Wojnar Agnieszka Więch Ilona Zdyrski Wiktor III CC-DI TTS 2013/2014	PODSTAWY REOLOGII Sprawozdanie nr 6	8.11.2013
Temat: OZNACZANIE UDARNOŚCI METODĄ CHARPY’EGO I BADANIE TWARDOŚCI.

1. Oznaczanie udarności metodą Charpy’ego.

Cel ćwiczenia

Oznaczenie udarności metodą Charpy’ego polega na dynamicznym złamaniu prostopadłościennej próbki bez karbu lub z karbem. Próbki powinny mieć wymiary zgodne z tabelą 7.5.1.: ( zaczerpniętej z instrukcji)

Tabela 7.5.1. Wymiary próbek:

Długość l, mm	Szerokość b, mm	Wysokość h, mm
120±2 80±1 50±1	15±0.5 10±0.2 6±0.2	10±0.5 4±0.2 4±0.2

Do wykonania oznaczeń użyto próbek z tworzywa:

I – Polipropylen

II- Polipropylen z domieszką kredy

III- Polipropylen z domieszką włókien szklanych

Wykonanie ćwiczenia

- do pomiaru przygotowano po 10 próbek z każdego tworzywa;

- do oznaczenia zastosowano młoty typu Charpy’ego o parametrach:

Maksymalny zakres pracy młota, J	Średnia prędkość ostrza wahadła w chwili uderzenia o próbkę, m/s	Masa młota, kg
0.5 1.0 4.0	2.9	0.119 0.239 0.955

- młot umocowano trwale na niesprężystym podłożu i tak ustawiono tak, aby w chwili uderzenia styk ostrza wahadła z próbką był liniowy;

-wyboru odpowiedniego zakresu pracy dokonywano w zależności od rodzaju badanego tworzywa - pomiar powinien być dokonany w zakresie 10 ÷ 80% maksymalnego zakresu młota;

- określono, że próbka jest podatna na uszkodzenie w zakresach pracy młota o wartości 4 J – dla próbek bez karbu tworzywa zawierającego domieszki : II- kredy , III- włókna szklanego. W przypadku badania podatności na złamanie próbki I – tworzywa z polipropylenu bez karbu w zakresie pracy młota 4 J, próbka nie została uszkodzona.

- próbki z tworzywa Polipropylenu nie wykazywały podatności na uszkodzenia, dlatego wycięty został karb 4mm – i dopiero wtedy taka próbka po uderzeniu młota o zakresie pracy 4 J została złamana.

Wykonanie oznaczenia

Pomiary przeprowadzono w temperaturze 25±2°C

- zmierzono w połowie długości próbki jej szerokość i wysokość (dla próbek z karbem - w środku karbu) z dokładnością do 0.1 mm;

-próbkę ułożono na podporach, aby środek długości próbki przypadał w płaszczyźnie ruchu wahadła;

- podniesiono wahadło w położenie górne, zaczepiono je o występy dźwigni zwalniającej i zabezpieczono przez wciśnięcie sworznia;

-wyzerowano wskazówkę pomiarową;

-odblokowano dźwignie zwalniająca przez wyciągnięcie sworznia zabezpieczającego. Przez nacisk dźwigni nastąpiło zwolnienie wahadła, które po swobodnym spadku uderza ostrzem w badaną próbkę.

Tab. Szerokość [mm] i wysokość [mm] próbek - WYNIKI

POLIPROPYLEN (z karbem)	POLIPROPYLEN + kreda	POLOPROPYLEN+ wł.szklane
6,11x4,05	10,14x4,04	10,05x4,01
6,15x4,08	10,10x4,01	10,14x4,03
6,06x4,05	10,05x3,99	10,14x4,04
6,11x4,05	10,12x4,03	10,16x4,01
6,05x4,04	10,11x4,01	10,09x4,02

Opracowanie wyników

Udarność próbek bez karbu a_n w kJ/m² obliczamy wg wzoru :

A_n - praca potrzebna na dynamiczne złamanie próbki bez karbu

b - szerokość próbki, mm,

h - wysokość próbki, mm.

POLIPROPYLEN + kreda	POLIPROPYLEN + włókno szklane
a1=$\frac{4*10^{- 3}}{0,01014*0,00404}$= 97,6 [kJ/m^2]	a1=$\frac{4*10^{- 3}}{0,01005*0,0041}$= 97,1 [kJ/m^2]
a2= 98,8	a2=97,9
a3=95,5	a3=97,6
a4=98,1	a4=98,2
a5=98,7	a5=98,6

• udarność próbek z karbem a_k obliczyć w kJ/m² wg wzoru :

A_k - praca potrzebna na dynamiczne złamanie próbki z karbem, J,

b- szerokość próbki, mm,

hk- wysokość próbki w miejscu karbu, mm.

