Sprawozdanie nr 2 z ćwiczenia laboratoryjnego
przedmiotu Materiałoznawstwo.
Próba udarowego zginania na młocie Chrapy ego.
Wykonała:
Nr albumu:
Kierunek:
studia dzienne, pierwszego stopnia
rok , sem.
ProwadzÄ…cy:
Rok akademicki
1. Przedmiot ćwiczenia laboratoryjnego.
Przedmiotem ćwiczenia było poddanie próbie udarowego zginania wcześniej przygoto-
wanych próbek materiałów: stali, glinu, żeliwa, tekstolitu oraz drewna.
2. Cel ćwiczenia laboratoryjnego.
Celem ćwiczenia było zapoznanie się z:
- właściwościami oraz zachowaniem materiałów poddawanych próbie udarowego zginania
i interpretacją wyników.
- narzędziami wykorzystywanymi podczas badania.
3. Opis wykonanego ćwiczenia laboratoryjnego.
3.1. Zastosowane materiały.
Do wykonania ćwiczenia użyto znormalizowanych próbek następujących materiałów:
stal, żeliwo, glin, tekstolit oraz drewno o prostopadłościennym kształcie i wymiarach
8mm × 5mm × 550mm z karbem  U .
Rys 1. Przygotowane próbki (od lewej: żeliwo, stal, glin, tekstolit, drewno).
Podstawowe właściwości badanych materiałów:
Stal- stop żelaza z węglem, którego stężenie nie przekracza 2,11%,i in. pierwiastkami
wprowadzonymi w celu uzyskania żądanych własności, najczęściej mechanicznych, techno-
logicznych, elektrycznych, magnetycznych, chemicznych i in., obrabialny plastycznie,
otrzymywany w procesach stalowniczych (w konwertorach Bessemera lub Thomasa, w pie-
cach martenowskich, tyglowych lub elektrycznych) w stanie ciekłym. Materiałem wyjścio-
2
wym do wytwarzania stali jest surówka wielkopiecowa stalownicza i złom stalowy. Stal od-
laną w postaci wlewków poddaje się w hucie obróbce plastycznej w celu nadania jej osta-
tecznej postaci. Jest najważniejszym materiałem w budowie maszyn, a także jednym z pod-
stawowych i niezbędnych materiałów w budownictwie. Podstawowe cechy stali:
" GÄ™stość wÅ‚aÅ›ciwa ok. rð = 7,86g/cm3 (jest to wartość zmienna w zależnoÅ›ci od %
w
zawartości węgla i innych dodatków uszlachetniających)
" Temperatura topnienia T =1495ºC.
i
" Odporność na działanie obciążeń statycznych i dynamicznych
" Wykazuje dużą żaroodporność oraz żarowytrzymałość zmęczeniową
" W temperaturze pokojowej jest ferromagnetykiem oraz dobrym przewodnikiem cie-
pła i prądu elektrycznego
" Nie jest odporna na działanie czynników chemicznych, więc aby zapobiec uszkodze-
niom wprowadza siÄ™ sztucznie dodatki uszlachetniajÄ…ce takie, jak: nikiel, chrom,
mangan, krzem, wolfram oraz kobalt.
