dr inż. Krzysztof NAWRAT

Transkrypt

1 MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE I EKSPLOATACYJNE dr inż. Krzysztof NAWRAT SEMESTR ZIMOWY 2010/2011

2 MOTTO Tworzywo jest tym mniej różne od optymalnego, im bardziej konstruowany wytwór jest odpowiedni ze względu na obrane kryterium J. Dietrych Odwieczne dążenie do magicznego doboru takich materiałów, które uwarunkowałyby minimalne tarcie i zużywanie się powierzchni, można porównać do fanatycznego szukania przez alchemików średniowiecznych, takiego magicznego połączenia pierwiastków, które by dały złoto W.D. Fuller Gdyby element działał w idealnych warunkach, to nie byłoby trudności z doborem tworzywa... jedynym czynnikiem byłaby odpowiednia wytrzymałość tworzywa W.D. Fuller 2

3 WARUNKI ZALICZENIA PRZEDMIOTU 1. Opracowanie jednego tematu z przedstawionych zagadnień (prezentacja na wykładzie?). 2. Zaliczenie kolokwium (kolokwiumprzewiduje się na przedostatnich zajęciach ). 3. Zaliczenie wszystkich ćwiczeń laboratoryjnych (uczestnictwo w zajęciach, wykonanie sprawozdania wg wymagań prowadzącego oraz ustna odpowiedź. 3

4 TEMATY DO OPRACOWANIA dla Ez3 - MKiE 1. Materia i jej składniki. 2. Materiały techniczne naturalne i inżynierskie porównanie ich struktury. 3. Materiały techniczne naturalne i inżynierskie porównanie własności 4. Materiały techniczne naturalne i inżynierskie porównanie zastosowania. 5. Zasady doboru materiałów inżynierskich w budowie maszyn. 6. Podstawy projektowania materiałowego. 7. Źródła informacji o materiałach inżynierskich, ich własnościach i zastosowaniach. 8. Umocnienie metali i stopów. 9. Przemiany fazowe. 10. Kształtowanie struktury i własności materiałów inżynierskich metodami technologicznymi. 11. Warunki pracy i mechanizmy zużycia i dekohezji materiałów inżynierskich. 12. Stale i odlewnicze stopy żelaza. 13. Metale nieżelazne i ich stopy. 14. Materiały spiekane. 15. Materiały ceramiczne. 16. Szkła i ceramika szklana. 17. Materiały polimerowe. 18. Materiały kompozytowe. 19. Materiały biomimetyczne, inteligentne i funkcjonalne. 20. Metody badania materiałów. 21. Elementy komputerowej nauki o materiałach oraz komputerowego wspomagania projektowania materiałowego (CAMD Computer Aided Materials Design). 22. Elementy komputerowej nauki o materiałach orazdoborumateriałów(cams Computer Aided Materials Selection). 23. Znaczenie materiałów inżynierskich w budowie i eksploatacji maszyn. 4

5 LABORATORIUM Ez3 MKiE i WM LABORATORIUM z MKiE oraz WM dla studentów sem. 3 Energetyki - st. zaoczne MKiE I KN A-35 Oznaczenie własności przy statycznym rozciąganiu tworzyw II ML A-35 Badanie własności olejów III GN B-09 Badanie uszczelek płaskich IV WK A-444 Metoda 0-1 doboru materiałów WM: V KN A-35 Badanie wytrzymałości na zginanie VI GN B-09 Badanie udarności VII MR A-35 Badanie wytrzymałości na wyboczenie VIII GN B-09 Badanie sprężyny śrubowej IX ML A-35 Badanie wytrzymałości na skręcanie Zjazdy podstawowe nr ćw. lab I 5-11 I V V Zjazdy dodatkowe Sekcja 1 Sekcja 2 Sekcja 1 Sekcja 2 10:30 12:00 II II 8:00 9:30 III 12:00 13:30 IX IV 9:30 11:00 VIII 13:30 15:00 IV IX 11:00 12:30 VII VI 12:30 14:00 VI VII 14:00 15:30 III 15:30-17:00 VIII 5

6 LITERATURA 1. Adamczyk J., Szkaradek K.: Materiały metalowe dla energetyki jądrowej, Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice Czerwiński W.: Materiałoznawstwo, PW Szk. Zaw., Warszawa Jastrzębski Z.D.: Własności tworzyw konstrukcyjnych, WNT Warszawa Kondratowicz W.: Materiały budowlane, skrypty Politechniki Wrocławskiej Surowiak W., Chudziński S.: Tworzywa sztuczne w budowie maszyn, WNT Warszawa Ashby M., Jones D.: Materiały inżynierskie tom I, WNT Warszawa Ashby M., Jones D.: Materiały inżynierskie tom II, WNT Warszawa Ashby M.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim, WNT Warszawa Ciszewski B., Przetakiewicz W.: Nowoczesne materiały w technice, Wyd. Bellona Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo, WNT Warszawa Krzemień E.: Materiałoznawstwo, Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice Kosman G., Rusin A.: Termowytrzymałość maszyn przepływowych, cz. II Zagadnienia plastyczności i pełzania. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice Dobrzański L.A.: Metalowe materiały inżynierskie, WNT Warszawa PN-EN Systemy oznaczania stali. Znaki stali, symbole główne. PKN grudzień PN-EN Systemy oznaczania stali. System cyfrowy. PKN grudzień

7 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA Jest to zespół różnych dyscyplin nauki i techniki zajmujących się badaniem struktury i własności oraz technologii wytwarzania i eksploatacji materiałów. W dziedzinie materiałowej nastąpiły zasadnicze zmiany polegające na nowym podejściu do materiałów. Według założeń inżynierii materiałowej mało istotny staje się podział na metale, niemetale, tworzywa ceramiczne, kompozyty itd., a istotnego znaczenia nabiera sprawa własności i przeznaczenia materiału. 7

