Ćwiczenie 1

Politechnika Świętokrzyska Laboratorium z Materiałoznawstwa
Sprawozdanie numer 1
Bartosz Janus

1.wstęp teoretyczny

Próba udarności

 Próba udarności.

Polega ona na złamaniu próbki jednym uderzeniem młota wahadłowego i pomiarze energii jej złamania. Próbka jest przy tym podparta swobodnie na obu końcach i posiada karb, który jest ułożony po przeciwnej stronie niż następuje uderzenie młota.

Wynik próby stanowi wielkość pracy potrzebnej do złamania próbki lub jej stosunek do powierzchni jej przekroju poprzecznego w miejscu karbu.

                                                                                                          

 

 

gdzie: 

K – praca potrzebna do złamania próbki w J.

S₀ – powierzchnia początkowa przekroju poprzecznego w miejscu karbu w cm².

 

Budowa i zasada działania młota Charpy`ego.

 

Młot składa się z poruszającego się ruchem wahadłowym ramienia, które w początkowym etapie jest podniesione i zablokowane. Po ułożeniu próbki w dolnej części młota, następuje zwolnienie ramienia, które poruszając się pod wpływem siły grawitacji uderza w próbkę i łamie ją. Ramie młota zatrzymywane jest za pomocą hamulca. Młot wyposażony jest w podziałkę na której bezpośrednio odczytujemy energię zużytą na złamanie, lub maksymalny kąt wychylenia.

Nowoczesne młoty udarnościowe wyposażone są w urządzenia rejestrujące oraz mikroprocesory umożliwiające bezpośredni odczyt udarności i wydruk wyników prób. Umożliwiają one rejestrację zależności siły łamiącej próbkę i przemieszczenia się pęknięcia. Zarejestrowany wykres umożliwia rozłożenie udarności na tworzące ją energie związane z zarodkowaniem i rozprzestrzenianiem pęknięcia.

Próba pomiaru twardości

Twardością określa się odporność materiału na odkształcenia trwałe, które powstają pod wpływem sił skupionych, działających na małą powierzchnię materiału, wywołanych przez wciskanie odpowiedniego wgłębnika. Twardość nie jest stałą materiałową, a więc porównywanie twardości jest możliwe w zakresie tylko jednej metody.
W zależności od wielkości odkształcenia spowodowanego wnikaniem wgłębnika w materiał rozróżnia się pomiary makro- i mikrotwardości. Ważne jest aby miejsce, w którym dokonywany będzie pomiar, zostało oszlifowane, ponieważ stan powierzchni metalu ma duży wpływ na wyniki uzyskane podczas badań twardości. Do pomiarów makrotwardości stosuję się metody:
• Brinella
• Vickersa
• Rockwella

Metoda Vickersa.

 

Pomiar twardości metodą Vickersa zawarty jest w normie PN-EN-ISO 6507-1:1999.

Penetratorem jest diamentowy ostrosłup o podstawie kwadratu o kącie pomiędzy przeciwległymi ścianami a=136°, przy obciążeniu z zakresu od 9,8 do 980N.

Miarą twardości w tej metodzie jest stosunek siły obciążającej F do pola powierzchni bocznej odcisku, obliczonej w funkcji średniej arytmetycznej wartości przekątnych d₁ i d₂.

Twardość Vickersa:

gdzie: d- średnia arytmetyczna przekątnych odcisku, [mm]

            F – siła obciążająca, [N]]

Odpowiednio do zastosowanego obciążenia stosuje się oznaczenia twardości od HV1 do HV100. Pomiary przeprowadza się na twardościomierzach z hydrauliczną regulacją szybkości obciążania wyposażonymi w mikroskop pomiarowy.Zaletami tej metody są: możliwość stosowania jej zarówno do materiałów miękkich, jak i twardych, duża dokładność pomiaru, jedna skala dla całego zakresu twardości, możliwość badania zarówno cienkich warstw przypowierzchniowych, jak i dużych elementów. Metoda Vickersa, jako jedyna ze znormalizowanych metod nadaje się do pomiaru mikrotwardości.

Metoda Rockwella.

 

Polega na dwustopniowym zagłębianiu penetratora w badany materiał i pomiarze głębokości trwałego odcisku przy danym obciążeniu. Parametry próby określa norma PN-EN-ISO 6508-1:2002. Jako penetratory stosuje się tu: stożek diamentowy o kącie wierzchołkowym 120^o(dla skali C i A) lub kulkę stalową o średnicy 1/16” (dla skali B i F).

