ISO 148-1: Udarnościowa próba zginania z karbem metalu według Charpy
Badanie zginania udarowego z karbem zgodnie z ISO 148 służy określaniu energii uderzenia i zachowania przy przełomie kruchym materiałów metalowych. Metoda ta jest szczególnie istotna w przypadku zastosowań, w których materiały muszą bezpiecznie pochłaniać obciążenia udarowe i dynamiczne. Jest ona stosowana w zapewnieniu jakości, rozwoju materiałów, kontroli produkcji oraz akredytacji.
W praktyce rozrzut wyników wynika często z niedokładnych wymiarów próbek, jakości karbu, odchyleń temperatury lub wpływu użytkownika. ZwickRoell wspiera Państwa, oferując odpowiednie młoty wahadłowe, szablony do pozycjonowania próbek, rozwiązania do temperowania, oprogramowanie badawcze testXpert oraz opcje automatyzacji.
Procedura badawcza jest również opisana i określona w ASTM E23 . Norma ISO jest jednocześnie normą europejską (EN ISO 148-1).
Częste źródła błędów Przeprowadzenie próby Możliwości automatyzacji FAQ's do normy Proszę o poradę
ISO 148-1 – Najważniejsze informacje w skrócie
- ISO 148-1 opisuje próbę udarności metodą Charpy’ego na próbkach metalowych z karbem z karbem typu U lub V i służy do wyznaczania pracy łamania (udarnościowej próby łamania) oraz udarności.
- Badanie pokazuje, czy metal wykazuje zachowanie ciągliwe czy kruche dodatkowo możliwe jest wyznaczenie temperatury przejścia kruchego w stan ciągliwy w zależności od temperatury.
- W praktyce największe źródła błędów leżą w wymiarach próbek, głębokości karbu, położeniu karbu, jakości powierzchni, niewłaściwym ułożeniu próbki oraz niedostatecznie kontrolowanej temperaturze.
- Badania w kontrolowanej temperaturze są wymagające, ponieważ próbka po wyjęciu z komory temperującej musi zostać przebadana w ciągu kilku sekund.
- Odpowiedni rozmiar wahadła, zgodna z normą prędkość uderzenia, skalibrowane podpory oraz skompensowane straty spowodowane tarciem i oporem powietrza są kluczowe dla uzyskania porównywalnych wyników.
- ZwickRoell oferuje do badań według ISO 148 odpowiednie młoty do badania udarności, kozły Charpy’ego, szablony do pozycjonowania próbek, rozwiązania do temperowania oraz automatyzację.
- Oprogramowanie badawcze testXpert obsługuje standaryzowane przebiegi badań, bezpieczną parametryzację, czytelną dokumentację oraz integrację danych badawczych z procesami laboratoryjnymi.
ISO 148-1 w praktyce: Częste źródła błędów i ich wpływ na wyniki
W praktyce nie tylko młot wahadłowy decyduje o jakości próby udarności. Rozrzut wyników powstaje często jeszcze przed uderzeniem: na etapie przygotowania próbek, podczas temperowania lub w trakcie ręcznego układania. To właśnie te kroki decydują o tym, czy wyniki są porównywalne, powtarzalne i wiarygodne.
Miejsca powstawania błędów:
Przygotowanie próbek & Jakość próbek Nałożenie & Ustawienie Wpływ temperatury System badawczy
Przygotowanie próbek i jakość próbek
Typowe źródła błędów:
- Wymiary próbek niezgodne z normą: Standardowe próbki Charpy'ego mają wymiary 10 × 10 × 55 mm. Odchyłki zmieniają charakter pękania i utrudniają porównanie z wartościami referencyjnymi.
- Wadliwy lub nierównomierny karb: Głębokość i promień karbu znacząco wpływają na mierzoną energię. Mniejszy karb może prowadzić do wyższych wartości energii uderzenia, natomiast większy karb – do niższych wartości.
- Niecentryczny karb: W próbie Charpy'ego karb musi być umieszczony centralnie, aby młot wahadłowy uderzał w ściśle określony sposób po przeciwnej stronie.
- Pomylenie karbów typu V i U: Karby typu V i U prowadzą do nieporównywalnych wyników ze względu na różne geometrie.
- Wady powierzchniowe i rysy obróbkowe: Uszkodzenia lub rysy obróbkowe mogą wpływać na propagację pęknięć, a w niekorzystnym przypadku uszkodzić również podpory.
