0.Podział materiałów konstrukcyjnych:

Kompozyt- to materiał utworzony z co najmniej dwóch kompozytów(faz) o różnych właściwościach w taki sposób, że ma właściwości lepsze i właściw. nowe(dodatkowe) w stosunku do komponentów użytych osobno lub wynikających z prostego sumowania tych właściwości- kompozyt jest materiałem zewnętrznie monolitycznym.

1.Klasyfikacja konstrukcyjnych materiałów metalowych:

Metalowe materiały Konstrukcyjne:

Stopy żelaza ( Fe + C, Cr, Ni, Mn, W) Stopy metali nieżelaznych

(Al, Cu, Zn, Sn, Ti)

Stal Odlewnicze:

Do obróbki plastycznej:

-kucie

-walcowanie Staliwa Żeliwa

-ciągnienie tłoczenie

Niestopowe stopowe szare białe sferoidalne

Stal: to stop żelaza z węglem ( często również z innymi pierw.) plastycznie obrobiony i plast. Obrabialny o zawartości węgla nieprzekraczającej 2,11 % co odpowiada granicznej rozpuszczalności węgla w żelazie ( dla stali stopowych zaw. C może być dużo wyższa). Węgiel w stali najczęściej występuje w postaci perlitu płytkowego.

Dodatki stopowe do stali: Dodatki stopowe są to pierwiastki (najczęściej metaliczne), wprowadzane specjalnie do stopu w ilości pozwalającej na zmianę wybranych właściwości materiału. Przeważnie ich udział w stopie jest ograniczony do kilku procent zawartości, a tylko w nielicznych przypadkach może dochodzić do kilkudziesięciu procent. Typowe pierwiastki stosowane jako dodatki stopowe to:

-mangan - rozdrabnia ziarna struktury, znacznie poprawia wytrzymałość na rozciąganie oraz obciążenia dynamiczne,

-molibden - zwiększa odporność na pełzanie oraz kruche pękanie,

-wanad - zwiększa drobnoziarnistość, sprężystość oraz twardość stali,

-wolfram - poprawia odporność na ścieranie oraz wytrzymałość na rozciąganie, zwiększa odporność na odpuszczanie (pozwala na pracę stopu w -wysokich temperaturach),

-chrom - zwiększa hartowność, rozdrabnia ziarno, poprawia parametry wytrzymałościowe,

-nikiel - znacznie zwiększa udarność stali oraz hartowność,

-kobalt - zwiększa twardość, utrudnia powstawanie struktury martenzytycznej,

-krzem - stosowany jako odtleniacz, zwiększa twardość, ale powoduje większą kruchość materiału, używany w stalach sprężynowych i -transformatorowych,

-tytan - zwiększa odporność korozyjną oraz poprawia właściwości mechaniczne,

-niob - znacznie poprawia właściwości wytrzymałościowe, a także odporność korozyjną stali w wysokich temperaturach,

-aluminium - ze względu na silniejsze od żelaza powinowactwo do tlenu używa się go do odtleniania surówek,

-miedź - zwiększa odporność korozyjną stopów żelaza z węglem.

Stale można klasyfikować na podstawie różnym kryteriów.

STAL

1.Niestopowe : 2. Stale odporne na korozję 3. stale stopowe

- Stale niest. Jakościowe

-Stale niest. specjalne

1. STALE NIESTOPOWE( WĘGLOWE) to obrobione plastycznie stopy żelaza z węglem o zawartości węgla teoretycznie poniżej ok. 2%, a praktycznie nie przekraczającej ok. 1,5%. Stale węglowe zawierają także domieszki technologiczne i zanieczyszczenia.

•Stale niestopowe jakościowe: uzyskują odpowiednie właściwości głównie w procesach stalowniczych przez walcowanie, ciągnienie i kucie, rzadziej przez obróbkę cieplną. Maksymalne stężenie głównych zanieczyszczeń czyli fosforu i siarki – wynoszą 0,045% wag. Spośród zanieczyszczeń gazowych duży wpływ ma wodór i tlen.

