ASTM E23: Udarnościowa próba z karbem Metal, Charpy & Izod
ASTM E23 opisuje próby udarności materiałów metalowych i obejmuje metodą Charpy’ego oraz Izoda na próbkach z karbem. W praktyce rozrzut wyników wynika często z przygotowania próbek, jakości karbu, kontroli temperatury, pozycjonowania próbki, doboru młota wahadłowego oraz weryfikacji układu pomiarowego. ZwickRoell wspiera laboratoria w kontrolowaniu tych czynników wpływu za pomocą odpowiedniej techniki badawczej, przyrządów centrujących, rozwiązań do termostatowania, oprogramowania badawczego testXpert oraz automatyzacji.
Dalszy opis badań udarności z karbem metali można również znaleźć w normie ISO 148-1.
Częste źródła błędów Przeprowadzenie próby Możliwości automatyzacji FAQ's do normy Proszę o poradę
ASTM E23 – Najważniejsze informacje w skrócie
- ASTM E23 jest stosowana do prób udarności materiałów metalowych i w odróżnieniu od ISO 148, oprócz metody Charpy'ego, obejmuje również próby metodą Izoda.
- Badanie to jest wrażliwe na geometrię próbki, głębokość karbu, położenie karbu, jakość powierzchni oraz niejednorodność materiału. Nawet niewielkie odchyłki mogą zmienić zmierzoną energię uderzenia.
- W przypadku badań prowadzonych w kontrolowanej temperaturze o miarodajności wyników decyduje czas między wyjęciem próbki z urządzenia termostatującego a wykonaniem próby udarności.
- Wyniki uzyskane metodami Charpy’ego i Izoda nie są bezpośrednio porównywalne, ponieważ próbka jest poddawana innemu rodzajowi obciążeń.
- Norma ASTM E23 zawiera wymagania dotyczące bezpośredniej i pośredniej weryfikacji młota wahadłowego.
- ZwickRoell ogranicza typowy wpływ użytkownika dzięki zastosowaniu odpowiednich młotów wahadłowych, przyrządów centrujących, procesów z kontrolowaną temperaturą, procedur badawczych testXpert oraz automatyzacji prób udarności metodą Charpy’ego.
ASTM E23 w praktyce: Typowe źródła błędów i ich wpływ na wyniki badań
W próbie udarności (zginania udarowego) przebieg badania wydaje się na pierwszy rzut oka prosty: Włożyć próbkę, wyzwolić wahadło, określić energię uderzenia. W praktyce jednak porównywalność wyników zależy od wielu szczegółów. Szczególnie krytyczne są wszystkie te kroki, które wpływają na działanie karbu (koncentrację naprężeń), temperaturę próbki, jej położenie w środku uderzenia lub stratę energii wahadła.
Typowe przyczyny rozrzutu wyników to:
- Wymiary próbek niezgodne z normą:Standardowe próbki Charpy'ego mają wymiary 10 × 10 × 55 mm. Odchyłki w długości, szerokości, wysokości lub przekroju resztkowym zmieniają naprężenia gnące i utrudniają porównanie z wartościami referencyjnymi lub innymi laboratoriami.
- Wadliwa geometria karbu: Głębokość karbu, promień karbu oraz kształt karbu wpływają na lokalną koncentrację naprężeń. Zbyt mała głębokość karbu może prowadzić do wyższych wartości energii uderzenia, natomiast zbyt głęboki karb – do niższych wartości.
- Błędne położenie karbu:W próbkach Charpy’ego karb znajduje się pośrodku, natomiast w próbkach Izoda – niesymetrycznie. Jeśli karb zostanie błędnie umiejscowiony lub próbka Charpy’ego zostanie potraktowana jak próbka Izoda, wynik będzie niewiarygodny.
- Pomylenie karbów typu V i U: Różnych kształtów karbów nie wolno ze sobą bezpośrednio porównywać. Geometria karbu decyduje o sposobie pękania i musi być dopasowana do wybranej metody oraz sposobu oceny wyników.
- Zła jakość karbu lub powierzchni: Rysy, zadziory lub uszkodzone powierzchnie mogą wpływać na przebieg pękania. Dodatkowo szorstkie lub uszkodzone próbki mogą mocniej obciążać podpory i wpływać na kolejne pomiary.
- Niecentralne pozycjonowanie w metodzie Charpy’ego: Próbka musi być umieszczona w taki sposób, aby młot wahadłowy uderzał po stronie przeciwnej do karbu. Jeśli próbka nie leży centralnie, następuje przesunięcie obciążeń, a zmierzona energia uderzenia może znacząco odbiegać od rzeczywistej.