Żeliwo- stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, o zawartości węgla powyżej 1,7%
(zazwyczaj w zakresie 2 5%C), przeznaczony na odlewy. Otrzymuje siÄ™ je przez stopienie
w żeliwiaku surówki wielkopiecowej z dodatkiem złomu żeliwnego lub stalowego oraz że-
lazostopów. W zależności od postaci, w jakiej występuje węgiel rozróżnia się żeliwa: szare
(węgiel w postaci grafitu), białe (węgiel w postaci węglika żelaza  cementytu) oraz poło-
wiczne (w pewnych skupieniach węgiel występuje jako grafit, w innych jako cementyt. Pod-
stawowe cechy żeliwa:
" dobre tłumienie wibracji i drgań, gdyż grafit, szczególnie płatkowy, przeciwdziała
odkształceniom sprężystym
" dobre właściwości odlewnicze - mały skurcz i dobre wypełnianie formy, małą wraż-
liwość na wady powierzchniowe i karby
Aluminium (Glin)- lekki, kowalny metal o srebrzystoszarym połysku wykorzystywany
m.in. do przygotowywania lekkich stopów, folii, luster, jako farba ochronna. Podstawowe
cechy aluminium:
" Krystalizuje się w sieci regularnej ściennie centrowanej A1
" Nie wykazuje odmian alotropowych
" GÄ™stość wÅ‚aÅ›ciwa rð = 2,699 g/cm3
w
" temperatura topnienia T =660 ºC
i
" temperatura wrzenia T=2494 ºC
" Odznacza się wysoką przewodnością elektryczna i cieplną
" Mała wytrzymałość na rozciąganie
" Jest odporne na korozję, dzięki tlenkowi Al2O3 który pokrywa powierzchnię.
Tekstolit- materiał kompozytowy zawierający 40% polimerów i 60% tworzyw sztucz-
nych, wykorzystywany w przemyśle maszynowym i elektroenergetyce. Tekstolit jest lami-
natem technicznym składającym się z nośnika- tkaniny bawełnianej i żywicy fenolowej.
Tekstolit jest produkowany w postaci płyt, rur, prętów i wyprasek kształtowych. Stosuje się
go w przemyśle hutniczym i maszynowym jako materiał konstrukcyjny m. in. w łożyskach
ślizgowych. Ma także zastosowanie w przemyśle elektrotechnicznym, jako elementy elek-
troizolacyjno- konstrukcyjne transformatorów olejowych i silników elektrycznych, a także
aparatury rozdzielczej niskiego i średniego napięcia. Podstawowe cechy tekstolitu:
" Charakterystyczny brÄ…zowy kolor.
" Małą wrażliwość na działanie podwyższonej temperatury- nie topi się i nie zmienia
kształtów.
" Dobre właściwości reologiczne (praktycznie brak pełzania).
3
" Odporność na oddziaływania dynamiczne i statyczne dzięki usieciowanej strukturze
i zbrojeniu tkaninÄ….
" Temperatura pracy ciÄ…gÅ‚ej wynosi 120ºC, ale chwilowo może być przegrzewany do
180ºC.
Drewno- anizotropowy materiał konstrukcyjny pozyskiwany ze ściętych drzew i formo-
wany przez obróbkę w różnego rodzaju sortymenty. Drewno zajmuje przestrzeń pomiędzy
rdzeniem, a warstwą łyka i kory. Pod względem technicznym drewno jest naturalnym mate-
riałem kompozytowym o osnowie polimerowej wzmacniany ciągłymi włóknami polimero-
wymi, którymi są podłużne komórki zorientowane jednoosiowo. Zalety drewna jako su-
rowca:
" łatwe w obróbce (gatunki miękkie)
" izoluje termicznie i elektrycznie
" materiał ekologiczny
" odporne na działanie wielu czynników chemicznych
" higroskopijne (wchłania i oddaje wilgoć do osiągnięcia stanu równowagi z otocze-
niem, aby temu zapobiec stosuje siÄ™ odpowiednie emalie i lakiery)
4
3.2. Zastosowane maszyny i urzÄ…dzenia.
W pierwszym etapie ćwiczenia, podczas pomiaru badanych próbek, w celu sprawdzenia
zgodności wykonania z warunkami normowymi PN-EN l0045-l, wykorzystano suwmiarkę ana-
logową. Zasadniczymi częściami jej konstrukcji były: prowadnica z podziałką główną, prze-
suwny suwak z podziałką i szczęki: stała oraz przesuwna (rys. 2.).
Rys 2. Suwmiarka analogowa. 1- prowadnica z podziałką główną, 2- szczęka stała, 3- szczęka
przesuwna, 4- suwak z podziałką, 5- śruba zaciskowa, 6,7- szczęki pomiarowe, 8- zacisk sa-
moczynny, 9- wysuwka głębokościomierza.