Trwały przyrost głębokości mierzony jest w jednostkach e` i wyrażany w jednostkach odkształcenia trwałego równych 0,002mm zgodnie z równaniem:

 

 

gdzie: K=100 (przy użyciu stożka), K=130 (przy użyciu kulki).

 

Twardościomierz Rockwella pozwala na bezpośredni odczyt twardości. Oznaczenie w zależności od skali np. 60HRC lub 98HRB.

Zaletą tej metody jest szybki pomiar zarówno materiałów miękkich jak i twardych, możliwość badania twardości cienkich taśm. Wadą jest nierównomierność skali twardości 
i związane z tym trudności w porównaniu wyników uzyskanych w różnych skalach.

 Metoda Brinella.

 

Pomiar polega na zagłębianiu w badany materiał penetratora w postaci. Wg. Normy PN-EN-ISO 6506:12002 stosuje się wyłącznie kulki z węglików spiekanych oraz oznaczenie HBW.
Czas działanie siły powinien wynosić od 10 do 60 sekund w zależności od rodzaju materiału i spodziewanej jego twardości.

Twardość Brinella obliczamy wg wzoru:

 

gdzie: D- średnia średnica odcisku             

          d – średnica kulki

Pomiaru dokonuje się na twardościomierzu hydraulicznym. Zalety metody Brinella to: powtarzalność wyników, jedna skala twardości dla wszystkich materiałów, duża powierzchnia odcisku pozwalająca przeprowadzać pomiary stopów wielofazowych.

Wady to konieczność dokonywania pomiarów średnic odcisków i dalsze odczytywanie twardości z tablic, oraz niemożność stosowania tej metody do bardzo twardych próbek o małych wymiarach.

Statyczna próba rozciagania

Statyczna próba rozciągania jest podstawową próbą badań własności mechanicznych metali. Sposób wyznaczania wszystkich własności wytrzymałościowych i plastycznych za pomocą rozciągania ujęty jest normą PN-80/H 04310. Próba taka realizuje najprostszy stan naprężeń, jaki powstaje przy prostym rozciąganiu.

Badanie wytrzymałościowe w trakcie tej próby polega na osiowym rozciąganiu próbki odpowiednio ukształtowanej na maszynie wytrzymałościowej zwanej zrywarką. Podłączony siłomierz wskazuje siłę panującą w każdej chwili w próbce, inne zaś urządzenie (np. czujnik, tensometr) umożliwia odczytanie całkowitego wydłużenia próbki. W czasie trwania próby rejestrujemy siły panujące w próbce i odpowiadające im wydłużenia całkowite próbki. Wartości te, przeniesione na układ współrzędnych, w których na osi pionowej odkładamy siłę F, a na osi poziomej wydłużenie Dl, dają tzw. wykres rozciągania. W większości maszyn wykres ten jest rysowany samoczynnie przez odpowiednie urządzenie samopiszące.

Granica plastyczności- jest to naprężenie, po osiągnięciu której materiał nie powróci do stanu poprzedniego.

$$R_{e} = \ \frac{F_{e}}{S_{o}}$$

Umowna Granica sprężystości – takie naprężenie, które wywołuje w próbce wydłużenie trwałe równe 0,05 % długości pomiarowej Lo próbki

R0,05 = F0,05 / So

Wytrzymałość na rozciąganie R_m - jest to naprężenie odpowiadające największej sile F_m uzyskanej w czasie próby rozciągania, odniesionej do przekroju początkowego próbki A_u .

Naprężenie rozrywające R_u – jest to naprężenie rzeczywiste występujące w przekroju poprzecznym próbki, w miejscu przewężenia bezpośrednio przed zerwaniem, obliczone z ilorazu siły rozerwania F_u i najmniejszego pola przekroju poprzecznego próbki po zerwaniu A_u.

- pole najmniejszego przekroju poprzecznego próbki po zerwaniu;
- minimalna siła potrzebna do zerwania próbki

Wyraźna granica plastyczności R_e - jest to naprężenie, po osiągnięciu którego następuje wyraźny wzrost wydłużenia rozciąganej próbki bez wzrostu lub nawet przy spadku obciążenia.

