Ćwiczenie 1 Wybrane metody przygotowania i badania...

Technologia urządzeń mechatroniki TUM II

- laboratorium

Ćwiczenie 1

„Wybrane metody przygotowania i badania proszków,

budowa i zasada działania prasy szybkobieżnej

oraz metody badania spieków”

Instrukcja laboratoryjna

„Człowiek - najlepsza inwestycja”

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Warszawa 2011

2 Ćwiczenie 1

„Badanie wyprasek i spieków z materiałów proszkowych”

Technologia urządzeń mechatroniki

TUM II

1. WSTĘP

1.1. Cel ćwiczenia

Zapoznanie studentów z podstawowymi metodami związanymi z:

- przygotowaniem proszków metalowych do ich dalszego przetwarzania,

- badaniem proszków metalowych o cząstkach drobnych, szczególnie o cząstkach

drobnych

- budową i zasadą pracy prasy mechanicznej o działaniu automatycznym do formowa-

nia wyprasek z proszków,

- podstawowymi badaniami spieków.

1.2. Zakres wymaganych wiadomości

Prawidłowe przygotowanie do przeprowadzenia ćwiczenia wymaga zaznajomienia się z

obowiązującą instrukcją oraz z odpowiednim fragmentem wykładu. Niezbędne jest również

uzupełnienie wiadomości w oparciu o podstawową literaturę z zakresu badania właściwości

użytkowych wyrobów stosowanych w mechatronice. Zakres wymaganych wiadomości jest

następujący:

- metody badania gęstości spieków metalowych i ceramicznych,

- metody określania wielkości cząstek proszków, ze szczególnym wyróżnieniem proszków

drobnych,

- metody badania spieków przeznaczonych na elementy konstrukcyjne,

- metody badania spieków stosowanych jako elementy porowate,

- poznanie budowy i zasady działania młyna do mielenia proszków na podstawie młynka

laboratoryjnego,

- budowa pras do prasowania proszków.

Ćwiczenie 1 3



TUM II

2. WPROWADZENIE

(Opis technologii, jej istota, zjawiska fizyczne, parametry i warunki technologiczne

procesu, zastosowania).

2.1. Informacje ogólne

1). Przygotowanie proszków metodą mielenia wsadu

Metalurgia proszków jest nowoczesną techniką wykorzystywaną do wytwarzania bar-

dzo różnych wyrobów o wręcz skrajnie odmiennych cechach użytkowych. Proszki wytwarza

się różnymi metodami. Bardzo często proszki wytwarza się metodą mielenia materiału pod-

stawowego na sucho lub na mokro. Proces ten prowadzony jest w młynach kulowych. Wsa-

dem do młyna jest na ogół materiał twardy i kruchy, który pod dynamicznym działaniem kul

ulega rozbiciu na drobne fragmenty. Wielkość cząstek takich proszków jest, dla danego mate-

riału i warunków mielenia, zależna od czasu trwania procesu rozdrabniania.

2). Określanie składu granulometrycznego proszków

Proszki wytwarzane różnymi metodami zawierają cząstki o różnych wielkościach. Są

to tzw. proszki wielofrakcyjne. Konieczne jest więc określenie składu granulometrycznego

takiego proszku, tj. określenie zawartości poszczególnych frakcji w całej jego objętości. Anali-

zę tę prowadzi się różnymi metodami. Powszechnie stosowane metody pomiaru wielkości czą-

stek, ze względu na ich bardzo rozbudowany kształt, są obarczone błędami. Dokładne określe-

nie zawartości cząstek poszczególnych frakcji w proszku wielofrakcyjnym jest możliwe tylko

dla proszków o cząstkach idealnie kulistych.

Ze względu na prostotę pomiaru, najczęściej analiza składu granulometrycznego reali-

zowana jest metodą sitową. Ograniczeniem stosowania metody sitowej jest minimalna wiel-

kość cząstek proszku. Metoda ta może być stosowana dla proszków o wielkości cząstek po-

wyżej 40 μm.

Inna metoda określania udziału poszczególnych frakcji proszku opiera się na prawie

Stockesa. Polega ona na pomiarze szybkości swobodnego opadania cząstek w cieczy. W opar-

ciu o szybkość opadania cząstek określa się ich wielkość. A więc jest to pomiar pośredni wiel-

4 Ćwiczenie 1



TUM II

kości cząstek. W trakcie pomiaru musi być dokładnie kontrolowana temperatura cieczy, od

której zależy jej lepkość, a co za tym idzie warunki prowadzenia oznaczenia. Nawet niewielka

zmiana temperatury wpływa na zmianę lepkości cieczy, co z kolei przekłada się natychmiast

ma pomiar czasu opadania cząstek i błędne określenie wielkości cząstek badanego proszku.