- Nieodpowiednie mocowanie w metodzie Izoda: W metodzie Izoda próbka jest mocowana jednostronnie. Różne siły mocowania lub niereprodukowalne zamocowanie próbki zmieniają warunki brzegowe, a tym samym charakter pękania.
- Niewystarczająca kontrola temperatury: W niskich temperaturach wiele metali staje się bardziej kruchych. Jeśli próbka nie zostanie całkowicie i równomiernie termostatowana, wynik nie będzie wiarygodnie odzwierciedlał rzeczywistej temperatury badania.
- Zbyt długi czas między wyjęciem próbki a uderzeniem: W przypadku większych różnic temperatur w stosunku do otoczenia, do momentu wykonania próby pozostaje tylko bardzo krótkie okno czasowe. Każde opóźnienie zwiększa ryzyko, że próbka nie będzie już miała założonej temperatury.
- Szczypce mocujące bez kontrolowanej temperatury:Jeśli schłodzona próbka zostanie chwycona ciepłymi szczypcami, może dojść do lokalnego przepływu ciepła. Jest to szczególnie krytyczne w przypadku badań prowadzonych w pobliżu temperatury przejścia ze stanu ciągliwego w stan kruchy.
- Nieprawidłowy dobór wahadła: Norma ASTM E23 określa górną granicę na poziomie 80% zakresu pomiarowego młota oraz dodatkowo granicę dolną, zależną od rozdzielczości pomiaru (25-krotność najwyższej rozdzielczości urządzenia; przy rozdzielczości naszego wyświetlacza cyfrowego wynoszącej 0,1 J odpowiada to dolnej granicy 2,5 dżula). Nieodpowiedni zakres pomiarowy może negatywnie wpłynąć na dokładność i miarodajność wyników.
- Niewystarczająco zweryfikowany układ pomiarowy: Norma ASTM E23 obejmuje weryfikację bezpośrednią oraz pośrednią. Rozstaw podpór, promienie, ostrze bijaka, próbki wzorcowe oraz zachowanie urządzenia muszą być sprawdzane w sposób umożliwiający identyfikowalność, w przeciwnym razie odchyłki systematyczne pozostaną niewykryte.
- Zużycie lub pozostałości na podporach: Zużyte podpory, odpryski lub starte cząstki mogą zmienić warunki podparcia próbki. Ma to szczególne znaczenie w przypadku badań seryjnych, jeśli pozostałości nie zostaną w porę usunięte.
Chcą Państwo przeprowadzać badania zgodnie z ASTM E23 w sposób bardziej powtarzalny lub zabezpieczyć istniejące rozwiązanie badawcze?
Państwa lokalny ekspert ZwickRoell wesprze Państwa w doborze młota wahadłowego, kozła, wahadła, systemu termostatowania, oprogramowania oraz stopnia automatyzacji – odpowiednio do badanego materiału, wymagań normy i liczby wykonywanych badań.
Przeprowadzanie próby udarności zgodnie z ASTM E23 z ZwickRoell
Krytyczne etapy badania i rozwiązania ZwickRoell – szczegółowe wyjaśnienie:
Reżim temperaturowy Pozycjonowanie próby Wybór młota do badania udarności Wybór wahadła Wybór kozła & Podpór Weryfikacja Strata energii Możliwości automatyzacji
Oto jak przebiega badanie:
W próbie udarności według normy ASTM E23 próbka metalowa z karbem poddawana jest obciążeniu udarowemuza pomocą młota wahadłowego. Norma ta obejmuje próby udarności metodą Charpy’ego oraz Izoda.
- W metodzie Charpy’ego próbka spoczywa na dwóch podporach, a uderzenie następuje po stronie przeciwnej do karbu.
- W metodzie Izod’a próbka jest zamocowana jednostronnie pionowo i uderzana od czoła.
Przed badaniem należy zdefiniować wymiary próbki, geometrię karbu, temperaturę oraz dobrać właściwy młot wahadłowy. Po wyzwoleniu wahadło przebija lub przełamuje próbkę. Z różnicy między wysokością opadania a wysokością wznoszenia wyznacza się energię uderzenia wyrażoną w dżulach. Uzupełniająco można ocenić charakter przełomu , na przykład udział przełomu kruchego.
W celu oceny właściwości materiałów w zależności od temperatury, próbki bada się w temperaturze pokojowej, obniżonej lub podwyższonej, co pozwala na określenie charakteru przejścia ze stanu ciągliwego w stan kruchy.
