1. BADANIE SPIEKÓW 1.1. Oznaczanie gęstości i porowatości

1. BADANIE SPIEKÓW
1.1. Oznaczanie gęstości i porowatości spieków
Gęstością teoretyczną spieku jest stosunek jego masy do jego objętości rzeczywistej, to jest
objętości całkowitej pomniejszonej o objętość porów. Gęstość teoretyczną spieku można
określić po dokładnym jego sproszkowaniu w oparciu o wyniki pomiarów piknometrycznych
ze wzoru
D=
[
G1 ⋅ d c
g / cm3
G1 + G 2 − G 3
]
(1.1)
gdzie: D - gęstość teoretyczna spieku [g/cm3],
G1 - masa naważki sproszkowanego spieku [g],
G2 - masa piknometru z cieczą [g],
G3 - masa piknometru z cieczą i naważką sproszkowanego spieku [g],
dc - gęstość cieczy [g/cm3].
Gęstością pozorną spieku jest stosunek jego masy do jego całkowitej objętości, łącznie z
porami. W przypadku spieków o prostych kształtach całkowitą objętość można określić na
podstawie wymiarów próbki. W przypadku próbek o skomplikowanych kształtach w celu
pomiaru objętości są stosowane objętościomierze, w których określa się objętość wody
wypartej przez przedmiot nasycony wodą.
Gęstość pozorną można też wyznaczyć metodą ważenia hydrostatycznego ze wzoru
R=
[
G0
⋅ d c g / cm3
G 4 − G5
]
(1.2)
gdzie: R - gęstość pozorna [g/cm3],
G0 - masa suchego spieku [g],
G4 - masa spieku nasyconego cieczą [g],
G5 - masa spieku zanurzonego w cieczy [g],
G4 - G5 - masy wypartej cieczy [g],
G4 − G5
- objętość wypartej cieczy równa objętości spieku [cm3].
dc
Porowatość całkowita jest to wyrażony w procentach stosunek objętości porów otwartych i
zamkniętych do całkowitej próbki.
Porowatość otwarta jest to wyrażony w procentach stosunek porów otwartych, tzn. wolnych
przestrzeni między ziarnami i cząstkami w spieku połączonych wzajemnie i z atmosferą, do
całkowitej objętości próbki.
Wychodząc z różnicy D − R, która wskazuje o ile masa l cm3 ciała nieporowatego jest
większa od masy l cm3 ciała porowatego, wiadomo, że dla całkowitego zapełnienia porów l
cm3 porowatego i przekształcenia go w ten sposób w ciało nieporowate należy dodać D − R
nieporowatej substancji o gęstości równej D.
Objętość V tej ilości nieporowatej substancji otrzymuje się przez podzielenie jej masy
przez gęstość
V=
[ ]
D−R
cm3
D
(1.3)
Otrzymana wielkość stanowi sumaryczną objętość porów otwartych i zamkniętych
zawartych w 1 cm3 spieku. Wyrażając ją w procentach otrzymuje się całkowitą porowatość P
P=
D−R
⋅100%
D
(1.4)
Porowatość otwartą Po oblicza się ze wzoru
Po =
G4 − G0
⋅100%
G 4 − G5
(1.5)
Znając porowatość całkowitą P i otwartą Po można określić procentową zawartość porów
zamkniętych w spieku P,
Pz = P − Po
(1.6)
Porowatość całkowitą spieków można również określić na zgładach metalograficznych
stosując metody metalografii ilościowej. Porowatość otwartą i zamkniętą spieków można
określić również metodami metalografii ilościowej.
1.2. Badania właściwości mechanicznych spieków
Twardość spieków o jednorodnej budowie można mierzyć metodą Rockwella, Brinella i
Vickersa. Pomiar twardości spieku poprzedza wyznaczenie klasy jego twardości na podstawie
pomiaru twardości Vickersa HV5. Następnie z Tab. 1.1. dobiera się warunki pomiaru
twardości spieku.
