Udarność KV i KU, praca łamania KU2 i KV2 – próba Charpy’ego

Próba udarności Charpy’ego to metoda oceny zachowania metali pod obciążeniem dynamicznym. Podczas badania wahadłowy młot uderza w próbkę z karbem, a wynik określa energię pochłoniętą przy jej złamaniu, wyrażoną w dżulach (J).
W dokumentacji stali można spotkać oznaczenia KV, KU, KV2, KV8, KU2 i KU8. Litery V i U opisują kształt karbu próbki, natomiast cyfry 2 i 8 oznaczają promień krawędzi bijaka młota w milimetrach, a nie głębokość karbu.
Rozróżnienie to ma praktyczne znaczenie przy analizie właściwości stali, porównywaniu ofert materiałowych i odczytywaniu wyników badań ze świadectw odbioru 3.1. KU2 nie jest oznaczeniem zamiennym z KV2 ani z KU8.
Badanie jest szczególnie ważne dla elementów narażonych na uderzenia, obciążenia dynamiczne oraz eksploatację w obniżonych temperaturach.

Na czym polega próba Charpy’ego?

Próbkę materiału z wykonanym karbem umieszcza się poziomo na podporach urządzenia badawczego. Wahadło o określonej energii początkowej zostaje zwolnione i uderza w próbkę po stronie przeciwnej do karbu.
Podczas złamania próbka pochłania część energii wahadła.
Energię pochłoniętą podczas złamania wyznacza się na podstawie zmiany energii wahadła, z uwzględnieniem wymagań metody badawczej dotyczących strat energii.
W uproszczeniu:
K ≈ E₁ – E₂
gdzie:

• K – energia pochłonięta podczas złamania próbki,
• E₁ – energia wahadła przed uderzeniem,
• E₂ – energia pozostała po złamaniu próbki.

Wynik podawany jest w J. W praktyce stosuje się także określenie praca łamania.

Dlaczego próbka posiada karb?

Karb powoduje koncentrację naprężeń i wymusza rozpoczęcie pękania w określonym obszarze próbki.
Pozwala to uzyskać bardziej powtarzalne warunki badania oraz ocenić zachowanie materiału w obecności geometrycznej nieciągłości.
Ma to znaczenie praktyczne, ponieważ rzeczywiste elementy konstrukcyjne również mogą zawierać miejsca koncentracji naprężeń, takie jak:

• rowki,
• otwory,
• gwinty,
• ostre przejścia przekrojów,
• spoiny i ich okolice,
• inne nieciągłości geometryczne.

Co oznacza KV?

KV oznacza energię pochłoniętą w próbie Charpy’ego przeprowadzonej na próbce z karbem V. Jest to karb o ostrzejszej geometrii niż standardowy karb U, powodujący znaczną koncentrację naprężeń.
Przykładowe oznaczenie: KV = 40 J. Oznacza ono, że w danych warunkach badania próbka z karbem V pochłonęła 40 J energii. Jeżeli wymaganie rozróżnia promień bijaka, należy posługiwać się bardziej szczegółowym oznaczeniem KV2 lub KV8.

Co oznacza KU?

KU oznacza energię pochłoniętą w próbie Charpy’ego wykonanej na próbce z karbem U, którego dno jest zaokrąglone.
Przykładowe oznaczenie: KU = 60 J. W dokumentacji precyzującej geometrię młota można spotkać KU2 lub KU8. Oznaczenie KU bez cyfry nie przesądza samo w sobie, jakiego bijaka użyto.

KV a KU – jaka jest różnica?

Podstawowa różnica wynika z geometrii karbu próbki. W przypadku KV zastosowano karb V, a w przypadku KU karb U. Oba wyniki wyrażają energię pochłoniętą podczas próby, ale pochodzą z innych warunków koncentracji naprężeń.

Wyników KV i KU nie wolno uznawać za automatycznie zamienne. Wymagana wartość musi odpowiadać geometrii karbu określonej w normie materiałowej lub specyfikacji zamówienia.

Co oznaczają KU2, KU8, KV2 i KV8?

