MATERIAŁY POMOCNICZE DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Transkrypt

1 MATERIAŁY POMOCNICZE DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Ćwiczenie nr 6, 7 Wybrane materiały w konstrukcji środków transportu (opracowanie: dr hab. inż. Krystyna Imielińska) 1. Materiały na konstrukcję roweru Rowery wykonywano początkowo z twardego drewna bukowego (rys.1), które jest jednym z najlżejszych materiałów konstrukcyjnych (ρ=0,75 Mg/m 3 ) jednak nie dawało ono możliwości uzyskania najbardziej funkcjonalnego kształtu przekroju rurki. Nowsze rowery wykonywano już z rurek różniących się średnicą wewnętrzną 2r i grubością ścianki ze stali, stopów aluminium, magnezu, tytanu, a najnowocześniejsze z kompozytu o osnowie epoksydowej ze wzmocnieniem z ciągłych włókien węglowych. Wymagania stawiane materiałom Najważniejszym wskaźnikiem rozpatrywanym przy projektowaniu roweru jest granica plastyczności i wytrzymałość na zginanie (rama i widelce nie mogą się odkształcić plastycznie lub pęknąć). Oczywiście sztywność (związana z ugięciem sprężystym) też ma znaczenie, ale drugorzędne. Jeśli ma to być rower wyścigowy to jego masa musi być minimalna. Gwarantuje to materiał o małej gęstości i przekroju poprzecznym rurki. Najlepszy materiał na lekką, wytrzymałą belkę o przekroju rurki, obciążoną momentem zginającym można określić maksymalizując wskaźnik funkcjonalności M 1 : M= σ 2/3 f /ρ (1) σ f - naprężenie niszczące (failure stress) przy danym sposobie gdzie : obciążenia elementu konstrukcyjnego tutaj: σ f=r e -granica plastyczności dla metali, R m- wytrzymałość na zginanie dla kompozytów polimerowych. Cechą pożądaną materiałów do budowy roweru jest też dobra odporność na korozję w środowisku wodnym. Rys. 1 Konstrukcja drewnianego roweru Stal wysokowytrzymała Fe-0,3C-0,9Mn-0,9Cr-0,2Mo (AISI 4130-wg. ASTM) jest to stal średniowęglowa stosowana w stanie hartowanym (855 o C) i odpuszczanym (480 0 C), co daje granicę plastyczności około 1100 MPa. Charakteryzuje się też bardzo dobrą plastycznością (A=16,5%) oraz odpornością na pękanie (K IC=150MP m 1/2 ). Moduł sprężystości (Young a), miara sztywności materiału, jest w przybliżeniu taki jak dla innych stali 200GPa. Stal ta jest też bardzo dobrze spawalna wszystkimi metodami. Najtańsze rurki z tej stali mogą być gięte w stanie wyżarzonym i spawane czołowo, można też otrzymywać rurki bez szwu ciągnione na zimno, a następnie poddane ulepszaniu cieplnemu. Istotną zaletą stali jest jej niska cena. Wadą- stosunkowo mała odporność na korozję i duża gęstość (ρ=7,8 Mg/m 3 ). Bardzo drogą, ale stosowaną na cienkie rurki stalą jest stal maraging np. gatunek 250 (Fe-18Ni-8,5Co-5Mo) o bardzo małej zwartości węgla (< 0,03%C) hartowana i utwardzana wydzieleniowo (patrz materiały w konstrukcji samolotu). Stop aluminium Al-5,6Zn-2,5Mg-1,6Cu (ASTM 7075) jest najpopularniejszym stopem aluminium stosowanym w budowie rowerów. Materiał ten jest też wykorzystywany w budowie elementów kadłubów samolotów. W porównaniu ze stalą jest 3-krotnie lżejszy (ρ=2,7 Mg/m 3 ), ale też 3-krotnie mniej sztywny (E=70GPa). Stop stosowany na ramy rowerów zalicza się do stopów do przeróbki plastycznej. Ze względu na dobrą plastyczność (A=17% przed ostateczną obróbką cieplną) może być obrabiany plastycznie na zimno (ciągnienie na zimno rurek). Stosunkowo wysoką wytrzymałość stopu uzyskuje się przez obróbkę cieplną utwardzania wydzieleniowego ( przesycanie i starzenie), w wyniku której z roztworu stałego częściowo wydzielają się drobnodyspersyjne fazy MgZn 2 utrudniające zachodzenie poślizgów (odkształcenie plastyczne) stopu, przez co podwyższa się jego granica plastyczności R e=440mpa. Stop tytanu Ti-6Al-4V. Stopy tytanu charakteryzują się niezwykłą kombinacją właściwości: gęstością równą 2/3 gęstości stali, (ρ=4,5 Mg/m 3 ), E= 115 GPa nadzwyczaj wysoką wytrzymałością (R m powyżej 1000 MPa) przy dość wysokiej ciągliwości (A=14%), co sprawia iż łatwo poddają się operacjom obróbki plastycznej na zimno (ciągnienie rurek), wysoką temperaturą topnienia,t t= C, (odporność cieplna). Jednak jedną z największych