- Niejednorodność materiału lub błędna partia:Różne stany materiałowe wpływają bezpośrednio na udarność oraz udział przełomu kruchego.
Kontrola temperatury i okno czasowe
Badania w kontrolowanej temperaturze według normy ISO 148 są szczególnie krytyczne, ponieważ charakter pękania materiałów metalowych może się istotnie zmieniać wraz z temperaturą. Przede wszystkim w niskich temperaturach wiele metali pęka w sposób bardziej kruchy; dlatego w momencie uderzenia próbka musi faktycznie mieć wymaganą temperaturę badania.
Krytyczne punkty to:
- Homogeniczna temperacja próbki: Próbka musi być całkowicie i równomiernie wygrzana lub oziębiona w całym przekroju, a nie tylko na powierzchni.
- Szybki transfer do stanowiska badawczego:Od momentu wyjęcia z urządzenia do temperacji, poprzez umieszczenie na podporach, aż do uderzenia wahadła, może upłynąć maksymalnie 5 sekund.
- Zmiana temperatury podczas manipulacji:Temperatura otoczenia, manipulacja oraz przyrządy pomocnicze o niekontrolowanej temperaturze mogą zmienić temperaturę próbki.
- Chwytak chłodzony razem z próbką:W przypadku badań niskotemperaturowych chwytak również powinien być kondycjonowany termicznie, aby próbka nie uległa ociepleniu podczas jej chwytania.
- Powtarzalne pozycjonowanie próbki:Pod presją czasu rośnie ryzyko, że próbka zostanie umieszczona nieprecyzyjnie centralnie lub w niewłaściwej orientacji.
W przypadku przekroczenia zadanego okna czasowego nie ma już pewności, że badanie zostanie przeprowadzone w ściśle określonej temperaturze. Może to prowadzić do rozrzutu wyników i negatywnie wpływać na ich porównywalność.
Młot wahadłowy, Znamionowa energia udaru i Prędkość uderzenia
Również sam system badawczy musi być dostosowany do normy i specyfiki danego zadania badawczego:
- Norma ISO 148 wymaga prędkości uderzenia w zakresie od 5 do 5,5 m/s.
- Kąt wyzwolenia oraz wahadło wpływają na prędkość uderzenia, a tym samym na porównywalność wyników.
- Podpory zużywają się podczas badania i muszą być regularnie kontrolowane oraz, w zależności od potrzeb, czyszczone, obracane lub wymieniane.
Chcą Państwo realizować badania zgodnie z normą ISO 148 w sposób bardziej bezpieczny, powtarzalny lub wydajny?
Wspieramy Państwa w doborze młota wahadłowego, kozła, systemu temperowania, oprogramowania oraz stopnia automatyzacji – dopasowanych do rodzaju materiału, liczby próbek, temperatury badania i wymagań normatywnych.
Uzyskaj bezpłatną konsultację już teraz
Przeprowadzanie próby udarności metodą Charpy’ego według ISO 148-1 z firmą ZwickRoell
Krytyczne etapy badania i rozwiązania ZwickRoell – szczegółowe wyjaśnienie:
Pozycjonowanie próby Temperowanie Wybór młota Wybór kozła Strata energii Możliwości automatyzacji
Oto jak przebiega badanie:
W próbie udarności metodą Charpy’ego zgodnie z ISO 148 nacięta próbka metalowa jest umieszczana na dwóch podporach i dynamicznie łamana za pomocą wahadła. Karb znajduje się przy tym w położeniu środkowym, a uderzenie następuje po przeciwnej stronie próbki.
Przed przystąpieniem do badania przygotowuje się i kontroluje geometrię próbki, rodzaj i głębokość karbu, stan powierzchni oraz – w razie potrzeby – temperaturę badania. W przypadku badań prowadzonych w kontrolowanej temperaturze próbka musi być jednorodnie termostatowana, a po wyjęciu z komory – umieszczona na podporach i przebadana w czasie nieprzekraczającym 5 sekund.
Z różnicy między wysokością opadania a wysokością wznoszenia wahadła wyznacza się pracę łamania (pracę udaru) wyrażoną w dżulach . Uzupełniająco można ocenić udział przełomu kruchego na powierzchni pęknięcia, na przykład manualnie lub optycznie. Wyniki służą do porównywania materiałów, kontroli jakości oraz oceny zachowania tworzywa pod wpływem obciążeń dynamicznych.