•Stale niestopowe specjalne: mają wyższy stopień czystości metalurgicznej niż stale jakościowe. Przeznaczone są do ulepszenia cieplnego lub hartowania powierzchniowego. Spełniają wymagania:

Określona udarność w stanie ulepszonym cieplnie

-określ. Hartowność lub twardość w stanie hartowanym

-określ. Mała zaw. Wtrąceń niemetalicznych

-określ. Max. Zawartość P i S do max. 0,02 %

Podział w zależności od zastosowania:

-konstrukcyjne(do ok. 0,85% C): stosowane w budownictwie oraz budowie urządzeń i maszyn pracujących w środowisku mało agresywnym. Im większa zawartość C, tym większa jest granica plastyczności i zdolność stali do przenoszenia obciążeń.

Zastosowanie: zależne od zaw. C:

-0,10% - blachy do głębokiego tłoczenia( np. karoseryjne)

-0,2% - części rowerowe, rurociągi

-0,2-0,35 % - konstrukcje mostów, zbiorników, budynków

-0,25-0,45% - części maszyn w stanie znormalizowanym lub ulepszonym cieplnie , np. sworznie, tuleje, wały korbowe, sprzęgła, osie

-0,55-0,65% - części maszyn o dużej odporności na ścieranie, np. ślimaki i koła zębate hartowane powierzchniowo lub ulepszane cieplnie.

- narzędziowe(0,6-1,3 % C)- przeznaczone do wyrobu narzędzi do kształtowania i dzielenia materiałów, zwykle temp. Pokojowa lub do 250 %. Wymagane cechy : twardość i odporność na ścieranie. Obróbka cieplna: hartowanie i niskie odpuszczanie Zawartość węgla większa niż w stalach konstrukcyjnych.

Zastosowanie zależne od zaw. C:

-0,6 % - siekiery, narzędzia ślusarskie, murarskie, szewskie

-0,7%- młotki , śrubokręty, narzędzia kowalskie

->0,9 % - noże do cięcia blach, piły, wiertła, narzędzia grawerskie, pilniki, igły, brzytwy

-szczególnych właściwości

W zależności od zawartości zanieczyszczeń(siarki i fosforu):

-zwykłej jakości, P=0,050 % masy max., S=0,05% masy max.

-wyższej jakości, P=0,04 % masy max., S=0,04 % masy max.

B) STALE STOPOWE są to obrobione plastycznie stopy żelaza, które oprócz węgla (niektóre stale stopowe są prawie bezwęglowe) zawierają inne pierwiastki celowo wprowadzone niezależnie od ilości jeżeli przekraczają zawartości określone normą PN-EN.

•Stale stopowe jakościowe: odpowiednik stali niestopowej jakościowej z jedną istotną różnicą dotyczącą stężenia pierwiastków stopowych. Wyróżnia się kilka grup stali:

- konstrukcyjne drobnoziarniste spawalne przeznaczone na zbiorniki i rurociągi pracujące pod ciśnieniem;

- elektrotechniczne ( zawierające krzem lub krzem i glin) o określonych właściwościach magnetycznych.

-stale stopowe przeznaczone do produkcji szyn i grodzic oraz kształtowników na obudowy górnicze

•Stale stopowe specjalne: są uzyskiwane przez dokładną kontrolę składu chemicznego i technologii wytwarzania. Stale tej grupy mają bardzo zróżnicowany skład chemiczny i właściwości użytkowe. Wyróżnia się kilka grup tych stali:

- szybkotnące;

- narzędziowe stopowe;

- łożyskowe( na łożyska toczne)

- maszynowe;

- konstrukcyjne.

C) ODPORNE NA KOROZJĘ: stale zawierające co namniej 10,5 % chromu i max 1,2 % C Podział wg kryterium zaw. Ni:

-stale o zaw. Poniżej 2,5 % Ni

-stale o zaw. 2,5 % Ni lub większej

Podział wg głównej właściwości:

-stale nierdzewne

-stale żaroodporne

-stale żarowytrzymałe

2.Podział tworzyw sztucznych:

DUROPLASTY- w podwyższonych temp. i/ lub pod wpływem utwardzaczy przekształcają się w produkt usieciowany( nietopliwy, nierozpuszczalny). Ponowne podgrzanie może powodować rozkład chem., zmieniają się właściwości materiału, dlatego nie można ich ponownie kształtować jak to było w przypadku termoplastów. Ich wadą jest kruchość. Przykłady : Fenoplasty, aminoplasty, żywice epoksydowe, żywice poliestrowe.