zalet stopów tytanu jest ich odporność na korozję w temperaturze otoczenia w powietrzu, morzu i wielu rodzajach atmosfery przemysłowej. Stopy te są też dobrze obrabialne przez skrawanie. Jednak w podwyższonych temperaturach łatwo wchodzą w reakcje z innymi materiałami, stąd konieczne jest stosowanie niekonwencjonalnych metod topienia i odlewania, co znacząco podwyższa ich koszt. Ze względu na bio-kompatybilność są stosowane jako materiały na implanty. Poza tym ze stopów tytanu wykonuje się m.in. elementy samolotów i wyposażenia zakładów chemicznych. Stop magnezu Mg-3Al-1Zn. Najbardziej wyróżniającą cechą stopów magnezu jest ich niewiarygodnie niska gęstość, porównywalna z gęstością włókien węglowych i polimerów (ρ=1,7 Mg/m 3 ). Magnez jest stosunkowo miękki i mało sztywny (E= 45GPa). Ze względu na swoją budowę krystaliczną - heksagonalną magnez trudno się odkształca na zimno, dlatego przetwórstwo stopów Mg najczęściej przeprowadza się za pomocą obróbki plastycznej na gorąco lub odlewania. Podobnie jak w przypadku aluminium wadą stopów Mg jest niska odpornośc cieplna (temperatura topnienia T t=651 0 C). Stopy Mg są odporne na korozję w powietrzu ale podatne na korozję w środowisku wody morskiej. Stopy Mg znalazły zastosowanie w elementach konstrukcji: pocisków balistycznych i elementach samolotów. Często zastępują tworzywa sztuczne o tej samej gęstości, ale mniejszej sztywności, również ze względu na recyklingowalność (np. jako uchwyty narzędzi ręcznych jak nożyce do żywopłotu, w samochodach np. kierownice, ramy oparć, obudowy skrzynek przekładniowych, obudowy laptopów, komputerów, odbiorników telewizyjnych, telefonów komórkowych. 1 Wyprowadzenie wskaźników funkcjonalności można znaleźć w : M.F. Ashby: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim. Wskaźnik funkcjonalności jest to wskaźnik oceniający przydatność danego materiału w danej konstrukcji. Podany wzór (1) jest uproszczony, gdyż nie bierze pod uwagę współczynnika kształtu przekroju φ, zakłada przekrój w kształcie okrągłej rurki.

2 Kompozyt (CFRP) o osnowie epoksydowej ze wzmocnieniem z ciągłych włókien węglowych - o ułożeniu kolejnych warstw 0/90/ ±45 jest materiałem dość nowym, wprowadzonym do użytku w latach 70 ub. wieku. Należy do najwytrzymalszych, a jednocześnie najlżejszych materiałów konstrukcyjnych (przy optymalnym wypełnieniu włóknami węglowymi typu HM -high modulus, ok. 70%), gęstość wynosi ρ=1,7 Mg/m 3 co daje 4-krotnie wyższą sztywność właściwą niż stal. Wytrzymałość kompozytu węglowego jest w dużym stopniu uzależniona od metody wytwarzania i precyzji procesu technologicznego. Przy zachowaniu optymalnych warunków (wykorzystanie jako półwyrobów preimpregnatów, utwardzanie w autoklawie w pod próżnią i przy dodatkowym nacisku) wytrzymałość na zginanie CFRP może wynosić 1000 MPa. Wadą tego materiału jest jego kruchość (wydłużenie do pierwszego pękania przy zginaniu rzędu 1,5%). Rurki z kompozytu węglowego najczęściej wykonuje się przez nawijanie na trzpieniu (który zostaje z koniec usunięty). W innych konstrukcjach mogą być one wypełnione pianką lub aramidowym plastrem miodu, a konstrukcja ramy jest formowana w całości. Każdy producent roweru z kompozytu węglowego stosuje swoją technologię. Oprócz wysokiej ceny kompozytu węglowego ( zl/kg) o wysokiej cenie rowerów z włókna węglowego decyduje fakt zainwestowania znacznych środków w opracowanie nowoczesnej technologii. W celu poprawy odporności na pękanie i zwiększenia zdolności do tłumienia drgań część włókien węglowych zastępuje się włóknami aramidowymi Kevlar. W tabeli 2 zebrano współczynniki funkcjonalności materiałów stosowanych na ramy rowerów, obliczone według zależności (1). Tabela 1. Współczynniki funkcjonalności i wytrzymałość materiałów stosowanych na ramy rowerów Materiał, gęstość, ρ [Mg/m 3 ] σf (Re lub Rm) [MPa] M= σf 2/3 /ρ Drewno bukowe ρ=0,75 Rm= Stal wysokowytrzymała Fe-0.35%C-1.5% Mn-0.25%Mo, ρ=7,8 Re= Stop aluminium (ASTM 7075 T6)Al-5,6Zn-2,5Mg-1,6Cu ρ=2,7 Re= Stop tytanu Ti-6Al-4V ρ=4,5 Re= Stop magnezu Mg-3Al-1Zn ρ=1,7 Re= CFRP kompozyt węglowy (0/90/ ±45, ρ=1,8 Rm= Materiały na karoserię samochodów osobowych Wszystkie materiały stosowane na karoserie samochodów musza spełniać wymaganie odpowiedniej wytrzymałości i sztywności, łatwości nadawania kształtu (dobrej tłoczności w przypadku materiałów metalowych i łatwości formowania - w przypadku materiałów niemetalowych), ważna jest też odpowiednia odporność na uderzenia (pochłanianie energii uderzenia przy jak najmniejszych odkształceniach lub zniszczeniach). Dopiero na dalszym miejscu umieszcza się gęstość materiału ze względu na obniżenie zużycia paliwa. Wybór materiału na elementy karoserii samochodu uzależniony jest też od zamożności odbiorcy i wielkości produkcji. Stal stosuje się dziś głównie na konstrukcję nośną: (rys. 2) ze względu na dużą sztywność połączoną z plastycznością (dobra tłoczność). W popularnych samochodach wykorzystuje się stal uspokojoną o zwartości węgla ok. 0,1% i granicy plastyczności ok. R e =350MPa. Droższe samochody wykorzystują stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości np. 0,15%C, 1,3% Mn, o granicy plastyczności R e = 600 MPa o wysokim stosunku R e/r m co przy dużym wydłużeniu rzędu A 10=30% daje zwiększoną zdolność absorpcji energii uderzenia. Postęp w zakresie wykorzystania stali sprowadza się do modyfikacji składu chemicznego stali niskostopowych co umożliwia zastosowanie mniejszych grubości blach oraz unowocześnianiu procesu tłoczenia umożliwiającego wykonywanie całej konstrukcji nośnej w jednej operacji. Dodatkowo stosowanie powłok antykorozyjnych (cynkowanie elektrolityczne, farby podkładowe cynkowe przed lakierowaniem) zabezpiecza przed korozją. Zastosowanie nowocześniejszych stali umożliwia 10% oszczędności na masie karoserii. Rys. 2 a/ Konstrukcja ramy wykonywana ze stali, b/ elementy karoserii wykonywane z kompozytów polimerowych (SMCformowanie tłoczne m.in. na pokrywy bagażnika), RIM- wtrysk reaktywny, RRIM- wtrysk reaktywny ze wzmocnieniem (włóknami), TPO- tworzywa termoplastyczne wzmocnione matą. Stopy aluminium np. Al-1,1Si-0,6Mg-0,35Mn - stosowany w USA na karoserię małych samochodów sportowych. Utwardzany wydzieleniowo daje dobrą wytrzymałość (R m = 400 MPa) przy dobrym wydłużeniu (A=19%). Element ze stopu Al w stanie przesyconym jest formowany, malowany, a następnie zamiast operacji starzenia następuje wypalanie farby w temperaturze wywołującej starzenie stopu. Jest spawalny. W zastosowaniu do konstrukcji samochodu nie jest materiałem konkurencyjnym dla stali niskowęglowej ze względu na trzykrotnie mniejszą sztywność, co powoduje że muszą być wykorzystywane grubsze blachy, co kompensuje w większości zysk związany z małą masą. Poza tym stop ten charakteryzuje się gorszą podatnością do tłoczenia. Zaletą stopów Al jest odporność korozyjna, dzięki czemu

3 elementy aluminiowe mogą być stosowane na części pracujące w trudnych warunkach środowiska, gdzie są narażone na zdrapanie farby. Kompozyty polimerowe o wzmocnieniu z włókien szklanych. Elementy karoserii takie jak: drzwi, dach, błotniki, pokrywy bagażnika, zderzaki, wykonuje się dziś z lekkich, odpornych na korozję kompozytów polimerowych. Rys. 2 pokazuje, które elementy karoserii są wykonane jaką techniką. Zderzaki i błotniki z poliuretanu wzmocnionego włóknami szklanymi metodą RRIM (formowanie wtryskowe żywicy z ciętymi włóknami szklanymi- 15%), drzwi, dach, pokrywy bagażnika, formuje się z żywicy poliestrowej wzmocnionej matą szklaną (30%) w procesie SMC (formowanie tłoczne), progi i nadproża szczególnie narażone na korozję formuje się z kompozytu o osnowie termoplastycznej (np. nylon) ze specjalnych półfabrykatów, w których ciągłe włókna szklane są nasycane żywicą termoplastyczną. Dalej elementy są poddawane prasowaniu tłocznemu TPO tak jak tłoczywa warstwowe termoutwardzalne (poliestrowe) SMC. Elementy polimerowe są łączone z konstrukcją nośną za pomocą śrub lub klejenia. Pomimo oczywistych zalet kompozyty polimerowe mają też wiele wad w stosunku do stali. Poza mniejszą sztywnością i absorpcją energii uderzenia, obecnie najważniejszą ich wadą jest brak możliwości recyklingu, co powoduje, że zanim nie zostaną opracowane tanie, recyklingowalne tworzywa stal będzie wciąż niezastąpiona. 