Materiały niemetalowe

Temat: Oznaczanie twardości metodą kulki i metodą Shore’a

WIMiI

Mechanika I Budowa Maszyn

II gr.dz. III gr. lab

• Konrad Fiszer

• Łukasz Konopka

• Piotr Kowalik

• Kamil Kozak

• Jakub Kozłowski

• Krzysztof Kulasiewicz

• Konrad Kusztal

• Michał Lachowicz

• Adrian Leśnikowski

• Tomasz Markiewicz

1. Wstęp

Twardość jest własnością materiału określaną jako odporność materiału na miejscowe odkształcenie trwałe wywołane działaniem obciążenia skupionego na małej powierzchni. Twardość oznaczana metodą wciskania kulki, jest to iloraz obciążenia kulki przez powierzchnię odcisku spowodowanego przez kulkę o średnicy 5 mm po określonym czasie działania tego obciążenia. Jest ona wyrażona w MPa [$\frac{\mathbf{N}}{\mathbf{\text{mm}}^{\mathbf{2}}}$].

Twardościomierz to szeroko rozpowszechniony, nieskomplikowany przyrząd służący do badań twardości. Walorami tych urządzeń są: prostota i szybkość pomiaru, nieniszczący charakter próby oraz możliwość orientacyjnego określenia na podstawie wskaźników twardości innych własności wytrzymałościowych.

Polipropylen – polimer zbudowany z merów o wzorze: –[CH2CH(CH3)]–. Otrzymuje się go w wyniku niskociśnieniowej polimeryzacji propylenu. Polipropylen jest jednym z dwóch, obok polietylenu, najczęściej stosowanych tworzyw sztucznych. Na przedmiotach produkowanych z tego tworzywa umieszcza się zwykle symbol PP. Jest węglowodorowym polimerem termoplastycznym, tzn. daje się wprowadzić w stan ciekły pod wpływem zwiększenia temperatury oraz z powrotem zestalić po jej obniżeniu, bez zmian własności chemicznych.

Poliamid – polimer, który posiada wiązania amidowe -C(O)-NH- w swoich głównym łańcuchu. Poliamidy mają bardzo silną tendencję do krystalizacji dodatkowo wzmacnianą tworzeniem się wiązań wodorowych między atomem tlenu i azotu z dwóch różnych grup amidowych. Dzięki temu poliamidy są bardziej twarde i trudniej topliwe niż poliestry nie mówiąc już o polimerach winylowych. Z poliamidów produkuje się przede wszystkim włókna zwane nylonami i aramidami oraz tworzywa sztuczne o podwyższonej odporności mechanicznej nadające się np. do produkcji kół zębatych.

ABS - Akrylonitrylo- Butadieno-Styren - tworzywo sztuczne otrzymywane w procesie polimeryzacji butadienu oraz kopolimeryzacji akrylonitrylu ze styrenem wraz z jednoczesnym szczepieniem powstałego kopolimeru na polibutadienie.

1. Metoda pomiaru.

Metodą Shore’a Badaną próbkę należy płynnie docisnąć do iglicy oporowej ustawionej prostopadle do próbki. Następnie wykonujemy kilka pomiarów i bierzemy uśredniony wynik. Twardość jest odwrotnie proporcjonalna do zagłębienia i oznaczana w umownych jednostkach twardości od 0 do 100. W tej metodzie jednostki twardości stosuje się trzy skale: A, C i D, gdzie A oznacza elastomery a D termoplasty.

Metoda wgniatania kulki Próbkę należy umieścić na stoliku pomiarowym aby powierzchnia badana była prostopadła do kierunku obciążenia. Przyłożyć obciążenie wstępne F₀= 9,8 N a następnie przyłożyć obciążenie pomiarowe F­_m = 49,0; 132; 358; 961 N tak aby otrzymana wartość utrzymała się w zakresie 0,15 – 0,35 mm. Po wykonaniu kilku pomiarów policzyć średnią i podstawić do wzoru:

$\ H = \frac{1}{5\pi} \times \frac{Fm}{\text{hr}} \times \frac{0,21}{\left( h - hr \right) + 0,21}$ gdzie:

H – twardość

hr – zredukowana głębokość 0,25

h – głębokość odcisku

Fm – obciążenie pomiarowe

1. Pomiary

Metoda Shore’a	Pomiar 1	Pomiar 2	Pomiar 3	Pomiar 4	Pomiar 5	Średnia pomiarów
Poliamid	76,2	79	79,4	80	79	78,7
Polipropylen	74	75	74	74,8	71	74,36
ABS	71	71	71	72,6	73,6	71,84

Metoda kulki	Pomiar 1	Pomiar 2	Pomiar 3	Pomiar 4	Pomiar 5	Średnia pomiarów
	$$\left\lbrack \frac{N}{\text{mm}^{2}} \right\rbrack$$	$$\left\lbrack \frac{N}{\text{mm}^{2}} \right\rbrack$$	$$\left\lbrack \frac{N}{\text{mm}^{2}} \right\rbrack$$	$$\left\lbrack \frac{N}{\text{mm}^{2}} \right\rbrack$$	$$\left\lbrack \frac{N}{\text{mm}^{2}} \right\rbrack$$	$$\left\lbrack \frac{N}{\text{mm}^{2}} \right\rbrack$$
Siła F=358 N
Poliamid	91,2	91,2	95,7	89	85,7	90,56
Siła F=358 N
Polipropylen	73,6	76,6	73,6	79,8	78,1	76,34
Siła F=132,4 N
ABS	35,39	33,71	48,82	58,99	47,19	44,82

1. Wnioski

Z obu pomiarów wychodzi, że poliamid był najtwardszym z mierzonych materiałów, co za tym idzie, najbardziej odporny na odkształcenia.

Najmiększym był ABS.

Różnica wyników między metodą Shore’a a metodą wciskania kulki polega, na tym, że jednostek z metody Shore’a nie można porównywać z innymi skalami.

Metoda Shora’a jest bardziej praktyczna, ponieważ przyrząd do pomiarów jest mały i bardziej przenośny.