3.Wpływ temperatury na właściwości tworzyw polimerowych:

W odróżnieniu od ceramiki i metali właściwości tworzyw polimerowych w dużym stopniu uzależnione

są nawet od niewielkich zmian temperatury. Zakres użytkowania większości tworzyw nie przekracza

150ºC,a tylko nieliczne z nich mogą być użytkowane do 300ºC. Wraz ze wzrostem temperatury polimery stopniowo miękną, co objawia się spadkiem modułu sprężystości E (Young’a). Własności polimerów są tak silnie uzależnione od temperatury, że w temperaturach od - 20ºC do +200ºC, moduł sprężystości może się zmienić nawet 103 razy.

Przy projektowaniu z użyciem polimerów konstrukcyjnych konieczne jest uwzględnianie potencjalnych zmian wytrzymałości i sztywności w trakcie eksploatacji nawet w temperaturze otoczenia.

Zjawisko zmiennego zachowania polimerów pod obciążeniem przy wzroście temperatury związane

jest ze zmianą ruchliwości makrocząsteczek.

Na rysunku 4 pokazano schematycznie zależność modułu Young’a od temperatury polimeru dla polimerów bezpostaciowych: 1 - termoplastycznych, 2 – elastomerów, 3 – duroplastów. Poniżej temperatury Tg, nazywanej temperaturą zeszklenia, polimer jest w stanie sztywnym (nazywanym też szklistym) (obszar A). Makrocząsteczki mogą się sprężyście przemieszczać względem siebie na małe odległości, tak jak atomy w metalach w stanie sprężystym. W miarę wzrostu temperatury rośnie zdolność makrocząsteczek do lokalnych

przegrupowań, ale nadal zachowana jest nieruchomość całych makrocząsteczek, polimer jest w stanie

szklistym wymuszonej elastyczności (obszar B), a następnie lepkosprężystym (skóropodobnym)

(zakres C). Dalszy wzrost temperatury prowadzi do znacznego zwiększenia ruchliwości makrocząsteczek umożliwiającej rozprostowanie skłębionych łańcuchów i powrót do poprzedniego

stanu, ale nie trwałe przemieszczenie makrocząsteczek. Zachowanie takie podobne jest do

odkształcalności gumy, a stan polimeru określany jest jako wysokoelastyczny, wymuszonej

elastycznosci lub gumopodobny (zakres D).

Przekroczenie temperatury płynięcia Tm (m - melting) powoduje prawie całkowite zmniejszenie sił międzycząsteczkowych i nawet najmniejsze obciążenie powoduje wzajemne trwałe przemieszczanie się łańcuchów polimeru. Takie zachowanie określa się mianem stanu lepko płynnego (zakres E).

4.Metody badań właściwości mechanicznych tworzyw sztucznych:

A ) Wilgotność tworzywa – jest to zawartość wody w danym materiale. Spotyka się też określenie zawartości wilgoci. Wilgotność wyraża się przeważnie w procentach wagowych lub objętościowych.

B) Nasiąkliwość wagowa – chłonność wody – jest to stosunek masy wody pochłoniętej przez próbkę do masy tej próbki w stanie suchym. Ilość pochłoniętej wody wpływa w istotny sposób na właściwości tworzywa. Oznaczanie chłonności wody dla wszystkich typów tworzyw przeprowadza się z reguły we wrzącej wodzie. Wyjątkiem są tworzywa, które w tej temperaturze miękną lub ulegają deformacjom i uszkodzeniom; chłonność ich oznacza się w wodzie zimnej. Ponadto rozróżnia się dwa sposoby badania w zależności od tego, czy w tworzy obecne są substancje rozpuszczalne w wodzie, czy nie.

C) Pomiar temperatury mięknięcia :

Metoda Vicata

Zasada metody polega na określeniu temperatury, w której stalowa igła o określonej powierzchni przekroju pod stałym obciążeniem zagłębi się na głębokość 1 mm, przy stałym wzroście temperatury (wynoszącym od 50 lub 120 °C/godzinę). Przyrządem pomiarowym jest termostat szafkowy wyposażony w zespół prętów pionowych obciążonych u góry ponad szafką obciążnikami o ciężarze 1 lub 5 kG(10 lub 50N). U dołu pręt posiada stalową igłę o przekroju poprzecznym 1 mm². Termostat sprzężony z zegarem i termoregulatorem, by zachować stały przyrost temperatury podczas badania.