3. Materiały na kadłub i skrzydła samolotu Producenci samolotów dążą do zwiększenia ich ładowności i zasięgu, a to jest możliwe dzięki obniżeniu masy kadłuba i zespołu napędowego oraz zwiększeniu wydajności silnika. Poszukuje się więc nowych materiałów o zwiększonym stosunku wytrzymałości i sztywności do gęstości: R m/ρ, E/ρ oraz materiałów zachowujących wysokie własności wytrzymałościowe w coraz to wyższych temperaturach. W odniesieniu do kadłuba i skrzydeł samolotu gęstość materiału jest właściwością, która ma szczególne znaczenie. Obniżenie gęstości o 1/3 ma większy wpływ na obniżenie całości masy samolotu niż zwiększenie wytrzymałości czy sztywności. Dźwigary skrzydeł z użebrowaniem stanowią ich konstrukcję nośną, na której są umocowane płaty poszycia za pomocą nitów. Skrzydła pracują jak zginane belki utwierdzone, przy czym górna powierzchnia jest ściskana, a dolna rozciągana. Dolna, rozciągana musi mieć dużą wytrzymałość na rozciąganie, odporność na pękanie i zmęczenie określone prędkością propagacji pęknięcia oraz odpowiednią sztywność, żeby zapobiec wyboczeniu. W zależności od rodzaju obciążenia przy doborze materiałów na elementy konstrukcji skrzydeł samolotu bierze się pod uwagę następujące wskaźniki funkcjonalności: górna powierzchnia skrzydeł (ściskanie) naprężenie niszczące σ f odniesione do gęstości: σ f/ρ ( tutaj naprężeniem niszczącym jest granica plastyczności przy ściskaniu) i wskaźnik modułu sprężystości: E 1/3 /ρ. Dolna powierzchnia skrzydeł (rozciąganie): naprężenie niszczące σ f odniesione do gęstości: σ f/ρ(tutaj naprężeniem niszczącym jest granica plastyczności przy rozciąganiu), wskaźnik modułu sprężystości E/ ρ oraz wskaźniki odporności na pękanie i zmęczenie. W tabeli 4 porównano dane odnośnie wytrzymałości, gęstości, sztywności i wskaźnika funkcjonalności dla różnych materiałów stosowanych w konstrukcji kadłuba i skrzydeł samolotu. Sklejka z drewna świerkowego. Drewno świerkowe i brzozowe było stosowane w pierwszych konstrukcjach lotniczych (wysoki wskaźnik funkcjonalności). Jednak ze względu na niskie własności mechaniczne i anizotropię własności oraz małą odporność na wpływ środowiska zostało zastąpione innymi materiałami. Sklejka jest materiałem płytowym o grubości 2-20 mm sklejanym z cienkich płyt drewna (fornirów o grubości 0,3-3mm) przy prostopadłym ułożeniu włókien w sąsiadujących warstwach. Sklejka stosowana w lotnictwie sklejana jest klejami syntetycznymi odpornymi na działanie wody. Sklejka stosowna jest miedzy innymi w budowie środków transportu na rdzenie konstrukcji przekładkowych konstrukcji samochodów dostawczych, łodzi itd. Stopy aluminium. Tradycyjne stopy Al stosowane na poszycie samolotów (rys.1a) to stopy z miedzią durale (tzw. stopy 2xxx wg norm amerykańskich np. ASTM 2024-T3 (Al-4,4Cu-1,5Mg-0,6Mn) w stanie przesyconym ok. 500 o C i starzonym samorzutnie (T3). Najbardziej rozpowszechnione i najwytrzymalsze są stopy Al-Zn-Mg-Cu (7xxx) np. ASTM 7075-T6 zawierający Al-5,6Zn-2,5Mg- 1,6Cu. stosowany w stanie przesyconym (ok. 500 o C) i sztucznie starzonym ( o C). Walcowanie blach przeprowadza się zaraz po przesyceniu, gdy materiał jest bardzo plastyczny. Starzenie ostatecznie umacnia element. Uzyskuje własności wytrzymałościowe porównywalne ze stalą (R 0,2=470) przy dużym wydłużeniu (A=20%). Ze względu na dość słabą odporność na korozję stopy Al z Cu i Zn muszą być platerowane czystym aluminium. Trzecia grupa to stopy Al lit (8xxx) np. Al-2,5Li-1,3Cu-0,8Mg o zmniejszonej gęstości 2,53Mg/m 3. Ze względu na 3-krotnie mniejszą sztywność niż stali często stosuje się konstrukcje przekładkowe z lekkim rdzeniem np. aluminiowego plastra miodu o okładkach z blachy aluminiowej. Wadą stopów Al jest mała odporność cieplna (temperatura topnienia czystego Al C), co ogranicza maksymalną temperaturę, w której mogą być stosowane. Wszystkie stopy Al gwałtownie tracą wytrzymałość powyżej C. W przypadku samolotów latających z bardzo dużą prędkością tarcie powietrza o kadłub wywołuje