Nowoczesna metoda pomiaru wielkości cząstek opiera się na pomiarze wielkości od-

chylenia wiązki strumienia światła laserowego niskiej mocy na cząstkach badanego proszku.

Metoda ta jest preferowanym standardem do pomiaru cząstek w zakresie 0,1 ‚ 2000 μm.

Każdy przyrząd mierzący wielkość cząstek w oparciu o pomiar rozproszenia światła za-

wiera optyczną jednostkę pomiarową, którą określa podstawowy detektor wielkości cząstek

oraz komputer kierujący pomiarami i przedstawiający wyniki analiz w postaci odpowiedniej

prezentacji.

Rozproszenie światła laserowego jest unikalną, elastyczną techniką określania wielkości

zdolną, w szczególności, mierzyć strukturę wielkości fazy jednego materiału w innym.

Warunkiem zastosowania tej techniki jest konieczność wyraźnego rozdzielenia optyczne-

go faz, tj. proszku i cieczy. Ponadto medium musi być przezroczyste dla długości światła lase-

rowego. Zasada działania analizatora cząstek jest przedstawiona na rys. 1.

Rys. 1. Zasada pomiaru wielkości cząstek metodą laserową

W skład analizatora wchodzi:

- laser jako źródło intensywnego, spójnego światła o stałej długości fali,

- detektor, którym jest zazwyczaj płytka ze światłoczułego silikonu,

- środki przepuszczania próbki proszku przez wiązką laserową.

W celu uzyskania prawidłowego pomiaru wielkości cząstek, proszek nie może być

zbrylony. Jest to szczególnie istotne przy pomiarze cząstek bardzo drobnych, które silnie wiążą

Ćwiczenie 1 5



TUM II

się między sobą. Dlatego stosuje się równocześnie dwie metody przygotowawcze. Pierwsza

polega na wprowadzeniu próbki proszku do cieczy, a druga na wprowadzeniu do pojemnika z

cieczą i proszkiem drgań ultradźwiękowych. Gwarantuje to dokładne odizolowanie poszcze-

gólnych ziarn między sobą. Sam pomiar wielkości cząstek polega na porównaniu badanej

cząstki do kuli o równoważnej powierzchni.

3). Badanie właściwości użytkowych wyrobów spiekanych

Metalurgia proszków znalazła szerokie zastosowanie w wielkoseryjnej i masowej pro-

dukcji różnych wyrobów. Specyficzną cechą tej technologii jest możliwość wytwarzania

kształtek porowatych w całej swojej objętości. Z jednej strony porowatość spieków jest ich

wadą, np. w elementach konstrukcyjnych, w których istotne są wysokie właściwości wytrzy-

małościowe. Zawartość porów w takich kształtkach powoduje zmniejszenie parametrów wy-

trzymałości spieków. Dlatego stosowanie spieków w określonych zastosowaniach musi być

dokładnie przeanalizowane. W węzłach konstrukcyjnych, od których wymaga się wysokich

właściwości wytrzymałościowych stosowanie spieków musi być wyeliminowane.

Należy jednak zaznaczyć, że porowatość materiału spiekanego nie jest cechą jedno-

znacznie negatywną. W wielu przypadkach wykorzystuje się ją do wytwarzania elementów

niemożliwych do wykonania innymi metodami. Można tu wymienić przykładowo łożyska sa-

mosmarujące czy filtry.

Ze względu na odmienne od klasycznych metod wytwarzania, odmienną strukturę, a co

za tym idzie charakterystyczne właściwości fizyczne, a często i chemiczne, materiały te wyma-

gają zmodyfikowanych lub specjalnych metod badań.

W przypadku spieków, jak już wcześniej wspomniano, zasadniczy wpływ na stosowane

metody pomiarów właściwości użytkowych wywiera ich porowatość, wynosząca zazwyczaj od

kilku do kilkunastu procent, a dla spieków o dużej porowatości, nawet większą.

Dlatego też dla spieków, mimo iż zasadniczy charakter pomiaru nie ulega zmianie, jego

przeprowadzenie przebiega często w sposób odmienny niż w przypadku materiałów litych.

Badania materiałów otrzymanych na drodze metalurgii proszków prowadzi się na ele-

mentach spieczonych. Czasami prowadzi się badania właściwości mechanicznych wyprasek

(przed spiekaniem), szczególnie wykonanych z materiałów trudnoprasowalnych i kruchych,

6 Ćwiczenie 1



TUM II

celem określenia warunków transportu międzyoperacyjnego, np. pomiędzy stanowiskami wy-

twórczymi (prasy) a piecami, w których prowadzony jest proces spiekania.

