POWRÓT

Nauka o materiałach

Badanie udarności materiałów technicznych za pomocą młota Charpy’ego


Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Wstęp
Przebieg ćwiczenia
Opracowanie wyników

 

Wstęp

   

   Próby udarowe są próbami dynamicznymi, określającymi zdolność materiału do przenoszenia gwałtownych obciążeń typu uderzeniowego. Charakteryzują one te własności mechaniczne materiału, których nie można wykryć przy pomocy prób statycznych. Najczęściej stosowanymi próbami udarowymi są:

  • udarowa próba zginania
  • udarowa próba rozciągania

   Próby udarowego ściskania lub skręcania wykonuje się rzadko. Próbę udarności wykonuje się w celu dokonania oceny zachowania się materiału w warunkach sprzyjających kruchemu pękaniu, stworzonych w próbce obecnością karbu i dużą szybkością odkształcenia wywołaną dynamicznym działaniem siły oraz działaniem temperatury.
   Badania udarności mają szczególne znaczenie dla stali ulepszanych cieplnie, gdy wraz z korzystnym wzrostem wytrzymałości i twardości zachodzi szkodliwy wzrost kruchości materiału. Pozwalają one w tym przypadku ustalić optymalne warunki obróbki cieplnej. Powszechnie stosowana próba udarności polega na złamaniu jednym uderzeniem wahadłowego młota próbki z karbem, podpartej swobodnie na obu końcach.
   Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z praktycznym sposobem wykonania próby udarności metali zgodnie z obowiązującą normą (PN-EN ISO 148-1:2010), używanymi do tego celu próbkami i urządzeniami oraz interpretacją wyników próby. Wykonanie ćwiczenia polega na udarowym złamaniu kilku próbek stalowych i zbadaniu wpływu na udarność stali:

  • obróbki cieplnej,
  • rodzaju karbu,
  • kierunku walcowania,

Próbki do badań

   Próbka standardowa powinna mieć długość 55 mm i przekrój poprzeczny kwadratowy o boku 10 mm. W połowie długości powinien znajdować się karb. Rozróżnia się dwa rodzaje karbów.

Rys. 1 a) Standardowa próbka z karbem w kształcie litery V, b) Standardowa próbka z karbem w kształcie litery U

  • a) karb w kształcie litery U o głębokości 5 mm i promieniu zaokrąglenia dna 1mm.
  • b) karb w kształcie litery V; o kącie 45, głębokości 2 mm i promieniu zaokrąglenia jego dna 0,25 mm. W przypadku wyrobu nie pozwalającego na pobranie próbki standardowej, należy stosować próbkę o pomniejszonym przekroju o szerokości 7,5 mm lub 5 mm z karbem wyciętym na dowolnej węższej powierzchni.

   Zasada pomiaru polega na złamaniu jednym uderzeniem młota wahadłowego, próbki z karbem w środku, podpartej obydwoma końcami jak pokazano to na rysunku. Energia zużyta za złamanie próbki wyrażona w dżulach, jest miarą udarności badanego materiału.

Rys. 2 Schemat młota wahadłowego typu Charpy

   Wahadło 5 młota zamocowane jest obrotowo w sztywnym korpusie 1. Na osi obrotowej połączonej sztywno z wahadłem znajduje się zabierak wskazówki biernej 3, która z pewnym (małym) oporem może się obracać dookoła osi. Po zamocowaniu wahadła w górnym początkowym położeniu wskazówkę 3 należy ustawić w położeniu dolnym. Po zwolnieniu zaczepu wahadło opada po łuku na próbkę 6, po jej złamaniu wychyla się o kąt ß ( rys.7). O wartość kąta ß wychyla się również wskazówka 3 (rys.4) i wskazuje na odpowiedniej skali wartość pracy zużytej na złamanie próbki. Po złamaniu próbki wahadło zatrzymuje się ręcznie przy pomocy hamulca.
   Schemat działania młota i podstawowe wielkości przedstawiono na rysunku poniżej. Młot spadając z wysokości H (położenie I) do najniższego położenia osiąga w nim maksymalną prędkość. W tym położeniu młot ma największą energię kinetyczną. Po zniszczeniu próbki reszta energii kinetycznej wychyla młot do położenia II i przechodzi w energię potencjalną.

