Dobór materiałów konstrukcyjnych cz.13

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Dobór materiałów konstrukcyjnych cz.13"

Edward Muszyński
7 lat temu
Przeglądów:

1 Dobór materiałów konstrukcyjnych cz.13 dr inż. Hanna Smoleńska Katedra Inżynierii Materiałowej i Spajania Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska Materiały edukacyjne

2 ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA LINIOWA Ashby M.F.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim. WNT. Warszawa 1998

3 Rozszerzalność cieplna (rozszerzalność termiczna) jest to właściwość fizyczna ciał polegająca na zwiększaniu się ich długości (rozszerzalność liniowa) lub objętości (rozszerzalność objętościowa) w miarę wzrostu temperatury. l l 1 0 l dt K 0

4 Zgodnie z teorią rozszerzalności cieplnej G 3 E c v G - stała Gruneisena= 0,4 4 c v j/(m 3 K) E 100kT m k- stała Boltzmana - objętość atomu G 100T m

5 Rozszerzalność i przewodność cieplna materiałów.

6 Dobór materiału na precyzyjny przyrząd pomiarowy śruba mikrometryczna Dobrać materiał na tę część

7 Model pręt połączony jednym końcem ze źródłem ciepła (np. ręka) q dt dx q strumień ciepła dopływający do powierzchni przekroju pręta przewodność cieplna dt/dx gradient temperatury powoduje odkształcenie cieplne:

8 ( T T0 ) - współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej T 0 temperatura otoczenia d dx dt dx q Odkształcenie jest minimalizowane dla maksymalnych wartości wskaźnika M1 M 1

9 Drugim problemem są wibracje. Wrażliwość przyrządu na wzbudzenie zewnętrzne można minimalizować gdy materiał charakteryzuje się dużą częstotliwością drgań własnych. Najniższą częstotliwość mają drgania giętne. Są one proporcjonalne do: M Duża wartość wskaźnika M 2 minimalizuje problem wibracji przyrządu. Nie może on jednak być zbyt drogi. 2 E 1 2

10 Rozszerzalność i przewodność cieplna materiałów Ashby M.F.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim. WNT. Warszawa 1998

11 Materiały umożliwiające minimalizowanie odkształceń cieplnych przyrządów precyzyjnych Materiał M 1 =/ [W/m] M 2 = E 1/2 / [GPa 1/2 /(Mg/m 3 )] Uwagi Diament ,6 Znakomite M 1 i M 2, drogi!!! Krzem ,0 Znakomite M 1 i M 2, tani Węglik krzemu ,2 Znakomite M 1 i M 2, potencjalnie tani Beryl ,0 Gorszy niż Si i SiC Aluminium ,1 Niski M 1 lecz bardzo tani Srebro ,0 Duża gęstość powoduje małą Miedź ,3 wartość M 2 Złoto ,6

12 Materiały umożliwiające minimalizowanie odkształceń cieplnych przyrządów precyzyjnych c.d. Materiał M 1 =/ [W/m] M 2 = E 1/2 / [GPa 1/2 /(Mg/m 3 )] Uwagi Wolfram ,1 Lepsze niż Cu, Ag, i Au, ale Molibden ,3 nie tak dobre jak Si, SiC i diament Inwar ,4 Azotek krzemu ,0 M 1 gorszy niż dla Si

13 Tłumienie drgań

14 u 2 u Współczynnik tłumienia drgań jest miarą zdolności materiału do pochłaniania energii drgań elementu poddanego cyklicznemu obciążeniu

15 Jest wiele mechanizmów tłumienia; W metalach duża część tłumienia związana jest z ruchem dyslokacji: W miękkich metalach duże tłumienie łatwy ruch dyslokacji; w stopach małe tłumienie obecność składników utwardzających roztwór utrudnia ruch dyslokacji; W ceramice duży opór sieci kotwiczy dyslokacje, ale obecność mikropęknięć powoduje rozproszenie energii tłumienie;

16 W polimerach przesuwanie się łańcuchów względem siebie powoduje również rozpraszanie energii wpływ TEMPERATURY! Stąd zależność między stratnością i modułem Younga: C E

17 Z jakich materiałów można wykonać dzwon a z jakich resory? Ashby M.F.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim. WNT. Warszawa 1998

18 Z czego wykonać korpus mikroskopu sił atomowych?

19 Wymagania: Aby uzyskać atomową zdolność rozdzielczą, odległość pomiędzy ostrzem a próbką musi być utrzymywana z dokładnością 0.01 Å (0.1 nm) Należy wyeliminować drgania!!!! Drgania mogą być powodowane przez: wibracje budynku Hz biegnących ludzi 2-4 Hz pompy próżniowe dźwięk.

20 2. Materiał o dobrych własnościach tłumiących w szerokim paśmie częstotliwości 1. Materiał o wysokiej częstotliwości drgań własnych M E 1 maks k1 E M 2 M u 3/ 2 k=4 3. Materiał gwarantujący minimalne odkształcenia termiczne M maks 3 M W/m

21 Wykres doboru materiału tłumiącego drgania korpusu mikroskopu sił atomowych.

22 Wykresy rozszerzalności cieplnej i przewodności cieplnej dla doboru materiału o najmniejszej odkształcalności cieplnej

23 Nie można dobrać materiału zapewniającego jednocześnie dobre tłumienie drgań (zakres B) i brak odkształcalności cieplnej (A). Co zrobić?

Podobne dokumenty

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 2

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 2 dr inż. Hanna Smoleńska Katedra Inżynierii Materiałowej i Spajania Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska Materiały edukacyjne Własności materiałów brane pod uwagę