wzrost temperatury szczególnie znaczący na dziobie i krawędziach natarcia skrzydeł. W samolocie Concorde (rys. 3b) temperatura na dziobie wynosiła 128 o C, a na krawędziach natarcia C. Przy wymaganych tys. godzin lotu jest to poważny problem. Stale - są stosowane głównie na elementy podwozia (odkuwki ze stali wysokiej wytrzymałości np. 0,35C-3,8Ni- 1,7Cr-0,3Mo (np ASTM) hartowane i odpuszczane w C) oraz na fragmenty konstrukcji przekładkowej w okolicy dysz wylotowych silników (stale odporne na korozję, np. 0,07C-14Cr-6Ni-2Mo-2Cu-1Mn) ze względu na wysokie temperatury. Wadą tych ostatnich stali jest dość mała odporność na pękanie. Wymaganie wytrzymałości rzędu 1900 MPa i K Ic = 90 MPa m 1/2 mogą być spełnione jedynie przez niskowęglowe (<0,03%C) nierdzewne stale wysokostopowe maraging, poddawane specjalnej obróbce cieplnej hartowania i starzenia, co daje strukturę miękkiego niskowęglowego martenzytu listwowego z drobnodyspersyjnymi wydzieleniami faz np. Fe 2Ni. Przed starzeniem struktura miękkiego martenzytu zapewnia bardzo dobrą obrabialność za pomocą obróbki plastycznej i skrawalność na wymiar przed ostateczna obróbką starzenia C. Stal maraging gatunku 175 stosowana na osie podwozia w samolotach cywilnych charakteryzuje się granicą plastyczności R 0,2= MPa bliską wytrzymałości

4 R m= MPa przy wydłużeniu %, E= 190 GPa, K IC= MPa m 1/2. Jednak stale maraging są generalnie uznawane za zbyt drogie i najczęściej jako materiał podwozia stosuje się stale o wysokiej wytrzymałości 4340 hartowane i podwójnie odpuszczane oraz dodatkowo śrutowane dla zwiększenia wytrzymałości zmęczeniowej. W tabeli 4 porównano dane odnośnie wytrzymałości, gęstości, sztywności i wskaźnika funkcjonalności dla różnych materiałów stosowanych w konstrukcji kadłuba i skrzydeł samolotu. Obudowa skrzydła Al-Zn-Mg 7075-T6 Wręgi Al Al-Zn-Mg 7075-T6 Ster wysokości (poziomy) Ster kierunku (pionowy) Al-Cu (2024-T3) T6 Wręgi Al-Zn-Mg Krawędzie spływu Kompozyt węglowy Powłoki kadłuba Al.-Cu (2024-T3) Powłoki kadłuba) Al-Cu (2024-T3) Podlużnice Al-Zn-Mg 7075-T6 Wspornik gondoli silnika Ti-6Al-4V Al-Cu (2024-T3 Rys.3 a/ Wykorzystanie lekkich materiałów w konstrukcji samolotu, b/ wykorzystanie kompozytów węglowych w budowie samolotu bojowego AV-8B Advanced Harrier, c/ Rozkład temperatur w kadłubie i skrzydłach samolotu Concorde Tabela 2. Porównanie danych odnośnie wytrzymałości, gęstości, sztywności i wskaźnika funkcjonalności materiałów stosowanych w konstrukcji kadłuba i skrzydel samolotu Materiał ρ[mg/m 3 ] σf (Re) [MPa], E σf / ρ M=E 1/3 /ρ [GPa] Sklejka (swierkowa) 0, , Kompozyt poliestrowo szklany GFRP: 50% tkanina jednokierunkowa 0 o /45 o 1, ,5 Kompozyt CFRP epoksydowo/ węglowy 1, ,6 jednokierunkowy HM 0 o Stop Al-4,4Cu-1,5Mg-0,6Mn (ASTM l2024-t3) 2, ,5 Stop Al-5,6Zn-2,5Mg-1,6Cu (ASTM 7075-T6) 2,8 470 (R0,2) 72 1,48 Stop Ti Ti-6Al-4V Ti-13V-11Cr-3Al 4, (R0,2) 1500 (Rm) 110 1,08 różnych Stal wysokowytrzymała 0,35C-3,8Ni-1,7Cr-0,3Mo 7,8 1670(R0,1) 200 Stal nierdzewna 0,07C-14Cr-6Ni-2Mo-2Cu-1Mn 7, (R0,1) 215 0,765 Stal maraging 250 (Fe-18Ni-8,5Co-5Mo) 7, (R0,2) ,74

5 Stopy tytanu Stopy Ti w konstrukcjach kadłuba samolotu są stosowane w formie odkuwek i blach. Odkuwki stosuje się zamiast elementów obrabianych skrawaniem ze względu na wysoka cenę materiału. Kucie zapewnia małe straty materiału. Zaletą stopów tytanu w stosunku do stopów aluminium w zastosowaniach do konstrukcji kadłuba jest duża wartość stosunku wytrzymałość /gęstość a drugą utrzymywanie wytrzymałości w dość wysokich temperaturach. Dlatego stopy tytanu są przede wszystkim stosowane w budowie samolotów bojowych (udział 20% cięż. w F14). Stop wysokowytrzymały Ti-13V-11Cr-3Al (o strukturze metastabilnej utwardzany przesycany i starzony) jest najczęściej stosowany. Przy wytrzymałości 1500 MPa stanowi 93% konstrukcji kadłuba samolotu bojowego YF12. Stop ogólnie wykorzystywany w różnych zastosowaniach Ti-6Al-4V ( - ) jest stosowany w stanie wyżarzonym. Jego zaletą jest możliwość spawania elektronowego (konstrukcja skrzydła z tytanu jest często spawana. Kompozyty polimerowe o osnowie