POLIPYLEN
a1=$\frac{4*10^{- 3}}{0,00611*0,00405}$= 161,6 [kJ/m^2]
a2=159,4
a3=163,0
a4=164,3
a5=163,7

• udarność względną KZ obliczyć w % wg wzoru :

an - udarność próbki bez karbu, kJ/mm²,

ak - udarność próbki z karbem, kJ/mm².

Średnia aK= 97,7 [kJ/m^2]	Średnia an= 162,4 [kJ/m^2]

KZ= 60,2 %

Wnioski:

Próba udarności polegała na złamaniu znormalizowanej próbki z karbem za pomocą odpowiedniego urządzenia, zwanego młotem wahadłowym, i wyznaczeniu potrzebnej do tego pracy. Udarność jest miarą odporności materiału na pękanie pod wpływem uderzenia, stanowi również miarę kruchości materiału, tzn. że im bardziej kruchy jest dany materiał, tym mniejsza jest jego udarność.

Praca zużyta na złamanie próbki zależy nie tylko od powierzchni jej przekroju poprzecznego, lecz i innych czynników, jak kształtu i wymiaru próbki i karbu, stanu powierzchni, temperatury badania, prędko­ści obciążenia itp. Największy jednak wpływ na wartość udarności ma kształt i głę­bokość karbu. Im karb jest głębszy i ostrzejszy, tzn. im promień zaokrąglenia karbu jest mniejszy, tym udarność jest mniejsza.

1. Badanie trwałości

Oznaczanie twardości tworzyw sztucznych metodą Brinella

Cel ćwiczenia

Oznaczenie polega na wciskaniu w badaną próbkę stalowej kulki o średnicy 5±0,05 mm pod działaniem obciążenia całkowitego F. Za położenie wyjściowe kulki przyjmuje się wielkość zagłębienia powstałego na próbce pod działaniem obciążenia wstępnego F₀ (9,81 N±1%). Przyłożone obciążenie całkowite powinno działać prostopadle do powierzchni badanej próbki oraz powinno wzrastać w sposób równomierny, a osiągnięta pełna wielkość tego obciążenia powinna być w określonym czasie stała i dobrana tak, aby zagłębienie h zawierało się w przedziale mm. Obciążenie całkowite powinno być zgodne tabelą nr 7.6.1.

Tabela 7.6.1. Obciążenie całkowite próbek w zależności od zastosowanych ciężarków:

Numer lub nazwa obciążnika	Obciążenie całkowite, N
Wieszak (bez obciążników)	49,0
Wieszak + obciążnik: 1	132,4
Wieszak + obciążnik: 1 + 2	358,0
Wieszak + obciążnik: 1 + 2 + 3	490,0
Wieszak + obciążnik: 1 + 2 + 3 + 4a + 4b	961,0

Do badań użyto próbki z tworzywa sztucznego :

I –Polipropylen;

II- Polipropylen z domieszką kredy;

III- Polipropylen z domieszką włókna szklanego;

charakteryzujące się powierzchniami gładkimi równymi, wzajemnie równoległymi, bez pęcherzy, rys, wżerów i innych widocznych wad.

Wykonanie oznaczenia

- badaną próbkę należało umieścić na płycie stolika tak, aby szczelnie przylegała do płyty;

-przyłożono obciążenie , tak że obciążenie całkowite wyniosło F = 132,4 N i F=358 N

-po przyłożeniu obciążenia całkowitego zagłębienie kulki mieściło się w zakresie 0.15÷0.35 mm;

-wykonano 10 pomiarów dla każdej z 3 próbek.

WYKONANE POMIARY przedstawione zostały w tabeli

	Polipropylen z włóknem szklanym obciążenie: 358 N Wyniki podano w [N/mm^2]	Polipropylen z kredą Obciążenie: 358 N Wyniki podano w [N/mm^2]	Polipropylen Obciążenie: 132,4 N Wyniki podano w [N/mm^2]
1	118,9	91,6	75,7
2	108,1	90,7	74,5
3	121,2	89,0	66,5
4	125,1	94,3	79,1
5	125,1	91,2	81,5
6	118,2	99,2	81,1
7	122,7	91,2	76,0
8	121,2	94,3	72,5
9	119,6	99,7	66,0
10	136,7	91,6	64,2

Opracowanie wyników

Twardość HK wyrażona w MPa jest to stosunek przyłożonej siły F do powierzchni wgłębienia sferycznego odcisku kulki o średnicy 5 mm utworzonego w badanej próbce pod działaniem siły w określonym czasie.

Twardość HK należy obliczyć wg wzoru :

w którym:

F - obciążenie całkowite, N,

d - średnica kulki równa 5 mm,

h₀ - zagłębienie kulki pod obciążeniem wstępnym równe 0,25 mm,

h - zagłębienie kulki pod całkowitym obciążeniem, mm,

0,21 - współczynnik zredukowanego obciążenia do zagłębienia ho, (h powinno się zawierać

pomiędzy 0.15 ÷0.35 mm).