Do najczęściej przeprowadzanych badań spieków z proszków metalowych i ceramicznych na-

leży:

- oznaczenie gęstości,

- oznaczenie porowatości otwartej,

- oznaczenie twardości,

- oznaczenie właściwości mechanicznych.

Oznaczenie gęstości spieków

Określenie gęstości objętościowej (masy objętościowej) wyprasek i spieków jest jedną

z najważniejszych metod badania właściwości materiałów spiekanych. Wynika to z faktu, że

większość właściwości fizycznych (w tym mechanicznych) zależy prawie wprost proporcjonal-

nie od gęstości spieków. Gęstość objętościowa (masa objętościowa) wyraża gęstość pozorną,

jaką osiągnęła badana kształtka, liczona z zajmowanej przez nią objętości i jej masy. Jest to

gęstość (masa) nie uwzględniająca pojemności porów otwartych i zamkniętych.

Gęstość objętościowa (masa objętościowa) określana jest jako stosunek masy kształtki

do jej całkowitej objętości łącznie z porami. Określa się ją tzw. metodą geometryczną lub me-

todą Archimedesa.

Metoda geometryczna może być stosowana dla elementów o prostych kształtach geo-

metrycznych pozwalających na wyznaczenie objętości przez bezpośrednie pomiary wymiarów

geometrycznych i niezbędne obliczenia. Następnie kształtki waży się i oblicza gęstość z zależ-

ności:

V

md [Mg/m

3]

m – masa próbki,

V – objętość próbki.

Metoda geometryczna jest stosunkowo mało dokładna i stosowana może być raczej ja-

ko metoda orientacyjna. Szczególnie trudne może być przeprowadzenie badania w przypadku

próbek z wykruszonymi krawędziami.

Znacznie dokładniejsza jest metoda oparta na prawie Archimedesa, polegająca na okre-

śleniu objętości spieku z różnicy jego ciężaru w powietrzu i cieczy (np. w wodzie). Do pomia-

Ćwiczenie 1 7



TUM II

ru gęstości próbki muszą być odpowiednio przygotowane. Przygotowanie próbki do badania

polega na zabezpieczeniu powierzchni porowatej przed wnikaniem wody w pory otwarte spie-

ku. W ten sposób zabezpiecza się próbkę przed korozją międzyziarnową. Uzyskuje się to przez

wypełnienie porów olejem, bądź specjalnymi mieszaninami olejów i innych składników. Nasy-

cania takiego nie stosuje się dla spieków ceramicznych, gdyż nie ulegają one korozji i mogą

być nasycane wodą podczas pomiaru.

Po nasyceniu spiek waży się w wodzie destylowanej na wadze z podwójną szalką

(rys. 2),

Rys. 2. Waga z podwójną szalką

a gęstość objętościową (masę właściwą) wyznacza się z wzoru:

32

1

mm

dmd w

d – gęstość objętościowa spieku,

m1 – masa spieku przed nasyceniem,

m2 – masa spieku po nasyceniu określona w powietrzu,

m3 – masa spieku po nasyceniu określona w wodzie,

dw – gęstość wody.

Pomiar porowatości otwartej spieków

Porowatość otwarta spieku określana jest jako stosunek objętości porów ciągłych ma-

jących ujście na zewnętrznych powierzchniach próbki do jego objętości całkowitej. Oznaczenie

porowatości otwartej przeprowadza się na wadze z podwójną szalką i określa z odpowiednich

wzorów (w procentach):

a) dla spieków metalowych:

1 – szalka do ważenia próbki w powie-

trzu,

2 – szalka do ważenia próbki w wodzie

8 Ćwiczenie 1



TUM II

%100)(

)(

32

42

n

w

dmm

dmm

m2 – masa próbki nasyconej określona w powietrzu,

m3 – masa próbki nasyconej określona w wodzie,

m4 – masa próbki po usunięciu cieczy nasycającej (ekstrakcji),

dw – gęstość wody,

dn – gęstość oleju, którym nasycono próbkę.

b) dla spieków ceramicznych:

%10043

42

mm

mm

m2 – masa próbki nasyconej wodą,

m4 – masa próbki suchej,

m3 – masa próbki zanurzonej w wodzie.

Pomiar wielkości porów

W przypadku wyrobów stosowanych na filtry istotna jest wielkość porów. Ich pomiaru

dokonuje się metodą pęcherzykową (rys. 3). Dostarcza ona informacji o wymiarze największe-

go poru w jego najmniejszym przekroju położonym przy powierzchni materiału porowatego

oraz o jednorodności rozkładu wielkości porów. Metodę stosuje się do oznaczenia maksymal-

nej i średniej wielkości porów.