Oznaczenia KU2, KU8, KV2 i KV8 łączą informację o rodzaju karbu z informacją o promieniu krawędzi bijaka młota Charpy’ego. Cyfry 2 i 8 odnoszą się do promienia bijaka wyrażonego w milimetrach, a nie do głębokości karbu ani grubości próbki.

Przykładowo KU2 = 55 J oznacza energię 55 J pochłoniętą podczas badania próbki z karbem U, przy użyciu bijaka o promieniu krawędzi uderzającej 2 mm. Analogicznie KV8 = 55 J odnosi się do próbki z karbem V i bijaka o promieniu 8 mm.
Uwaga: zapis KU2 nie oznacza karbu U o głębokości 2 mm. W tym oznaczeniu cyfra 2 opisuje bijak, nie karb.

Czy wyniki KU2, KU8, KV2 i KV8 można porównywać?

Próby wykonane z bijakami o promieniu 2 i 8 mm mogą dawać różne wyniki, również dla tego samego materiału. Zmiana geometrii bijaka wpływa na warunki kontaktu i przebieg uderzenia. Dodatkowo karby U i V mają inną geometrię.
Z tego powodu KU2 nie jest równoważne KU8, a KU2 nie jest równoważne KV2. Nie ma uniwersalnego współczynnika przeliczeniowego pozwalającego zamienić jeden z tych wyników na drugi.
Jeżeli w zamówieniu wskazano KU2 ≥ 40 J przy +20°C, świadectwo podające wyłącznie KV2 = 40 J nie jest samo w sobie potwierdzeniem spełnienia takiego wymagania. Analogicznie wynik KU8 nie dowodzi automatycznie spełnienia wymagania KU2.

Karb próbki a promień bijaka – dlaczego nie należy ich mylić?

W próbie Charpy’ego trzeba odróżnić geometrię karbu, wykonanego w badanej próbce, od geometrii bijaka, czyli części wahadła uderzającej w próbkę po stronie przeciwnej do karbu.
Dla standardowej próbki pełnowymiarowej z karbem V kąt karbu wynosi 45°, jego głębokość 2 mm, a promień dna 0,25 mm. W standardowej próbce z karbem U promień dna karbu wynosi 1 mm, natomiast głębokość karbu 5 mm, o ile odpowiednia specyfikacja nie stanowi inaczej.

Nie należy wyciągać wniosku o głębokości karbu z cyfry 2 lub 8 zapisanej po literze U albo V. Wymiary karbu wynikają z definicji próbki i właściwej specyfikacji, natomiast cyfry w oznaczeniu energii opisują bijak.

Praca łamania KU2 i KV2 a udarność – J czy J/cm²?

W języku technicznym określenie udarność bywa używane zarówno w odniesieniu do samego badania Charpy’ego, jak i do wyniku energii pochłoniętej. Trzeba jednak rozróżniać dwie wielkości.
Praca łamania (energia pochłonięta) to wynik oznaczany na przykład jako KU2, KU8, KV2 lub KV8 i wyrażany w dżulach (J).
Udarność odniesiona do przekroju to stosunek energii pochłoniętej do pola nieuszkodzonego przekroju próbki pod karbem; może być wyrażana w J/cm². W starszej dokumentacji można spotkać oznaczenia KCU i KCV, dlatego zawsze należy sprawdzić definicję wielkości i jednostkę zastosowaną w konkretnym dokumencie.
Zależność dla wielkości odniesionej do przekroju można zapisać jako KC = K / S₀, gdzie K jest energią pochłoniętą w J, a S₀ polem przekroju próbki pod karbem w cm².
Przykładowo dla próbki o przekroju pod karbem równym 0,8 cm² i energii pochłoniętej 40 J wartość odniesiona do przekroju wynosi 50 J/cm². Takie działanie nie przelicza jednak KU2 na KV2 ani wyniku z jednego rodzaju karbu na drugi.
Podczas porównywania danych technicznych zawsze należy ustalić, czy podano energię w J, czy wielkość odniesioną do pola przekroju w J/cm². Nie należy także pomijać różnic między próbami według różnych norm.