Dokładne pozycjonowanie próbek
Środkowe umieszczenie próbki ma kluczowe znaczenie dla uzyskania powtarzalnych wyników. Nawet niewielkie odchyłki położenia zmieniają punkt uderzenia młota wahadłowego, a tym samym lokalne naprężenia. Szczypce, ograniczniki lub elementy centrujące ułatwiają szybkie i powtarzalne umieszczanie próbek oraz redukują odchyłki podczas pozycjonowania manualnego.
W przypadku zautomatyzowanych prób udarności system badawczy przejmuje zadanie pozycjonowania próbki. Dzięki temu podczas każdej próby znajduje się ona w dokładnie takim samym położeniu. Zapewnia to stałe warunki badania i stanowi podstawę do uzyskiwania porównywalnych oraz powtarzalnych wyników.
Niezawodne zarządzanie temperaturą
Dla próbek termostatowanych czas między wyjęciem z medium a uderzeniem wahadła nie może przekraczać maksymalnie 5 sekund . W tym czasie próbka musi zostać prawidłowo umieszczona na podporach, drzwi ochronne zamknięte, a badanie przeprowadzone. Krótkie odległości, przyrządy do układania próbki oraz przycisk start pod ręką ułatwiają obsługę manualną.
Automatyzacja dodatkowo zwiększa bezpieczeństwo procesowe: Zapewnia ona powtarzalne wprowadzanie próbki w pozycję badawczą, ogranicza wpływ użytkownika i wspomaga pewne dotrzymanie okna czasowego – szczególnie przy dużej liczbie próbek.
Wybór młota do badania udarności
Do badań według normy ISO 148 firma ZwickRoell oferuje w swoim programie produkcyjnym młoty do badania udarności HIT300P, HIT450P oraz HIT750P. Kluczowe znaczenie ma to, aby wahadło było dopasowane do oczekiwanej energii udaru oraz spełniało wymagania normy. Norma ISO 148-1 określa górną granicę jako 80% znamionowej energii udaru, nie wyznacza jednak granicy dolnej. W przypadku modelu HIT450P z wahadłem o energii 450 dżuli oznacza to, że badania można prowadzić zgodnie z normą w zakresie od 0 do 360 dżuli.
Wybór kozła
Do młotów wahadłowych HIT300P i HIT450P firma ZwickRoell oferuje dwa warianty kozła: kozioł wg Charpy oraz kozioł uniwersalny.
Kozioł Charpy jest specjalnie zaprojektowany do badań metodą Charpy’ego. Jego podpory można obracać, a dodatkowo zamieniać miejscami z jednej strony na drugą. Dzięki temu podpory mogą być wykorzystane czterokrotnie, zanim konieczna będzie ich wymiana. Ogranicza to zapotrzebowanie na części zużywalne w codziennej praktyce laboratoryjnej.
Kozioł uniwersalny zapewnia większą elastyczność w zakresie rodzajów przeprowadzanych badań. W razie potrzeby można go przezbroić na przykład do badań metodą Izoda lub do prób udarowego rozciągania. Dzięki temu nadaje się on szczególnie do laboratoriów, w których na jednym młocie wahadłowym mają być przeprowadzane różne procedury badawcze.
W młocie wahadłowym HIT750P podpory i przypory są montowane bezpośrednio w korpusie urządzenia , dzięki czemu osobny kozioł nie jest wymagany. Nadaje się ono głównie do badań metodą Charpy’ego, jednak możliwe jest również przeprowadzanie prób udarowego rozciągania.
Uwzględnienie strat energii
Tarcie i opór powietrza tsą nieodłącznym elementem pracy każdego młota wahadłowego. Urządzenia ZwickRoell umożliwiają wyznaczenie tych czynników, dzięki czemu mogą być one skompensowane przy niezmienionej konfiguracji badawczej. Wspomaga to dokładniejsze przypisanie zmierzonej absorpcji energii do samej próbki, a nie do systemu badawczego.
Zautomatyzowane badania udarności Charpy według ISO 148-1
Automatyzacja w przypadku ISO 148 ma szczególne uzasadnienie, gdy badana jest duża liczba próbek, gdy badania są prowadzone w kontrolowanej temperaturze lub gdy zachodzi potrzeba wyeliminowania wpływu użytkownika. Zautomatyzowane układy pomiarowe gwarantują zachowanie limitu maksymalnie 5 sekund od momentu wyjęcia próbki z medium temperującego do jej złamania.
