Politechnika Wrocławska Wrocław, 24.11.2008 r.

Instytut Budownictwa

Katedra konstrukcji metalowych

KONSTRUKCJE METALOWE

- PODSTAWY

ĆWICZENIE LABORATORYJNE

NR 1

Opracowanie:

Sprawdzający:

1. Wstęp teoretyczny

Twardość jest jedną z charakterystycznych właściwości mechanicznych metali, zaliczanych do grupy właściwości wytrzymałościowych. Metody pomiarowe odznaczają się prostotą, łatwością prowadzenia badań oraz małym kosztem. Definicje twardości można sformułować ogólnie: Twardość jest miarą oporu materiału przeciw odkształceniom trwałym, powstającym w skutek wciskania wgłębnika.

Spośród statycznych metod pomiaru twardości, polegających na wciskaniu wgłębnika, do najbardziej powszechnych należą sposoby: Brinella, Vickersa i Rockwella, a z metod dynamicznych - pomiar twardości młotkiem Poldi.

W niniejszym sprawozdaniu zostały przedstawione i opracowane wyniki badań metodą Brinella i młotkiem Poldi, dodatkowo została przeprowadzona próba rozciągania, w celu określenia granicy plastyczności.

Metoda Brinella polega na statycznym wciskaniu twardej, kalibrowanej kulki o średnicy D w powierzchnię metalu, obciążeniem wywołanym siłą F. Twardość Brinella jest to stosunek siły obciążającej F do powierzchni czaszy odcisku, oznacza się ją symbolem HB. Pomiar twardości młotkiem Poldi, mierzy twardość Brinella HB w sposób dynamiczno - plastyczny. Pod wpływem uderzenia stalowa kulka jest jednocześnie wgniatana w badaną powierzchnię oraz w powierzchnię płytki wzorcowej o znanej twardości HB. Porównanie średnic otrzymanych odcisków umożliwia wyznaczenie twardości badanego przedmiotu.

Oznaczenia:

1 - uchwyt

2 - oprawka kulki

3 - płytka o wzorcowej twardości

4 - sworzeń

5 - sprężyna

6 - kulka

Młotek Poldi

F - siła obciążająca

D - średnica kulki

d - średnica odcisku

h - głębokość odcisku

g - grubość próbki

Metoda Brinella

2. Przedmiot badania

Przekrój poprzeczny badanej próbki

h - wysokość próbki

b - szerokość próbki

Wykonano 3 pomiary (początek, środek i koniec)

L=200mm

h: {4,9 mm ; 5,2 mm ; 4,8 mm}

h_śr = 4,97 mm

b: {39,6 mm ; 39,4 mm ; 39,5 mm}

b_śr = 39,5 mm

A=196,315 mm²

3. Badanie twardości metodą Brinella

3.1. Dane schematu pomiarowego

F - siła obciążająca =

D - średnica kulki = 5mm

3.2. Wyniki pomiarów

Wykonano dwa odciski, każdy pomierzono dwukrotnie.

d_i - średnica odcisku

d_śr - średnica uśredniona

lp	d1 [mm]	d2 [mm]	dśr [mm]
1	2,5	2,7	2,6
2	2,6	2,7	2,55

3.3. Część obliczeniowa

Twardość Brinella HB obliczona ze wzoru:

Wartość średnia z trzech pomiarów:

3.4. Rachunek błędów (metoda różniczki zupełnej)

3.5. Korzystając z zależności Brinella możemy określić R_m

; gdzie a = 0,347

Jest to orientacyjna wytrzymałość na rozciąganie wyznaczona na podstawie twardości.

Można również wyznaczyć orientacyjną siłę zrywającą :

Korzystając z wykresu „Wpływ zawartości węgla na właściwości mechaniczne stali węglowych w stanie surowym” możemy oszacować zawartość węgla w badanej próbce. W tym wypadku stężenie masowe węgla wynosi:

Na podstawie tego samego wykresu możemy określić wartość A₅ (wydłużenie), co będzie pomocne przy określeniu gatunku stali na podstawie PN-90-B-03200.

