Fajlagos ütőmunka

Charpy-ütőmű

A Charpy-ütőmű helyzeti energiájának számításához

A próbadarab helyzete a Charpy-ütőműben

Charpy-vizsgálatnál használatos szabványos próbatestek

A hőmérséklet hatása az ütőmunkára. A vörös vonal az átmeneti hőmérsékletnél.

A fajlagos ütőmunka a szerkezeti anyagok, elsősorban fémek szívósságának jellemzésére szolgáló mérőszám. Egy anyag annál szívósabb, minél nagyobb energia szükséges az elszakításához, eltöréséhez. A vizsgálathoz szabványos mérőeszközt, a Charpy-féle ütőművet és szabványosított próbatesteket használnak. Az eredményül kapott mérőszám empirikus érték, elméletileg nem vezethető le az anyagok más szilárdsági tulajdonságaiból, az egyes anyagok közötti rangsorolásra alkalmas. A fajlagos ütőmunka az anyagminőségen és a technológián túl erősen függ a vizsgálat hőmérsékletétől is, és alkalmas az anyagok rideg törés elleni ellenállásának vizsgálatára.

Charpy-féle ingás ütőmű

A vizsgálatot Georges Charpy francia tudós fejlesztette ki 1905-ben. A gép egy ingás ütőmű, mely bemetszett próbatestet tör el. Az ingát, mely jól csapágyazott tengely körül elfordítható rúdból és annak végén a nagy tömegű (15 vagy 30 kg) ütőfejből áll, meghatározott magasságról indítják. Amikor az ingát elengedik, lefelé indul, felgyorsul, legnagyobb sebességét a pálya alsó pontján éri el, kezdeti helyzeti energiája mozgási energiává alakul. Ide helyezik a bemetszett próbadarabot, melyre az ütőfej ütést mér és eltöri. A töréshez szükséges munka csökkenti a mozgási energiát, így amikor az inga felfelé mozdul el, felső holtpontjának magassága nem éri el az indítási magasságot. Az inga mutatót vonszol magával, ami az ingának a törés után elért legmagasabb pontjánál megáll és utólag is leolvashatóan jelzi az ütőfej legmagasabb helyzetét. A két véghelyzet magasságának különbségéből kiszámítható az ütőfej helyzeti energiáinak különbsége, ez a próbatest töréséhez szükséges munka:

$K=mgh'-mgh\,=mgl(cos\beta -cos\alpha )$

ahol

$K\,$ a töréshez szükséges ütőmunka [J]

$m\,$ az ütőfej tömege [kg]

$g\,$ a nehézségi gyorsulás [m/s²]

$l\,$ az inga hossza [m]

$h'\,$ az ütőfej tömegközéppontjának magassága az inga pályájának alsó pontjához képest indításnál [m]

$h\,$ az ütőfej tömegközéppontjának magassága az inga pályájának alsó pontjához képest törés után [m]

$\alpha ,\beta \,$ az ábrán látható szögek.

Próbatestek

A vizsgálathoz többféle próbatestet használtak az idők folyamán, a jelenlegi szabványok (MSZ EN ISO 148-1) kétféle próbatestet írnak elő. Az U és V típusú próbatestek méretei az ábrán láthatók, a V próbatesteket használják gyakrabban. A V típusból vékonyabb próbatestek is készíthetők. A vizsgálat eredményéül vagy az ütőmunka értékét (KU illetve KV) vagy a fajlagos ütőmunka értékét (KCU illetve KCV) értékét adjak meg. Ez utóbbi az ütőmunka és a próbadarab keresztmetszetének hányadosa:

$KCV={\frac {KV}{A}}$ [J/cm²]

ahol

$A\,$ [cm²] a próbatest keresztmetszete.

A hőmérséklet hatása az ütőmunkára

A különböző méretű és alakú próbatestekkel végzett vizsgálatok eredményei nem átszámíthatóak. Fontos, hogy a vizsgálatoknál minden paraméter lejegyzésre kerüljön. Az ütőmunkát befolyásolja a próbatest lekerekítetteb vagy élesebb bemetszése, az anyagminőség, a hőkezelés és a hidegalakítás. Különösen fontos a vizsgálati hőmérséklet betartása, mert az eredményeket a hőmérséklet jelentősen befolyásolja. A nagy ütőmunkájú anyagok szívósan, a kis ütőmunkájú anyagok ridegen viselkednek. A törés környezetéből vizuálisan is megítélhető az anyag viselkedése: a rideg törést nem előzi meg nagy plasztikus alakváltozás és kontrakció, a törés felülete finom szemcsés. A szívós anyag törésénél az anyag jelentősen megnyúlik és kontrahál (húzás esetén lecsökken keresztmetszete), a törés felülete durva, esetleg az utoljára elszakadt rész mutatja a rideg törés finom szemcséit.

A legtöbb anyag a hőmérséklet növekedésével előbb rideg, majd szívós viselkedést mutat. Ha azonos körülmények között csak a hőmérséklet változtatásával végeznek egy anyagon ütőmunka vizsgálatokat, a méresek eredményei az ábrához hasonló diagramba foglalhatók. Az "S" alakú görbe inflexiós pontjához tartozó hőmérsékletet átmeneti hőmérsékletnek nevezik. Egy szerkezeti acél annál inkább megfelel feladatának, minél kisebb az átmeneti hőmérséklete. Az átmeneti hőmérséklet a hidegalakítással nő, a lágyító hőkezeléssel csökkenthető.

Irodalom

• Pattantyús Gépész- és Villamosmérnökök Kézikönyve 2. kötet. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1961. 1618-1620. o.

Külső hivatkozások

• Törésmechanika, Charpy vizsgálat
• Pankhard Kinga: Fémek II. előadásvázlat.
• Charpy ütőmunka vizsgálat modulja a steeluniversity.org honlapon (angolul)