2. Charakterystyki wybranych materiałów 2.1. Metale Materiały odznaczające się relatywnie wysokimi wartościami modułów sprężystości (elastic modulus). Ich właściwości mechaniczne (mechanical property) mogą być podwyższane nie tylko przez obróbkę cieplną i mechaniczną (thermal & mechanical treatment), ale już w procesie wytapiania - przez wprowadzanie odpowiednich dodatków stopowych (alloy addition). Metale mają dużą gęstość, ponieważ są zbudowane z ciężkich, gęsto upakowanych atomów. Cechą charakterystyczną metali jest ciągliwość (ductility), zwykle umożliwiająca ich odkształcanie, a więc stosowanie obróbki plastycznej (plastic forming). Stopy metali, które odznaczają się wysokimi wskaźnikami wytrzymałościowymi (np. stale sprężynowe) cechuje mniejsza ciągliwość - mogą się odkształcać w stopniu mniejszym niż 2%. Jednak nawet w takim przypadku metale odkształcają się plastycznie przed pęknięciem, a ich przełom jest ciągliwy (ductile fracture surface). W ciągliwości metali w dużej mierze należy upatrywać przyczyny ich odporności na zmęczenie (fatigue resistant). Ze wszystkich materiałów inżynierskich metale są najmniej odporne na korozję (corrosion resistant). 2.2. Ceramiki i szkła Ceramiki i szkła (ceramics, glasses), podobnie jak metale, odznaczają się dużymi wartościami modułów sprężystości (elastic modulus), jednak w odróżnieniu od metali są kruche (brittle material). Przejawia się to tym, że poddawanie ceramik i szkieł próbie rozciągania (tension test) prowadzi do powstania przełomu kruchego (brittle fracture surface), a w przypadku ściskania - ceramiki i szkła ulegają rozkruszaniu (crush). Zniszczenie ceramiki przez ściskanie (rys. 2-1) wymaga zastosowania przynajmniej piętnastokrotnie większych obciążeń niż przez rozciąganie - przyjmuje się, że wytrzymałość na ściskanie jest miarą wytrzymałości ceramiki. W przypadku np. polimerów ta różnica sięga tylko ok. 20%.
Podstawy wytrzymałości materiałów Sylwester Kłysz Większość materiałów ceramicznych ma mniejszą gęstość niż metale, w skład ich bowiem wchodzą lekkie atomy tlenu, azotu lub węgla. Ciało stałe zbudowane nawet z najlżejszych, luźno upakowanych atomów ma gęstość nie mniejszą niż ok. 1 Mg/m 3. Materiały o mniejszej gęstości to pianki - materiały o komórkowej budowie z dużym udziałem porów. Rys.2-1. Różnice w przebiegach krzywych naprężenieodkształcenie dla ceramiki poddanej rozciąganiu i ściskaniu Ceramiki nie są ciągliwe, cechują się zatem małą odpornością na lokalne spiętrzenie naprężeń (stress concentration) powstające przy krawędziach porów i mikropęknięć (microcrack) i na naprężenia działające lokalnie (np. w miejscach mocowania). W materiałach ciągliwych natomiast lokalne spiętrzenia naprężeń mogą być stosunkowo łatwo zmniejszane (relaksowane) (stress relaxation) przez lokalne odkształcenie plastyczne materiału, powodujące bardziej równomierne rozłożenie działającego obciążenia. Umożliwia to wykorzystanie materiałów ciągliwych w warunkach oddziaływania obciążeń statycznych niewiele mniejszych niż ich granica plastyczności (yield stress). Takich możliwości nie dają ceramiki i szkła. Materiały kruche zawsze wykazują duży rozrzut wytrzymałości (endurance scatter), która zależy od objętości materiału poddanego obciążeniu i czasu, w jakim to obciążenie działa na materiał. Jeżeli podczas próby rozciągania materiału ceramicznego występują trudności ze skutecznym uchwyceniem próbki, wytrzymałość materiału można wyznaczyć w próbie zginania (bending test). Wówczas umowna wytrzymałość na zginanie odpowiada maksymalnemu naprężeniu działającemu na powierzchni zginanej próbki, przy którym uległa ona nagłemu pęknięciu. Naprężenie to 2
