Badanie odporności na uderzenie Charpy'ego

Wytrzymałość na uderzenia Charpy'ego (wytrzymałość na uderzenia z karbem Charpy'ego) to miara zdolności materiału do pochłaniania energii i przeciwdziałania pęknięciom pod wpływem nagłego, szybkiego obciążenia udarowego, szczególnie w obecności koncentratora naprężeń, np. karbu.

Wartość ta pochodzi z próby udarności Charpy'ego (próba Charpy'ego z karbem V), jednej z najczęściej stosowanych standardowych metod w materiałoznawstwie i inżynierii materiałowej do oceny udarności (stopnia, w jakim materiał wytrzymuje uderzenia bez kruchego pęknięcia).

Badanie odporności na uderzenia metodą Charpy’ego zazwyczaj przebiega według następujących kroków:

• Standardową próbkę testową (zwykle pręt o wymiarach 55 x 10 x 10 mm) przygotowuje się z precyzyjnie wykonanym nacięciem w kształcie litery V (lub czasami w kształcie litery U) na jednej stronie.
• Próbkę umieszcza się poziomo na dwóch podporach (jak prostą belkę).
• Ciężki młot wahadłowy o znanej masie zostaje wyrzucony z ustalonej wysokości i uderza w próbkę dokładnie naprzeciwko nacięcia z bardzo dużą prędkością.
• Młotek rozbija próbkę w miejscu nacięcia.
• Urządzenie mierzy energię kinetyczną pochłoniętą przez materiał podczas pękania (obliczoną na podstawie różnicy wysokości wahadła przed i po pęknięciu).
• Pochłoniętą energię zazwyczaj podaje się w dżulach.

Jednostki odporności na uderzenia Charpy’ego są następujące:

• Surowy wynik: to pochłonięta energia. To najczęstszy sposób, w jaki inżynierowie określają wartość Charpy'ego.
• Znormalizowana wytrzymałość na uderzenie: Energia pochłonięta podzielona przez pole przekroju poprzecznego karbu.

Metoda ta jest szczególnie popularna w przypadku tworzyw sztucznych (zgodnie z normą ISO 179) i jest czasami określana jako udarność metodą Charpy'ego z karbem. Wyższe wartości oznaczają większą trwałość materiału (lepiej pochłania energię uderzenia, nie powodując kruchego pękania). Niższe wartości oznaczają większą kruchość (skłonność do nagłego pękania pod wpływem uderzenia).

Ten test,

• Ujawnia temperaturę przejścia ze stanu ciągliwego w kruchy. Wiele stali staje się niebezpiecznie kruchych w niskich temperaturach (co jest krytyczne dla rurociągów, statków, zbiorników ciśnieniowych, konstrukcji morskich i mostów w zimnym klimacie).
• Kontrola jakości jest stosowana przy doborze materiałów, sprawdzaniu adekwatności źródeł zaopatrzenia oraz zgodności ze specyfikacjami (np. normami ASTM E23 i ISO 148 dla metali, normą ISO 179 dla tworzyw sztucznych).
• Typowe dobre wartości dla stali konstrukcyjnych w temperaturze pokojowej to 50-200 J (bardzo wytrzymała). W niskich temperaturach (np. minus 40 stopni) wartości te mogą znacznie spaść, jeśli materiał nie zostanie odpowiednio stopiony lub poddany obróbce cieplnej.

Krótko mówiąc, udarność Charpy'ego wskazuje, jaką siłę uderzenia materiał jest w stanie wytrzymać przed pęknięciem, zwłaszcza w przypadku karbów, pęknięć lub ostrych krawędzi. To szybki, niedrogi i bardzo przydatny sposób identyfikacji materiałów, które mogłyby ulec katastrofalnemu uszkodzeniu pod wpływem nagłego obciążenia w rzeczywistych warunkach.

Normy Charpy'ego dotyczące udarności określają dokładną procedurę badania, geometrię próbki, wymagania dotyczące maszyny, typ końcówki udarowej, szczegóły karbu oraz sposób raportowania wyników. Gwarantują one porównywalność i powtarzalność pomiarów na całym świecie.

Normy te różnią się przede wszystkim w zależności od tego, czy dotyczą metali i tworzyw sztucznych, czy też regionów (np. normy ASTM w USA, normy ISO i EN na świecie i w Europie).

