Politechnika Rzeszowska - Materiały inżynierskie - I DUT / dr inż. Maciej Motyka

Transkrypt

1 PODSTAWY DOBORU MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH 1

2 Ogólna charakterystyka materiałów inżynierskich MATERIAŁAMI (inżynierskimi) nazywa się skondensowane (stałe) substancje, których właściwości czynią ją użytecznymi dla ludzi gdyż wykonuje się z nich złożone produkty pracy 2

3 Ogólna charakterystyka materiałów inżynierskich WYSTĘPOWANIE W PRZYRODZIE MATERIAŁY NATURALNE MATERIAŁY SZTUCZNE SPOSÓB UPORZĄDKOWANIA ATOMÓW W PRZESTRZENI MATERIAŁY KRYSTALICZNE MATERIAŁY AMORFICZNE MATERIAŁY KOMÓRKOWE 3

4 Ogólna charakterystyka materiałów inżynierskich NATURA WIĄZAŃ MIĘDZYATOMOWYCH (MIĘDZYCZĄSTECZKOWYCH) METALE POLIMERY CERAMIKA KOMPOZYTY 4

5 Ogólna charakterystyka materiałów inżynierskich 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. 5

6 Ogólna charakterystyka materiałów inżynierskich 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. 6

7 Ogólna charakterystyka materiałów inżynierskich 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 7

8 Ogólna charakterystyka materiałów inżynierskich 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. 8

9 Ogólna charakterystyka materiałów inżynierskich UŻYTKOWE FUNKCJE MATERIAŁÓW TWORZYWA KONSTRUKCYJNE TWORZYWA FUNKCJONALNE TWORZYWA BIOMEDYCZNE TWORZYWA BUDOWLANE TWORZYWA WŁÓKNISTE 9

10 Rodzaje projektów Projekt oryginalny dotyczy wyrobu, który ma funkcjonować według jakiejś nowej zasady Powstawanie nowych materiałów o unikatowych właściwościach przyczynia się do tworzenia oryginalnych projektów: krzem wysokiej czystości tranzystory, szkła wysokiej czystości światłowody, nadstopy turbiny gazowe. 10

11 Rodzaje projektów Zastosowanie nowego materiału może być inspiracją do zaprojektowania nowego produktu lub nowy produkt wymaga stworzenia nowego materiału. Zarówno do budowy turbin, jak i do opracowania technologii nuklearnych niezbędne było powstanie nowych stopów metalicznych oraz rozwój materiałów ceramicznych i kompozytów. 11

12 Rodzaje projektów Projekt adaptacyjny (rozwojowy) jest projektem, w którym dąży się do istotnego poprawienia właściwości użytkowych przez stosowne przeprojektowanie działającego dotąd urządzenia. Skala produkcja tego rodzaju urządzeń i przyrządów jest bardzo duża i cechuje ją duża konkurencyjność. Sposób wykorzystania nowych materiałów w ulepszanych wyrobach determinuje często rynkowe sukcesy lub klęski ich producentów. 12

13 Systemy techniczne Analiza systemu technicznego w rozbiciu na zespoły i części. Dobór materiału odbywa się na poziomie części. 13

14 Proces projektowania Projektowanie jest procesem iteracyjnym. Punktem wyjścia jest potrzeba rynkowa lub pomysł, finałem zaś 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. Procesu projektowania rozpoczyna się rozpoznaniem zadania i postępuje przez stadia koncepcji, projektu ogólnego i szczegółowego, aż do otrzymania wyrobu. 14

15 Schemat procesu projektowania wyrobów Wiedza niezbędna do prawidłowego dobory materiałów 15

16 Czynniki decydujące o doborze materiałów inżynierskich Właściwości materiałów stosowane jako kryterium ich doboru 16

17 Wykresy doboru materiałów Wykresy doboru materiałów służą do ilościowej prezentacji właściwości materiałów i mają następujące cechy: zakres wartości na osiach wykresu jest tak dobrany, aby objąć 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. 17

18 Porównanie podstawowych właściwości materiałów inżynierskich Wytrzymałość i gęstość PP polipropylen PEMG polietylen o małej gęstości PEDG polietylen o dużej gęstości PS polistyren PF żywica fenolowo-formaldehydowa EP żywica epoksydowa PW poliwęglan PU poliuretan PCV polichlorek winylu PMMA poli(metakrylan metylu) (szkło organiczne) PTFE politetrafluoroetylen (teflon) PZWW polimery z włóknami PZWA węglowymi polimery z włóknami aramidowymi PZWS polimery z włóknami szklanymi 18