Tabela 1.1. Warunki pomiaru jednorodnych spieków w zależności od ich klasy twardości
HV5
Klasa twardości
HV5
15 - 60
powyżej 60 - 105
powyżej 105 -180
powyżej 180 - 330
Powyżej 330
Warunki pomiaru
HV5
HB 2,5/15, 625/30
HV10, HB 2,5/31, 25/15
HRF
HV30
HB 2,5/62,5/10
HRB
HV50
HB 2,5/187,5/10
HRA
HV100
HB 2,5/187,5/10
HRA
Rysunek 1.1. Próbka do badania wytrzymałości na rozciąganie spieków
Wytrzymałość na rozciąganie spieków z materiałów plastycznych określa się na próbkach
przedstawionych na Rys. 1.1. Wytrzymałość spieków wykonanych z materiałów
nieplastycznych określa się jako wytrzymałość na zginanie. Wytrzymałość na zginanie na
próbce o szerokości b = 12 mm, grubości h = 6 mm i długości 30 mm określa się za pomocą
umieszczonego w maszynie wytrzymałościowej przyrządu do obciążania próbek składającego
się z dwóch rolek podporowych (l) i trzpienia rolkowego (2) do wywierania nacisku na
próbkę (Rys. 1.2)
Rysunek 1.2. Przyrząd do badania próbek na zginanie
1-rolki podporowe, 2-trzpień rolkowy
Wytrzymałość na zginanie oblicza się wg ze wzoru
Rg =
3Fl
,
2bh 2
gdzie: F - siła niszcząca [N],
l - odległość między podporami [mm],
b - szerokość próbki [mm],
h - grubość próbki [mm].
(1.7)
Rysunek 1.3. Schemat zgniatania promieniowego
W niektórych przypadkach, np. przy ocenie pierścieni łożyskowych oznacza się
wytrzymałość na zgniatanie promieniowe. Próbki o
kształcie tulei są zgniatane pomiędzy dwoma płaskimi i równoległymi powierzchniami próbki
siłami normalnymi do osi próbki (Rys. 1.3). Wytrzymałość na zgniatanie promieniowe K
określa się ze wzoru:
K=
Fm (D − a )
,
L ⋅ a2
(1.8)
gdzie: Fm - największa siła zgniatająca, przy której następuje pęknięcie [N],
D - średnica zwnętrzna próbki [mm],
L - długość próbki [mm],
a - grubość ścianki próbki [mm].
Rysunek 1.4. Schemat próby statycznej ściskania
1-przegubb kulisty, 2-górna płyta, 3 środek krzywizny przegubu, 4-próbka, 5-dolna płyta
Umowną granicę plastyczności przy ściskaniu i wytrzymałość na ściskanie określa się na
próbkach walcowych o średnicy φ 25 i wysokości 35 - 40 mm. Próbki są ściskane w maszynie
wytrzymałościowej między dwiema płytami (Rys. 1.4). Umowną granicę plastyczności przy
ściskaniu Rm, tzn. naprężenia powodujące skrócenie trwałe próbki 2% pierwotnej długości,
określa się ze wzoru:
R2 =
F2
,
S0
(1.9)
gdzie: F2 - siła ściskająca powodująca trwałe skrócenie próbki 2% pierwotnej długości [N],
S0 - powierzchnia przekroju poprzecznego próbki [mm2].
Wytrzymałość na ściskanie, tzn. naprężenie ściskające powodujące zniszczenie próbki,
oblicza się ze wzoru:
Rc =
Fc
,
S0
(1.10)
gdzie: F, - siła ściskająca powodująca zniszczenie próbki [N].
2. Zagadnienia do opracowania
1. Co to jest gęstość teoretyczna?
2. Co to jest gęstość pozorna ?
3. Określić porowatość spiekanego kompozytu metodą siatki na podanych zgładach
metalograficznych
a)
b)
c)
4. Znając porowatość obliczyć gęstość pozorną spieku o gęstości teoretycznej D = 7,1
g/cm3
5. Jakimi jeszcze metodami bada się spiekane kompozyty?