Reżim temperaturowy: Zaledwie kilka sekund może decydować o porównywalności wyników
Wiele materiałów metalowych zmienia swój charakter pękania w zależności od temperatury. W niskich temperaturach wykazują one raczej pękanie kruche, natomiast w temperaturze pokojowej lub wyższej – pękanie ciągliwe. Z tego względu badanie według normy ASTM E23 jest często stosowane do określania temperatur przejścia lub udziału przełomu kruchego .
Szczególnie krytyczny jest czas między wyjęciem próbki z urządzenia termostatującego a wykonaniem próby udarności. Jeśli próbka zostanie umieszczona zbyt wolno lub ogrzeje się podczas przenoszenia, wynik nie będzie już wiarygodnie odzwierciedlał założonej temperatury badania.
Przy badaniach manualnych ZwickRoell zapewnia szczypce pozycjonujące chłodzone, razem z próbkami, eliminując w ten sposób ryzyko ich niepożądanego nagrzania podczas przenoszenia. Ponadto system regulacji temperatury umieszczony jest blisko młota udarowego co umożliwia szybki przebieg procesu.
Szczypce pozycjonujące chwytają próbkę w miejscu karbu, a dzięki funkcji centrowania umożliwiają jej szybkie i dokładne umieszczenie na podporach kozła. W przypadku zautomatyzowanych prób Charpy’ego układ podawania zapewnia zachowanie wymaganego okna czasowego między opuszczeniem komory termicznej a wykonaniem próby udarnościowej. Redukuje to wpływ użytkownika i zwiększa powtarzalność, szczególnie w przypadku badań w zmiennych temperaturach.
Pozycjonowanie próby: Niewielkie błędy pozycjonowania zmieniają charakter obciążenia udarowego
W próbie Charpy’ego próbka musi być umieszczona dokładnie w taki sposób, aby wahadło uderzało w stronę naprzeciwległą do karbu . Już nawet przesunięcie boczne sprawia, że karb, linia uderzenia i podpory nie współdziałają ze sobą w sposób idealny.
W przypadku badania manualnego powtarzalność zależy w dużej mierze od wprawy, sposobu manipulacji oraz prędkości wkładania próbki przez użytkownika. Dotyczy to w szczególności próbek chłodzonych, gdy dodatkowo musi zostać dotrzymany określony limit czasowy.
Elementy pomocnicze takie jak szczypce z dopasowanym uchwytem karbu, zderzaki czy przyrządy pozycjonujące, ułatwiają wycentrowane umieszczenie próbki. W zautomatyzowanych systemach Charpy’ego podawanie próbek odbywa się w sposób powtarzalny. Dzięki temu kontrolowany jest nie tylko czas między stabilizacją temperatury a uderzeniem, ale również standaryzowane jest położenie próbki w układzie pomiarowym.
Młoty do badania udarności ZwickRoell do ASTM E23
Do badań zgodnie z normą ASTM E23 stosuje się różne młoty wahadłowe z serii HIT, w zależności od zapotrzebowania na energię, metody badawczej, liczby badań oraz stopnia automatyzacji. Decydująca jest nie tylko maksymalna energia robocza wahadła, ale kompletny układ pomiarowy składający się z młota wahadłowego, kozła, podpór, noża, osłony zabezpieczającej, oprogramowania oraz opcjonalnej automatyzacji.
HIT50P – kompaktowe rozwiązanie dla niskich energii uderzenia zgodnie z normą ASTM E23
W przypadku prób Charpyzgodnie z ASTM-E23 o niskim poborze energii HIT50P może być kompaktowym i ekonomicznym rozwiązaniem. Jest to szczególnie istotne dla laboratoriów, które prowadzą badania zgodnie z ASTM E23, ale nie potrzebują wysokich energii uderzenia lub dysponują ograniczoną przestrzenią na duży młot wahadłowy.Model HIT50P nadaje się w szczególności wtedy, gdy oczekiwane wartości energii mieszczą się w dopuszczalnym zakresie pomiarowym. W przypadku wahadła o energii 50 J górna granica normy ASTM E23 wynosząca 80% wydajności wahadła oznacza, że badaniami można objąć badania do 40 J . Dzięki temu model HIT50P jest interesującym rozwiązaniem przede wszystkim dla bardziej kruchych materiałów metalowych lub zastosowań o niższym poborze energii.
HIT300P / HIT450P – elastyczność w badaniach metodą Charpy’ego i Izoda
Model HIT300P/HIT450P został zaprojektowany do prób udarności próbek metalowych i nadaje się do badań metodą Charpy’ego oraz Izoda zgodnie z ASTM E23.