Zautomatyzowany system badawczy roboTest I umożliwia automatyczne badanie do 450 próbek metali z karbem w zakresie temperatur od -180 °C do +300 °C.
Firma ZwickRoell oferuje w tym zakresie różne warianty dostosowane do danego młota wahadłowego:
- Dla modelu HIT450P dostępny jest wariant półautomatyczny , w którym użytkownik umieszcza próbki w komorze termostatującej, a następnie badanie jest wyzwalane w sposób kontrolowany.
- Dla HIT750P możliwe jest zastosowanie rozwiązań półautomatycznych oraz w pełni automatycznych . W wariancie w pełni automatycznym użytkownik jedynie napełnia magazynek. Po uruchomieniu systemu próbki są automatycznie podawane, termostatowane, badane po upływie zdefiniowanego czasu zatrzymania, a następnie transportowane poza obszar roboczy za pomocą opcjonalnego przenośnika taśmowego.
Wprowadzanie danych i sterowanie odbywa się za pośrednictwem zautomatyzowanego oprogramowania autoEdition3stosowanego we wszystkich systemach badawczych robotów.
Dalsze opcje są możliwe do wdrożenia w zależności od zapotrzebowania:
- Skaner kodów ID do przyporządkowywania próbki, partii, okna produkcyjnego i wyniku
- Opcjonalny pomiar wymiarów, w szczególności głębokości karbu lub wysokości pozostającej
- Magazynki na maksymalnie 600 próbek
- Uchwyt próbek typu Poka-Yoke gwarantujący poprawne zorientowanie karbu
- Automatyczne czyszczenie podpór po badaniu
- IntelliDrive do zautomatyzowanej regulacji wysokości wahadła w przypadku zmiennych warunków badania.
- Rozszerzony zakres temperatur do +600 °C
- Przenośnik taśmowy odprowadzający oraz opcjonalne sortowanie połamanych próbek
Dzięki temu automatyzacja sprawdza się nie tylko w przypadku badań w kontrolowanej temperaturze, ale również w laboratoriach o wysokiej przepustowości próbek i standaryzowanych procedurach badawczych.
Badają Państwo dużą liczbę próbek Charpy lub muszą niezawodnie dotrzymywać okien czasowych dla testów temperaturowych?
Zautomatyzowane systemy badawcze ISO 148 firmy ZwickRoell ograniczają operacje manualne, odciążają personel laboratoryjny oraz poprawiają powtarzalność procedury badawczej.
Zapytaj o rozwiązanie w zakresie automatyzacji
Typowe obszary zastosowania ISO 148-1
ISO 148 znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie zachodzi potrzeba oceny zachowania materiałów metalowych pod wpływem obciążeń dynamicznych, w niskich temperaturach lub w obszarze przejścia krucho-ciągliwego.
Typowe Use Cases:
- Zapewnienie jakości materiałów metalowych: Wykazanie zgodności materiałów ze specyfikacjami oraz zapewnienie porównywalności wyników badań.
- Huty stali i odlewnie: Wyznaczanie właściwości materiałowych na potrzeby kart katalogowych, zatwierdzeń klienckich oraz kontroli jakości.
- Inżynieria materiałowa i projektowanie konstrukcyjne: Dobór odpowiednich materiałów na elementy konstrukcyjne przeznaczone do bezpiecznej eksploatacji w określonych temperaturach otoczenia.
- Ocena odporności na kruche pękanie: Badanie temperatury przejścia plastyczno-kruchego materiału.
- Jednostki wzorcujące i akredytujące: Audytowanie urządzeń, procesów badawczych i laboratoriów.
- Nauka, kształcenie i szkolnictwo wyższe: Przekazywanie wiedzy z zakresu podstawowych metod badania materiałów oraz analiza charakteru pękania materiałów metalowych.
ISO 148-1 z oprogramowaniem badawczym testXpert
Oprogramowanie badawcze testXpert wspiera realizację badań zgodnie z normą ISO 148 dzięki zdefiniowanym przebiegom badawczym, standaryzowanym ustawieniom oraz identyfikowalnej dokumentacji opartej na standardowych i wzorcowych procedurach badawczych. W zależności od konfiguracji, z oprogramowania testXpert można korzystać bezpośrednio na urządzeniu za pomocą cyfrowego wyświetlacza lub poprzez połączenie z komputerem PC . Połączenie z komputerem PC jest szczególnie istotne, gdy wyniki mają być dokumentowane w sposób bardziej szczegółowy, przetwarzane dalej lub przesyłane do istniejących struktur danych.
