Ćwiczenie nr 4.
Badanie twardości i udarności
wybranych materiałów elektroizolacyjnych
1
1. Badanie twardości
1.1. Wprowadzenie
Pojęcie twardości nie jest związane z konkretnym zjawiskiem fizycznym. Można przytoczyć
kilkadziesiąt definicji twardości, ale większość z nich stwierdza, że twardość jest odpornością ciała
stałego na trwałe odkształcenie, wywołane pod wpływem siły działającej na określoną
powierzchnię materiału. Twardość jest wielkością związaną ze współczynnikiem sprężystości oraz
granicą sprężystości ciała stałego. Na podstawie tych właściwości zostały opracowane metody
pomiaru twardości. Najczęściej stosowane metody to: Brinella (HB), Rockwella (HR), Vickersa
(HV), Poldi, Shore a, Knoopa (HK), Grodzińskiego (HDC), Mohsa i wiele innych. W zależności od
rodzaju materiału zalecane są odpowiednie metody. Twardość metali wyznacza się metodami
Brinella, Rockwella i Vickersa polegającymi na pomiarze wymiarów odcisku powstałego na skutek
wciskania wgłębnika. Natomiast minerały bada się metodą Mohsa polegającą na sprawdzeniu
możliwości zarysowania materiału przez dziesięć różnych materiałów wzorcowych (m.in. diament,
korund, kwarc, kalcyt, talk). Istnieją również metody pomiaru mikrotwardości (np. Knoopa,
Grodzińskiego) pozwalające badać próbki bardzo małe, cienkie lub kruche.
Inżynier, projektujący nowe urządzenie, powinien mieć na uwadze nie tylko wytrzymałość
elektryczną danego układu izolacyjnego, ale również jego odporność na narażenia mechaniczne.
Jednym z parametrów wytrzymałości mechanicznej jest twardość, którą w przypadku materiałów
elektroizolacyjnych wyznacza siÄ™ metodÄ… wciskania kulki. Metoda ta polega na wgniataniu
metalowej kulki w badany materiał przy użyciu określonej siły. Na podstawie znajomości
przyłożonej siły oraz powierzchni odcisku w materiale wyznaczana jest twardość HB.
1.2. Zakres ćwiczenia i sposób wykonania pomiarów
W ćwiczeniu należy wykonać pomiar twardości rezokartu oraz, dla porównania, sklejki. Do
wykonania ćwiczenia należy użyć przyrząd Brinella (Rys. 1.). Pomiary należy wykonywać zgodnie
z normą PN-EN ISO 2039-1  Tworzywa sztuczne. Oznaczanie twardości. Cześć 1: Metoda
wciskania kulki.
Rys 1. Aparat do badania twardości
2
Próbę twardości należy powtórzyć sześciokrotnie dla każdego materiału. Aby wykonać pomiar
należy:
a) obniżyć stolik, tak aby przerwa pomiędzy stolikiem a kulką była wystarczająca do umieszczenia
próbki;
b) umieścić badaną próbkę na stoliku;
c) podnieść stolik do uzyskania wartości obciążenia wstępnego F0 = 9,8 ą 0,1 N ustawiając
czujnik głębokości odcisku w pozycji  0 ;
d) płynnie przyłożyć obciążenie Fm; wartość obciążenia powinna być dobrana z dostępnego
zakresu
{49 N; 132 N; 358 N; 961 N} tak, aby głębokość odcisku h, z uwzględnieniem poprawki na
odkształcenie ramy urządzenia, po 30 sekundach znajdowała się w zakresie od 0,15 do 0,35 mm
(patrz  Wyniki pomiarów );
e) po 30 sekundach oddziaływania obciążenia Fm zmierzyć głębokość odcisku pod obciążeniem h1.
1.3. Wyniki pomiarów i dyskusja błędów
Wyniki pomiarów należy zapisać w tabeli 1. Następnie obliczyć twardość zgodnie z poniższymi
wzorami (1,2). Przy wpisywaniu wyniku pomiaru twardości należy uwzględnić jego dokładność
obliczoną za pomocą wzorów 3 oraz 4.
Tabela 1 Wyniki pomiarów twardości.
Materiał Próba Fm Fr h1 h2 h HBśr HB HB
Ã
Drewno 1
...
6
Rezokart 1
...