Granicę plastyczności obliczamy na podstawie wzoru
gdzie a_e zostało obliczone w punkcie 6.1 a_e=0,208

4. Badanie twardości metodą młotka Poldi

4.1. Dane schematu pomiarowego

HB_w - tw. wzornika = 203 HB

D - średnica kulki w młotku Poldi = 10 mm

4.2. Wyniki pomiarów

Wykonano 2 odciski, każdy pomierzono dwukrotnie

d_wi - średnica odcisku na wzorniku

d_pi - średnica odcisku na próbce

d_śr - średnica uśredniona

lp	dw1 [mm]	dw2 [mm]	dw śr [mm]	dp1 [mm]	dp2 [mm]	dp śr [mm]
1	2,4	2,3	2,35	3,0	2,8	2,9
2	2,7	2,5	2,6	3,2	3,1	3,15

4.3. Część obliczeniowa

Wartość średnia z dwóch pomiarów:

4.4. Rachunek błędów (metoda różniczki zupełnej)

Twardość zbadana w sposób dynamiczno plastyczny odbiega nieco od twardości próbki pomierzonej wcześniej sposobem Brinella. Sposób obliczenia poszczególnych parametrów jest analogiczny jak przy metodzie Brinella.

5. Próba rozciągania

5.1. Wyniki pomiarów

F_e=53,5 kN

F_zryw=86,5 kN

Wydłużenie 51mm

5.2. Część obliczeniowa

S₀ =

S₀ =

Wyraźna granica plastyczności

Wytrzymałość na rozciąganie

Korzystając z wykresu „Wpływ zawartości węgla na właściwości mechaniczne stali węglowych w stanie surowym” możemy oszacować zawartość węgla w badanej próbce. W tym wypadku stężenie masowe węgla wynosi:

5.3. Rachunek błędów (metoda różniczki zupełnej)

6. Określenie relacji między twardością Brinella (p. 2) a wytrzymałością stali (p. 4)

6.1. Wyznaczenie współczynników a_e i a_m

wg wzoru:
dla i = e, m

6.2. Określenie twardości HB na podstawie R_m i R_e

(przedział poniżej 0,65)

wg Tablicy P.2:

7. Zestawienie wyników

	Brinella	Poldi	Rozciąganie
Twardość	133,86 HB	137,368 HB	130 HB
Rm [MPa]	455,529	467,467	440,618
Re [MPa]	273,055	284,021	272,521
C (%)	0,25	0,35	0,27
A5	30	28	25

8. Wnioski

Twardość badanej próbki stali pomierzono 3 różnymi sposobami. Wyniki są do siebie zbliżone, choć wyraźnie widać, że wyniki uzyskane w próbie Brinella i próbie rozciągania są do siebie najbardziej zbliżone i te można uznać za miarodajne. Na niedokładne wyniki wpływ mogło mieć wiele czynników, a jednym dosyć znaczącym mogła być niedokładność pomiaru średnic wgłębień odcisków przy próbie z młotkiem Poldi.

Na podstawie tabeli w PN-90-B-03200, możemy uznać, że stalą o najbardziej zbliżonych do uzyskanych wyników parametrach, jest stal niestopowa konstrukcyjna St4.

Stal St4 cechuje się następującymi parametrami:

R_{e min} = 245 MPa

R_{m min} = 410 MPa

A₅ = 24%

f_d = 225 MPa

możemy również przyjąć, że zawartość węgla w stali kształtuje się w granicach 0,25%, co świadczy o tym, że stal ma mała kruchość i dość duża udarność. Ten rodzaj stali ze względu na swoje właściwości, stosowany jest do wyrobu blach, kształtowników, prętów, a także rur. Stosowany jest w konstrukcjach spawanych, do produkcji cięgien i złączy.

---