Standardowa próbka Charpy’ego

Standardowa pełnowymiarowa próbka Charpy’ego ma wymiary 10 × 10 × 55 mm. W jej środkowej części wykonuje się karb V lub U o wymaganej geometrii.
Dla karbu V typowe wymiary określone metodą badawczą to kąt 45°, głębokość 2 mm i promień dna 0,25 mm. Dla karbu U stosuje się promień dna 1 mm i głębokość 5 mm, chyba że odpowiednia specyfikacja przewiduje inne rozwiązanie.
W obrocie materiałowym spotyka się także próbki o zmniejszonych wymiarach. Wynik należy rozpatrywać w odniesieniu do rzeczywistej geometrii próbki, promienia bijaka i temperatury badania.

Próbki o zmniejszonym przekroju

W przypadku cienkich produktów, takich jak blachy lub taśmy stalowe, wykonanie standardowej próbki 10 × 10 × 55 mm może być niemożliwe.
Stosowane są wówczas próbki o zmniejszonej szerokości, zgodnie z wymaganiami odpowiedniej normy.
Należy pamiętać, że wynik uzyskany dla próbki o innych wymiarach nie powinien być automatycznie traktowany jako równoważny wynikowi próbki pełnowymiarowej.
Przy analizie świadectwa materiałowego należy więc sprawdzić nie tylko wynik KV2, KV8, KU2 lub KU8, ale również wymiary zastosowanej próbki.

Temperatura próby Charpy’ego

Jednym z najważniejszych parametrów próby udarności jest temperatura badania.
Ten sam materiał może wykazywać bardzo różne wartości energii pochłoniętej w zależności od temperatury.
Dlatego zapis:
KV = 40 J
jest niepełny, jeżeli wymagania materiałowe określają również temperaturę badania.
Znacznie bardziej informacyjny jest zapis typu:
KV2 ≥ 40 J przy -20°C
Temperatura próby ma szczególne znaczenie w przypadku konstrukcji pracujących w chłodnym środowisku.

Dlaczego udarność stali może spadać wraz z temperaturą?

Niektóre stale, szczególnie stale o strukturze ferrytycznej, mogą wykazywać wyraźną zmianę sposobu pękania wraz z obniżaniem temperatury.
W wyższej temperaturze materiał może pochłaniać stosunkowo dużą ilość energii przed złamaniem, natomiast po obniżeniu temperatury energia pochłonięta może gwałtownie się zmniejszyć.
Zjawisko to jest związane z przejściem od zachowania bardziej ciągliwego do bardziej kruchego.

Temperatura przejścia kruchego w ciągliwe

Dla niektórych materiałów można obserwować charakterystyczny zakres temperatur, w którym energia pochłonięta podczas próby Charpy’ego szybko się zmienia.
Zjawisko to określa się jako przejście kruche–ciągliwe.
Na wykresie przedstawiającym energię pochłoniętą w funkcji temperatury można wyróżnić:

• obszar niskiej energii w niższych temperaturach,
• obszar przejściowy,
• obszar wyższej energii w wyższych temperaturach.

Dokładny sposób określania temperatury przejścia zależy od przyjętego kryterium i nie powinien być wyznaczany wyłącznie na podstawie pojedynczego wyniku próby.

Próba Charpy’ego a charakter przełomu

Po złamaniu próbki można analizować również charakter powierzchni przełomu.
Przełom może wykazywać cechy zachowania bardziej ciągliwego lub bardziej kruchego.
Ocena powierzchni przełomu może dostarczać dodatkowych informacji o mechanizmie zniszczenia, ale nie zastępuje pomiaru energii pochłoniętej.
W niektórych zastosowaniach wraz z energią Charpy’ego określa się również udział przełomu ścinającego lub rozszerzenie boczne próbki.

KV a wytrzymałość na rozciąganie Rm

Energia KV i wytrzymałość na rozciąganie Rm opisują różne właściwości materiału.