Najczęściej stosowane normy udarności Charpy'ego dla metali służą do oceny przejścia od ciągliwości do kruchości i wytrzymałości stali, stopów i aluminium, w szczególności w zastosowaniach konstrukcyjnych, w zbiornikach ciśnieniowych, rurociągach, spawalnictwie i w niskich temperaturach.

Norma „ISO 148-1 Materiały metalowe – Badanie udarności wahadłem Charpy’ego – Część 1: Metoda badania” jest podstawową normą międzynarodową (przyjmowaną na całym świecie). Norma ta obejmuje próbki z karbem V (najczęściej spotykanym) i U. Promień uderzenia wynosi 2 mm (preferowany dla karbu V) lub 8 mm (dla karbu U lub starszych specyfikacji). Próbka ma zazwyczaj wymiary 10 x 10 x 55 mm. Wyniki są podawane jako energia pochłonięta lub znormalizowana udarność.

Norma ASTM E23 „Standardowe metody badań udarności materiałów metalowych z karbowanym prętem” jest dominującą normą w USA. Obejmuje ona zarówno metodę Charpy'ego, jak i Izoda, ale metoda Charpy'ego jest znacznie bardziej powszechna. Promień pręta udarowego wynosi 8 mm (konwencjonalnie) lub 2 mm (dodano dla lepszej zgodności z normą ISO). Norma ta jest bardzo podobna do normy ISO 148-1, ale nie do końca taka sama. Różnice w promieniu pręta udarowego, kalibracji, tolerancjach i weryfikacji mogą skutkować niewielkimi odchyleniami w wynikach badań wysokoenergetycznych.

Inne istotne lub pomocnicze normy obejmują:

• ISO 148-2 Materiały metalowe – Badanie udarności metodą wahadła Charpy’ego – Część 2: Weryfikacja maszyn wytrzymałościowych
• ASTM A370 Metody badań i definicje dotyczące badań mechanicznych stali.

Dla tych samych materiałów i warunków, wyniki uzyskane z norm ASTM E23 i ISO 148-1 są zazwyczaj bardzo zbliżone, ale nie zawsze bezpośrednio równoważne ze względu na różnice w geometrii uderzenia i kalibracji maszyny. Wiele specyfikacji dopuszcza obecnie stosowanie obu norm, ale precyzuje, która z nich powinna zostać zastosowana.

Wytrzymałość na uderzenia metodą Charpy'ego (energia pochłaniana podczas próby Charpy'ego) jest istotna, ponieważ bezpośrednio ocenia wytrzymałość materiału, mierząc jego odporność na nagłe, dynamiczne obciążenia (uderzenia lub wstrząsy) i kruche pękanie, szczególnie gdy nacięcia, pęknięcia, spoiny lub ostre krawędzie stanowią punkty koncentracji naprężeń.

Wiele materiałów (zwłaszcza stal) zachowuje się zupełnie inaczej przy wysokich prędkościach odkształcania i niskich temperaturach niż przy powolnym, statycznym obciążeniu (takim jak próby rozciągania). Materiał może być wytrzymały i ciągliwy pod normalnym rozciąganiem, ale jeśli jest kruchy pod wpływem uderzenia, może pęknąć gwałtownie i nieoczekiwanie.

Badanie udarności metodą Charpy'ego lepiej symuluje rzeczywiste warunki niż badania statyczne. Wytrzymałość na rozciąganie dostarcza informacji o powolnym obciążeniu. Badanie Charpy'ego imituje uderzenia o dużej prędkości i wrażliwość na karby (rzeczywiste pęknięcia/karby znacznie zmniejszają wytrzymałość).

Ten test jest wymagany w przypadku komponentów krytycznych pod względem bezpieczeństwa:

• Stal konstrukcyjna w budynkach/mostach (szczególnie w regionach zimnych)
• Zbiorniki ciśnieniowe, kotły, rurociągi (wymagane są przepisy ASME)
• Platformy wiertnicze naftowe i gazowe na morzu
• Komponenty kolizyjne samochodów
• Kadłuby statków, wagony kolejowe, ciężki sprzęt
• Turbiny wiatrowe, zbiorniki kriogeniczne

Nasza organizacja, z kompetentnym i doświadczonym zespołem, od wielu lat rozumie potrzeby klientów, oferując im zaawansowane usługi badawcze oraz wspierając ich we wdrażaniu, wdrażaniu i doskonaleniu systemów zarządzania. W tym zakresie oferujemy również firmom usługi badania udarności metodą Charpy'ego.