19 Porównanie podstawowych właściwości materiałów inżynierskich Wytrzymałość ixodporność na pękanie PP polipropylen PEMG polietylen o małej gęstości PEDG polietylen o dużej gęstości PS polistyren PF żywica fenolowo-formaldehydowa EP żywica epoksydowa PW poliwęglan PU poliuretan PCV polichlorek winylu PMMA poli(metakrylan metylu) (szkło organiczne) PTFE politetrafluoroetylen (teflon) PZWW polimery z włóknami PZWA węglowymi polimery z włóknami aramidowymi PZWS polimery z włóknami szklanymi 19

20 Porównanie podstawowych właściwości materiałów inżynierskich Odporność na pękanie ixgęstość PP polipropylen PEMG polietylen o małej gęstości PEDG polietylen o dużej gęstości PS polistyren PF żywica fenolowo-formaldehydowa EP żywica epoksydowa PW poliwęglan PU poliuretan PCV polichlorek winylu PMMA poli(metakrylan metylu) (szkło organiczne) PTFE politetrafluoroetylen (teflon) PZWW polimery z włóknami PZWA 20 węglowymi polimery z włóknami aramidowymi PZWS polimery z włóknami szklanymi 20

21 Porównanie podstawowych właściwości materiałów inżynierskich Moduł sprężystości i gęstość PP polipropylen PEMG polietylen o małej gęstości PEDG polietylen o dużej gęstości PS polistyren PF żywica fenolowo-formaldehydowa EP żywica epoksydowa PW poliwęglan PU poliuretan PCV polichlorek winylu PMMA poli(metakrylan metylu) (szkło organiczne) PTFE politetrafluoroetylen (teflon) PZWW polimery z włóknami PZWA węglowymi polimery z włóknami aramidowymi PZWS polimery z włóknami szklanymi 21

22 Porównanie podstawowych właściwości materiałów inżynierskich Moduł sprężystości ixwspółczynnik tłumienia drgań PP polipropylen PEMG polietylen o małej gęstości PEDG polietylen o dużej gęstości PS polistyren PF żywica fenolowo-formaldehydowa EP żywica epoksydowa PW poliwęglan PU poliuretan PCV polichlorek winylu PMMA poli(metakrylan metylu) (szkło organiczne) PTFE politetrafluoroetylen (teflon) PZWW polimery z włóknami PZWA węglowymi polimery z włóknami aramidowymi PZWS polimery z włóknami szklanymi 22

23 Porównanie podstawowych właściwości materiałów inżynierskich Typowe rodzaje zużycia materiałów inżynierskich 23

24 Porównanie podstawowych właściwości materiałów inżynierskich Nośność łożyska ixwpółczynnik zużycia PP polipropylen PEMG polietylen o małej gęstości PEDG polietylen o dużej gęstości PS polistyren PF żywica fenolowo-formaldehydowa EP żywica epoksydowa PW poliwęglan PU poliuretan PCV polichlorek winylu PMMA poli(metakrylan metylu) (szkło organiczne) PTFE politetrafluoroetylen (teflon) PZWW polimery z włóknami PZWA węglowymi polimery z włóknami aramidowymi PZWS polimery z włóknami szklanymi 24

25 Porównanie podstawowych właściwości materiałów inżynierskich Wytrzymałość i temperatura PP polipropylen PEMG polietylen o małej gęstości PEDG polietylen o dużej gęstości PS polistyren PF żywica fenolowo-formaldehydowa EP żywica epoksydowa PW poliwęglan PU poliuretan PCV polichlorek winylu PMMA poli(metakrylan metylu) (szkło organiczne) PTFE politetrafluoroetylen (teflon) PZWW polimery z włóknami PZWA węglowymi polimery z włóknami aramidowymi PZWS polimery z włóknami szklanymi 25

26 Porównanie podstawowych właściwości materiałów inżynierskich Przewodność cieplna ixwspółczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej PP polipropylen PEMG polietylen o małej gęstości PEDG polietylen o dużej gęstości PS polistyren PF żywica fenolowo-formaldehydowa EP żywica epoksydowa PW poliwęglan PU poliuretan PCV polichlorek winylu PMMA poli(metakrylan metylu) (szkło organiczne) PTFE politetrafluoroetylen (teflon) PZWW polimery z włóknami PZWA węglowymi polimery z włóknami aramidowymi PZWS polimery z włóknami szklanymi 26