Pręty przenoszące nacisk obciążników na próbkę sprzężone są ze wskaźnikami elektronicznymi lub mechanicznymi, które są połączone z systemem dzwonkowym informującym o odpowiednim zagłębieniu igły. Umożliwia to łatwe odczytywanie zagłębienia igły oraz temperatury mięknienia. Temperaturę odczytuje się przy pomocy termometru, który powinien być umieszczony jak najbliżej badanej próbki.

Właściwości mechaniczne

Badania wytrzymałości:

•długotrwałej, doraźnej statycznej i dynamicznej,

•zmęczeniowej,

•twardości.

C)Próba rozciągania polega na jednoosiowym odkształcaniu odpowiednio przygotowanych próbek i mierzeniu powstających sił.

Właściwości mechaniczne tworzyw sztucznych można mierzyć m.in. maszynami wytrzymałościowymi.

W celu scharakteryzowania właściwości tworzywa poddanego rozciąganiu lub ściskaniu są stosowane następujące pojęcia:

• wytrzymałość na ściskanie,

• granica plastyczności,

• umowna granica plastyczności,

• odkształcenie przy zniszczeniu,

• odkształcenie na granicy plastyczności,

• naprężenie ściskające przy założonym odkształceniu względnym.

D) Próba zginania polega na tym, że próbkę tworzywa podpartą na końcach obciąża się punktowo, prostopadle do jej osi podłużnej. Odległość pomiędzy punktami podparcia musi być ściśle określona i jest zwykle unormowana. Badanie stosuje się tylko do tworzyw kruchych, które pękają w czasie badania. Badania tworzyw sztucznych, z których nie można wykonać próbek dużych wykonuje się aparatem Dynstat, dla którego wystarczają próbki o wymiarach 15x10x2 mm. Zasada badania polega na tym, że do próbki pomiarowej zamocowanej w obrotowym uchwycie jest przytwierdzone ramię z obciążnikiem. Wskutek obrotu uchwytu próbki przenosi się przez ruch obrotowy na ramię. W miarę wznoszenia się ramienia, tj. odchylania od pionu, powstaje i zwiększa się jego moment obrotowy działający na próbkę jako moment zginający. Wzrost tego momentu powoduje wzrost naprężeń w próbce prowadzący do jej zginania, a dalej do zniszczenia. Odczytany w chwili zniszczenia moment zginający służy do obliczania wytrzymałości na zginanie, a jednocześnie zmierzony kąt ugięcia jest miarą odkształcenia próbki.

E) Udarność jest miarą kruchości materiałów określaną przez pracę potrzebną do dynamicznego złamania próbki i odnoszoną do wielkości poprzecznego przekroju próbki. Badania wykonywane są metodami:

•Charpy'ego,

•Dynstat,

•Izoda.

Metoda Charpy'ego

Młot Charpy'ego zawieszony na osi porusza się jak swobodne wahadło. Młot ustawia się w pozycji pionowej i sprawdza czy zwolniony bez próbki pokazuje energię 0. Próbkę umieszcza się na podporach i ustawia wskazówkę zabieraka na maksymalnej wartości na skali. Bez wstrząsów należy zwolnić zapadkę i odczytać energię zaabsorbowaną przez łamaną próbkę.

Metoda Dynstat

Udarność oznacza się na próbkach o małych wymiarach, umocowanych pionowo. Praktyczne znaczenie pomiarów aparatem Dynstat polega na tym, że próbki o tak małych wymiarach udaje się wycinać z wielu gotowych wyrobów, co nie jest możliwe przy próbkach do aparatu Charpy'ego.

Najczęstsze wady lub odchyłki parametrów próbek jako konsekwencja przygotowania materiału, narzędzi oraz nastaw maszyn:

-karby na powierzchni

-wtrącenia mat. Obcych, pęcherze powietrza

-wady geometrii próbek

-orientacja mikrostruktury

-anizotropia struktury

-różny stopień krystaliczności

-anizotropia skurczu

F) Badanie twardości

Pojęcie twardości w odniesieniu do tworzyw sztucznych określa się za pomocą oporu, jaki stawia materiał, gdy wciska się w jego powierzchnię pionowo odpowiedni wgłębnik, stosując naciski tak wielkie, aby powstało odkształcenie trwałe. Jako wgłębniki stosuje się tu elementy o znormalizowanych kształtach, np. kulki, stożki lub piramidki. Większość metod należy do statycznych, to znaczy nastpuje powolne wciskanie wgłębnika przy działaniu siły stałej lub stopniowo wzrastającej do określonej wartości. Pomiary twardości są nieniszczące i nie wymagają pracochłonnego przygotowania próbek.