Korzyści funkcjonalne dla laboratoriów:
- Ograniczenie wpływu użytkownika dzięki standaryzowanym przebiegom badawczym
- Identyfikowalna rejestracja parametrów i wyników badań
- Spójna ocena powtarzalnych badań
- Lepsza dokumentacja na potrzeby kontroli jakości, akredytacji oraz raportów dla klientów
- Zdolność do integracji z cyfrowymi procesami laboratoryjnymi i strukturami danych
Najczęściej zadawane pytania, dotyczące ISO 148
ISO 148 opisuje próbę udarności Charpy'ego na metalowych próbkach z karbem. Badanie służy do określenia energii uderzenia pochłoniętej przez materiał oraz do oceny charakteru pękania, w szczególności udziału przełomu kruchego i ciągliwego.
Głównym parametrem jest pochłonięta energia uderzenia (praca udarności) wyrażona w dżulach. Dodatkowo na podstawie powierzchni przełomu można określić udział pękania kruchego. Zgodnie z wywiadami, w praktyce udział ten ocenia się manualnie lub optycznie na podstawie powierzchni przełomu.
Typowe przyczyny są niezgodne z normą wymiary próbek, wadliwie wykonane karby, niecentryczne położenie karbu, wady powierzchniowe, nieprawidłowe umieszczenie próbki w uchwycie, niedostateczna stabilizacja termiczna, przekroczenie okna czasowego między przygotowaniem temperaturowym a uderzeniem, a także niewłaściwie skonfigurowane lub nieprawidłowo skalibrowane przyrządy kontrolno-pomiarowe.
Badania zgodnie z ISO 148 mogą być przeprowadzane przy użyciu młotów wahadłowych ZwickRoell serii HIT300P, HIT450P oraz HIT750P.
Nie. Młot wahadłowy HIT50P nie osiąga wymaganej przez normę ISO 148 prędkości uderzenia wynoszącej od 5 do 5,5 m/s.
Nie, zasadniczo nie. Norma ISO 148 określa jedynie górną granicę : Pochłonięta energia uderzenia może wynosić maksymalnie 80% nominalnej energii potencjalnej młota . Norma nie określa dolnej granicy.
W przypadku młota HIT450P o nominalnej energii potencjalnej 450 J można zatem badać energie uderzenia w zakresie od 0 do 360 J.
W przypadku bardzo małych energii uderzenia należy jednak uwzględnić wyznaczone opory tarcia. Jeśli energia strat tarcia jest zbliżona do wartości energii uderzenia zmierzonej na próbce lub nawet ją przewyższa, może to negatywnie wpłynąć na miarodajność wyniku. W takim przypadku odpowiednim wyborem jest młot o mniejszej energii znamionowej.
Jeśli konieczne jest zachowanie tej samej geometrii próbek, wymagane jest użycie większego wahadła. Alternatywnie można zastosować próbki o zmniejszonych wymiarach i mniejszej grubości, na przykład 7,5 mm, 5 mm lub 2,5 mm. Dla tych grubości dostępne są podkładki centrujące, dzięki którym próbka jest uderzana przez młot dokładnie w osi.
Materiały metalowe w niskich temperaturach mogą pękać w sposób bardziej kruchy. Z tego względu próbka musi zostać całkowicie ustabilizowana termicznie , a po wyjęciu z urządzenia temperującego należy ją jak najszybciej przebadać. ISO 148 narzuca okno czasowe, wynoszące odpowiednio 5 ewent. 10 sekund , w zależności od różnicy temperatur w stosunku do otoczenia.
Karby typu V i U mają różną geometrię i generują inną koncentrację naprężeń w miejscu nacięcia. W konsekwencji prowadzi to do rozbieżności w wynikach pomiarów.
Automatyzacja opłaca się przede wszystkim w przypadku badań z regulacją temperatury, wąskiego okna czasowego, dużej liczby próbek lub gdy zachodzi potrzeba ograniczenia wpływu użytkownika . Zapewnia ona bardziej stabilny przebieg procesów, powtarzalne umieszczanie próbek w uchwytach oraz rygorystyczne zachowanie czasu między stabilizacją termiczną a uderzeniem.
