PODSTAWY DOBORU MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH konspekt

Transkrypt

1 Współczesne materiały inżynierskie WBMiL I MM ZU (PRz 2013/2014) dr inż. Maciej Motyka r. 1 PODSTAWY DOBORU MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH konspekt Ogólna charakterystyka materiałów inżynierskich i procesów ich przetwarzania MATERIAŁAMI (inżynierskimi) nazywa się skondensowane (stałe) substancje, których właściwości czynią ją użytecznymi dla ludzi gdyż wykonuje się z nich złożone produkty pracy. Kryteria klasyfikacji materiałów inżynierskich: występowanie w przyrodzie: materiały naturalne do technicznego zastosowania wymagają jedynie nadania kształtu (drewno, kamienie, skały i minerały); materiały sztuczne nie występują w naturze wymagają zastosowania złożonego procesu(ów) wytwórczego; sposób uporządkowania atomów w przestrzeni: materiały krystaliczne; materiały amorficzne; materiały komórkowe; natura wiązań międzyatomowych (międzycząsteczkowych): metale; polimery; ceramika; kompozyty. METALE charakter wiązań metalicznych zapewnia im takie cechy jak: duża przewodność elektryczna i cieplna oraz połysk metaliczny (swoboda uwspólnionych elektronów walencyjnych), nieprzezroczystość, możliwość odkształcenia plastycznego. POLIMERY makrocząsteczki złożone z identycznych ogniw zwanych merami, nazywane też plastikami lub tworzywami sztucznymi są materiałami organicznymi (zbudowanymi ze związków węgla). Cechy charakterystyczne: mała gęstość, właściwościami izolacyjne, zarówno cieplne jak i elektryczne, słabo odbijają światło tendencja do przezroczystości, duża giętkość i odkształcalność (elastomery, gumy), nie nadają się do pracy w podwyższonej temperaturze.

2 Współczesne materiały inżynierskie WBMiL I MM ZU (PRz 2013/2014) dr inż. Maciej Motyka r. 2 CERAMIKA pojęcie najczęściej stosowane do stechiometrycznych związków jonowo połączonych jednego, lub kilku pierwiastków metalicznych z niemetalicznymi (głównie z tlenem, azotem, węglem lub borem). Cechy charakterystyczne: wysoka twardość i kruchość, większa od metali odporność na działanie wysokiej temperatury i agresywność środowiska, mała przewodność i rozszerzalność cieplna, izolatory, choć niektóre wykazują właściwości półprzewodnikowe, a niedawno odkryto również ceramiczne wysokotemperaturowe nadprzewodniki. Podział materiałów ceramicznych: ceramika inżynierska, cermetale, ceramika porowata, szkła, ceramika szklana. KOMPOZYTY idea materiałów kompozytowych wzięła się z potrzeby łączenia ze sobą różnych materiałów w celu przezwyciężenia niedostatków tego z nich, którego inne właściwości są szczególnie użyteczne. Dzięki temu właściwości kompozytu są wyższe niż właściwości tworzących je faz. Użytkowe funkcje materiałów tworzywa: konstrukcyjne, funkcjonalne, biomedyczne, budowlane, włókniste. Zagadnienia opisane i zilustrowane w książce prof. L.A. Dobrzańskiego pt.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo / Materiały inżynierskie z podstawami projektowania materiałowego (WNT, Warszawa 2002): znaczenie materiałów inżynierskich w rozwoju cywilizacyjnym ludzkości; aktualne tendencje w stosowaniu materiałów; przewidywany rozwój materiałów inżynierskich; ekonomiczne uwarunkowania stosowania materiałów inżynierskich; zastosowanie materiałów we współczesnych konstrukcjach.