Wysoka wartość Rm nie oznacza automatycznie wysokiej energii pochłanianej podczas próby Charpy’ego.
Materiał może charakteryzować się dużą wytrzymałością statyczną, a jednocześnie niewielką zdolnością do pochłaniania energii przy dynamicznym obciążeniu próbki z karbem w określonej temperaturze.

KV a wydłużenie A i przewężenie Z

Wydłużenie A oraz przewężenie Z dostarczają informacji o odkształceniu plastycznym próbki podczas statycznej próby rozciągania.
KV i KU określają natomiast energię pochłoniętą podczas dynamicznego złamania próbki z karbem.
Parametry te mogą być ze sobą pośrednio związane poprzez zachowanie materiału, ale nie istnieje prosty uniwersalny wzór umożliwiający przeliczenie A lub Z na KV.

KV a twardość

Nie istnieje również uniwersalna zależność pozwalająca przeliczyć twardość materiału bezpośrednio na energię Charpy’ego.
Zmiany mikrostruktury mogą jednocześnie wpływać na:

• twardość,
• Rm,
• Rp0,2,
• wydłużenie,
• energię pochłanianą podczas próby udarności.

Nie oznacza to jednak, że jeden z tych parametrów może zastąpić pozostałe.

Wpływ obróbki cieplnej na KV

Obróbka cieplna może bardzo silnie wpływać na zachowanie materiału podczas próby Charpy’ego.
Zmiana mikrostruktury wskutek hartowania, odpuszczania, normalizowania, wyżarzania lub innych procesów może zmieniać zdolność materiału do pochłaniania energii podczas pękania.
Przykładowo właściwie dobrane odpuszczanie stali zahartowanej może zwiększyć jej odporność na kruche pękanie kosztem części twardości i wytrzymałości.
Efekt zależy jednak od gatunku stali, temperatury i czasu obróbki oraz uzyskanej mikrostruktury.

Wpływ wielkości ziarna na zachowanie udarowe stali

Wielkość ziarna może mieć istotny wpływ na zachowanie niektórych stali podczas pękania.
W przypadku wielu stali ferrytycznych rozdrobnienie ziarna może poprawiać odporność na kruche pękanie i obniżać temperaturę przejścia kruche–ciągliwe.
Jest to jeden z powodów, dla których kontrola mikrostruktury ma duże znaczenie w stalach konstrukcyjnych przeznaczonych do pracy w niskich temperaturach.

Próba Charpy’ego a odporność na pękanie KIC

Wyniku próby Charpy’ego nie należy utożsamiać z odpornością na pękanie K_IC.
Próba Charpy’ego wykorzystuje próbkę z karbem i dynamiczne obciążenie wahadłem. K_IC jest natomiast parametrem mechaniki pękania określanym w ściśle zdefiniowanych warunkach na próbce zawierającej pęknięcie zmęczeniowe.

Pomiędzy tymi wynikami nie istnieje jedna uniwersalna zależność pozwalająca na ich bezpośrednie przeliczanie.

Normy dotyczące próby Charpy’ego – PN-EN ISO 148-1

Podstawową normą dotyczącą próby udarności metali metodą Charpy’ego jest PN-EN ISO 148-1:2017-02, wprowadzająca EN ISO 148-1:2016 i ISO 148-1:2016. Do polskiego wydania opublikowano także poprawkę PN-EN ISO 148-1:2017-02/Ap1:2025-12.
Norma określa m.in. wymagania dotyczące próbek, geometrii karbów U i V, promienia bijaka, aparatury, temperatury, przebiegu badania oraz sposobu wyznaczania i podawania wyników. Rozróżnienie KU2, KU8, KV2 i KV8 wynika właśnie z oznaczania rodzaju karbu i promienia bijaka.
Norma badawcza nie ustala jednej minimalnej wartości energii dla wszystkich stali. Wymagania odbiorowe, w tym temperatura badania, rodzaj karbu, promień bijaka oraz wymagane wyniki, wynikają z normy materiałowej, normy wyrobu, dokumentacji projektowej lub uzgodnionej specyfikacji.
Informacje o normie: Polski Komitet Normalizacyjny – PN-EN ISO 148-1:2017-02 oraz ISO 148-1:2016.