Rys. 3. Oznaczanie wielkości porów;

1 – badana próbka,

2 – uchwyt na próbkę,

3 – ciecz,

4 – wysokość słupa cieczy nad próbką.

Oznaczenie maksymalnej wielkości porów polega na określeniu ciśnienia potrzebnego

do wytłoczenia pierwszego pęcherzyka powietrza przez badaną próbkę porowatą nasyconą

całkowicie cieczą (rys. 3a). Z kolei oznaczenie średniej wielkości porów polega na określeniu

Ćwiczenie 1 9



TUM II

ciśnienia powodującego wydzielanie pęcherzyków powietrza z całej badanej powierzchni

próbki (rys. 3b).

Badanie przeprowadza się stosując próbki o kształcie tarczy o średnicy 25 ‚ 100 mm i

grubości 0,25 ‚ 10 mm lub o kształcie tulei o powierzchni czynnej 5 ‚ 10 cm2. Należy zazna-

czyć, że niedopuszczalna jest obróbka mechaniczna powierzchni czynnej próbki. Próbki nasyca

się alkoholem etylowym lub izopropylowym, w którym następnie prowadzi się oznaczenie.

Maksymalną lub średnią wielkość porów oblicza się w μm ze wzoru:

hgpd

6104

p – ciśnienie, przy którym obserwuje się zjawisko wydzielania się pęcherzyków,

σ – napięcie powierzchniowe [N/m],

g – przyspieszenie ziemskie,

ρ – gęstość cieczy [Ns2/m

4],

h – wysokość słupa cieczy nad badaną próbką [m].

Pomiar twardości

Badanie twardości spieków metalowych znacznie różni się od badania tego parametru

dla spieków ceramicznych.

Oznaczanie twardości spieków metalowych, ze względu na ich porowatość, może być

obarczone dużym błędem. Dotyczy to szczególnie metod, przy których stosuje się, jako

wgłębniki, ostrza diamentowe o kształcie ostrosłupa. Wgłębniki te po natrafieniu na por mogą

łatwo wgłębiać się, dając błędne odczyty twardości. Dlatego też twardość spieków metalo-

wych mierzy się najczęściej na twardościomierzach z wgłębnikami kulkowymi o dość dużej

średnicy. Otrzymuje się przy tym wyniki niejako „uśrednione”, uwzględniające zwiększoną,

wskutek porowatości, plastyczność spieku. Powtarzalność wyników jest mniejsza niż przy

materiałach litych. Ich rozrzut wynosi 10 ‚ 15 %.

Pomiary twardości spieków metalowych przeprowadza się sposobem Brinella, Roc-

kwella oraz metodą pomiaru głębokości odcisku kulki. Często stosowanym sposobem pomiaru

twardości jest metoda Vockersa. Wybór sposobu oznaczenia zależy od rodzaju spieku i jego

twardości.

Próbę twardości sposobem Brinella przeprowadza się dla spieków, przy których nie

występują trudności odczytu średnicy odcisku kulki. Badanie przeprowadza się tak, jak dla

10 Ćwiczenie 1



TUM II

materiałów litych, z tą różnicą, że współczynnik „n” przyjmuje się w zależności od twardości

spieku według tablicy 1, a nie w zależności od rodzaju materiału.

Tablica 1. Wartości współczynnika „n” przy pomiarach twardości spieków sposobem Brinella

Twardość spieku HB Współczynnik „n”

poniżej 20

20 ‚ 60

60 ‚ 150

powyżej 150

2,5

5

10

30

Próbę twardości sposobem Rockwella prowadzi się dla spieków o dużej twardości

(ulepszonych cieplnie), w taki sam sposób jak materiałów litych. Należy jednak zaznaczyć, że

w przypadku pomiaru twardości spieków nasyconych olejem może powstać poduszka olejowa

między badanym przedmiotem a stolikiem przyrządu. Aby do tego nie dopuścić należy spiek

wstępnie osuszyć, a przed badaniem ustawić na okres co najmniej 2 godzin na bibule po-

wierzchnią, która podczas pomiaru będzie dotykać stolika twardościomierza.

