Wydział IMiIP	Imię i nazwisko Konrad Rugała	Rok II	Grupa 13	Nr ćwiczenia 4
Temat: Badanie własności mechanicznych	Data wykonania 07.04.2014	Data oddania 14.05.2014
	Ocena:

Wstęp

Własności mechaniczne to zbiór podstawowych własności jakie cechują metale. Możemy je podzielić w następujący sposób:

• Własności wytrzymałościowe:

  • Wytrzymałość na rozciąganie

  • Twardość

  • Odporność na ścieranie

  • Wytrzymałość na odkształcenia

• Własności plastyczne:

  • Wydłużenie

  • Przewężenie

  • Udarność

  • Podatność na odkształcenia

Twardość – jest to odporność materiału na zniekształcenie. Do wykonania pomiaru twardości wykorzystywane są specjalne maszyny zwane twardościomierzami. Pomiar twardości polega na wciśnięciu specjalnego wgłębnika w próbkę materiału, a następnie dokonanie pomiaru odcisku. Rodzaj wgłębnika oraz cecha mierzona zależą od metody:

• Metoda Vickersa – do wykonania pomiaru tą metodą wykorzystywany jest wgłębnik w kształcie ostrosłupa o podstawie prostokąta. Kąt ostrosłupa wynosi zazwyczaj 136⁰. Wgłębnik wykonany jest z diamentu. Po dokonaniu pomiaru mierzymy obie przekątne odcisku, wyciągamy z nich średnią i tak otrzymaną wartość wstawiamy do następującego wzoru:

$$HV = \frac{F}{A_{0}} = \frac{d^{2}}{2\sin\left( \frac{\alpha}{2} \right)}\ $$

• Metoda Knoopa – jest to metoda bardzo podobna do metody Vickersa. Różnica polega na wykorzystaniu diamentowego wgłębnika w kształcie ostrosłupa o innych wymiarach. Odcisk jaki uzyskujemy w tej metodzie ma zazwyczaj przekątne o stosunku około 7:1 dzięki czemu, metoda ta naddaje się dobrze do pomiarów twardości w materiałach anizotropowych. Twardość otrzymujemy z wzoru:

$$HK = 14,229\left( \frac{F}{d^{2}} \right)$$

• Metoda Brinella – w tej metodzie wykorzystujemy kulkę ze stali narzędziowej. Odciska ma kształt czaszy, a do otrzymania współczynnika twardość potrzebna nam jest średnica kuli oraz średnica odcisku. Korzystamy ze wzoru: $HBW = \frac{2F}{\text{πD}\left( D - \sqrt{D^{2} - d^{2}} \right)}$ By pomiar dokonany tą metodą był dokładny, wartość średnicy odcisku powinna znajdować się w przedziale 0,25-0,65 średnicy wgłębnika.

• Metoda Rockwella – ta metoda stosuje dwa rodzaje wgłębnika, a twardość obliczana jest na podstawie głębokości odcisku, co czyni tą metodę popularną. Do pomiarów materiałów o mniejszej twardości wykorzystuje się kulkę ze stali narzędziowej, a twardość określana jest w skali HRB. Dla materiałów twardszych za to stosuje się stożek diamentowy oraz skalę HRC. Do obliczenia tych wartości wykorzystuje się wzór: $K - \frac{h}{0,002}$ gdzie K=100 dla HRB lub K=130 dla HRC.

Udarność – jest to odporność na pękanie przy obciążeniu dynamicznym. Materiały o dużej udarności cechują się dobrymi właściwościami plastycznymi. Łamią się w sposób ciągliwy. Materiały twarde mają niską udarność, przez co są kruche.

Do pomiaru udarności stosujemy specjalne urządzenie zwane młotem Charpy’ego. W urządzeniu umieszczamy przygotowaną próbkę i unosimy ciężki młot zaczepiony na długim ramieniu. Po zwolnieniu blokady młot spada uderzając w próbkę i łamiąc ją, a wskazówka na urządzeniu wskazuje wynik naszego pomiaru. Udarność więc wskazuje stosunek siły do przekroju poprzecznego w próbce.

Próbki wykorzystywane do obliczania udarności są w kształcie prostopadłościanu o podstawie 10mm x 10mm i posiadają nacięty karb o głębokości 2mm. Łatwo zatem obliczyć, że pole poprzeczne w miejscu łamania wyniesie 80mm². Karb może mieć jeden z dwóch kształtów:

• Karb Mesnagera – kształt litery U o szerokości 2mm.

• Karb Charpy’ego – kształt litery V o kącie rozwarcia 45⁰.

Kształt karbu wpływa na łatwość złamania próbki. Kształt zaokrąglony jaki mamy w karbie Mesnagera utrudnia złamanie.

Statyczna próba rozciągania – do wykonania tej próby potrzebne jest specjalne urządzenie nazywane zrywarką i odpowiednio przygotowana próbka. Zrywarka składa się z dwóch uchwytów gdzie mocujemy próbkę. Uchwyty te oddalają się od siebie dążąc do zerwania próbki. Próbka jest w kształcie walca z przewężeniem na środku. Rozróżniamy próbki pięciokrotne i dziesięciokrotne. Krotność próbki oznacza stosunek długości przewężenia do jego średnicy czyli dla próbki pięciokrotnej długość wynosi L = 5d.

Podczas próby rozciągania możemy wyznaczyć wiele parametrów opisujących testowany materiał. Są to między innymi: granica wytrzymałości, naprężenia, granica plastyczności, współczynnik Poissona, moduł Younga oraz moduł Kirchhoffa.

