Badanie udarności stali w niskiej temperaturze
Badanie udarności stali w niskiej temperaturze
Stal pracująca na mrozie może zachowywać się inaczej niż ten sam materiał w ogrzewanej hali. Dotyczy to zwłaszcza sposobu pękania: element zdolny do znacznego odkształcenia w temperaturze pokojowej po schłodzeniu może pęknąć gwałtownie. Badanie udarności stali w niskiej temperaturze pozwala ocenić, ile energii pochłonie próbka podczas uderzenia. Takie informacje wykorzystuje się przy doborze materiałów na konstrukcje mostowe, zbiorniki, rurociągi oraz urządzenia eksploatowane w chłodzie.
Dlaczego temperatura wpływa na pękanie stali?
W wielu stalach ferrytycznych, w tym w stalach węglowych i niskostopowych, obniżanie temperatury sprzyja przejściu od pękania ciągliwego do kruchego. Przy pękaniu ciągliwym materiał odkształca się plastycznie i pochłania stosunkowo dużo energii. Pękanie kruche może przebiegać przy niewielkim odkształceniu, a energia potrzebna do zniszczenia próbki jest wtedy znacznie mniejsza.
Zmiana nie zachodzi u wszystkich stali przy tej samej temperaturze. Znaczenie mają skład chemiczny, wielkość ziarna, obróbka cieplna i proces spawania. Drobniejsze ziarno zwykle sprzyja większej odporności na kruche pękanie, natomiast nadmierny rozrost ziarna może ją pogorszyć.
Nie każda stal reaguje jednakowo. Stale austenityczne na ogół nie wykazują tak wyraźnego przejścia w stan kruchy jak stale ferrytyczne. Dlatego gatunek i stan materiału trzeba uwzględnić już podczas ustalania programu badań.
Na czym polega próba udarności sposobem Charpy’ego?
Powszechnie stosowaną metodą jest próba Charpy’ego, opisana w normie PN-EN ISO 148-1. Wykorzystuje się w niej próbkę z karbem, ułożoną poziomo na dwóch podporach. Wahadło młota uderza w powierzchnię po stronie przeciwnej do karbu, doprowadzając do złamania próbki. Karb wywołuje miejscową koncentrację naprężeń i ułatwia rozpoczęcie pękania w określonym miejscu.
Standardowa próbka ma wymiary 55 × 10 × 10 mm. W często stosowanym wariancie z karbem V jego głębokość wynosi 2 mm, a promień zaokrąglenia dna 0,25 mm. Gdy grubość wyrobu nie pozwala na wykonanie pełnowymiarowej próbki, można zastosować próbki pomniejszone, jeśli dopuszczają je właściwe wymagania.
Urządzenie wyznacza energię pochłoniętą podczas łamania, uwzględniając zmianę energii wahadła i straty związane z pracą maszyny. Wynik podaje się w dżulach, czyli J. Warto rozróżniać energię łamania od udarności rozumianej jako energia odniesiona do początkowego pola przekroju pod karbem, wyrażana na przykład w J/cm². Tych jednostek nie należy używać zamiennie.
Przygotowanie próbek i kontrola temperatury
Wiarygodność pomiaru zaczyna się przed uruchomieniem młota. Próbka powinna reprezentować oceniany wyrób, dlatego ustala się miejsce jej pobrania oraz kierunek względem walcowania. W złączach spawanych osobno ocenia się wskazane obszary, na przykład metal spoiny i strefę wpływu ciepła. Przesunięcie karbu może sprawić, że badanie obejmie inną mikrostrukturę.
Dokładność obróbki też ma znaczenie. Nieprawidłowy promień dna karbu, uszkodzenia powierzchni czy niewłaściwe wymiary mogą zmienić wynik. Próbki trzeba jednoznacznie oznaczyć, aby zachować powiązanie pomiaru z konkretną partią materiału i miejscem pobrania.
Następnie próbki chłodzi się w odpowiednim urządzeniu lub kąpieli chłodzącej. Zależnie od zakresu temperatur wykorzystuje się między innymi układy z suchym lodem albo ciekłym azotem. Samo osiągnięcie zadanej temperatury przez kąpiel nie wystarcza: temperatura musi ustabilizować się również w próbce.