W przypadku prób Charpy’ego półautomatyczne centrowanie próbki wspomaga jej dokładne wyrównanie w miejscu karbu. Próbka jest pozycjonowana w sposób powtarzalny, a w momencie wyzwolenia młota układ centrujący automatycznie usuwa się ze strefy badania. Zapobiega to przesunięciu się próbki podczas zamykania drzwi ochronnych lub jej niedokładnemu ustawieniu naprzeciw linii uderzenia.Dla laboratoriów o zmiennych zadaniach badawczych uniwersalny kozioł młota stanowi elastyczne rozwiązanie, ponieważ umożliwia przeprowadzanie prób zarówno metodą Charpy’ego, jak i Izoda. Jeśli badania są prowadzone wyłącznie lub głównie metodą Charpy’ego, zastosowanie specjalnej podpory dedykowanej do tej metody może być uzasadnione, w szczególności przy większej liczbie badań.
HIT750P – wysokie energie uderzenia do prób Charpy’ego
HIT750P ostał zaprojektowany do prób udarności metalowych próbek Charpy o wysokich wymaganiach energetycznych . Dzięki nominalnej energii roboczej wynoszącej 750 J, wysokości opadania 1500 mm oraz prędkości uderzenia 5,42 m/s, model HIT750P realizuje wymagające zadania badawcze. Dostępne młoty wahadłowe o energii 300 J, 450 J, 600 J i 750 J umożliwiają dopasowanie urządzenia do różnych materiałów oraz oczekiwanego poboru energii.W praktyce laboratoryjnej model HIT750P jest szczególnie istotny wtedy, gdy zachodzi potrzeba niezawodnego badania materiałów o wyższej ciągliwości lub wymagających wysokich energii uderzenia . Automatyczne podnoszenie wahadła, elektromagnetyczne wyzwalanie wahadła, szybkie podawanie próbek w przypadku próbek kondycjonowanych termicznie, jak również elektroniczny i analogowy wskaźnik wyników wspomagają stabilny i powtarzalny przebieg badania.
Kolejną zaletą jest uwzględnianie oporów powietrza oraz tarcia w łożyskach za pomocą oprogramowania. Dzięki temu straty energii, które nie zostały wywołane przez samą próbkę, są wykluczane z analizy wyników. Redukuje to błędy systematyczne i poprawia porównywalność wartości pomiarowych.
Wahadło i zakres pomiarowy: Energia musi być dopasowana do materiału
ASTM E23 opisuje dopuszczalny zakres pracy wahadła. Górna granica wynosi 80% wydajności wahadła. Dodatkowo, w odróżnieniu od normy ISO 148, istnieje dolna granica, która zależy od najwyższej rozdzielczości urządzenia. W związku z tym młot wahadłowy musi być dobrany nie tylko z odpowiednio dużym zapasem, ale również adekwatnie do oczekiwanego poboru energii.
W przypadku materiałów bardziej kruchych wystarczający może okazać się mniejszy młot wahadłowy. W przypadku materiałów o wyższej ciągliwości wymagana jest większa energia robocza. W przypadku przekroczenia tego zakresu należy przejść na większy młot wahadłowy lub zmienić geometrię próbki.
Młoty do badania udarności serii HIT firmy ZwickRoell można dostosować do różnych zakresów energii udaru. W przypadku ASTM E23 model HIT50P może być kompaktowym rozwiązaniem przy niskich energiach udaru. Dla wyższych zakresów energii odpowiednim rozwiązaniem są większe młoty wahadłowe o energii udaru 450 dżuli lub 750 dżuli . Wybór powinien opierać się na badaniach wstępnych, zachowaniu materiału, oczekiwanej energii udaru oraz wymaganiach normy.
Kozioł, podpory & nóż: kluczowe elementy dla uzyskania stabilnych wyników
Dla uzyskania powtarzalnych wyników próby udarności z karbem zgodnie z ASTM E23 kluczowe znaczenie ma nie tylko dobór właściwego wahadła. Rozstaw podpór, geometria podpór oraz stan noża mają bezpośredni wpływ na obciążenie próbki. Zużycie, zanieczyszczenia lub uszkodzone powierzchnie podparcia mogą zafałszować wyniki. Dlatego podpory i nóż młota powinny być regularnie sprawdzane i w razie potrzeby wymieniane.
Rozstaw oraz geometria podpór wpływają bezpośrednio na obciążenie gnące próbki. Jeśli rozstaw podpór jest zbyt duży, próbkę łatwiej jest przełamać. Jeśli jest on zbyt mały, mogą powstawać wyższe wartości energii udaru. Również zużyte, uszkodzone lub zabrudzone podpory, jak i stępione ostrze noża, zmieniają warunki podparcia oraz wprowadzania siły.