2.3. Polimery i elastomery (2.1) powinno odpowiadać wytrzymałości na rozciąganie, jednak dla ceramik może być ono większe niż wytrzymałość wyznaczona w próbie rozciągania - współczynnik ok. 1,3 - ze względu na mniejszą objętość materiału poddaną naprężeniu o maksymalnej wartości oraz mniejsze prawdopodobieństwo występowania wad (porów, pęknięć); ponieważ tylko przy czystym rozciąganiu wszystkie wady znajdują się w polu działania maksymalnych naprężeń. W porównaniu z metalami, ceramiki nie są na ogół materiałami łatwymi do zastosowania jako tworzywa konstrukcyjne. Odznaczają się dużą sztywnością (stiffness), twardością (hardness), odpornością na ścieranie (abrasion hardness) (stąd ich zastosowanie m.in. na narzędzia skrawające), zachowywaniem wytrzymałości w wysokich temperaturach (hot strength), odpornością na korozję (corrosion resistant) stanowią grupę ważnych materiałów inżynierskich. 2.3. Polimery i elastomery Polimery i elastomery (polimers, elastomers) można usytuować, w porównaniu z metalami i ceramikami, na drugim krańcu spektrum materiałów inżynierskich. Moduły sprężystości (elastic modulus) polimerów mają wprawdzie małe wartości, w przybliżeniu pięćdziesiąt razy mniejsze niż metali, jednakże ich wytrzymałość może być porównywalna z metalami. W konsekwencji ugięcie sprężyste polimerów może być bardzo duże. Polimery charakteryzują się małą gęstością, gdyż przede wszystkim zawierają atomy węgla (ciężar atomowy 12) i wodoru, tworzące liniowe łańcuchy oraz dwu lub trójwymiarowe siatki. Polimery mogą płynąć (material flow) pod wpływem stałego obciążenia, nawet w temperaturze pokojowej (room temperature). Oznacza to, że wyroby polimerowe poddane obciążeniu mogą z czasem przyjmować ostateczny kształt różny od początkowego. Właściwości polimerów zależą silnie od temperatury, np. polimer odznaczający się dobrą wytrzymałością i zdolnością do odkształcenia sprężystego w temperaturze 20 C może stać się kruchy już w temperaturze 4 C a płynąć plastycznie w temperaturze 100 C. Polimery nie mają użytkowych właściwości wytrzymałościowych (mechanical property) w temperaturach wyższych niż 200 C. Pomimo tych ograniczeń polimery są cennym materiałem inżynierskim. Cechują się porównywalnym z metalami stosunkiem wytrzymałości do gęstości (strength/weight ratio), są szczególnie przydatne do wykonywania (nawet w 3
Podstawy wytrzymałości materiałów Sylwester Kłysz jednej operacji) wyrobów o bardzo skomplikowanych kształtach. Można je barwić, co w połączeniu z dokładnością wymiarową formowania zapewnia ograniczenie do minimum lub nawet wyeliminowanie konieczności stosowania dodatkowych obróbek wykańczających. Generalnie odporność polimerów na kruche pękanie (fracture toughness) jest mniejsza niż ceramiki technicznej - polimery są jednak szeroko stosowane jako materiały konstrukcyjne, a ceramika z etykietą kruchości jest traktowana ze znacznie większą ostrożnością. Polimery są odporne na korozję i odznaczają się niskimi wartościami współczynnika tarcia. Elastomery mają pod względem wytrzymałości wyjątkowe właściwości - jest ona zbliżona do wartości modułu Younga E, gdyż wielkość modułu sprężystości podłużnej nie jest związana z mechanizmem rozciągania wiązań, ale ze zmianami entropii (entrophy change) splątanych łańcuchów cząsteczek w czasie odkształcenia materiału. Prawidłowa decyzja podjęta w trakcie procesu projektowania wyrobu odnośnie do wyboru materiału polimerowego umożliwia skuteczne wykorzystanie tych właściwości. 