Twardość HK została wyliczona automatycznie przez przyrząd, w którym zostało prowadzone badanie i wartości uzyskane przedstawia powyższa tabela.

Naszym zadaniem było porównanie otrzymanych wyników i określenie zmian pomiędzy nimi.

Tabela 7.6.2. Wielkości twardości przy różnych obciążeniach całkowitych i zagłębieniu kulki w zakresie 0,15÷0,35 mm w odstępach co 0,005 mm:

Zagłębienie h, mm	Twardość HK w MPa dla obciążenia F
	49,0
0,150	23,84
0,155	22,80
0,160	21,85
0,165	20,98
0,170	29,17
0,180	18,73
0,185	18,08
0,190	17,48
0,195	16,92
0,200	16,39
0,205	15,89
0,210	15,42
0,215	14,98
0,220	14,57
0,225	14,17
0,230	13,80
0,235	13,45
0,240	13,11
0,245	12,79
0,250	12,49
0,255	12,20
0,260	11,92
0,265	11,65
0,270	11,40
0,275	11,16
0,280	10,93
0,285	10,70
0,290	10,49
0,295	10,28
0,300	10,08
0,305	9,89
0,310	9,71
0,315	9,53
0,320	9,36
0,325	9,20
0,330	9,04
0,335	8,89
0,340	8,74

W tabeli zostały zaznaczone wartości które odczytaliśmy z urządzenia pomiarowego.

Wniosek : Urządzenie wykazało, że przy określonym zagłębieniu kulki, wartość odczytana przez nas pokrywa się z tablicową, świadczy to o dokładności metody Brinella w stosowanym aparacie.

Na podstawie otrzymanych wyników dotyczących twardości próbki polipropylenu z różnego rodzaju dodatkami , stwierdzamy, że przy tym samym obciążeniu, wartości twardości tworzyw różnią się od siebie, co w głównej mierze wiąże się ze składem każdej z próbki II i III. Próbka III polipropylenu z dodatkiem włókna szklanego wykazuje większą twardość niż próbka II polipropylenu z dodatkiem kredy, czyli jest bardziej odporna na uszkodzenia mechaniczne. Ponadto obie próbki II i III zawierające dodatki różnią się od czystej próbki , tym, że pełnią rolę składników pomocniczych dających lepszą poprawę właściwości mechanicznych, cieplnych, dielektrycznych, polepszenie właściwości technologicznych tworzyw ułatwiających przetwórstwo, poprawę walorów estetycznych gotowych wyrobów, przy jednoczesnej obniżce ceny. Napełniacze są dodawane w celu zwiększenia wytrzymałości polimerów, zwiększają one również stabilność wymiarów i obniżają koszt wytwarzania. Napełniaczami (wypełniaczami) są względnie obojętne materiały jak: skrawki tkanin, krzemionka, mika, proszki metali, sadza, włókna szklane.

Można to udowodnić na przykładzie porównując próbkę polipropylenu bez dodatków i zawierającą dodatki. W przypadku zastosowania na obie próbki I i II tego samego obciążenia wynoszącego 358N, obserwujemy, że dla próbki pozbawionej dodatków obciążenie to jest zbyt wielkie i zagłębienie h nie zawiera się w przedziale mm, dlatego też konieczne jest zmniejszenie tego obciążenia, żeby pomiar był możliwy.

Modyfikatory udarności powodują wzrost odporności tworzyw na uderzenie, bez istotnego spadku ich efektywności, zwiększają zdolność pochłaniania oraz rozpraszania energii uderzenia przez tworzywa obniżając ich skłonność do pękania.

Wpływ kredy jako dodatku do tworzyw sztucznych

Wypełniacze kredowe (węglanowe) odgrywają znaczną rolę w przetwórstwie tworzyw sztucznych. Sięga się po nie m.in. przy procesach związanych z przetwórstwem m.in. polietylenu i polipropylenu. Pomagają one zmniejszyć koszty produkcji w przetwórstwie tworzyw sztucznych. Dodatek kredy pomaga w zwiększeniu wydajności pracy wytłaczarki. Ponieważ kreda jest już zdyspergowana w tworzywie, więc czas mieszania jest krótszy.

Wypełniacze kredowe poprawiają udarność. Im twardość kredy większa, tym mocniejszemu ścieraniu ulegają elementy maszyn.

Wpływ włókna szklanego jako dodatku do tworzyw sztucznych

Włókno szklane zwiększa przede wszystkim wytrzymałość, sztywność i temperaturę użytkowania, wywiera również wpływ na parametry przetwórstwa zwłaszcza na skurcz przetwórczy (mniejszy w kierunku orientacji włókien).

Wpływ sadzy

Sadza zwiększa wytrzymałość, sztywność, twardość i odporność cieplną wyrobu.