27 Porównanie podstawowych właściwości materiałów inżynierskich Odporność na działanie aktywnych środków chemicznych ixpromieniowania nadfioletowego PP polipropylen PEMG polietylen o małej gęstości PEDG polietylen o dużej gęstości PS polistyren PF żywica fenolowo-formaldehydowa EP żywica epoksydowa PW poliwęglan PU poliuretan PCV polichlorek winylu PMMA poli(metakrylan metylu) (szkło organiczne) PTFE politetrafluoroetylen (teflon) PZWW polimery z włóknami PZWA węglowymi polimery z włóknami aramidowymi PZWS polimery z włóknami szklanymi 27

28 Ekonomiczne uwarunkowania stosowania materiałów inżynierskich Szacunek zasobów surowcowych Udział masowy pierwiastków na Ziemi KONIECZNOŚĆ EKONOMICZNEGO STOSOWANIA MATERIAŁÓW!!! 28

29 Ekonomiczne uwarunkowania stosowania materiałów inżynierskich Schemat technicznego cyklu trwania materiałów inżynierskich 29

30 Ekonomiczne uwarunkowania stosowania materiałów inżynierskich Przykład współczesnego procesu recyklingu 30

31 Ekonomiczne uwarunkowania stosowania materiałów inżynierskich Orientacyjne koszty różnych grup materiałów odniesione do 1 kg materiału 31

32 Ekonomiczne uwarunkowania stosowania materiałów inżynierskich Orientacyjne względne koszty wybranych materiałów w zależności od objętości i masy 32

33 Ekonomiczne uwarunkowania stosowania materiałów inżynierskich Wytrzymałość ixenergochłonność właściwa 33

34 Ekonomiczne uwarunkowania stosowania materiałów inżynierskich Wytrzymałość ixwzględny koszt na jednostkę objętości 34

35 Ekonomiczne uwarunkowania stosowania materiałów inżynierskich Orientacyjne koszty różnych produktów odniesione do 1 kg 35

36 Kryteria doboru stali stopowych na elementy konstrukcyjne i elementy maszyn KRYTERIA OGÓLNE Podstawowe kryteria doboru materiału na elementy konstrukcyjne i elementy maszyn: rodzaj i wartość wymaganych właściwości użytkowych materiału, określonych na podstawie analizy obciążeń mechanicznych i oddziaływania fizycznego w warunkach pracy elementu, właściwości technologiczne, wynikające z przyjętych technologii w procesie wytwarzania elementu (np. odlewania, obróbki plastycznej, spawania, obróbki cieplnej) skala produkcji (np. jednostkowa, wielkoseryjna), ekonomiczność możliwych rozwiązań z uwzględnieniem wszystkich kosztów, aspekty ekologiczne, zarówno przy wyborze materiału, jak i technologii. 36

37 Kryteria doboru stali stopowych na elementy konstrukcyjne i elementy maszyn PROCEDURA DOBORU Podstawowe etapy w procedurze doboru stali na elementy konstrukcyjne: analiza warunków pracy elementu i wymagań dotyczących właściwości, ustalenie rozkładu wymaganych właściwości na powierzchni i w rdzeniu elementu, analiza sposobu wykonania elementu i związanych z tym wymagań technologicznych, określenie grupy stali mogących spełnić ustalone wymagania, dobór konkretnego gatunku stali i określenie technologii wytworzenia analizowanego elementu. 37

38 Kryteria doboru stali stopowych na elementy konstrukcyjne i elementy maszyn - HARTOWNOŚĆ a) b) Korelacja szybkości chłodzenia prętów okrągłych oraz próbki typu Jominy ego a) w wodzie, b) w oleju (według katalogu firmy Röchlingsche Eisen und Stahlwerke) 38

39 Kryteria doboru stali stopowych na elementy konstrukcyjne i elementy maszyn - HARTOWNOŚĆ Graficzne wyznaczanie rozkładu minimalnej twardości na przekroju pręta 60 mm ze stali 41Cr4 po hartowaniu w oleju krzywe szybkości chłodzenia na przekroju prętów nałożone na pasmo hartowności (według W. Lutego) 39