Wydłużenie względne – jest to stosunek trwałego wydłużenia bezwzględnego próbki po rozerwaniu do długości pomiarowej próbki, wyrażony w procentach:

$$A = \ \frac{L_{u} - \ L_{o}}{L_{o}}*100\%$$

2.Cel cwiczen

Próba udarności - Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z praktycznym sposobem wykonania próby udarności metali, używanymi do tego celu próbkami i urządzeniami oraz interpretacją wyników próby. Próbę udarności wykonuje się w celu dokonania oceny zachowania się materiału w warunkach sprzyjających kruchemu pęknięciu, stworzonych w próbce obecnością karbu i dużą szybkością odkształcenia wywołaną działaniem dynamicznym siły oraz działanie temperatury.

Próba pomiaru twardości - Celem ćwiczenia jest zapoznanie z metodami badania twardości metali oraz nabycie

umiejętności w określaniu twardości metodami Brinella, Rockwella i Vickersa.

Zapoznanie z budową twardościomierzy używanych do pomiaru twardości.

Statyczna próba rozciagania – Zapoznanie się ze sposobem przeprowadzania statycznej próby rozciągania. Praktyczne przeprowadzenie próby rozciągania na próbkach wskazanych przez prowadzącego. Wyznaczenie na podstawie statycznej próby rozciągania wielkości wytrzymałościowych (wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności) i plastycznych materiału (przewężenie i wydłużenie), wyznaczenie Modułu Younga.

3.Wykresy

a) wykres z wyraźna granica plastyczności

gdzie:

 - naprężenie w granicy plastyczności

 - siła obciążająca próbkę w granicy plastyczności

 - początkowe pole przekroju próbki

Inne wielkości

Górna granica plastyczności () - pierwsze maksimum podczas płynięcia.

Dolna granica plastyczności () - ostatnie minimum podczas płynięcia.

Umowna granica plastyczności () - naprężenie dla wydłużenia względnego , określane, dla materiałów kruchych.

4.WNioski

-Proba udarnosci: Dokladnosc otrzymanych wyników z udarnosci zalezy od warunków ( w szczególnosci od temperatury) a takze od zgodnosci próbki z normami. Istotnym elementem badania udarnosci materialów jest obserwacja przelomów. Z wygladu przelomów mozna wyciagnac wiele wniosków dotyczacych jakosci materialu, a zwlaszcza o wielkosci ziarna i charakterze pekania. Udarnosc materialu zalezy od wielu czynników, w czystych metalach udarnosc jest wyzsza niz w ich stopach. Udarnosc rosnie w miare zmniejszania wielkosci ziarna, gdyz granice ziaren utrudniaja rozprzestrzenianie sie pekniecia.

- Proba udarności: W zaleznosci od zakladanej twardosci badanego materialu nalezy zastosowac odpowiednia metode pomiaru twardosci. Do miekkich materialów nalezy stosowac metode Brinella, do twardszych materialów metode Rockwella a do najtwardszych metode Vickersa. Zastosowanie odpowiedniej metody ma bardzo wazny wplyw na prawidlowosc otrzymanego pomiaru twardosci.Twardosc badanego elementu zalezy od materialu z jakiego zostal wykonany, czy poddany zostal obróbce cieplnej, cieplno chemicznej lub obróbce plastycznej, a takze od tego w którym miejscu zostal dokonany pomiar.

- Statyczna proba rozciagania: Po szybkosci narastania sily na silomierzu na poczatku badania mozemy stwierdzic ze przyrost próbki jest niewielki natomiast sila rozciagajaca próbke narasta szybko.Po pewnym czasie wskazówka silomierza zatrzymuje sie na wartosci sily która nazywa sie sila uplastyczniajaca Fu .Próbka staje sie plastyczna a w pewnych przypadkach od tego momentu moze wystapic zjawisko”plyniecia”materialu tzn.okres przyrostu wydlurzen bez przyrostu sily. W miare obciazania próbki sila rosnie juz wolniej ale przyrost nastepuje coraz szybciej co wskazuje nam na umacnianie sie materialu.W pewnym momencie sila przestaje rosnac i osiaga maximum Fmax.Nastepuje destabilizacja materialu. W chwili Fmax na próbce pojawia sie „szyjka”,sila maleje bardzo szybko,wydluza sie takze szybko z powodu zmniejszania sie przekroju poprzecznego próbki i dochodzi do zerwania.