6
Twardość wyznacza się ze wzoru:
Fr
HB =
(1)
Ä„ Å" d Å" hr
gdzie:
HB - twardość metodą wciskania kulki [N/mm2]
F - zredukowane obciążenie badania [N] (patrz niżej)
r
h - zredukowana głębokość odcisku (= 0,25 mm)
r
d - średnica kulki wgłębnika (= 5 mm)
Zredukowane obciążenie badania F obliczyć następująco:
r
Ä… 0,21
Fr = Fm Å" = Fm Å"
(2)
(h - hr ) + Ä… h - 0,25 + 0,21
gdzie:
F - obciążenie wgłębnika [N]
m
h - zredukowana głębokość odcisku (= 0,25 mm)
r
h = h - głębokość odcisku po uwzględnieniu poprawki uwzględniającej
1 h
2
odkształcenie ramy [mm]
3
h - głębokość odcisku wgłębnika pod obciążeniem badania [mm]
1
h - odkształcenie ramy aparatu pod obciążeniem badania [mm]
2
ą - stała (= 0,21)
Wartości F i h należy odczytać z Tabeli 1.
m 2
Tabela 2. Dane obciążników aparatu do badania twardości materiałów
Siła [N] Numer obciążnika Odkształcenie ramy aparatu [mm]
9,81 - -
49,03 9004/1 -
132,39 9004/1 + 9004/2 0,01
357,94 9004/1 + 9004/2 + 9004/3 0,02
961,05 9004/1 + 9004/2 + 9004/3 + 9004/4 0,06
Dla każdego pomiaru należy obliczyć wartość HB. Następnie obliczyć średnią twardości dla
każdego materiału według wzoru:
6
HBi
"
(3)
i= 1
HBśr =
6
I dalej średnie odchylenie standardowe średniej arytmetycznej ze wzoru:
6
2
(HBi - HBśr )
"
(4)
i= 1
à =
HB
n Å" (n - 1)
Końcowy wynik należy zapisać w postaci:
HB = HBÅ›r Ä… tÅ‚ ,k Å" Ã
(5)
HB
gdzie tł jest współczynnikiem Studenta dla serii pomiarów o k stopniach swobody i dla założonego
,k
przedziału ufności ł. W tym przypadku należy przyjąć k = n 1 = 5, przedział ufności ł = 0,95, co
daje współczynnik Studenta t = 2,5706.
2. Badanie udarności
2.1. Wprowadzenie
Jedną z ważniejszych właściwości mechanicznych materiałów jest odporność na naprężenia
mechaniczne. Niektóre materiały (np. stale) wykazują bardzo dobrą odporność na rozciąganie
statyczne i wyraz
ną różnicę pomiędzy siłą powodującą odkształcenie plastyczne, a siłą powodującą
zerwanie próbki. Jednak w przypadku przyłożenia siły udarowej zdarza się, że materiały te
zachowują się jak materiały kruche, tzn. nie występują odkształcenia plastyczne i od razu następuje
zerwanie próbki. W praktyce zjawiska takie mają olbrzymi wpływ na wytrzymałość konstrukcji, np.
spawanych. W elektrotechnice występowanie dużych sił udarowych jest związane przede
wszystkim z przepięciami i zwarciami. W takich wypadkach, przepływ prądów o natężeniu
wielokrotnie większym od znamionowego, powoduje powstawanie olbrzymich sił udarowych. Z
tego powodu w projektowaniu urządzeń elektrycznych istotna jest znajomość wytrzymałości
udarowej materiałów izolacyjnych.
4
2.2. Zakres ćwiczenia i sposób wykonania pomiarów
W ćwiczeniu należy wykonać pomiar udarności rezokartu oraz sklejki. Do wykonania ćwiczenia
należy zastosować młot Chrpy ego (Rys. 2). Pomiary należy wykonywać zgodnie z normą PN-EN
ISO 179-1  Tworzywa sztuczne. Oznaczanie udarności metodą Charpy ego. Część 1:
Nieinstrumentalne badanie udarności.
Rys. 2. Wygląd i oznaczenia wymiarów badanych próbek
W przypadku rezokartu należy wykonać trzy próby:
1) kierunek uderzenia wzdłuż boku b próbki;
2) kierunek uderzenia wzdłuż boku h próbki;
3) kierunek uderzenia wzdłuż boku b próbki z karbem; próbkę należy umieścić tak, aby karb
znalazł się po przeciwnej stronie uderzanej krawędzi.