3 Współczesne materiały inżynierskie WBMiL I MM ZU (PRz 2013/2014) dr inż. Maciej Motyka r. 3 Czynniki decydujące o doborze materiałów inżynierskich Klasy kryteriów Ogólne Mechaniczne Cieplne Zużycie Korozja Właściwości Względny koszt Gęstość Moduł sprężystości Wytrzymałość Odporność na pękanie Wskaźnik zmęczeniowy Przewodność cieplna Dyfuzyjność Pojemność cieplna Temperatura topnienia Temperatura zeszklenia Współczynnik rozszerzalności cieplnej Odporność na udary cieplne Odporność na pełzanie Wskaźnik zużycia Wskaźnik korozyjny Kryteria doboru materiałów inżynierskich Rodzaje projektów PROJEKTOWANIE jest procesem przekładania idei lub wymagań runku na szczegółowe informacje umożliwiające wykonanie danego wyrobu. Każdy z etapów tego procesu wymaga decyzji dotyczących materiałów, z których ten wyrób ma być wykonany. Zastosowanie nowego materiału może być inspiracją do zaprojektowania nowego produktu lub powstanie nowego produktu wymaga stworzenia nowego materiału. PROJEKT ORYGINALNY dotyczy wyrobu, który ma funkcjonować według jakiejś nowej zasady. Tworzenie nowych materiałów o unikatowych właściwościach przyczynia się do tworzenia oryginalnych projektów (krzem wysokiej czystości >>> powstanie tranzystora, szkła wysokiej czystości >>> wykonanie światłowodów, materiały magnetyczne o dużej koercji >>> miniaturowe słuchawki, nadstopy (stopy żaroodporne i żarowytrzymałe) >>> turbiny gazowe). PROJEKT ADAPTACYJNY (rozwojowy) jest projektem, w którym dąży się do istotnej poprawy właściwości użytkowych przez stosowne przeprojektowanie działającego dotąd urządzenia. Skala produkcji tego rodzaju urządzeń i przyrządów jest bardzo duża i cechuje ją duża konkurencyjność stąd sposób wykorzystania nowych materiałów w ulepszanych wyrobach determinuje często rynkowe sukcesy lub klęski producentów SYSTEM TECHNICZNY składa się z podzespołów i części złożonych w taki sposób, aby mogła być realizowana określona funkcja. Dobór materiału odbywa się na poziomie części.

4 Współczesne materiały inżynierskie WBMiL I MM ZU (PRz 2013/2014) dr inż. Maciej Motyka r. 4 W opisie systemu technicznego rozpatruje się przepływ: energii, materiału i informacji przetwarzanych przez układ. Analiza systemu technicznego starannie przygotowana ułatwia ocenę projektów alternatywnych. PROJEKTOWANIE jest procesem iteracyjnym. Punktem wyjścia jest potrzeba rynkowa lub pomysł, finałem wyrób (produkt) zaspokajający tę potrzebę lub urzeczywistniający ideę. Między punktami skrajnymi znajduje się cały szereg stadiów pośrednich, np. projekt koncepcyjny, ogólny i szczegółowy, prowadzących do powstania zbioru specyfikacji definiujących sposób wyprodukowania wyrobu. Ogólny schemat procesu projektowania => rozpoznanie zadania i postępowanie przez stadia koncepcji, projektu ogólnego i szczegółowego, aż do otrzymania wyrobu. Projekt koncepcyjny uwzględnienie wszystkich alternatywnych rozwiązań zarówno co do zasady działania, jak i struktury funkcjonalnej systemu, analiza wpływu różnych wariantów na właściwości użytkowe i koszt wyrobu Projekt ogólny uwzględnia strukturę funkcjonalną, obejmuje analizę funkcjonowania wyrobu na niższym poziomie tj. poziomie części, wyroby w tej fazie mają zdefiniowany kształt i rozmiar oraz materiał, z którego będą wykonywane, przeprowadza się analizę warunków eksploatacyjnych wyrobu (zakres naprężenia i temperatury, oddziaływanie czynników środowiska). Projekt szczegółowy obejmuje: tworzenie szczegółowej specyfikacji dla każdej części, analizę warunków pracy części (zwłaszcza odpowiedzialnych) często z wykorzystaniem modelowania (MES) i symulacji komputerowej, zastosowanie metod optymalizacji do części i ich zespołów w celu osiągnięcia najlepszych właściwości użytkowych, dobór materiałów i technologii wytwarzania / przetwarzania, szacunek kosztów, wykonanie szczegółowej dokumentacji produkcyjnej. Projektowanie wyrobów musi uwzględniać dobór materiału. Stworzenie projektu ułatwiają tzw. narzędzia projektowania (tj. narzędzia wspomagające projektowanie i dobór materiału). Należą do nich przede wszystkim metody komputerowe (np. komputerowe wspomaganie projektowania CAD, bazy danych materiałowych). Charakterystyka właściwości materiałów inżynierskich uwzględniane w procesie projektowania i doboru materiałów (ogólne, mechaniczne, cieplne, cierne, korozyjne), Ocena odporności materiałów na działanie czynników korozyjnych. Analiza zależności: FUNKCJA MATERIAŁ KSZTAŁT METODA WYTWARZANIA Cechy metod wytwarzania (rodzaj materiału, rozmiar, kształt, złożoność, tolerancje wymiarowe, jakość powierzchni, skala i szybkość produkcji, koszt). Wybór metody wytwarzania towarzyszący projektowaniu i ich charakterystyka.