W przypadku prób udarności Charpy’ego odpowiednim rozwiązaniem jest użycie kozła Charpy’ego ZwickRoell. Podpory można obracać i wymieniać, dzięki czemu mogą być używane wielokrotnie. Wydłuża to ich żywotność i zmniejsza zapotrzebowanie na części zamienne. Jeśli oprócz metody Charpy’ego przewidziane są inne rodzaje badań, np. Izoda, kozioł uniwersalny zapewnia dodatkową elastyczność.
Istotne znaczenie ma również posadowienie młota wahadłowego. Odpowiednio masywna i stabilna podstawa redukuje drgania oraz niepożądane straty energii. Dzięki temu energia zmierzona podczas próby zostaje w możliwie jednoznaczny sposób przypisana do zachowania próbki podczas pękania.
Weryfikacja bezpośrednia i pośrednia: Wymagania ASTM E23 wykraczają poza samą procedurę czysto pomiarową
ASTM E23 zawiera weryfikację młota do badania udarności. Podczas weryfikacji bezpośredniej sprawdzane są mierzalne parametry, takie jak rozstaw podpór, promienie podpór czy geometria noża bijaka. Podczas weryfikacji pośredniej badane są próbki wzorcowe w celu sprawdzenia, czy oczekiwane wyniki mieszczą się w dopuszczalnych tolerancjach.
Jeśli weryfikacja pośrednia nie mieści się w tolerancji, wskazuje to na odchylenia w konfiguracji badawczej, zużycie lub stan urządzenia, który wymaga dokładniejszego zbadania.
ZwickRoell wspiera laboratoria, oferując zgodne z normami młoty wahadłowe, układy badawcze z możliwością kalibracji i weryfikacji, a także kompetencje serwisowe i doradcze. Dla uzyskania powtarzalnych wyników badań według ASTM E23 decydujące znaczenie ma nie tylko samo wahadło, lecz cały układ składający się z kozła, noża, podpór, systemu pomiarowego, oprogramowania oraz regularnych kontroli.
Tarcie, opór powietrza i straty energii: Unikanie błędów systematycznych
W młotach wahadłowych powstają nieuniknione straty spowodowane tarciem i oporem powietrza. Jeśli nie zostaną one uwzględnione, straty energii wpłyną na wynik badania, mimo że nie zostały spowodowane przez sam materiał.
Młoty do badania udarności ZwickRoell umożliwiają określenie tarcia i oporu powietrza. Przy niezmienionej konfiguracji straty te mogą zostać uwzględnione i skompensowane w wynikach pomiarów. Zwiększa to miarodajność energii udaru i redukuje błędy systematyczne.
Zautomatyzowane próby udarności z karbem według ASTM E23
Wdrożenie automatyzacji dla badań wg ASTM E23 jest szczególnie celowe, gdy próby udarności Charpy’ego realizowane są w warunkach temperaturowych, przy dużych seriach badawczych lub w celu maksymalnego ograniczenia wpływu czynnika ludzkiego . Najbardziej krytycznym punktem jest często nie sama próba udarności, lecz procedura poprzedzająca badanie: Kondycjonowanie termiczne, wyjęcie, pozycjonowanie, zamknięcie osłony oraz wyzwolenie próby muszą odbywać się w sposób powtarzalny i w wymaganym oknie czasowym.
Za pomocą zrobotyzowanego sysemu badawczego ‚roboTest I‘ próby udarności z karbem metodą Charpy’ego na próbkach metalowych z karbem mogą być przeprowadzane w sposób automatyczny. System przejmuje na siebie kondycjonowanie termiczne, transport próbki, jej pozycjonowanie oraz rozpoczęcie próby. Dzięki temu eliminowane są czynniki ludzkie, takie jak temperatura dłoni, wilgoć, niecentryczne umieszczenie próbki czy opóźnione wyzwolenie próby.
Jest to wyjątkowo istotne przy realizacji prób z uwzględnieniem parametrów temperaturowych. Po wyjęciu z urządzenia termostatującego próbka musi zostać przebadana w ciągu kilku sekund , aby zachować rzeczywistą temperaturę badania. Automatyzacja wspiera dokładnie ten krok: Przebieg badania ulega standaryzacji, czas upływający od momentu opuszczenia komory temperującej do uderzenia jest ściśle monitorowany, a umieszczenie próbki na podporach realizowane jest w sposób wysoce reprodukowalny.