Cele ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z najczęściej stosowanymi metodami badania własności mechanicznych, a konkretnie statycznej próby rozciągania oraz metod pomiaru twardości i udarności.

Przebieg ćwiczenia

W pierwszej fazie ćwiczenia do pieca o temperaturze 850⁰ zostało umieszczone 5 próbek wykonanych ze stali C40. Próbki miały kształt prostopadłościanu o wymiarach 10x10x57mm oraz centralnie umiejscowiony karb Charpy’ego. Przez 20 minut były wyżarzane.

W tym czasie została omówiona próbka użyta w próbie rozciągania. Wykonana była z tej samej stali. Była to próbka dziesięciokrotna. Zerwania próbki dokonał prowadzący, a następnie przekazał nam wykres przedstawiający zależność wydłużenia próbki od użytej siły.

Dane: L₀ = 40,    d = 4 → S₀ ≈ 50

Po zerwaniu próbka osiągnęła długość 56mm oraz pole przekroju w miejscu zerwania około 12,7mm. Na tej podstawie obliczyliśmy przewężenie oraz wydłużenie próbki:

$$A = \frac{L}{L_{0}} = 0,4\ \ \ \ \ \ \ \ Z = \frac{S}{S_{0}} = 0,75$$

Korzystając z tych wartości oraz wartości sił odczytanych na wykresie mogliśmy również wyznaczyć (wartości zostały zaokrąglone do części dziesiętnych):

• Granicę wytrzymałości $R_{m} = \frac{F_{m}}{S_{0}} = 340MPa$

• Granicę plastyczności $R_{e} = \frac{F_{e}}{S_{0}} = 276\text{MPa}$

• Górną granicę plastyczności $R_{\text{eH}} = \frac{F_{eH}}{S_{0}} = \frac{13\ 891,4}{50} = 277,8MPa$

• Dolną granicę plastyczności $R_{\text{eL}} = \frac{F_{eL}}{S_{0}} = \frac{13\ 617,2}{50} = 272,3\text{MPa}$

• Naprężenie zrywające $R_{u} = \frac{F_{u}}{S_{u}} = \frac{14\ 000}{12,57} = 1113,8\text{MPa}$

Po skończeniu omawiania statycznej metody rozciągania wróciliśmy do naszych wyżarzanych próbek. Jedną z nich poddaliśmy normalizacji, a resztę hartowaniu w wodzie. Następnie 3 z nich zostały poddane odpuszczaniu przez 20 minut. Dla każdej próbki zostały wykonane pomiary twardości w skali Brinella.

Numer próbki	Średnia twardość po hartowaniu (HBW)	Temperatura odpuszczania	Średnia twardość po odpuszczaniu (HBW)
1	220	-	-
2	530	-	-
3	530	300	421
4	530	500	310
5	530	650	228

Kolejnym etapem ćwiczenia było przeprowadzenie testów udarności na wszystkich pięciu próbkach. Do tego został użyty młot Charpy’ego. Każda z próbek została złamana, została odczytana siła użyta do łamania próbki, a następnie obejrzeliśmy i omówiliśmy rodzaje złamań. Określiliśmy, którą próbkę cechuje najwyższa udarność, a którą najniższa. Zebrane dane najlepiej zobrazuje wykres:

Wnioski

Statyczna próba rozciągania pokazała nam, że nasz próbka jest materiałem o dużej plastyczności. Nasza próbka wydłużyła się aż o 40% zanim doszło do pęknięcia. Jej przekrój zmalał o 75%. Jest to dobry wynik jeżeli poszukujemy materiału plastycznego.

Natomiast jeśli chodzi o twardość wynik nie jest zadawalający. Twardość rzędu 220HBW (około 19HRC) jest wartością niską. Po zahartowaniu uzyskaliśmy twardość poniżej 53HRC co jest wynikiem niższym od stali C45 stosowanej na laboratoriach numer 5 (Badanie wpływu obróbki cieplnej na strukturę i własności stali). Stal C45 osiągnęła twardość około 56HRC. Tym samym łatwo zauważyć, że większa zawartość węgla wzmacnia stal.

W próbie udarności z wykorzystaniem młota Charpy’ego zauważyliśmy, że próbki o wysokiej twardości uzyskały słaby wynik w udarności. Próbka numer 2, która była zahartowana pękła w sposób bardzo kruchy. Złom próbki jest gładki, a fragmenty łatwo do siebie dopasować.

W próbce numer 3 również doszło do pęknięcia kruchego. Jednak pod wpływem niskiego odpuszczania próbka ta w stopniu niskim wzmocniła swoje zdolności plastyczne. Dlatego właśnie w miejscu złamania widzimy lekkie pofalowanie powierzchni.

Próbka numer jeden pękła w sposób ciągliwy. Sugeruje to, że stal ta ma dobre własności plastyczne. Wynik ten jest współmierny z wynikami otrzymanymi podczas rozciągania.

Najbardziej ciągliwe przerwania zaobserwowaliśmy w próbkach numer 4 i 5, które były poddane odpuszczaniu średniemu i wysokiemu. Na tych próbkach widzimy bardzo rozciągnięte fragmenty materiału. Po próbie złożenie fragmentów próbki piątej zauważyłem, że kąt jej zgięcia wyniósł około 25⁰. Cechuje ją bardzo dobra udarność a wynik jej jest prawie dwukrotnie wyższy od próbki drugiej.