Do budowy nasadek udarowych preferuje się stal Cr-Mo z powodu m.in. lepszego przenoszenia momentu obrotowego a jednocześnie wiadomo że Stal Cr-Mo jest bardziej elastyczna niż Cr-V, co pozwala na lepsze pochłanianie energii udarowej a więc oznacza to zwiększone straty momentu obrotowego. Proszę o wyjaśnienie tej sprzeczności.
• Cr-Mo: wysoka udarność, odkształcenie sprężyste, brak pęknięć → pewny transfer momentu w impulsie.
• Cr-V: wyższa twardość, niska udarność → ryzyko kruchego pęknięcia i utraty funkcji.
• Elastyczna deformacja magazynuje ~1-2 % energii udaru i natychmiast ją oddaje; nie stanowi realnej „straty”.
1.1 Statyczny moment (klucze ręczne) – wzrost momentu liniowy, brak gwałtownych pików.
1.2 Impuls udarowy – czas trwania 0,5–3 ms, strome narastanie do kilku kN·m, fala naprężeniowa propaguje się w materiale.
| Parametr (wart. orientacyjne) | Cr-Mo 4140 / 4340 | Cr-V 50BV30 |
|---|---|---|
| Moduł Younga E [GPa] | 205–210 | 207–210 |
| Wytrzymałość Rm po hartowaniu [MPa] | 900–1100 | 1100–1300 |
| Twardość HRC | 38–44 | 46–52 |
| Udarność KV (ISO V-notch, 20 °C) [J] | 35–45 | 5–12 |
| Energia pękania w -20 °C [J] | 20–30 | <4 |
– Moduł sprężystości obu stali jest praktycznie identyczny; „elastyczniejsza” oznacza więc większą zdolność do plastyczno-sprężystej absorpcji bez inicjacji pęknięć, a nie „miękką” w sensie E.
– Molibden w Cr-Mo zwiększa wytrzymałość w wyższej temperaturze odpuszczania, zapewniając kombinację twardości i udarności; wanad podwyższa twardość i odporność na ścieranie kosztem udarności.
Dla nasadki L = 40 mm, średnica wew. 20 mm, zew. 30 mm, moment impulsu M = 700 N·m:
Moment polaryzacyjny \( J = \frac{\pi}{32}(d_o^4 - d_i^4) \approx 1,7 \times 10^{-8}\; \text{m}^4 \).
Maksymalny kąt skręcenia
\[
\theta = \frac{M\,L}{G\,J} \approx \frac{700\times 0,04}{80\text{ GPa}\times 1,7!\cdot!10^{-8}} \approx 0,02\;\text{rad} = 1,1^\circ
\]
Energia zmagazynowana sprężyście
\[
U = \tfrac{1}{2} M \theta \approx 7 \;\text{J}
\]
Przeciętny udar pneumatycznego klucza przekazuje 400–700 J, więc <2 % energii gromadzi się przejściowo w ugięciu nasadki i zostaje natychmiast oddana – praktycznie brak strat.
Cr-V przy \(K_{IC}\) ok. 30 MPa√m może inicjować pęknięcie przy pojedynczym piku naprężeń >1500 MPa; Cr-Mo przy \(K_{IC}\) 60–70 MPa√m wytrzymuje liczne cykle udarowe, pęknięcie odkłada się w czasie (wysoka wytrzymałość zmęczeniowa).
• Producenci (Snap-On, Tekton, Olsa) od 2023 r. wprowadzają mikro-stopy Ni-Cr-Mo z bainityczną obróbką dla jeszcze wyższej udarności.
• Normy ISO 2725-1:2021 i ANSI/ASME B107.2-2022 wymagają dla nasadek udarowych minimalnej udarności 35 J – obecnie spełniana głównie przez Cr-Mo i stopy Ni-Cr-Mo.
• Trend: laserowe kształtowanie z gradientem twardości (twarda powierzchnia, ciągliwy rdzeń).
• „Twardsza = lepsza” sprawdza się tylko przy obciążeniach quasi-statycznych; w udarze kluczowa jest energia pękania \(K_{IC}\).
• Grubsze ścianki nasadek udarowych to nie tylko efekt „miękkiego” materiału, ale również dostrojenie impedancji falowej, zmniejszenie amplitudy naprężenia ścinającego i ochrona przed lokalnym wyboczeniem.
• Czarna powłoka (fosforan manganu) na Cr-Mo nie odpryskuje jak dekoracyjny chrom na Cr-V.
• Używanie nasadki Cr-V z kluczem udarowym narusza zalecenia ANSI/ASME i może skutkować odpowiedzialnością pracodawcy (OSH Act §5).
• Odpryski pękniętej nasadki stanowią zagrożenie BHP – wypadki z obrażeniami oczu są udokumentowane w raportach OSHA (2021).
• Przy ekstremalnie wysokich momentach (>3500 N·m) zwykła Cr-Mo może wymagać dodatkowego ulepszenia izotermicznego (bainit austempering).
• Analiza tu podana dotyczy temperatur pokojowych; w –40 °C różnice udarności między Cr-Mo a Cr-V rosną jeszcze bardziej.
• Zbadanie wpływu gradientowych struktur bainityczno-martensytycznych na propagację fal udarowych.
• Ocena metod addytywnych (DED, WAAM) do produkcji nasadek z lokalnym wzmocnieniem włóknami stalowymi.
• Korozja naprężeniowa Cr-Mo w obecności smarów zawierających chlor – temat otwarty.
Stal Cr-Mo jest wybierana do nasadek udarowych nie dlatego, że przekazuje większy statyczny moment, lecz dlatego, że w warunkach impulsowych nie pęka. Jej sprężysto-plastyczne ugięcie pochłania jedynie ułamki energii, które i tak zostają oddane w tej samej fazie udaru, a korzyścią jest eliminacja kruchego zniszczenia charakterystycznego dla twardej Cr-V. W rezultacie Cr-Mo zapewnia najwyższą efektywność i bezpieczeństwo pracy z kluczami udarowymi.