W przypadku laboratoriów realizujących duże serie badań automatyzacja przynosi dodatkowy wzrost efektywności. Użytkownik nie musi wkładać i badać każdej próbki osobno, lecz może realizować powtarzalne badania seryjne w znacznie bardziej znormalizowany sposób. Odciąża to personel laboratoryjny i jednocześnie poprawia porównywalność wyników.
- Półautomatyczne badanie Charpy’ego
Dla modelu HIT450P dostępny jest wariant półautomatyczny. Pracownik laboratorium wprowadza próbki pojedynczo do urządzenia termostatującego. Próbki są poddawane termostatowaniu do określonej temperatury, wliczając w to wymagany czas stabilizacji termicznej. Gdy tylko próbka jest gotowa do badania, użytkownik zostaje powiadomiony sygnałem i wyzwala każdą próbkę naciśnięciem przycisku .
Korzyść polega przede wszystkim na bezpieczeństwie procesu: Próbka jest wyprowadzana z urządzenia termostatującego i poddawana próbie w ściśle określonym przedziale czasu. Jednocześnie użytkownik pozostaje zaangażowany w ten proces, ale nie musi wykonywać krytycznych kroków całkowicie ręcznie. - Pełna automatyzacja prób udarności Charpy’ego
Dla Dla młotów wahadłowych HIT450P i HIT750P firma ZwickRoell oferuje w pełni automatyczny wariant z wieżami magazynowymi. W przypadku próbek standardowych o przekroju 10 × 10 mm w jednej wieży magazynowej mieści się do 45 próbek. W systemie można zintegrować kilka wież magazynowych. Próbki są umieszczane w magazynku, automatycznie doprowadzane do komory temperującej, doprowadzane do zadanej temperatury, badane, a następnie transportowane poza system za pomocą opcjonalnego taśmociągu odprowadzającego.
Zgodnie z życzeniem klienta pozostałości po próbkach mogą być sortowane, próbki identyfikowane na podstawie kodu ID, próbki z błędnie odczytanym kodem odrzucane, ich wymiary mierzone, a podpory czyszczone po każdym badaniu. W przypadku zmiany wysokości wahadła system IntelliDrive może zautomatyzować proces jego regulacji.
Czy regularnie badają Państwo próbki Charpy’ego w kontrolowanej temperaturze lub realizują duże serie testów zgodnie z ASTM E23?
Zautomatyzowane systemy badawcze ZwickRoell standaryzują procesy termostatowania, podawania, pozycjonowania oraz przypisywania wyników. Ogranicza to wpływ użytkownika, zabezpiecza okno czasowe między kondycjonowaniem termicznym a uderzeniem oraz odciąża personel laboratoryjny podczas powtarzalnych badań seryjnych.
Dowiedz się więcej o zautomatyzowanych badaniach metodą Charpy’ego
Typowe obszary zastosowania normy ASTM E23
ASTM E23 jest stosowana wszędzie tam, gdzie zachodzi konieczność oceny zachowania materiałów metalowych poddanych obciążeniom udarowym.
Typowe obszary zastosowania to:
- Zapewnienie jakości w produkcji metali: Huty, odlewnie i producenci materiałów metalowych sprawdzają, czy właściwości materiału są zgodne ze specyfikacjami.
- Potwierdzanie parametrów materiałowych przed klientami: Wyniki próby udarności mogą być wykorzystywane w kartach charakterystyki, atestach kontroli jakości lub w procesach zatwierdzania wyrobów.
- Dobór materiałów w konstruowaniu i rozwoju produktu: Badanie to wspiera podejmowanie decyzji, czy dany materiał nadaje się do zastosowania w określonych warunkach temperaturowych lub przy obciążeniach udarowych.
- Ocena odporności na kruche pękanie: Szczególnie w niskich temperaturach badanie to pomaga określić przejście między ciągliwym a kruchym zachowaniem materiału podczas pękania.
- Porównywanie partii materiałowych i procesów produkcyjnych: Wartości pomiarowe mogą wykazać, czy zachowanie materiału zmienia się w zależności od partii, obróbki cieplnej lub sposobu wytwarzania.
- Uwarunkowania wzorcowania i akredytacji: Laboratoria badawcze i jednostki akredytujące wykorzystują tę metodę w celu zabezpieczenia systemów pomiarowych, procedur oraz porównywalności wyników.
- Działalność badawczo-rozwojowa i dydaktyczna: Badanie zgodnie z normą ASTM E23 uwidacznia fundamentalne zależności między działaniem karbu, temperaturą a charakterystyką pękania.