epoksydowej zbrojone włóknami węglowymi, szklanymi, aramidowymi (Kevlarowymi), boru są w coraz większej ilości stosowane w budowie samolotów pasażerskich. Często wykorzystuje się kilka rodzajów włókien w jednej konstrukcji (kompozyty hybrydowe) w celu zniwelowania wad jednego rodzaju zbrojenia. Dla przykładu włókna węglowe są bardzo sztywne, ale kruche w przeciwieństwie do włókien aramidowych, które nadają konstrukcjom z włókien węglowych dodatkowo dobra odporność na pękanie i uderzenie. W kadłubach aluminiowych z kompozytów wykonuje się części układu sterującego: oprofilowanie i krawędzie spływu sterów, lotki a także oprofilowanie skrzydeł. Konstrukcja kadłuba samolotu bojowego Harrier (Rys. 7b) jest wykonana prawie w całości z kompozytów zbrojonych włóknami węglowymi, co dało oszczędność masy 150 kg. Najnowsza konstrukcja Boeinga Dreamliner ma kadłub w całości wykonany z kompozytów polimerowych. 4. Materiały na kadłuby i nadbudówki statków Kadłub statku jest otwartym zbiornikiem poddanym działaniu sił zginających go jak belkę. Jest on więc podatny na wyboczenie pod wpływem naprężeń ściskających. Obciążenie wpływa na grubość blach, odległość wręgów i decyduje o wymaganiach odnośnie modułu sprężystości materiałów. Im cieńsze blachy, większe odległości wręgów i mniejszy moduł sprężystości materiałów tym mniejsze obciążenia może przenosić kadłub. Własności jakie bierze się pod uwagę przy wyborze materiału na konstrukcję nośną statku to wytrzymałość (granica plastyczności) sztywność (moduł Younga), ugięcie (odkształcenie) gęstość, palność, odporność środowiskowa, wytrzymałość, ugięcie sprężyste. Na podstawie obliczeń wytrzymałościowych dla dwóch materiałów o module sprężystości E 1 i E 2 ugięciach δ 1 i δ 2 oraz 1 E2 1 wytrzymałości σ 1 i σ 2 zachodzi zależność : E która daje podstawę do porównania różnych materiałów pod względem ich funkcjonalności. Przyjmując wskaźniki dla stali niskowęglowej (miękkiej) jako E 1, σ 1, δ 1 w tablicy przeliczono moduły, naprężenia i ugięcia w kadłubie statku o tych samych wymiarach zrobionych z różnych materiałów: stali o podwyższonej wytrzymałości, stopu aluminium, kompozytu poliestrowo/szklanego zbrojonego matą z włókien ciętych (30%), matą z włókna ciągłego (50%) lub tkaniną węglową. Tabela 3 Materiał Przelicznik modułu Przelicznik wytrzymałości Przelicznik ugięcia Przelicznik gęstości Przelicznik ciężaru Stal miekka E1 σ1 δ1 ρ1 W1 Stal wysokowytrzymała E1 1,2 σ1 1 δ1 1 ρ1 0,8 W1 Stop Al 1/3 E1 0,6 σ1 1,8 δ1 0,35 ρ1 0,6W1 GFRP zbrojony matą z 1/20 E1 0,5 σ1 10 δ1 0,19 ρ1 0,4W1 włókien ciętych (30%), GFRP zbrojony tkaniną z 1/15 E1 1 σ1 15 δ1 0,2ρ1 0,2 W1 włókien ciągłych (50%), CFRP 1/2 E1 2,7 σ1 5,4 δ1 0,2ρ1 0,07 W1 Ryzyko pożaru i odporność środowiskowa Stale stosowane na kadłuby podlegają stałej korozji stąd musza mieć ochronne powłoki malarskie, a w przypadku ich braku następuje stopniowe zmniejszanie grubości blachy. Pod linią wody korozja jest praktycznie wyeliminowana przez ochronę katodową. Elementy nadbudówek najsilniej narażone na korozję wykonuje się dziś często z odpornego na korozję aluminium (stop jednofazowy Al-4,5Mg-Mn), często w postaci konstrukcji przekładkowej (okładki z blachy aluminiowej. Odporność na korozje nadaje warstewka pasywna Al 2O 3 na powierzchni konstrukcji aluminiowej Alternatywnie doskonałą odporność na korozję w połączeniu z małym ciężarem zapewniają też konstrukcje przekładkowe z kompozytu polimerowego szklano/fenolowego. Osnowa fenolowa o gorszych wskaźnikach wytrzymałościowych niż poliestrowa jest niepalna. Rdzeń to najczęściej pianka PVC. Kompozyty te są właściwie odporne na korozję (związaną z ubytkami na skutek tworzenia warstw tlenkowych), jednak w przypadku usunięcia ochronnej warstwy farby (żekotu) na skutek absorpcji wody może dojść do degradacji materiału. Granica plastyczności stali jest zależna od temperatury, spada o połowę w temperaturze 500 o C, tak więc pożar na pokładzie może powodować znaczące odkształcenia konstrukcji nośnej, chociaż prawdopodobnie nie zagraża integralności statku. Aluminium jest bardziej narażone na pożar ze względu na znacznie niższą temperaturę topnienia, dlatego najczęściej wykonuje się z niego jedynie konstrukcje nadbudówek, które nie przenoszą znaczących obciążeń i w razie pożaru nawet stopienie nie jest katastroficzne. W przypadku kompozytów jest znaczące ryzyko pożaru, gdyż