Próbę twardości metodą pomiaru głębokości odcisku kulki prowadzi się, gdy niemoż-

liwy jest odczyt średnicy odcisku kulki. Do przeprowadzenia pomiaru stosuje się odpowiednio

przystosowane twardościomierze Rockwella lub uniwersalne aparaty Brinella-Rockwella,

umożliwiające wywieranie obciążenia wstępnego 100 N i obciążenia całkowitego 625 N. Jako

wgłębniki stosuje się kulki o średnicy 5 mm lub 2,5 mm. Podstawowe badanie prowadzi się z

wykorzystaniem kulki o średnicy 2,5 mm. Kulkę o średnicy 5 mm stosuje się, gdy grubość ba-

danego przedmiotu uniemożliwia stosowanie kulki 2,5 mm; daje ona głębszy odcisk. Istotną

rolę przy pomiarze odgrywa grubość próbki. Należy ją dobierać tak, aby na powierzchni prze-

ciwległej do odcisku nie powstało miejscowe odkształcenie lub inne znaki wskazujące na dzia-

łanie siły obciążającej. Minimalne grubości próbek w zależności od twardości odczytanej na

skali Rockwella C, przy zastosowaniu kulki o średnicy 2,5 mm – HR2,5 lub przy zastosowaniu

kulki o średnicy 5 mm – HR5 podano w tablicy 2.

Ćwiczenie 1 11



TUM II

Tablica 2. Minimalne grubości próbek przy próbie twardości metodą pomiaru głębokości od-

cisku kulki

Twardość

HR2,5 lub

R5

Grubość ba-

danej próbki

[mm]

Twardość

HR2,5 lub

R5

Grubość ba-

danej próbki

[mm]

Twardość

HR2,5 lub

R5

Grubość ba-

danej próbki

[mm]

10

20

30

40

50

55

60

1,8

1,6

1,4

1,2

1,0

0,9

0,8

63

67

70

73

75

78

80

0,75

0,7

0,6

0,55

0,5

0,45

0,4

82

84

86

88

90

0,35

0,3

0,3

0,25

0,2

Próbę przeprowadza się następująco. Po wstępnym obciążeniu kulki, ustawia się skalę

czujnika na ‘zero” (skala C lub A w aparacie Rockwella), po czym obciąża się kulkę obciąże-

niem głównym. Obciążenie główne zwalnia się, gdy zakończy się proces odkształcenia pla-

stycznego próbki, którego wyrazem jest zatrzymanie przesuwania się wskazówki czujnika.

Przy pozostawionym obciążeniu wstępnym dokonuje się odczytu trwałego przyrostu głęboko-

ści odcisku w jednostkach Rockwella A lub C. Otrzymane wyniki można przeliczyć na twar-

dość Brinella według wzorów:

hHRRHB

8000

5,2100

400/5,62/5,2

hHRRHB

4000

5100

2000/5,62/5

h – głębokość odcisku [μm].

Badanie twardości spieków ceramicznych polega na oznaczeniu twardości według skali

Mohsa. Badanie polega na przeprowadzeniu prób wzajemnego rysowania badanego materiału i

minerału skali twardości. Jeżeli badany materiał i minerał nie rysują się nawzajem, wówczas

materiał ma tę samą twardość co minerał. Jeżeli natomiast materiał rysuje minerał, a nie podle-

ga rysowaniu przez następny pod względem twardości, to jego twardość leży pomiędzy twar-

dościami obu minerałów. Skalę twardości w skali Mohsa przedstawiono w tablicy 3.

12 Ćwiczenie 1



TUM II

Tablica 3. Twardości minerałów wzorcowych stosowanych w metodzie pomiaru twardości w

skali Mohsa

Minerał Twardość Minerał Twardość

talk

gips

kalcyt

fluoryt

apatyt

1

2

3

4

5

ortoklaz

kwarc

topaz

korund

diament

6

7

8

9

10

Pomiar właściwości wytrzymałościowych spieków

Wytrzymałość na rozciąganie, zginanie, ściskanie oraz udarność bada się na próbkach

spieków wykonanych w specjalnych matrycach z tych samych materiałów i w warunkach iden-

tycznych do warunków wykonania partii spieków, której właściwości należy określić. Wadą

tego typu badań jest to, że trudno jest wykonać próbki o takich samych właściwościach, co

kształtki.

Oznaczenie wytrzymałości na rozciąganie

Oznaczenie wytrzymałości na rozciąganie spieków metalowych przeprowadza się na

kształtce wykonanej w matrycy, której otwór przedstawiono na rys. 4. Po spiekaniu próbka nie

może być

Rys. 4. Kształtka spieku metalowego do badania

wytrzymałości na rozciąganie

okrąglenie krawędzi, przy czym promień zaokrąglenia nie powinien być większy niż 0,2 mm.

Oznaczenie wytrzymałości na rozciąganie dla spieków ceramicznych przeprowadza się

na kształtkach przedstawionych na rys. 5.

poddawana żadnym zabiegom wykoń-

czeniowym, aby nie zwiększać rozrzutu

wyników. Szczególnie nie można jej

poddawać obróbce skrawaniem, prze-

ciskaniu itp., a więc procesom powo-

dującym zgniot i zamykanie porów.