W czasie wykonywania właściwegoo badania udarowego wykorzystano młot wahadłowy
Charpi ego o energii poczÄ…tkowej 50J, numerach fabrycznych 402/7, wyprodukowanego
w 1984r. w zakładach VEB Werkzeugmaschinenkombinat ,,Fritz Heckert (rys. 3.).
Rys. 3. Młot Charpy ego stosowany w bada- Rys. 4. Młot Charpy ego w górnym
niu próby udarowego zginania. położeniu przygotowany do
badania.
5
Schemat budowy urządzenia przedstawiono na rys. 4. Młot 2 był zamocowany wahliwie na
podstawie l. Na osi obrotowej, połączonej sztywno z wahadłem znajdowała się wskazówka 5,
która z pewnym oporem mogła obracać się wokół osi. Po zamocowaniu wahadła w górnym,
początkowym położeniu, przy wychyleniu młota o kąt ą, wskazówkę 5 należało dosunąć do
ogranicznika 3. Po zwolnieniu zaczepu młot opadając uderzał próbkę 6, po czym wychylał się
o kÄ…t ². Podczas ruchu wahadÅ‚a wskazówka, opierajÄ…c siÄ™ na ograniczniku 3 i nie majÄ…c moż-
liwoÅ›ci obracania siÄ™ wraz z osiÄ… wahadÅ‚a, zostaÅ‚a przesuniÄ™ta w poÅ‚ożenie l80°-² wzglÄ™dem
wahadła. Po zatrzymaniu wahadła i ustaleniu się jego w położenia pionowym na noniuszu 4
(wyrażonym w [J] oraz [°]) można byÅ‚o odczytać pracÄ™ Å‚amania (rys. 5.).
Rys 5. PodziaÅ‚ka mÅ‚ota Charpy ego wyrażona w [J] oraz [°].
6
3.3. Wykonane operacje.
Przeprowadzone badanie polegało na wykonaniu udarowego zginania znormalizowanych
próbek wybranych materiałów: żeliwa, stali, glinu, tekstolitu, drewna, na młocie wahadłowym
typu Charpy ego.
W pierwszej kolejności przygotowano próbki wg wytycznych normy PN-EN l0045-l.
Dla otrzymania miarodajnych wyników nadano im standardowe, prostopadłościenne wymiary:
53x5,5x8 mm, wykonano również na ścianie 53x5,5mm karb typu U na głębokość 4mm i pro-
mieniu wyokrÄ…glenia 0,8mm (rys. 6.).
Rys 6. Schemat, wg którego przygotowywano próbki.
Preparaty umieszczano kolejno na stołach podporowych młota Charpy ego, tak, że pozo-
stawały one swobodne, zaś ściany z karbem była zwrócona w kierunku podstawy maszyny (rys
7.).
Rys. 7. Sposób podparcia próbki w badaniu udarowego zginania na młocie Charpy ego.
7
Następnie zwalniano zaczep młota i obserwowano zachowanie się materiału. Badanie wy-
konano w następującej kolejności: żeliwo, stal, glin, tekstolit, drewno.
3.4. Dodatkowe warunki konieczne do wykonania ćwiczenia.
Aby otrzymać miarodajne wyniki, należało w pierwszej kolejności odpowiednio przygo-
tować próbki: musiały mieć one nie tylko ustandaryzowane wymiary, ale również być odpo-
wiednio obrobione.
Normy przedmiotowe oraz warunki techniczne nakazywały, by próbki były całkowicie ob-
rabiane wiórowo (w pewnych przypadkach dopuszczalne jest pozostawienie jednej po-
wierzchni bocznej w stanie surowym, a dla wyrobów o grubości nominalnej 10mm i poniżej-
dwóch powierzchni). Jako końcową obróbkę zalecane było szlifowanie.
Karb należało wykonać za pomocą frezowania lub wiercenia i przecinania. Niedopusz-
czalne były na dnie karbu rysy wzdłużne, widoczne nieuzbrojonym okiem, pochodzące z ob-
róbki wiórowej.