2.4. Kompozyty Kompozyty (composites) są materiałami inżynierskimi, w których można jednocześnie wykorzystać pożądane cechy poszczególnych tworzących je komponentów i ograniczyć wpływ cech niepożądanych tych komponentów. Są one lekkie, sztywne, ale jednocześnie wytrzymałe, mogą być też odporne na obciążenia udarowe (impact loading). Większość dostępnych obecnie w praktyce inżynierskiej kompozytów jest wytwarzana przy zastosowaniu polimerowej osnowy - epoksydowej lub poliestrowej, w której znajdują się umacniające materiał włókna szklane (fibre glass), węglowe (carbon fibre) lub z Kevlaru. Ze względu na mięknięcie polimeru (softening) kompozyty z osnową polimerową nie mogą być stosowane w temperaturach przekraczających 100 o C, najlepsze własności mają natomiast w temperaturach pokojowych (room temperature). Ponieważ komponenty kompozytów są drogie, a technologie wytwarzania kompozytów i elementów z nich wykonanych - bardzo skomplikowane, kompozyty powinny być stosowane tylko wtedy, kiedy racjonalnie wyważy się argumenty: z jednej strony - pożądany zespół właściwości, a z drugiej - koszty związane z wytwarzaniem kompozytów. 4
2.5. Laminat z włókien szklanych/metalowych (2.1) 2.5. Laminat z włókien szklanych/metalowych Laminat z włókien szklanych/metalowych (fiber-metal/fiber-glass laminate) posiada strukturę składającą się z kilku warstw sklejonych w jeden arkusz, zawierającą wysokowytrzymałe włókna szklane/metalowe osadzone w pośrednich warstwach klejowych (adhesive layer). Geneza powstania takich materiałów wywodzi się z potrzeby wprowadzenia alternatywnego do wymagań podejścia tolerancji uszkodzeń (damage tolerance approach) rozwiązania wprowadzającego do eksploatacji materiały o wysokim stopniu odporności na propagację pęknięć (crack growth resistance). W koncepcji tolerancji uszkodzeń istotne jest aby pęknięcia nie wzrastałyby zbyt szybko, tak by możliwe było wykrycie uszkodzenia struktury podczas okresowych przeglądów (periodic inspection). Natomiast laminaty z włókien szklanych/metalowych z założenia miały posiadać podwyższoną wewnętrzną własność materiałową (inherent material property) odporności na rozwój pęknięć, poprzez możliwość opóźnienia propagacji pęknięć (crack growth retardation) lub ich zatrzymywania (crack arrest). Początki rozwoju laminatów sięgają lat 70. XXw. i miały miejsce w Delft University of Technology. Początkowo zaadoptowano w tym celu włókna aramidowe (aramid fiber) tworząc w połączeniu z płytami aluminiowymi laminaty o nazwie ARALL (Aramid Reinforced ALuminium Laminate). Kolejnym rozwiązaniem były laminaty szklane GLARE (GLAss REinforced), CARALL (CARbon ALuminum Laminate) oraz laminaty z grubych płyt typu CentrAl. Odrębnym rodzajem pod względem koncepcji projektowania, techniki wytwarzania i własności materiałowych są materiały kompozytowe w postaci matrycy epoksydowej (epoxy matrix) z długimi włóknami, głównie węglowymi (carbon fibre) o wysokiej wytrzymałości i sztywności, zwane czarnymi kompozytami (black composite). Porównując trwałość propagacyjną aluminiowych próbek z laminatu i próbek litych (solid material) można stwierdzić większą trwałość dla próbek z laminatu oraz większą trwałość w warunkach płaskiego stanu naprężeń (próbka cienka, pojedyncza warstwa z włóknem) niż dla płaskiego stanu odkształceń (próbka gruba, wiele warstw z włóknami) rys. 2-2. Znaczny wzrost trwałości propagacyjnej w przypadku pęknięć nie wskrośnych (part-through crack) (powierzchniowych, ćwierćeliptycznych) w próbkach z laminatu w porównaniu do próbek litych wynika nie tylko z faktu, że warstwy klejowe stanowią bariery dla propagacji pęknięć w kierunku grubości próbki. 5
Podstawy wytrzymałości materiałów Sylwester Kłysz Rozwój pęknięć odbywa się początkowo tylko w pierwszej warstwie laminatu, znacznie wolniej niż dla laminatu z pojedynczą warstwą, ponieważ występuje znaczne ograniczenie otwierania się pęknięcia (crack opening) w pierwszej warstwie gdy warstwy kolejne pozostają jeszcze niepęknięte - rys. 2-3. W konsekwencji do czasu zainicjowanie się pęknięcia w kolejnej warstwie laminatu pęknięcie rozwija się w warunkach zmniejszania się współczynnika intensywności naprężeń (K decreasing test) ze wzrostem długości pęknięcia. Rys.2-2. Porównanie trwałości propagacyjnej próbek z laminatu i próbek litych 6