Po spiekaniu możliwe jest jedynie usu-

nięcie wypływek. Przy tej czynności

dopuszcza się zaokrąg-

Ćwiczenie 1 13



TUM II

Rys. 5. Kształtka spieku ceramicznego do badania wytrzymałości na rozciąganie

Powierzchnia próbek, zwłaszcza w miejscu przewężenia, nie powinna wykazywać rys, wgłę-

bień i zanieczyszczeń, które mogą być przyczyną przedwczesnego zerwania. Aby uniknąć na-

prężeń zginających w trakcie rozciągania, próbki mocuje się wychylnie w maszynie wytrzyma-

łościowej w specjalnych uchwytach. Prawidłowo wykonane próbki po zerwaniu mają przełom

pofałdowany i gruboziarnisty, natomiast próbki słabe, wadliwie wykonanie, mają przełom

gładki.

Próbki o podanych kształtach (rys. 4 i 5) poddaje się rozciąganiu na maszynie wytrzy-

małościowej do momentu zerwania, a wytrzymałość oblicza się ze wzoru:

S

FR m

m

Fm – największa siła obciążająca,

S – początkowe pole przekroju próbki.

Oznaczenie wytrzymałości na zginanie

Przyrząd do badania wytrzymałości na zginanie spieków metalowych przedstawiono na rys. 6.

Próbkę o znormalizowanym kształcie umieszcza się na wspornikach i poddaje naciskowi

trzpienia. Płaszczyzna symetrii zestawu oprzyrządowania powinna pokrywać się z osią symetrii

maszyny wytrzymałościowej.

Rys. 6. Przyrząd do badania wytrzymałości na zginanie spieków metalowych

Wytrzymałość na zginanie obli-

cza się ze wzoru:

bg

FR m

g

2

g – grubość próbki,

b – szerokość próbki,

Fm – siła niszcząca.

14 Ćwiczenie 1



TUM II

Oznaczenie wytrzymałości na zginanie dla spieków ceramicznych przeprowadza się na

próbkach pokazanych na rys. 7 o wymiarach podanych w tablicy 4.

Rys. 7. Próbki ceramiczne do badania wytrzymałości na zginanie i udarność

Tablica 4. Długość próbek ceramicznych i odległość pomiędzy podporami przy oznaczaniu

wytrzymałości na zginanie i udarność

Rodzaj prób-

ki

Długość prób-

ki

Odległość między podporami Lp

[mm]

Uwagi

wytrzymałość na;

zginanie udarność

a

a

b

b

c

120

65

120

65

35 (70)

100

50

100

50

25 (50)

70

40

70

40

25 (40)

zalecana

dopuszczona

zalecana

zalecana

dopuszczona

Oznaczanie wytrzymałości na ściskanie

Wytrzymałość na ściskanie jest to naprężenie odpowiadające sile ściskającej powodującej

zniszczenie próbki. Dla spieków metalowych próbki do badań wykonuje się w postaci walca o

średnicy

Wytrzymałość na zginanie oblicza

się ze wzorów:

a) dla próbki z rys. 7a:

3

8

D

LFR

pg

g

b) dla próbki z rys. 7b:

2

8

Db

LFR

pg

g

c) dla próbki z rys. 7c:

2

5,1

gb

LFR

pg

g

Fg – siła niszcząca,

Lp – odległość pomiędzy

punk-

tami podparcia,

D – średnica próbki,

b – szerokość próbki

g – wysokość próbki,

Ćwiczenie 1 15



TUM II

Φ = 25H5 i wysokości 35 ‚ 40 mm. Próbę ściskania prowadzi się na przyrządzie przedstawio-

nym na rys. 7.

Rys. 7. Zestaw płyt naciskowych z przegubem

W trakcie badania wytrzymałości na ściskanie wyznacza się umowną granicę plastycz-

ności. Umowna granica plastyczności przy ściskaniu określana jest jako naprężenie powodują-

ce trwałe skrócenie próbki o 2 % pierwotnej długości pomiarowej. Jej określenie polega na

zbudowaniu wykresu obrazującego zależność siły ściskającej w funkcji skrócenia próbki (rys.

8), a następnie określeniu siły F2 odpowiadającej trwałemu skróceniu próbki o 2 %. W tym

celu na wykresie wyznacza się prostą, w odległości odpowiadającej skróceniu o 2 %, równole-

głą do prostoliniowego przebiegu wykresu w odległości powyżej określonej. Przecięcie tak

poprowadzonej prostej z wykresem, odpowiada sile F2.