Wydajne i spójne prowadzenie badań według ASTM E23 przy użyciu oprogramowania testXpert
Oprogramowanie badawcze testXpert wspiera próby udarności z karbem według ASTM E23 wszędzie tam, gdzie kluczowe znaczenie mają powtarzalne procedury, jednoznaczne parametry oraz bezpieczne przyporządkowanie wyników. Parametry badania mogą być zapisywane w przygotowanych programach badawczych . Dzięki temu procedury badawcze zostają znormalizowane a wpływ użytkownika ograniczony.
Oprogramowanie może być używane bezpośrednio na młocie wahadłowym jako rozwiązanie autonomiczne (standalone) z cyfrowym wyświetlaczem lub może zostać podłączone do komputera PC. W przypadku laboratoriów o prostych procedurach badawczych wyświetlacz umieszczony bezpośrednio na urządzeniu może być w zupełności wystarczający. W przypadku większych ilości danych, zaawansowanych analiz, raportów lub integracji z istniejącymi systemami, podłączenie do komputera PC zapewnia dodatkowy komfort pracy.
Funkcjonalna korzyść polega na jednoznacznym przyporządkowaniu wyników badań, informacji o próbkach oraz parametrów badania. W systemach zautomatyzowanych oprogramowanie może dodatkowo współdziałać ze skanerem kodów ID, układem pomiaru wymiarów, procedurą kondycjonowania termicznego oraz modułem zarządzania wynikami. Ułatwia to dokumentację zgodną z normami, redukuje błędy transkrypcji i wspiera porównywalność wyników badań w obrębie całych serii.
Często zadawane pytania dotyczące ASTM E23
Badanie według normy ASTM E23 służy do wyznaczania energii udaru oraz oceny udarności materiałów metalowych. Pokazuje ono, jak metal reaguje pod wpływem obciążenia udarowego i czy zachowuje się bardziej w sposób ciągliwy, czy kruchy. Badanie to jest szczególnie istotne w przypadku oceny skłonności do kruchego pękania oraz do porównywania materiałów w różnych temperaturach.
Główną wartością pomiarową jest zużyta energia udaru wyrażona w dżulach. Uzupełniająco można ocenić charakter przełomu , na przykład udział przełomu kruchego. Ocena ta odbywa się na podstawie przełomu.
Zasady badania są w wielu punktach podobne, w szczególności w przypadku prób Charpy’ego na próbkach metalowych z karbem. Ważną różnicą jest to, że ASTM E23 oprócz metody Charpy’ego – obejmuje również próby metodą Izoda . Ponadto weryfikacja urządzenia badawczego jest zawarta bezpośrednio w normie ASTM E23, podczas gdy w przypadku ISO 148 zagadnienie to zostało omówione w osobnych częściach normy.
Próbki bez karbu mogą być pod względem technicznym badane przy użyciu odpowiednich urządzeń, jednak zgodnie z tą klasyfikacją nie stanowiłyby one części znormalizowanego badania zgodnie z ASTM E23.
W metodzie Charpy’ego próbka spoczywa na dwóch podporach i jest uderzana po stronie przeciwległej do karbu. W metodzie Izod’a próbka jest zamocowana jednostronnie pionowo i uderzana od czoła. Z tego względu rezultaty uzyskiwane obiema metodami nie mogą być ze sobą bezpośrednio zestawiane.
Wybór zależy od tego, jaki rodzaj obciążenia ma zostać odzwierciedlony w późniejszym zastosowaniu . Próba Charpy’ego charakteryzuje przypadek próbki umieszczonej na podporach, poddawanej zginaniu o charakterze dynamicznym. Metoda Izoda opisuje próbkę zamocowaną jednostronnie. Metoda badawcza musi być zatem dobrana pod kątem problemu badawczego oraz zachowania komponentu.
Typowe standardowe próbki Charpy’ego mają długość 55 mm, szerokość 10 mm i grubość 10 mm. Karb znajduje się na środku próbki. W zależności od metody mogą być stosowane karby typu V, karby typu U lub karby kluczowe.
W odniesieniu do nacięć typu V kluczowe znaczenie mają głębokość karbu, promień jego zaokrąglenia oraz przekrój czynny u podstawy karbu, gdyż parametry te definiują współczynnik koncentracji naprężeń w karbie. W odniesieniu do karbu typu U większy promień zaokrąglenia podstawy karbu modyfikuje mechanizm niszczenia materiału. Z tego względu nie wolno bezpośrednio porównywać ze sobą różnych kształtów karbów.
Typowe standardowe próbki Izoda mają długość 75 mm, szerokość 10 mm i grubość 10 mm. Karb znajduje się poza środkiem próbki, w odległości 28 mm od jej górnej krawędzi.
