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 1 3 [ g / ] G d D = (1.1) G + 1 c cm G G3 gdzie: D - gęstość teoretyczna spieku [g/cm 3 ], G 1 - masa naważki sproszkowanego spieku [g], G - masa piknometru z cieczą [g], G 3 - masa piknometru z cieczą i naważką sproszkowanego spieku [g], d c - gęstość cieczy [g/cm 3 ]. 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 4 5 3 [ g / ] G0 R = dc cm (1.) G G gdzie: R - gęstość pozorna [g/cm 3 ], G 0 - masa suchego spieku [g], G 4 - masa spieku nasyconego cieczą [g], G 5 - masa spieku zanurzonego w cieczy [g], G 4 - G 5 - masy wypartej cieczy [g], G 4 G 5 - objętość wypartej cieczy równa objętości spieku [cm 3 ]. 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 cm 3 ciała nieporowatego jest większa od masy l cm 3 ciała porowatego, wiadomo, że dla całkowitego zapełnienia porów l cm 3 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
3 [ cm ] D R V = (1.3) D Otrzymana wielkość stanowi sumaryczną objętość porów otwartych i zamkniętych zawartych w 1 cm 3 spieku. Wyrażając ją w procentach otrzymuje się całkowitą porowatość P D R P = 100% (1.4) D Porowatość otwartą P o oblicza się ze wzoru G4 G0 Po = 100% (1.5) G4 G5 Znając porowatość całkowitą P i otwartą P o można określić procentową zawartość porów zamkniętych w spieku P, P = P (1.6) z P o 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.. 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 Warunki pomiaru HV5 15-60 HV5 HB,5/15, 65/30 powyżej 60-105 HV10, HB,5/31, 5/15 HRF powyżej 105-180 HV30 HB,5/6,5/10 HRB powyżej 180-330 HV50 HB,5/187,5/10 HRA Powyżej 330 HV100 HB,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 = 1 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 () do wywierania nacisku na próbkę (Rys. 1.) Rysunek 1.. Przyrząd do badania próbek na zginanie 1-rolki podporowe, -trzpień rolkowy Wytrzymałość na zginanie oblicza się wg ze wzoru 3Fl R g =, (1.7) bh gdzie: F - siła niszcząca [N], l - odległość między podporami [mm], b - szerokość próbki [mm], h - grubość próbki [mm].
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 ( D a) F L a m =, (1.8) gdzie: F m - 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, -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 5 i wysokości 35-40 mm. Próbki są ściskane w maszynie wytrzymałościowej między dwiema płytami (Rys. 1.4). Umowną granicę plastyczności przy ściskaniu R m, tzn. naprężenia powodujące skrócenie trwałe próbki % pierwotnej długości, określa się ze wzoru: F R =, (1.9) S0 gdzie: F - siła ściskająca powodująca trwałe skrócenie próbki % pierwotnej długości [N],
S 0 - powierzchnia przekroju poprzecznego próbki [mm ]. Wytrzymałość na ściskanie, tzn. naprężenie ściskające powodujące zniszczenie próbki, oblicza się ze wzoru: gdzie: F, - siła ściskająca powodująca zniszczenie próbki [N]. F c R c =, (1.10) S0. Zagadnienia do opracowania 1. Co to jest gęstość teoretyczna?. 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/cm 3 5. Jakimi jeszcze metodami bada się spiekane kompozyty?