Rys. 8. Zależność siły ściskającej od skrócenia próbki

Dla spieków ceramicznych badanie wytrzymałości na ściskanie przeprowadza się na

próbkach o wymiarach podanych na rys. 9. Próbki powinny mieć podstawy dokładnie równo-

ległe i oszlifowane. Wyraźnym sygnałem niewłaściwego oszlifowania próbki są trzaski wystę-

pujące w trakcie zwiększania obciążenia.

Wytrzymałość na ściskanie określa się ze wzo-

ru:

S

FR 2

2

Fc – siła ściskająca powodująca zniszcze-

nie

próbki,

S – powierzchnia przekroju poprzecznego

próbki.

Umowna granica plastyczności przy ściska-

niu (R2) określa się ze wzoru:

S

FR 2

2

F2 – siła ściskająca według rys. 8,

S – powierzchnia przekroju poprzecz-

nego

próbki.

16 Ćwiczenie 1



TUM II

Rys. 9. Próbka ceramiczna do badania wytrzymałości na ściskanie

Oznaczenie udarności

Udarność określa się na próbkach przedstawionych na rys. 7, o wymiarach z tablicy 4.

Badanie przeprowadza się za pomocą młota Charpy’ego o energii 0,5 lub 1 J.

Udarność oblicza się ze wzorów:

a) dla próbek z rys. 7a:

2

4

D

Aa

b) dla próbek z rys. 7b:

Db

Aa

4

c) dla próbek z rys. 7c:

gb

Aa

4

A – energia uderzenia powodująca udarowe złamanie próbki,

D – średnica próbki,

b – szerokość próbki,

g – grubość próbki.

2.2. Literatura źródłowa (wykorzystana w opracowaniu)

1. Odpowiednie fragmenty z wykładów,

2. Podstawowa literatura dotycząca podstawowych oznaczeń wytrzymałościowych wy-

robów metalowych,

3. katalog firmy Malvern Instruments Ltd.

W praktyce uzyskanie idealnej równoległości

podstaw próbki jest trudne do osiągnięcia. Dla-

tego między szczęki maszyny wytrzymałościo-

wej a próbkę wkłada się podkładki z kartonu o

grubości 0,2 ‚ 0,4 mm. Wytrzymałość na ści-

skanie oblicza się tak, jak dla spieków metalo-

wych.

Ćwiczenie 1 17



TUM II

3. STANOWISKO LABORATORYJNE

(Struktura i obsługa stanowiska laboratoryjnego (ewentualnie stanowisk lub urzą-

dzeń).

1) Oznaczenie wielkości drobnych cząstek proszków.

Typowym przyrządem do oznaczania wielkości cząstek proszków jest analizator cząstek typu

„Mastersizer E” firmy Malvern. Jest on przystosowany do pomiaru cząstek większych niż 0,5

μm. Zasada pracy przyrządu opiera się na pomiarze wielkości odchylenia wiązki strumienia

światła laserowego niskiej mocy na cząstkach badanego proszku. Otrzymanie prawidłowych

wyników pomiarów wymaga wprowadzenia proszku do cieczy, którą najczęściej jest woda

oraz wprowadzeniu drgań ultradźwiękowych do pojemnika z wodą i badanym proszkiem.

Dzięki temu zapobiega się aglomeracji cząstek proszku. Wynik pomiaru uzyskuje się poprzez

porównanie wielkości cząstki z powierzchnią kuli o równoważnej powierzchni.

Otrzymane wyniki pomiarów podawane są w postaci stabelaryzowanej. Współpracują-

cy z analizatorem komputer przeprowadza analizę wyników pomiarów i podaje je w postaci

wykresów obrazujących udział poszczególnych frakcji badanego proszku. Podaje również

maksymalną wielkość cząstek stanowiących do 10 %, 50 % i 90 % całej objętości badanego

materiału.

2) Mielenie proszków

Rys. 10. Obraz laboratoryjnego młynka planetarnego „pulverisette 6”

18 Ćwiczenie 1



TUM II

Na rys. 10 przedstawiony jest laboratoryjny młynek planetarny „pulverisette 6”. Jest to

uniwersalny młynek stosowany do szybkiego rozdrabniania na sucho lub na mokro materiałów

twardych i kruchych. Zespół mielący składający się z pojemnika mielącego i kul jest wykonany

jest z ZrO2. Młynek ten może być stosowany do mieszania, ujednoradniania i mechanicznego

„stopowania”. Podczas pracy młynka, na wypełnione w odpowiednich proporcjach z rozdrab-

nianego materiału i kulek mielących, działają siły odśrodkowe wywołane obrotem naczynia

mielącego względem swej osi oraz obrotem tarczy nośnej, na której jest umocowane naczynie

mielące. Naczynie mielące jest usytuowane mimośrodowo na tarczy nośnej. Kierunki wirowa-

nia naczynia i tarczy nośnej są przeciwne. Dzięki temu siły odśrodkowe działają na przemian

zgodnie lub przeciwnie, co sprzyja intensyfikacji procesu mielenia. Konstrukcja młynka pozwa-

la na mielenie z regulowaną prędkością. Maksymalna prędkość wirowania pojemnika wynosi

600 obr/min.