W przypadku sklejki należy wykonać trzy próby:
4) kierunek uderzenia ku płaszczyz
nie warstw próbki;
5) kierunek uderzenia ku krawędziom warstw próbki;
6) próbka z karbem; próbkę należy umieścić tak, aby karb znalazł się po przeciwnej stronie
uderzanej krawędzi.
Rys. 3. MÅ‚ot Charpy ego
5
W celu dokonania pomiaru należy:
a) ustabilizować młot;
b) ustawić wskazówkę i zabierak w pozycji maksymalnej energii  dla młota stosowanego w tym
ćwiczeniu 40 kg·cm;
c) podnieść młot i zablokować zaczepem;
d) umieścić badaną próbkę na podporach;
e) zwolnić zaczep (UWAGA!!! Podczas próby istnieje możliwość wyrzucenia części badanej
próbki z dużą siłą. Młot wykonuje ruch wahadłowy, należy uważać na ruch powrotny młota.)
f) po zatrzymaniu wahadła odczytać wartość energii potrzebnej do złamania próbki E.
2.3. Wyniki pomiarów i dyskusja błędów
Wyniki pomiarów należy zapisać w tabeli 3. Następnie obliczyć udarność zgodnie ze wzorami 6, 7
oraz 8. Przy wpisywaniu wyniku pomiaru udarności należy uwzględnić jego dokładność obliczoną
za pomocÄ… wzoru 9.
Udarność kształtki bez karbu należy obliczyć ze wzoru:
E
acU = Å"103
(6)
h Å" b
E - energia pochłonięta przy złamaniu próbki [J];
h - grubość próbki [mm];
b - szerokość próbki [mm].
Dla kształtek z karbem należy zastosować wzór:
E
acN = Å"103
(7)
h Å" bN
E - energia pochłonięta przy złamaniu próbki [J];
h - grubość próbki [mm];
bN - szerokość próbki w miejscu karbu [mm].
Wartość energii E należy obliczyć ze wzoru:
E' Å" 9,81
E = (8)
100
E - wartość odczytana ze skali mÅ‚ota Charpy ego [kgÅ"cm],
9,81 - przyspieszenie ziemskie.
Użyty w ćwiczeniu mÅ‚ot posiada maksymalnÄ… energiÄ™ 40 [kgÅ"cm]. W celu obliczenia bÅ‚Ä™du pomiaru
należy skorzystać z metody różniczki zupełnej (prawa propagacji błędów):
ëÅ‚ " a " a " a öÅ‚
" a = ìÅ‚ Å" " E + Å" " h + Å" " b÷Å‚ Å"103 =
ìÅ‚ ÷Å‚
" E " h " b
íÅ‚ Å‚Å‚
(9)
ëÅ‚ 1 E 1 E 1 öÅ‚
= ìÅ‚ Å" " E + - Å" Å" " h + - Å" Å" " b÷Å‚ Å"103
ìÅ‚
hÅ" b b h2 h b2 ÷Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
6
Błędy bezwzględne pomiaru poszczególnych wielkości:
E - 0,049 [J]
h - 0,02[mm]
b - 0,02 [mm]
Tabela 3 Wyniki pomiarów udarności.
Materiał Próba E E h b lub bN a
"a aÄ…"a
Drewno 1
2
3
Rezokart 4
5
6
3. Wnioski
We wnioskach należy zwrócić uwagę na różnicę twardości i udarności pomiędzy sklejką a
rezokartem. W przypadku udarności należy zastanowić się jaki wpływ na wytrzymałość materiału
ma kierunek uderzenia względem ułożenia warstw laminatu.
4. Literatura
[1] PN-EN ISO 2039-1 marzec 2004, Tworzywa sztuczne. Oznaczanie twardości. Część 1: Metoda
wciskania kulki
[2] PN-EN ISO 179-1 marzec 2004, Tworzywa sztuczne. Oznaczanie udarności metodą
Charpy ego. Część 1: Nieinstrumentalne badanie udarności
[3] Badania eksperymentalne w wytrzymałości materiałów, skrypt pod red. S. Joniaka, WPP
Poznań 2006
[4] Ćwiczenia laboratoryjne z wytrzymałości materiałów, praca zbiorowa, WPP Poznań 1982
[5] Poradnik Inżyniera Mechanika, praca zbiorowa, WNT Warszawa 1968
[6] Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A., Metrologia elektryczna, WNT, Warszawa 2003
7