8 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA CELE Naczelnym zadaniem jesttworzenie podstaw teoretycznych umożliwiających projektowanie tworzyw najbardziej odpowiednich do potrzeb. Jest to więc dyscyplina naukowa zajmująca siębadaniem prawidłowości zachodzących pomiędzy różnymi strukturami materii, a jej własnościami oraz prognozowaniem właściwości nie istniejących jeszcze tworzyw. Na przykład wiedza o metalach do niedawna ograniczała się do wyników badań laboratoryjnych. Nowe stopy metali powstawały najpierw w laboratoriach, a dopiero potem badano ich własności. 8

9 Umożliwia-tworzenie nowych materiałów o własnościach i właściwościach dostosowanych do aktualnych potrzeb (np. teflon). Ułatwiato konstruktorom podejmowanie decyzji co do pożądanych w nowych maszynach i urządzeniach tworzyw. Znacznie poszerza wiedzę w zakresie: INŻYNIERIA MATERIAŁOWA znajomości asortymentu wytwarzanych tworzyw i materiałów konstrukcyjnych znajomości procesów przetwarzania materiałów oraz zachodzących w nich procesów w trakcie nadawania ostatecznej postaci wytworu znajomości własności materiałów uzyskiwanych w wyniku różnych procesów wytwarzania materiałów (np. umacniania przez odkształcenie plastyczne) 9

10 SUBSTYTUCJA MATERIAŁOWA Jest toprocedura wzajemnego racjonalnego zastępowania materiałów konwencjonalnych innymi materiałami w celu zaspokajania takiej samej potrzeby. Substytut-materiałstosowany zastępczo w przypadku braku materiału tradycyjnego ze względów ekonomicznych lub technicznych (tzn. dostosowania do nowej konstrukcji lub technologii). Substytutami nie są materiały lepsze dla określonej konstrukcji nawet gdyby były tańsze, czy łatwiej dostępne. 10

11 SUBSTYTUCJA MATERIAŁOWA Możliwa jest w dwóch wariantach: 1. substytucja wewnątrz danej grupy materiałowej: a) zastąpienie droższego materiału tańszym b)zastąpienie materiału o lepszych własnościach materiałem o własnościach gorszych c)zastąpienie materiału deficytowego materiałem o dostatecznej podaży 2. substytucja materiału jednej grupy rodzajowej materiałem z innej grupy (np. metali przez tworzywa sztuczne). 11

12 SUBSTYTUCJA MATERIAŁOWA Możliwość procesu substytucji warunkują: dostępność materiałów substytucyjnych możliwość zastosowania substytutów ekonomiczna zasadność stosowania substytucji 12

13 SUBSTYTUCJA MATERIAŁOWA Obecnie wyraźnie dąży się nie tylko do właściwego doboru materiałów, ale ich projektowania z uwzględnieniem konstrukcji i rachunku ekonomicznego 13

14 Z materią związane jest również pojęcie struktury wewnętrznej (materiałowa cecha konstrukcyjna). Rozróżnia się struktury: krystalograficzne metalograficzne chemiczne POJĘCIA PODSTAWOWE - materia - układu złożonych cząstek chemicznych układu włókien (np. w drewnie lub tkaninach) 14

15 POJĘCIA PODSTAWOWE - materia - Wiązania chemiczne można podzielić na trzy podstawowe: wiązania jonowe wiązania (atomowe) kowalencyjne wiązania metaliczne (te typy wiązań stanowią wyidealizowane przypadki graniczne) 15

16 POJĘCIA PODSTAWOWE - siatki przestrzenne kryształów elementarnych 16

17 POJĘCIA PODSTAWOWE - tworzywo konstrukcyjne - TWORZYWO KONSTRUKCYJNE - oznacza materię odpowiadającą racjom technicznym otrzymanąw procesie wytwórczym nadającym tej materii odpowiednie własności i właściwości potrzebne ze względu na określone cele techniczne, których spełnienie zapewniają tzw. materiałowe cechy konstrukcyjne. Oznacza to, że pierwotna struktura i stan materii są przekształcone metodami opracowanymi przez człowieka. 17

18 UKŁAD OKRESOWY PIERWIASTKÓW 18

19 ROZWÓJ MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH Względne zn naczenie poszczególnych gr rup materiałów p.n.e p.n.e złoto miedź brązy żelazo Polimery Elastomery drewno skóry włókna naturalne Kompozyty kamień krzemień wyroby garncarskie szkło Ceramika Szkło kleje cement Metale żeliwo guma stale materiały ogniotrwałe cement portlandzki stale stopowe bakelit nylon SiO2 topiona stopy lekkie PE nadstopy PMMA PC PS cermetale stopy: Ti, Zr itp. szkła metaliczne stopy Al-Li stale dwufazowe stale mikrostopowe nowe nadstopy Metale powolny rozwój: głównie kontrola jakości i procesów technologicznych Polimery Elastomery poliestry wysokowytrzymałe poliestry o osnowie ceramicznej o osnowie epoksydy metalicznej akryliki Kelvar-FRP PP GFRP CFRP szklana ceramika poliestry wysokotemperaturowe ceramika inżynierska (Al O, Si N itp.) Kompozyty Ceramika Szkło p.n.e p.n.e Lata [8, str. 14] 19

20 PODZIAŁ MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH W praktyce inżynierskiej przyjęto podział materiałów na sześć klas: 20 [8, str. 29]