Podczas mielenia na sucho można uzyskiwać ziarna nie mniejsze niż 20 μm. Znacznie

mniejsze cząstki, nawet o wielkości 1 μm, można uzyskać podczas mielenia na mokro w cie-

czach niepalnych. Czas mielenia musi być odpowiednio wydłużony

4) Budowa mechanicznej praski automatycznej MPM3 do prasowania proszków

Na rys. 11 przedstawiony jest obraz mechanicznej praski automatycznej do prasowania prosz-

ków MPM3 a na rys. schemat budowy i zasada jej działania.

Rys. 11. Budowa prasy automatycznej

Ćwiczenie 1 19



TUM II

Rys. 12. Schemat budowy i zasada jej działania prasy MPM3

1 – stempel dolny

2 – stempel górny

3 – matryca

4 – suwak górny

5 – suwak dolny

6 – zasypnik

7 – rolka wałka mi-

mośrodowego

8 – krzywka sterow-

nicza

9 – cięgno krzywki

10 – dociskacz krzyw-

ki sterowniczej

20 Ćwiczenie 1



TUM II

4. REALIZACJA EKSPERYMENTÓW TECHNOLOGICZNYCH

(Uwagi bhp, kolejność i sposób wykonywania zadań praktycznych, wykonywanie po-

miarów przyrządy pomiarowe, procedura).

4.1. Uwagi bhp

Podczas wykonywania ćwiczenia występują następujące zagrożenia:

- porażenie prądem elektrycznym: młynek kulowy, parsa automatyczna, analizator wielkość

cząstek proszku,

- nieostrożne postępowanie podczas pracy prasy może spowodować zmiażdżenie, np. palca.

4.2. Program ćwiczenia

Program ćwiczenia składa się z następujących zadań szczegółowych:

1) przeprowadzenie oznaczenia gęstości pozornych spieków metalowych i ceramicznych,

2) zapoznanie się z budową i zasadą działania analizatora wielkości cząstek proszków me-

talowych typu Malvern Mastersizer,

3) zapoznanie się z budową i zasadą działania wysokoenergetycznego młynka kulowego

firmy FRITSH typ „pulverisette 6” przeznaczonego do mielenia proszków,

4) poznanie budowy i zasady działania prasy mechanicznej do prasowania proszków na

przykładzie prasy typu MPM3 pracującej w cyklu automatycznym.

4.3. Wykonanie zadań (opis postępowania)

W trakcie ćwiczenia wykonywane są następujące prace:

1) oznaczenie gęstości pozornych i względnych wytypowanych kształtek wykonanych ze

spiekanych proszków brązu B10 (dCu = 8,96 Mg/m3, dSn = 7,32 Mg/m

3),

2) dokonanie analizy budowy i zapoznanie się z zasadą działania analizatora wielkości czą-

stek proszków metalowych typu Malvern Mastersizer oraz oznaczenie składu ziarno-

wego frakcji podsitowej próbki proszku metalowego,

Ćwiczenie 1 21



TUM II

3) dokonanie analizy budowy i zapoznanie się z zasadą działania wysokoenergetycznego

młynka kulowego firmy FRITSH typ „pulverisette 6” przeznaczonego do mielenia

proszków,

4) dokonanie analizy budowy i zapoznanie się z zasadą działania prasy mechanicznej typu

MPM3 pracującej w cyklu automatycznym, służącej do wytwarzania drobnych elemen-

tów z proszków metalowych i ceramicznych; określenie wydajności prasy, tj. ilości wy-

prasek wytwarzanych w jednostce czasu.

5. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA

Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać: uwagi bhp, program ćwiczenia, czyli

treść zadań, opracowanie zadań w postaci szkiców, podanie zastosowanych wartości parame-

trów i warunków technologicznych eksperymentów, wyniki eksperymentów, ilustracje wyni-

ków wykresami, oszacowania błędów pomiarów oraz wnioski dotyczące przeprowadzonych

doświadczeń.

6. LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA

(dla studentów – aktualna i dostępna w bibliotece lub informacje w internecie)

1. Podstawowa literatura dotycząca metalurgii proszków (podana na wykładzie).

Ćwiczenie 1 Wybrane metody przygotowania i badania...

Documents

Transcript of Ćwiczenie 1 Wybrane metody przygotowania i badania...