2.6. Wykres doboru materiałów (2.1) Przyspieszenie propagacji pęknięcia następuje dopiero w wyniku inicjacji pęknięć w kolejnych warstwach laminatu punkt przegięcia PP krzywej a-n. W przypadku pęknięć wskrośnych (through crack) propagacja pęknięć odbywa się równocześnie we wszystkich warstwach laminatu (simultaneously growth). Rys.2-3. Krzywe rozwoju pęknięć nie wskrośnych w próbkach z laminatu 1- i wielo-warstwowego 2.6. Wykres doboru materiałów Wykres przedstawiający wybraną właściwość materiałów (material property) w zestawieniu z inną, rodzaj mapy na której jest zobrazowane w jakich obszarach mieszczą się właściwości różnych grup materiałów jak i poszczególnych materiałów. Dostarczają one informacji pozwalających na porównanie kombinacji poszukiwanych właściwości z przewidywanymi dla różnych materiałów w ramach procedur doboru materiałów i metod wytwarzania elementów i urządzeń. Ponieważ działanie i funkcjonalność jakiejkolwiek części lub urządzenia rzadko zależą tylko od jednej właściwości materiału, właściwości materiałów limitują rodzaj i zakres ich stosowania. Na ogół jest to kombinacja istotnych w danym przypadku właściwości w projektowaniu lekkich konstrukcji istotny jest np. stosunek wytrzymałości do gęstości lub sztywności do gęstości (strength/weight ratio) lub odporności na pękanie do gęstości - rys. 2-4. Każda właściwość materiału inżynierskiego ma charakterystyczny zakres wartości w przypadku właściwości takich jak moduły sprężystości, wytrzymałość, przewodność cieplna, jest on dość szeroki i w przybliżeniu 7
Podstawy wytrzymałości materiałów Sylwester Kłysz obejmuje zwykle pięć rzędów wielkości. Zakres wartości na osiach wykresu doboru materiałów (materials selection diagram) jest tak dobierany, aby objąć wszystkie materiały, od najlżejszych, najdelikatniejszych pianek do najwytrzymalszych i najcięższych metali. Rys.2-4. Wykres doboru materiałów Odporność na pękanie Gęstość Dane dla określonego rodzaju materiałów (np. polimerów) skupiają się w pewnym obszarze wykresu i są obwiedzione liniami zamkniętymi. Stosunek o ustalonej wartości obu własności występujących na wykresie może być przedstawiony w postaci linii prostej o odpowiednim nachyleniu przy jednakowej podziałce na obu osiach nachylenie wynosi 45 o. Dzięki temu linie te łączą ze sobą materiały o jednakowej wartości określonej w ten sposób charakterystyki. Przykładowo na wykresie doboru materiałów moduł Younga E - gęstość ρ, linie odpowiadają stałej prędkości dźwięku w materiale, gdyż prędkość podłużnej fali akustycznej (accoustic wave) w tym przypadku określa równanie: 8
2.6. Wykres doboru materiałów (2.1) 1/ 2 v = E (2.1) ρ które po zlogarytmowaniu prowadzi do równania linii prostej, wobec tego można na wykresie wykreślić rodzinę równoległych linii ukośnych, łączących materiały w których fale podłużne rozchodzą się z jednakową prędkością. Właściwości materiałów inżynierskich uwzględniane w procesie projektowania i doboru materiałów można podzielić na następujące grupy: ogólne cena (względna), ciężar, gęstość, wygląd; mechaniczne moduły sprężystości, naprężenie (granica plastyczności, wytrzymałość), ciągliwość/wiązkość, odporność na kruche pękanie, współczynnik tłumienia drgań, współczynnik zmęczenia; cieplne przewodność cieplna, współczynnik wyrównania temperatury, ciepło właściwe, temperatura topnienia, temperatura zeszklenia, współczynnik rozszerzalności cieplnej liniowej, odporność na szoki cieplne, odporność na