KU2, KV2 i pozostałe oznaczenia w świadectwie odbioru 3.1

W świadectwie odbioru 3.1 sporządzanym zgodnie z EN 10204 można spotkać wyniki prób Charpy’ego. Sam zapis liczby dżuli nie wystarcza do stwierdzenia zgodności materiału z zamówieniem.
Podczas analizy atestu należy sprawdzić:

• rodzaj karbu – U lub V,
• promień bijaka – 2 lub 8 mm, jeśli ma znaczenie według specyfikacji,
• temperaturę badania – np. +20°C, 0°C lub -20°C,
• wymiary próbki – w tym ewentualny zmniejszony przekrój,
• kierunek pobrania próbki – wzdłużny lub poprzeczny,
• wartości z poszczególnych prób i średnią, jeżeli wymagane są przez specyfikację,
• kryterium akceptacji wynikające z właściwej normy materiałowej lub zamówienia.

Przykładowy zapis KU2 = 68 J przy +20°C oznacza energię pochłoniętą 68 J podczas próby próbki z karbem U, przeprowadzonej przy +20°C z bijakiem 2 mm. Dopiero odniesienie takiego wyniku do wymagań zamówienia pozwala ocenić zgodność materiału.
Jeżeli zamówienie wymaga KU2, nie należy przyjmować podanego w ateście KV2 lub KU8 jako automatycznego potwierdzenia tego wymagania.

Dlaczego wykonuje się kilka prób udarności?

W wymaganiach materiałowych próba Charpy’ego jest często wykonywana na zestawie kilku próbek, a ocenie może podlegać wartość średnia oraz – zależnie od specyfikacji – również dopuszczalna minimalna wartość pojedynczego wyniku.
Nie należy jednak stosować jednej uniwersalnej reguły oceny dla wszystkich materiałów. Kryteria akceptacji wynikają z konkretnej normy materiałowej lub specyfikacji.

Kierunek pobrania próbki a wynik KV

Wynik próby może zależeć od orientacji próbki względem kierunku walcowania, kucia lub innego procesu technologicznego.
W materiałach wykazujących anizotropię próbka pobrana w kierunku wzdłużnym może dawać inny wynik niż próbka pobrana w kierunku poprzecznym.
Dlatego przy porównywaniu wartości KV2, KV8, KU2 lub KU8 należy uwzględnić kierunek pobrania próbki.

Dlaczego KV = 27 J jest często spotykane?

W dokumentacji stali konstrukcyjnych często można spotkać wymaganie 27 J przy określonej temperaturze.
Nie jest to jednak uniwersalna granica określająca, czy materiał jest dobry albo odporny na kruche pękanie.
Wartość ta występuje jako kryterium w określonych systemach klasyfikacji i normach materiałowych.
Znaczenie ma zawsze cały zapis, na przykład wymaganie energii przy temperaturze +20°C, 0°C, -20°C, -40°C lub innej temperaturze określonej dla danego materiału.

Przykład oznaczeń JR, J0 i J2 w stalach konstrukcyjnych

W oznaczeniach niektórych stali konstrukcyjnych według norm europejskich można spotkać symbole:

• JR,
• J0,
• J2.

Oznaczenia te są związane z wymaganiami dotyczącymi energii pochłoniętej w próbie Charpy’ego przy określonych temperaturach.
Przykładowo w odpowiednim systemie oznaczeń stali konstrukcyjnych spotyka się wymaganie 27 J przy:

Dlatego przykładowo oznaczenia S355JR, S355J0 i S355J2 nie są równoważne pod względem wymagań dotyczących próby udarności. Uwaga: cyfra 2 w nazwie gatunku S355J2 odnosi się do klasy wymagań przy -20°C, a nie do promienia bijaka w oznaczeniu KV2 lub KU2.

Czy wyższe KV zawsze oznacza lepszy materiał?