Po schłodzeniu liczy się czas. Zbyt długie przenoszenie na podpory powoduje ogrzewanie materiału, przez co wynik może odpowiadać innym warunkom niż założone. Laboratorium powinno kontrolować czas wygrzewania lub wychładzania, temperaturę i czas przenoszenia zgodnie z przyjętą metodą. Równie istotne są prawidłowe ustawienie próbki oraz sprawdzony stan młota.
Jak interpretować wyniki badania w niskiej temperaturze?
Sama liczba dżuli niewiele mówi bez informacji o warunkach próby. Wynik należy odczytywać łącznie z temperaturą badania, wymiarami próbki, rodzajem karbu i kierunkiem pobrania. Zwykle bada się serię trzech próbek w danej temperaturze, ale o wymaganej liczbie pomiarów i zasadach oceny decyduje odpowiednia specyfikacja.
Przy ocenie zgodności sprawdza się wymagania dotyczące średniej oraz, jeżeli zostały określone, wyników pojedynczych próbek. Dobra średnia nie zawsze oznacza spełnienie wszystkich warunków odbioru. Nie ma też jednej wartości energii, która potwierdzałaby przydatność każdej stali do pracy na mrozie.
Badania w kilku temperaturach pozwalają wyznaczyć krzywą przejścia ciągliwo-kruchego. Pokazuje ona, jak zmienia się energia pochłonięta przez materiał podczas chłodzenia. Temperaturę przejścia ustala się według przyjętego kryterium, na przykład osiągnięcia określonej energii albo udziału przełomu ciągliwego. Nie jest to zatem uniwersalna granica obowiązująca niezależnie od sposobu oceny.
Dodatkowych informacji dostarczają wygląd powierzchni przełomu i rozszerzenie boczne próbki. Jednocześnie próba Charpy’ego ma ograniczenia: jej wynik nie stanowi bezpośredniego pomiaru odporności na pękanie używanej w obliczeniach mechaniki pękania. Ocena rzeczywistej konstrukcji wymaga uwzględnienia również obciążeń, geometrii i możliwych nieciągłości.
W sprawozdaniu warto sprawdzić identyfikację materiału, warunki badania, wyniki pojedynczych pomiarów oraz zastosowaną metodę. Przy porównywaniu raportów trzeba zwrócić uwagę na wielkość próbek. Wynik uzyskany dla próbki pomniejszonej nie jest prostym, proporcjonalnym odpowiednikiem wyniku próbki standardowej.
FAQ – badanie udarności stali w niskiej temperaturze
W jakiej temperaturze należy przeprowadzić badanie udarności stali?
Temperaturę dobiera się do wymagań dla wyrobu i warunków projektowanej eksploatacji. Może to być na przykład −20 °C, −40 °C lub −60 °C, ale nie istnieje jedna wartość odpowiednia dla wszystkich zastosowań. Jeśli celem jest poznanie przebiegu przejścia ciągliwo-kruchego, wykonuje się serię badań w kilku temperaturach, obejmujących spodziewany zakres tej zmiany.
Czy wysoka wytrzymałość stali oznacza dobrą udarność na mrozie?
Wysoka wytrzymałość na rozciąganie nie przesądza o dużej energii pochłanianej podczas próby udarności. Materiał może przenosić znaczne obciążenia, a jednocześnie wykazywać skłonność do kruchego pękania po schłodzeniu. Dlatego przy doborze stali analizuje się oddzielnie właściwości wytrzymałościowe oraz wyniki udarności uzyskane w wymaganej temperaturze.
Czy można porównywać wyniki uzyskane na próbkach różnej wielkości?
Takie porównanie wymaga zastosowania zasad przewidzianych w odpowiedniej specyfikacji. Zmniejszenie wymiarów próbki wpływa zarówno na pochłoniętą energię, jak i na przebieg przejścia ciągliwo-kruchego. Nie należy więc zakładać, że próbka o połowę cieńsza uzyska dokładnie połowę energii próbki standardowej. W raporcie trzeba zawsze sprawdzić rzeczywiste wymiary próbek.
Dlaczego bada się osobno spoinę i strefę wpływu ciepła?
Spawanie powoduje miejscowe zmiany mikrostruktury, dlatego poszczególne obszary złącza mogą mieć różną odporność na kruche pękanie. Dobry wynik materiału rodzimego nie potwierdza automatycznie właściwości całego połączenia. Oddzielne próby pozwalają ocenić wskazane obszary, pod warunkiem prawidłowego umieszczenia karbu i pobrania próbek zgodnie z wymaganiami.