Ewentualną obróbkę cieplną należało prowadzić przed wykonaniem karbu. Zaś w czasie
samego badania nie można było stosować próbek skrzywionych, z pęknięciami hartowni-
czymi, z wgniotem i z zadziorami na krawędziach.
4. Wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia laboratoryjnego.
Zasadniczo materiały użyte do ćwiczenia należy na początku podzielić na dwie grupy.
Pierwsza to materiały nieorganiczne metaliczne (żeliwa, stal, glin) oraz druga - organiczne
kompozyty (tekstolit i drewno), które z technicznego punktu widzenia można było traktować
jako kompozyt celulozowo- ligninowy.
Jako pierwsze poddano próbie żeliwo. Pękło bez odkształcenia, co wskazuje na kruchość i
brak wcześniejszej obróbki plastycznej. Powierzchnia złamania była chropowata i nieregularna.
Zauważono, iż żeliwo uległo zniszczeniu zgodnie z modelem ciała kruchego- powierzchnie
przełomów były płaskie (złomy kruche), samo zaś zniszczenie przebiegło stosunkowo szybko
i przy niewielkiej wartości pracy łamania (rys.8.).
Stal nie pękła tak łatwo jak żeliwo jako, że jest materiałem o większej plastyczności i dużej
sprężystości i wytrzymałości. Próbka pękła poślizgowo z wyraz
nym odkształceniem dzieląc się
na dwie części, choć zakładany wynik badania był inny. A mianowicie próbka miała, po prze-
kroczeniu granicy plastyczności, pęknąć nie dzieląc się na dwa osobne kawałki. Można więc
wnioskować, że była to stal o dużym nasyceniu węglem lub poddana krótkiej obróbce plastycz-
nej.
Aluminium zachowało się w sposób zakładany zgodnie z modelem cała plastycznego. Pę-
kło poślizgowo z odkształceniem po przekroczeniu granicy plastyczności. Wskazuje to na
dużą sprężystość, plastyczność i mały stopień zanieczyszczenia metalu. Powierzchnia złomu
była gładka. Pojawiła się lokalna deplanacja powierzchni bocznej próbki (rys. 11.). Zniszcze-
nie nastąpiło szybko, jednak próbka nie uległa przełamaniu, ponieważ większość energii zo-
stała zużyta na uplastycznienie (rys. 10.). Dlatego badanie to nie mogło być traktowane jako
miarodajne przy określaniu wartości udarności glinu, a jedynie jako poglądowe- obrazujące
zachowanie materiału w warunkach działania obciążenia dynamicznego.
Kolejnym materiałem użytym w badaniu był tekstolit. Pękł łatwo bez odkształceń. Takiego
wyniku można też było się spodziewać gdyż, jest to materiał sztuczny. Faktura złomu była
nieco chropowata. Dodatkowo można było dostrzec włóknistą strukturę.
Drewno w czasie badania było obciążone w poprzek włókien i dało złom z rozwarstwie-
niem, przy niskiej pracy złamania (rys. 13.). Powierzchnie zniszczenia była bardzo nierówna,
8
a część włókien w ogóle nie uległa zerwaniu (rys. 14). Na taki wynik wpłynął wysoki stopień
anizotropii i naturalne pochodzenie drewna.
Na podstawie obserwacji zachowania próbek pod obciążeniem dynamicznym wnioskować
można było, iż udarność ma związek z wytrzymałością oraz sprężystością materiałów: im lep-
sze właściwości mechaniczne, tym wyższa odporność na działanie sił skupionych. Wraz ze
wzrostem anizotropii materiału udarność spadała, a jej wartość zależała od sposobu przyłożenia
obciążenia (wyższa udarność drewna w poprzek niż wzdłuż włókien).
Charakter złomu zależał od kruchości materiału oraz stopnia anizotropii: izotropowe ma-
teriały kruche oraz sprężyste dawały przełom płaski, izotropowe plastyczne- przełom nieregu-
larny, poślizgowy; wraz ze wzrostem anizotropii kształt przełomu był coraz bardziej nieregu-
larny i silnie uzależniony od miejsca przyłożenia obciążenia.
