KCU [J/cm 2 ] lub KU [J]. Jeżeli próba wykonana jest w innych warunkach to w oznaczeniu podaje się te warunki np.: KCU 150/5/7,5 co oznacza, że badanie wykonano na próbce z karbem w kształcie litery U, energii całkowitej 150J, głębokości karbu 5mm i szerokości 7,5mm. 2

3 Próby udarności wykonuje się w temperaturze otoczenia, ale nie tylko. W przypadku przeprowadzenia prób w temperaturze różnej od temperatury otoczenia, jej wartość podaje się w oznaczeniu, np. KCU -50 badanie przeprowadzono w temperaturze -50 C. Wykonanie prób udarnościowych w różnych temperaturach pozwala na określenie zmian pracy łamania i charakteru przełomu w funkcji temperatury. Metale i ich stopy pękają na skutek dynamicznego obciążenia w następujący sposób: z przełomem całkowicie plastycznym - absorbując dostarczoną energię, przełom ciągliwy powstaje przez wzrost i łączenie mikropustek, z przełomem całkowicie kruchym - absorbując znikomą część dostarczonej energii, z przełomem mieszanym plastyczno-kruchym - z obniżeniem temperatury wykazują przejście od pękania ciągliwego do kruchego, powierzchnia przełomu powstałego w temperaturze przejścia jest częściowo ciągliwa i częściowa krucha. Ze wzrostem temperatury zwiększa się ułamek powierzchni przełomu ciągliwego. Metale i stopy o sieci krystalicznej A1 z uwagi na wielość płaszczyzn poślizgu charakteryzują się wysokimi wartościami pracy łamania i małą wrażliwością na obniżanie temperatury. Metale i stopy o sieci krystalicznej A2 mają mniej płaszczyzn poślizgu i w związku z tym charakteryzują się większą skłonnością do kruchego pękania i wrażliwością na obniżanie temperatury badania. Udarność stali wykazującej przejście w niskiej temperaturze w stan kruchy charakteryzują dwa parametry: - praca łamania w zakresie przełomu ciągliwego, - temperatura przejścia w stan kruchy. Ponadto udarność: - jest obniżana przez występowanie wad materiałowych (pęknięcia, wtrącenia), - przeważnie jest wyższa dla czystych matali w porównaniu z udarnością stopów. W stalach dodatek Ni obniża temperaturę przejścia w stan kruchy. Im stal ma niższą temperaturę przejścia w stan kruchy, tym jest bardziej przydatna jako materiał konstrukcyjny. Udarność próbek zgiętych nie może być porównywana z udarnością próbek, które łamią się normalnie. Literatura: S. Prowans Metaloznawstwo, PWN, Warszawa 1988 J. Zawora Podstawy technologii maszyn, WSiP, Warszawa 2001 Norma ISO 148-1:2009 Metallic materials Charpy pendulum impast test, Part 1: Test method M. Blicharski Inżynieria materiałowa, WNT 2017 M. Stankiewicz, G. Holloway, A. Marshall, Z. Zhang, B. Ślązak: Próba udarności Charpy ego i parametr Lateral expansion w ocenie materiałów spawalniczych dla potrzeb kriogeniki, Przegląd Spawalnictwa 11/2012 R.A Flinn, P.K Trojan: Engineering materials and their applications John Wiley & Sons, New York (1995) A. Szummer, A. Ciszewski, T. Radomski: Badania własności i mikrostruktury materiałów. Ćwiczenia laboratoryjne., Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa

4 Przebieg badania Znormalizowana próbka zostaje umieszczona na dwóch podpórkach. UWAGA! Podczas badania próbka jest tak ułożona tak, aby uderzenie młota nastąpiło z przeciwległej strony karbu. Wzniesione na pewną wysokość H wahadło o masie m spadając łamie próbkę, tracąc przez to część energii, wskutek czego jego wzniesienie po drugiej stronie osi jest mniejsze i wynosi H1. Praca zużyta na złamanie równa się różnicy energii potencjalnych w położeniach I i II i wynosi: K = m g H-m g H1 = m g (H-H1) [J] W górnej części młota jest umieszczona podziałka oraz wskazówka, która po powrocie młota z położenia II pozostaje w położeniu odpowiadającym wysokości wzniesienia H1 młota. 4

5 ĆWICZENIE CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest: zapoznanie z działaniem młota wahadłowego typu Charpy ego przeznaczonego do łamania próbek podpartych na obu krańcach; wykonanie prób udarności metali (w temperaturze otoczenia i w temperaturach niskich); próba określenia progu kruchości; PRZEBIEG ĆWICZENIA 1. Zapoznać się z budową i obsługą młota wahadłowego. 2. Sprawdzić wymiary badanych próbek i obliczyć ich przekroje poprzeczne w miejscu występowania karbu. 3. Przeprowadzić próby udarności próbek z karbem U i V-kształtnym w różnych temperaturach. 4. Dokonać obserwacji złomów próbek. 5. Sporządzić wykresy udarności badanych próbek w funkcji temperatury. 6. Wyznaczyć orientacyjny próg kruchości dla badanych materiałów. 7. Dokonać analizy uzyskanych wyników. SPRAWOZDANIE POWINNO ZAWIERAĆ 1. Krótki opis badania. 2. Zwymiarowane rysunki badanych próbek udarnościowych. 3. Wyniki pomiarów i obliczeń przedstawione w tabeli jak poniżej: Nr Materiał Typ Wymiary w miejscu karbu a[mm] b [mm] S 0 [cm 2 ] Temp. próby [ C] Praca K [J] Udarność [J/cm 2 ] 4. Opis złomów próbek. 5. Wykresy udarności badanych stali w funkcji temperatury. 6. Wyznaczony orientacyjny próg kruchości dla badanych materiałów. 7. Wnioski. 5