6 osnowa poliestrowa jest palna. Zwiększenie udziału niepalnych włókien szklanych i włókna w postaci ciężkich tkanin stanowią zaporę dla przedostawania się ognia z zewnętrznych warstw laminatu do środka. Drewno było materiałem do budowy łodzi i statków od wieków, jednak w ostatnich czasach zostało prawie całkowicie wycofane. Nie gwarantuje dużej sztywności stąd nadaje się jedynie na małe jednostki. Moduł E=11-13GPa Główną wadą drewna, która spowodowała ich wycofanie na rzecz materiałów produkowanych przez człowieka jest bardzo duża podatność na niszczenie środowiskowe. Przy ponad 18% wilgoci drewno może gnić atakowane przez różne mikroorganizmy. Również wewnętrzna struktura drewna ulega degradacji na skutek obecności różnego rodzaju szkodników. Środki impregnacyjne są kosztowne i konieczna jest częsta konserwacja. Stal miękka i stale o podwyższonej wytrzymałości są obecnie najpopularniejszymi materiałami na konstrukcje kadłubów. Stal kadłubowa zawiera 0,18-0,23%C i występuje w 4 kategoriach udarności A,B,C,D,E (w kolejności rosnącej wytrzymałości). Stale o podwyższonej wytrzymałości występuje w kategoriach AH, DH, EH. Te stale zawierają 0,18% C i zwiększona ilość Mn 0,9-1,6. Odpowiednią udarność i wytrzymałość nadaje stali budowa drobnoziarnista otrzymywana dzięki odpowiedniej obróbce plastycznej walcowania i mikrododatków takich jak aluminium, niob lub wanad. Blachy są stosowane w stanie walcowanym, lub normalizowanym. Wymagana jest dobra spawalność stali okrętowych, bez konieczności wstępnego nagrzewania, co ogranicza zawartość węgla (równoważnik węglowy równy C+Mn/6) w stali do 0,41 (max 0,45% ). Elementy kadłuba powiązane ze zbiornikami ciekłego gazu muszą być wykonywane ze stali austenitycznej 18/8 (18%Cr, 8%Ni). Kompozyty -są lekkie, odporne na korozję (chociaż wymagają ochrony przed absorpcją wody) i dobrze tłumią drgania. Wadą jest mała sztywność i duże ugięcia, jednak łatwość formowania całych kadłubów powiększa zakres zastosowań tych materiałów, a wykorzystanie konstrukcji przekładkowych z lekkim rdzeniem z pianki PVC (znaczne zwiększenie sztywności) wraz z doskonaleniem technik wytwarzania (formowanie próżniowe) umożliwia zwiększenie długości produkowanych jednostek. W zastosowaniach nie wymagających rygorystycznej kalkulacji kosztów (marynarka wojenna, sport wyczynowy) stosuje się też alternatywnie włókna węglowe i aramidowe częściowo lub całkowicie zastępujące włókna szklane. Włókna aramidowe (Kevlar) o dużej sztywności i dużej zdolności tłumienia drgań są stosowane na konstrukcje przekładkowe grodzi i podłóg. Obecnie największa długość produkowanych jednostkowo trałowców z kadłubami o konstrukcji przekładkowej o hybrydowym zbrojeniu okładek (tkaniny węglowe, aramidowe i szklane naprzemiennie w osnowie żywicy winyloestrowej z rdzeniem z pianki PVC) wynosi 105 m, jednak w planach jest budowa jednostek z kompozytów polimerowych o długości 145m. Okres eksploatacji statków z konstrukcją kompozytowa przewiduje się na 20 lat. 5. Materiały stosowane na łopatki kompresora i turbiny w silniku turbinowym Materiały stosowane na łopatki kompresora i turbiny w silniku turbinowym mogą służyć jako przykład materiałów do pracy w wysokich temperaturach, od których wymaga się nie tylko wysokiej wytrzymałości ale i jej zachowywania w dłuższych okresach eksploatacji. Najprostszy silnik turbinowy składa się z trzech głównych elementów: sprężarki (kompresora), komory spalania i turbiny. Na rys. 2 pokazano jednostopniowy kompresor i osiową turbinę zamocowane na tym samym wale. Temperatura powietrza sprężonego w kompresorze rośnie w zależności od stopnia sprężenia ( o C w przypadku silnika lotniczego). Powietrze z kompresora przechodzi do komory spalania, gdzie paliwo jest spalane w sprężonym powietrzu wytwarzając temperaturę