Rys. 3 Schemat działania młota

 

Przebieg ćwiczenia

   

Przebieg badań

   Przed rozpoczęciem ćwiczenia student obowiązkowo zapoznaje się z zaleceniami instrukcji BHP. Prowadzący zajęcia sprawdza opanowanie wiadomości podanych w instrukcji BHP i znajomość problematyki badawczej. Po dopuszczeniu do wykonania ćwiczenia należy wykonać następujące czynności:

  • uważnie przeczytać instrukcję obsługi młota Charpy’ego,
  • sprawdź wyposażenie stanowiska zarówno w środki pomiarowe, jak i próbki, które mają być badane,
  • dokonać pomiarów wartości charakterystycznych młota (długość wahadła L, wysokość h', kąt α i próbek (h,b) w celu określenia zgodności ich wykonania z normą,
  • ustawić młot wahadłowy w położeniu wyjściowym,
  • po zamocowaniu wahadła w górnym początkowym położeniu, przy wychyleniu młota o kąt α, wskazówkę dosunąc do ogranicznika i odczytać wartość kąta α,
  • umieścić próbkę w urządzeniu do badania udarności,
  • zwolnić, zachowując ostrożność, zaczep młota (czerwony przycisk),
  • po zwolnieniu zaczepu młot opadając uderzy w próbkę, po czym wychyli sie o kąt β. Odczytać i zapisać w tabeli wartość tego kąta,
  • podnieść złamaną próbkę i opisać jej złom,
  • obliczyć wartości K, KC,
  • opisać rodzaj złomu,
  • wykonać potrzebne obliczenia i szkic,
  • wyniki pomiarów i obliczeń zamieścić w tabeli.

Do góry


 

Opracowanie wyników

   

   Wartości wszystkich mierzonych wielkości oraz wyniki obliczeń należy zamieścić w sprawodaniu z ćwiczenia.
Na podstawie wyników próby przeprowadzić ocenę badanego materiału z którego wykonano próbkę, pod wzgledem;

  • charakteru złomu,
  • przydatności jako materiału konstrukcyjnego,
  • zjawisk towarzyszących złamaniu.

Wyznaczanie udarności materiału

   Młot z wysokości h (położenie początkowe) opada do położenia pionowego, gdzie osiąga maksymalną prędkość:

gdzie g = 9,81 m/s2

   Po zniszczeniu próbki reszta energii kinetycznej młota zmienia się w energię potencjalną młota w położeniu koncowym, która w położeniu początkowym (kąt α) wynosi

Kα = G * h

G - ciężar wahadła młota sprowadzony do zetknięcia młota z próbką a energia po złamaniu próbki (położenie β) wynosi

Kp = G * h'

Energia zużyta na zniszczenie próbki (praca łamania)

K = Kα - Kβ = G*(h - h') = G*l*(cosβ - cosα)

   Znając charakterystykę młota (G, l, h, α) i jego energię (25J), obliczamy dla różnych wartości kąta β pracę łamania ze wzoru.

K = G*l*(cosβ - cosα)

   Obliczenie takie jest zbyteczne, gdy podziałka młota jest sporządzona bezpośrednio w dżulach (niutonometrach). Zgodnie z podaną definicją udarność KC próbki (w J/cm2) obliczyć należy ze wzoru.

KC - K/So


Struktura sprawozdania

  • tabliczka opisowa wg wzoru zamieszczonego w instrukcji do ćwiczeń,
  • rysunki mierzonych próbek - zwymiarowanych,
  • tabela wyników pomiarów,
  • analiza wyników pomiarów - obliczenia,
  • podsumowanie - wnioski.

Do góry


   

 

 (C) 2011 - 2018 Wydział Przyrodniczo - Techniczny KPSW. All Rights Reserved