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 przy doborze to np.: Ekonomiczne: cena, dostępność Fizyczne: gęstość (ρ) Mechaniczne: moduł sprężystości ( E,G,K) naprężenia niszczące σ f (R e,r m i inne) krytyczny współczynnik intensywności naprężeń K Ic współczynnik tłumienia drgań η Cieplne: przewodność cieplna λ współczynnik wyrównania temperatury a ciepło właściwe c p temperatura topnienia t m współczynnik rozszerzalności cieplnej liniowej odporność na pełzanie

WŁASNOŚCI EKONOMICZNE DOSTĘPNOŚĆ Ilość Lokalizacja Praco- i energochłonność pozyskiwania Próg opłacalności ekonomicznej

Czy wszystkie te bogactwa są dostępne?

Schemat McElveya.

Wzrost zużycia Stal o 3,5% rocznie podwaja się co 20 lat Aluminium o 8% rocznie - podwaja się co 9 lat Polimery o ok. 20% rocznie - podwaja się co ~4 lata

Okres połowicznego wyczerpania zasobów Gaz ziemny i ropa naftowa 25 lat Srebro, cyna, wolfram, cynk, ołów, rtęć - 50 80 lat Aluminium, żelazo, krzemiany kilkaset lat

Cena

Dobrzański L.A.: Materiały inżynierskie i projektowanie materiałowe: podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. WNT. Warszawa 2006

Dobrzański L.A.: Materiały inżynierskie i projektowanie materiałowe: podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. WNT. Warszawa 2006

Zastosowanie Materiał Cena za tonę [$] Konstrukcje duże i proste Konstrukcje średnie i małe Drewno, beton, stal konstrukcyjna Metale, stopy i polimery (samoloty, samochody przyrządy itp.) 60 550 550 5 500 Łopatki turbin Stopy, materiały specjalne, nowoczesne kompozyty (CFRP, BFRP) itp. 5 500 200 000 Łożyska, styki elektryczne, ścieżki w mikroukładach Narzędzia tnące i polerujące Szafir, srebro, złoto Diamenty przemysłowe 200 000 2 mln ~ 900 mln

WAŚCIWOŚCI FIZYCZNE I MECHANICZNE MATERIAŁÓW

Gęstość materiałów

Gęstość materiału gęstość materiału krystalicznego = = gęstość komórki elementarnej = = (ilość atomów w komórce elementarnej, n) (masa atomu, M ) (objętość komórki V C ) n = 2 (BCC); 4 (FCC); 6 (HCP) M = A/ N A N A = 6.023 1023 atomów/mol Vc = a 3 (FCC i BCC) a = 2R 2 (FCC); a = 4R/ 3 (BCC) R promień atomu n V c M

Porównanie gęstości różnych materiałów Ashby M.F., Jones D.R.H; Materiały inżynierskie; WNT, Warszawa 1980

Ułożenie atomów w materiale Jaki jest wpływ na własności?

Sztywność materiałów

Wielkości charakteryzujące sztywność materiałów: E moduł Younga Prawo Hook`a σ=eε n G moduł ścinania τ=gγ K moduł ściśliwości p=-k

Jak są połączone atomy w ciałach stałych? Czy ma to wpływ na ich własności w skali makro? Rodzaje wiązań w kryształach: Wiązania jonowe Wiązania kowalentne Wiązania metaliczne Wiązania molekularne

Energia wiązania

Własności materiału

Wpływ rodzaju wiązań na własności materiału, przykłady: Typ wiązania Przykład Energia wiązania [e V/atom] Jonowe Ag Cl Li F K Cl Na Cl 10.2 10.5 7.2 7.9 Własności charakterystyczne duża twardość, wysoka temperatura topnienia, słabe przewodnictwo w niskich temperaturach, dość dobre przewodnictwo jonowe w wysokich temperaturach Kowalencyjne C Ge Si 7.4 3.9 4.6 duża twardość, w bardzo niskich temperaturach nie przewodzą prądu, w wysokich temperaturach stają się przewodnikami Metaliczne Cu Ag Fe Pb 3.5 2.9 4.1 2.0 Plastyczność kryształów, dobre przewodnictwo elektryczne, możliwość tworzenia stopów, różne temperatury topnienia

Wpływ rodzaju wiązań na własności materiału, przykłady: Typ wiązania Wodorowe Molekularne Przykład Energia Wiązania [e V/atom] H 2 O HF Ne Ar Kr 0.52 0.31 0.02 0.08 0.12 Własności charakterystyczne wykazują tendencję do polimeryzacji Niska temperatura topnienia i wrzenia, duża ściśliwość, duże współczynniki rozszerzalności cieplnej, niska twardość

S 0 Sztywność pojedynczego wiązania S 0 2 d U 2 dr r r 0 r 0 odległość między atomami U praca wykonana przy zbliżaniu (odsuwaniu) atomów Rodzaj wiązania S 0 E S 0 /r 0 [Nm -1 ] [GNm -2 ] Kowalencyjne 180 1000 Czysto jonowe np. Na-Cl 9 21 30 70 Czysto metaliczne np. Cu-Cu 15 40 30 150 Wodorowe np. H 2 O-H 2 O 2 8 Van der Wasala np. polimery 1 2

Porównanie wartości modułu Younga dla różnych materiałów Ashby M.F., Jones D.R.H; Materiały inżynierskie; WNT, Warszawa 1980

Metody doboru materiałów Istnieje szereg metod ułatwiających prawidłowy dobór najlepszego, w danych warunkach, materiału spośród tysięcy dostępnych Jedną z nich jest system Cambridge Material Selector opierający się na określaniu wskaźników materiałowych i posługiwaniu się tzw. wykresami własności (Ashby charts)

Wskaźnik funkcjonalności

Trzy wymagania, które musi spełniać każdy projektowany element: Wymagania funkcjonalne F Cechy geometryczne G Właściwości materiału M p = f (F,G,M)

Optymalny projekt zapewnia minimalizowanie lub maksymalizowanie p: p = f (F,G,M) lub p = f1(f) f2(g) f3(m)

Procedura określenia wskaźników materiałowych 1. Określ wszystkie cechy materiału, które powinny być maksymalizowane lub minimalizowane np. masa, cena sztywność, wytrzymałość, obciążenie dla środowiska 2. Określ zależności dla tych cech wynikające z wymagań funkcjonalnych i ograniczeń (wcześniej określonych!) 3. Określ wielkości, którymi możesz manipulować zmienne swobodne 4. Zidentyfikuj ograniczenia uwzględniając ich ważność np. równania na występujące naprężenia, równania temperatur

Procedura określenia wskaźników materiałowych c.d. 5. Określ w formie nierówności nieprzekraczalne wartości np. maksymalny koszt, maksymalna temperatura pracy, brak pęknięć 6. Wyeliminuj zmienne swobodne z równań 7. Podziel zmienne na 3 grupy: Wymagania funkcjonalne F, Cechy geometryczne G, Własności materiałowe M 5. Maksymalizuj wskaźniki

Polecenie 1. Wybrać dowolny wyrób dla którego zasadnicze znaczenie ma niska masa i wysoka sztywność 2. Przeprowadzić procedurę doboru wskaźników materiałowych