ok o C. Gorące gazy (ok. 900 o C) napędzają turbinę i są usuwane przez dyszę wylotową. Ponieważ teoretyczna sprawność silnika (określająca straty energii cieplnej od momentu spalenia paliwa do wylotu gazów) jest uzależniona od różnicy temperatur w komorze spalania T 1 i na wylocie z silnika T 2 : T 1-T 2/T 1. Im wyższa temperatura spalania tym mniejsze straty ciepła. Na rys 3 pokazano, że im wyższa temperatura spalania tym mniejsze zużycie paliwa. Podwyższanie temperatury spalania narzuca wymagania opracowywania nowych, żarowytrzymałych materiałów. Materiały z których robi się elementy silnika turbinowego musza spełniać zróżnicowane wymagania w zależności od temperatury pracy, która decyduje o wytrzymałości, odporności na pełzanie, odporności korozyjnej. Największe wymagania stawiane są materiałom na łopatki turbiny najmniejsze tarczy kompresora. Materiały na łopatki turbin muszą wykazywać się: odpornością na pełzanie, Odpornością na utlenianie w wysokich temperaturach Odpornością na uszkodzenia dynamiczne (np. zderzenie z fragmentami złamanych łopatek sprężarki) Odporność na zmęczenie wywołane zmianami temperatury Dużą stabilnością cieplną mikrostruktury Możliwie najmniejszą gęstością (wpływa na obciążenie wirnika). Wymagania te poważnie ograniczają wybór materiałów odpornych na pełzanie. Na przykład ceramika z jej wysoką żarowytrzymałością i małą gęstością jest wyłączona z zastosowania w silnikach lotniczych, gdzie istnieją ogromne konsekwencje nagłego uszkodzenia silnika. Cermetale nie są również korzystne ponieważ ich metaliczna osnowa mięknie w zbyt niskich temperaturach. Materiały stosowane obecnie w silniku turbinowym obejmują (według kolejności związanej w temperaturą pracy): kompozyty o osnowie epoksydowej lub poliimidowej zbrojone włóknami szklanymi (na łopatki kompresora), stopy

7 magnezu (tylko na obudowę kompresora), stopy Al (np. Al.-2,2Cu-1,5Mg-1Fe-1Ni) (na kompresor tarczowy), stopy Ti (np. Ti-6Al-4V), stale martenzytyczne (np. Fe-12Cr-2,5Ni-1,15Mo). Stopy typowo wykorzystywane do budowy wirnika i łopatek turbiny to stopy niklu. Przy starcie samolotu łopatka turbiny podlega naprężeniu rzędu 250 MPa i jest wymagane, aby łopatka wytrzymała je przez 30godzin w temperaturze C przy nieodwracalnym odkształceniu wywołanym pełzaniem nie większym niż 0,1%. W celu sprostania tym wymaganiom stosuje się stopy wieloskładnikowe na bazie Ni, Fe, Co, tworzące zróżnicowane fazy wtórne takie jak Ni 3Al, Ni 3Ti, MoC, TaC. Im więcej różnorodnych wydzieleń tym dłużej hamowany jest proces wydłużania się ziarn pod wpływem naprężenia (siła odśrodkowa) i temperatury i tym dłuższy okres, po którym pojawiają się pierwsze szczeliny pomiędzy wydłużonymi ziarnami. Ochronna warstwa tlenków Cr 2O 3 na powierzchni łopatki chroni materiał przed utlenianiem. Przykłady stopów na łopatki turbin to: Incoloy: Ni-34Fe-13Cr-6Mo-2,5Ti oraz Ni np. Nimonic Ni-15Cr-15Co-4Mo-9 (Ti+Al),stopy kobaltu, np. Co-24Cr-10Ni-7W+4Ta. Komora spalania Wlot powietrza Wał napędowy kompresor wirnik turbiny Rys. 4 Schemat silnika turbinowego / z jednostopniowym kompresorem i turbiną. Rys. 5 Zużycie paliwa w kg na godzinę pracy silnika w funkcji temperatury spalania. Łopatki są tradycyjnie odlewane metodą wosku traconego (woskowy model łopatki jest umieszczony w paście z tlenku aluminium, a następnie wypalany, wosk wytapia się pozostawiając dokładną formę w której może być wykonana jedna łopatka przez zalanie ciekłym nadstopem. Ponieważ łopatki musza być wykonywane metodą jednostkową ich koszt jest wysoki (jedna łopatka 660 zł., całkowity koszt wirnika mającego 102 łopatki wynosi około 70 tys zł). Stop odlewany ma budowę ziarnistą, im większe ziarno tym mniejsza podatność na pełzanie. Idealna jest struktura bez granic ziaren. Taką budowę mają monokryształy. Można uzyskać łopatki monokrystaliczne, w której atomy ułożone są według jednolitej orientacji krystalograficznej (są jednym wielkim kryształem pozbawionym granic ziarn. W przypadku małych silników w urządzeniach naziemnych łopatki można też spiekać z ceramiki: tlenku Al, azotku krzemu i innych.