Rys. 8. Próbka żeliwa poddana udarowemu zginaniu.
9
Rys. 9. Próbka stali poddana udarowemu zginaniu.
Rys. 10. Próbka glinu poddana udarowemu zginaniu.
10
Rys. 11. Próbka glinu poddana udarowemu zginaniu- widoczne lokalne deplanacje po-
wierzchni bocznej związane z plastycznym poślizgiem.
Rys. 12. Próbka tekstolitu poddana udarowemu zginaniu.
11
Rys. 13. Próbka drewna poddana udarowemu zginaniu.
Rys. 14. Próbka drewna poddana udarowemu zginaniu- widoczna anizotropowa struktura ma-
teriału.
12
Rys. 15. Prezentacja wszystkich materiałów w kolejności przeprowadzenia badań: od lewej
żeliwo, stal, glin, tekstolit, drewno.
13
5. Literatura.
a) ,,Metaloznawstwo. Materiały do ćwiczeń laboratoryjnych. pod red. Joanny Hucińskiej,
Gdańsk 1995,
b) ,,Ćwiczenia laboratoryjne z materiałoznawstwo. pod red. Włodzimierza Dudzińskiego
i Krzysztofa Widanki, Wrocław 2009.
c) ,,Badania laboratoryjne z konstrukcji metalowych Ernest Kubica, Bronisław Gosowski,
Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, wydanie drugie poprawione 2007.
Spis treści
1. Przedmiot ćwiczenia laboratoryjnego. ................................................................................ 2
2. Cel ćwiczenia laboratoryjnego. ........................................................................................... 2
3. Opis wykonanego ćwiczenia laboratoryjnego. ................................................................... 2
3.1. Zastosowane materiały. ............................................................................................... 2
3.2. Zastosowane maszyny i urzÄ…dzenia............................................................................. 5
3.3. Wykonane operacje. .................................................................................................... 7
3.4. Dodatkowe warunki konieczne do wykonania ćwiczenia. .......................................... 8
4. Wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia laboratoryjnego.................................................. 8
5. Literatura. .......................................................................................................................... 14
Spis ilustracji
Rys 1. Przygotowane próbki (od lewej: żeliwo, stal, glin, tekstolit, drewno)............................ 2
Rys 2. Suwmiarka analogowa. 1- prowadnica z podziałką główną, 2- szczęka stała, 3- szczęka
przesuwna, 4- suwak z podziałką, 5- śruba zaciskowa, 6,7- szczęki pomiarowe, 8- zacisk
samoczynny, 9- wysuwka głębokościomierza. .......................................................................... 5
Rys 5. PodziaÅ‚ka mÅ‚ota Charpi ego wyrażona w [J] oraz [°]. .................................................... 6
Rys 6. Schemat, wg którego przygotowywano próbki............................................................... 7
Rys. 8. Próbka żeliwa poddana udarowemu zginaniu................................................................ 9
Rys. 9. Próbka stali poddana udarowemu zginaniu. ................................................................ 10
Rys. 10. Próbka glinu poddana udarowemu zginaniu. ............................................................. 10
Rys. 11. Próbka glinu poddana udarowemu zginaniu- widoczne lokalne deplanacje
powierzchni bocznej związane z plastycznym poślizgiem. ..................................................... 11
Rys. 12. Próbka tekstolitu poddana udarowemu zginaniu. ...................................................... 11
Rys. 13. Próbka drewna poddana udarowemu zginaniu. ......................................................... 12
Rys. 14. Próbka drewna poddana udarowemu zginaniu- widoczna anizotropowa struktura
materiału. .................................................................................................................................. 12
Rys. 15. Prezentacja wszystkich materiałów w kolejności przeprowadzenia badań: od lewej
żeliwo, stal, glin, tekstolit, drewno........................................................................................... 13
14