pełzanie; cierne stała Archarda; korozyjne/utleniające szybkość korozji, stała parabolicznej szybkości utleniania. Zakres wartości danej właściwości dla materiału może być wąski - np. moduł Younga miedzi tylko o kilka procent różni się od wartości średniej, w zależności od czystości, tekstury i innych podobnych cech tego metalu, zdarza się, że jest szeroki - np. wytrzymałość korundu może zmieniać się nawet ponad 100-krotnie pod wpływem zmian porowatości, wielkości ziarna itp. Obróbka cieplna i odkształcenie plastyczne mają zasadniczy wpływ na wartość granicy plastyczności, zdolność tłumienia drgań i odporność na pękanie metali, natomiast stopień krystaliczności i usieciowania - na moduł sprężystości polimerów. Właściwości silnie zależne od struktury pojawiają się na wykresach w formie wydłużonych pęcherzyków znaczne ich pionowe wydłużenie odpowiadające pojedynczym materiałom ukazuje wpływ np. dodatków stopowych, umocnienia odkształceniowego, wielkości ziarna, porowatości itp. na wytrzymałość. Dużą rozpiętość wartości niektórych własności można wytłumaczyć oporem sieci krystalicznej (crystal lattice resistance) (tzw. naprężeniami Peierlsa) - utrudniającym odkształcenie przez plastyczne ścinanie. W kryształach plastyczne ścinanie jest związane z ruchem dyslokacji (dislocation motion). Metale są miękkie, ponieważ wiązanie metaliczne w małym stopniu zwiększa opór stawiany ruchowi dyslokacji. Duża twardość ceramiki wynika z bardziej zlokalizowanego 9
Podstawy wytrzymałości materiałów Sylwester Kłysz charakteru wiązań kowalencyjnych i jonowych, które unieruchamiają dyslokacje. W odniesieniu do ciał stałych, nie mających struktury krystalicznej, możemy natomiast mówić o energii jednostkowego (elementarnego) odkształcenia plastycznego (strain energy of plasticity) - względnego poślizgu dwóch segmentów łańcucha polimeru lub poślizgu skupisk (klasterów) jonów w strukturze szkieł. Zróżnicowanie wytrzymałości tych materiałów wynika z podobnych przyczyn jak w przypadku oporu sieci krystalicznej; jeśli elementarny etap odkształcenia plastycznego wymaga zerwania mocnych wiązań (jak np. w nieorganicznych szkłach), materiał będzie wytrzymały, jeśli natomiast dotyczy to zniszczenia słabych wiązań (jak np. wiązania Van der Waalsa w polimerach), wytrzymałość makroskopowa takiego materiału będzie mała. Materiały ulegające zniszczeniu na skutek pękania zachowują się w ten sposób, gdy opór sieci krystalicznej lub jego odpowiednik w strukturach amorficznych jest tak znaczny, że pękanie materiałów następuje wcześniej niż możliwe jest ich płynięcie (flowing). Gdy opór stawiany ruchowi dyslokacji przez sieć krystaliczną jest niewielki, materiał może być umocniony przez wprowadzenie dodatkowych przeszkód - w metalach będą to atomy pierwiastków stopowych (alloying element), cząstki drugiej fazy (metallic phase), granice ziaren (grain boundary) lub nawet dodatkowe dyslokacje (umocnienie odkształceniowe) (strain hardening). W przypadku polimerów umocnienie uzyskuje się przez wytwarzanie wiązań poprzecznych (sieciowanie) (crosslinking) lub zorientowanie łańcuchów w procesie wyciągania wysokowytrzymałych włókien z polimerów liniowych (stretching). Jednak dalsze umocnienie materiału charakteryzującego się dużym oporem sieci krystalicznej jest zbyteczne i problemem staje się zmniejszenie skłonności materiału do kruchego pękania (brittle cracking). Ważnym zastosowaniem wykresu doboru materiału jest użycie go do doboru materiałów na lekkie konstrukcje o ograniczonym odkształceniu plastycznym. Zaznaczone linie przewodnie (leading line) umożliwiają wytypowanie materiałów na lekkie pręty, kolumny, belki i płyty oraz na ruchome części, w których ważną rolę odgrywają siły bezwładności. 10