Nie. Wyższa energia pochłonięta podczas próby Charpy’ego oznacza, że w konkretnych warunkach badania próbka pochłonęła więcej energii podczas złamania.
Nie oznacza to automatycznie, że materiał jest lepszy we wszystkich zastosowaniach.
Przy doborze materiału należy uwzględnić również:

• Rm,
• Re lub Rp0,2,
• wydłużenie A,
• przewężenie Z,
• twardość,
• odporność zmęczeniową,
• odporność na pękanie,
• temperaturę pracy,
• środowisko eksploatacji.

Najczęściej zadawane pytania – KU2, KU8, KV2 i KV8

Czy KU2 to to samo co KU?

KU2 jest dokładniejszym oznaczeniem: wskazuje nie tylko karb U, lecz także zastosowanie bijaka o promieniu 2 mm. Sam zapis KU nie pozwala jednoznacznie ustalić promienia bijaka, o ile informacja ta nie wynika z innego miejsca w dokumentacji.

Czy KU2 oznacza karb U o głębokości 2 mm?

Nie. Cyfra 2 oznacza promień krawędzi bijaka młota, a nie głębokość karbu. W standardowej próbce pełnowymiarowej z karbem U jego typowa głębokość wynosi 5 mm, o ile specyfikacja nie stanowi inaczej.

Czy KU2 można przeliczyć na KV2?

Nie istnieje uniwersalny przelicznik między KU2 i KV2. Wyniki dotyczą próbek z odmiennym karbem, więc potwierdzenie zgodności wymaga wyniku z właściwej próby lub odrębnie uzgodnionego kryterium.

Czym różnią się KU2 i KU8?

Obie próby dotyczą karbu U, ale wykorzystują bijaki o różnych promieniach krawędzi uderzającej: 2 mm oraz 8 mm. Wyniki nie są automatycznie równoważne.

Czy praca łamania KU2 jest udarnością?

KU2 oznacza energię pochłoniętą w próbie Charpy’ego, wyrażoną w J. W praktyce bywa nazywana udarnością, ale udarność jako wielkość odniesiona do przekroju próbki ma inną jednostkę, np. J/cm². Przy analizie dokumentów najważniejsze jest sprawdzenie symbolu i jednostki.

KU, KU2, KU8, KV, KV2 i KV8 – najważniejsze informacje

• KU i KV wskazują odpowiednio karb U i V w próbie Charpy’ego.
• KU2, KU8, KV2 i KV8 dodatkowo wskazują promień bijaka: 2 lub 8 mm.
• Cyfra 2 w KU2 nie oznacza głębokości karbu.
• Wyniki pracy łamania lub energii pochłoniętej podawane są w J; wynik odniesiony do przekroju może mieć jednostkę J/cm².
• KU2 nie jest zamienne z KV2 ani z KU8 i nie ma uniwersalnego przelicznika.
• Standardowa pełnowymiarowa próbka Charpy’ego ma wymiary 10 × 10 × 55 mm.
• Wynik zależy m.in. od temperatury, stanu materiału, geometrii próbki i kierunku jej pobrania.
• Wyniku próby Charpy’ego nie można bezpośrednio przeliczyć na Rm, twardość, A, Z ani K_IC.
• Przy ocenie świadectwa 3.1 należy porównać pełne warunki badania z wymaganiami materiałowymi i zamówieniem.

Właściwości mechaniczne – wykaz

• Wytrzymałość na rozciąganie Rm
• Granica plastyczności Re, ReH i ReL
• Umowna granica plastyczności Rp0,2
• Wydłużenie A i A5
• Przewężenie Z
• Moduł Younga E
• Współczynnik Poissona ν
• Moduł Kirchhoffa G
• Udarność KU, KU2, KU8, KV, KV2 i KV8 – próba Charpy’ego
• Twardość metali – HBW, HRC, HRB, HV i Knoop
• Wytrzymałość zmęczeniowa i zmęczenie materiałów
• Odporność na pękanie K_IC
• Wytrzymałość na ściskanie
• Wytrzymałość na zginanie
• Wytrzymałość na ścinanie
• Pełzanie materiałów i właściwości mechaniczne w wysokiej temperaturze
• Statyczna próba rozciągania metali
• Krzywa naprężenie–odkształcenie