Próbki Izoda różnią się od próbek Charpy’ego przede wszystkim pozycja karbu oraz rodzajem obciążenia. Próbka jest mocowana jednostronnie, a nie układana na dwóch podporach, jak ma to miejsce w metodzie Charpy’ego.
Różnice te mają kluczowe znaczenie dla oceny wyników. Wyniki metod Charpy’ego i Izoda nie są bezpośrednio porównywalne, ponieważ konfiguracja badawcza, sposób przyłożenia siły oraz mechanika pękania są odmienne.
Karb powoduje koncentrację naprężeń, w miejscu której inicjowane jest pękanie. Głębokość, kształt i promień karbu, a także jego położenie i jakość powierzchni wpływają bezpośrednio na zmierzoną energię udaru oraz przebieg pękania.
Jeśli wykonanie próbek standardowych nie jest możliwe ze względu na właściwości materiału, geometrię elementu lub dostępną ilość materiału, można zastosować mniejsze formy próbek, tzw. próbki podwymiarowe lub próbki typu sub-size. W takich przypadkach stosuje się specjalne podpory aby wysokość próbki była dopasowana do wahadła.
Rzeczywiste wymiary próbek muszą być ponadto udokumentowane i uwzględnione przy ocenie. Ma to szczególne znaczenie, ponieważ mniejsze próbki mogą wykazywać inne wartości absorpcji energii niż próbki standardowe. Wyniki uzyskiwane dla próbek standardowych i podwymiarowych nie powinny być zatem ze sobą porównywane bez odpowiedniego odniesienia.
Wiele metali staje się w niskich temperaturach bardziej kruchych. Dlatego próby udarności są często przeprowadzane w różnych temperaturach, aby ocenić charakterystykę przejścia między przełomem ciągliwym a kruchym.
Jeśli po wyjęciu z komory temperującej czas do momentu przebadania próbki jest zbyt długi, jej temperatura ulega zmianie. Może to prowadzić do rozrzutu wyników , w szczególności w przypadku badań w temperaturach poniżej temperatury pokojowej lub w pobliżu temperatury przejścia.
Badania metodą Izoda są z reguły przeprowadzane w temperaturze pokojowej . Powód tkwi w konfiguracji badawczej: Próbka jest mocowana jednostronnie, a mechanizm zaciskowy stanowi często integralną część młota wahadłowego. Z tego względu nie ma możliwości kondycjonowania termicznego całej strefy mocowania w taki sam sposób, jak w przypadku próbek Charpy’ego.
Z tego względu w przypadku prób udarności z karbem metoda Charpy’ego jest w wielu przypadkach bardziej odpowiednim rozwiązaniem. W tym przypadku próbka może zostać poddana kondycjonowaniu termicznemu, szybko umieszczona na podporach i przebadana w wymaganym oknie czasowym.
Wahadło musi być dopasowane do przewidywanego zużycia energii. ASTM E23 określa górną granicę na poziomie 80% pojemności znamionowej wahadła a dodatkowo definiuje dolną granicę zależną od rozdzielczości pomiarowej (25x najwyższej rozdzielczości urządzenia; przy rozdzielczości naszego wyświetlacza cyfrowego wynoszącej 0,1 dżula odpowiada to dolnej granicy 2,5 dżula). Nieodpowiedni zakres pomiarowy może negatywnie wpłynąć na wiarygodność wyników.
Tak, w przypadku niższych zakresów energii odpowiednim rozwiązaniem może być model HIT50P (50 dżuli), w szczególności gdy spodziewane są niewielkie energie udaru lub gdy w laboratorium jest mało miejsca. Do badań według ISO 148 ten mniejszy młot wahadłowy nie jest odpowiedni, ponieważ nie osiąga wymaganej w niej prędkości uderzenia.
Zautomatyzowany system badawczy‚ roboTest I‘ oferowany przez ZwickRoell jest przeznaczony do prób udarności metodą Charpy’ego na próbkach metalowych. Systemy te integrują procesy podawania próbek, ich termostatowania, czasu zatrzymania, precyzyjnego pozycjonowania oraz realizacji próby. W zależności od systemu możliwe jest realizowanie procedur półautomatycznych lub w pełni automatycznych.
Oprogramowanie badawcze testXpert wspiera znormalizowane procedury badawcze, jednoznaczne parametry prób, przyporządkowywanie wyników oraz dokumentację. W przypadku systemów zautomatyzowanych możliwe jest zintegrowanie dodatkowych funkcji, takich jak rozpoznawanie kodów ID, pomiar wymiarów oraz zarządzanie wynikami.