5 Współczesne materiały inżynierskie WBMiL I MM ZU (PRz 2013/2014) dr inż. Maciej Motyka r. 5 Metodyka doboru materiałów inżynierskich Proces doboru materiałów opiera się na analizie właściwości użytkowych wyrobu i polega na wyselekcjonowaniu z grupy wszystkich materiałów kolejno podgrupy, zmniejszonego zestawu materiałów i w końcu konkretnego materiału spełniającego założone kryteria. Praktycznym sposobem ilościowej prezentacji właściwości materiałów są wykresy doboru materiałów (wykresy Ashby ego) mające następujące charakterystyczne cechy: zakres wartości na osiach wykresu jest tak dobrany, aby obejmował wszystkie materiały inżynierskie; dane dla określonego rodzaju materiałów (np. polimerów) skupiają się w pewnym obszarze wykresu; w obrębie pola zajmowanego na wykresie przez każdy rodzaj materiału uwzględniono informacje dla reprezentatywnego ich zbioru zbiór ten składa się z materiałów najpowszechniej i najczęściej stosowanych, wybranych tak, aby został objęty pełny zakres właściwości danej grupy; we wszystkich przypadkach właściwości grupy materiałów mieszczą się w znacznie mniejszym przedziale niż pełny zakres właściwości wszystkich materiałów inżynierskich. Zestawiane właściwości materiałów na wykresach doboru materiałów przedstawia się w skali podwójnie logarytmicznej. Ćwiczenia laboratoryjne z zakresu tematycznego wykładu: Podstawy doboru stali konstrukcyjnej na elementy maszyn & Bazy danych materiałowych Realizacja ćwiczenia wymaga dodatkowo znajomości n/w zagadnień (prawdopodobnie omawianych w ramach studiów I go stopnia): mikrostruktura i właściwości stali konstrukcyjnej; obróbka cieplna stali konstrukcyjnej (ulepszanie cieplne); hartowność stali i metody jej określania. Zalecana literatura: 1. Ashby M.F.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim. WNT, Warszawa Dobrzański L.A.: Materiały inżynierskie i projektowanie materiałowe. WNT, Warszawa Sieniawski J., Cyunczyk A.: Właściwości materiałów. Oficyna Wyd. Pol. Rzeszowskiej, Rzeszów Ashby M.F., Jones D.R.H.: Materiały inżynierskie 1 właściwości i zastosowania. WNT, Warszawa Ashby M.F., Jones D.R.H.: Materiały inżynierskie 2 kształtowanie struktury i właściwości. WNT, Warszawa 1995