-Przy pomocy metody wciskania kulki

Metoda polega na powolnym wciskaniu stalowej kulki w badane tworzywo. Po upływie pewnego czasu ustala się stan równowagi, w którym zwiększająca się powierzchnia odcisku równoważy wywierane obciążenie przez wgłębiającą się kulkę. W tym stanie stosunek siły obciążającej do powierzchni odcisku wgniecionego w badanym materiale określa jego twardość.

Do badania używa się aparatu Brinella w którym można nastawiać obciążenie wstępne i kilka do wyboru obciążeń roboczych. Czujnik rejestruje głębokość wgniotu pod naciskiem. Ustala się za pomocą klocka z miękkiej miedzi pod wstępnym obciążeniem Fo = 9,8 N odkształcenie ramy przyrządu, jakie wystąpi w czasie pomiaru z zastosowaniem wybranego obciążenia pomiarowego Fm.

Do próbki umieszczonej na stoliku przykłada się obciążenia wstępne oraz pomiarowe i mierzy po 30 s głębokość odcisku. Należy wykonać 10 pomiarów. Odcisk powstający pod wpływem wybranego obciążenia jest sumą odkształceń plastycznego i sprężystego, które w tworzywach sztucznych mogą być większe niż u wielu metali. Po zdjęciu obciążenia następuje stosun¬kowo szybki powrót poodkształceniowy odcisku w zakresie odkształcenia sprężystego.

-Metoda Rockwella:

Twardość jest wyznaczana na podst. Trwałego odkształcenia powstałego po wciśnięciu kulki o znormalizow. Średnicy ( 1/16 cala) lub stożka diamentowego o kącie rozwarcia 120 st. I promieniu zaokrąglenia r=0,2mm., w badane tw. W ustalonym czasie i z określoną siłą. Miarą twardości jest głębokość wniknięcia wgłębnika. Przy czym jednej podziałce odpowiada zagłębienie wgłębnika o 0,002 mm. ( np. 80 HRB, 45 HRC)

-Metoda Vickresa – wgłębnikiem jest diamentowy ostrosłup o kącie dwuściennym 136, który jest wciskany siłą 49, 98, 196… N.

-Metoda Shore’a:

Pomiar twardości elastopmerów

Do badania tworzyw gumopodobnych nadaje się metoda Shore’a. Aparat mieszczący się w dłoni dociska się podstawą do tworzywa. Wgłębnik wystający z podstawy, wypychany sprężyną wgniata się w materiał, przy czym ustala się równowaga między naciskiem sprężyny a reakcją tworzywa. Dla umiarkowanych twardości stosuje się typ A, w którym wgłębnik jest zakończony tępym stożkiem. Dla dużych twardości (typ D) stosowany wgłębnik jest na końcu zaostrzony. Po dociśnięciu wskazówka zatrzymuje się na odpowiednim zakresie skali wyrażonej w stopniach Shore'a.

G) Badanie ścieralności

Zużyciem ściernym nazywa się odrywanie tworzywa z dwu stykających i przesuwających się względem siebie powierzchni, spowodowane występującymi nierównościami lub obecnością twardych cząsteczek obcego materiału. Ten sam układ dwu tworzyw trących może dawać zupełnie inny obraz ścierania w zależności od prędkości przesuwu powierzchni trących, temperatury, sposobu usuwania tworzywa ścieranego, występujących równocześnie drgań itp.

Metody pomiaru:

•aparat Schoppera,

•aparat Graselli,

•tarcze ścierne.

Aparat Schoppera nadaje się do wszystkich tworzyw sztucznych. Jako wzorzec ścieralności stosuje się specjalnie zwulkanizowaną gumę. Próbki tworzywa w postaci walca są dociskane jedną z podstaw do papieru ściernego za pomocą określonego obciążenia. Śruba pociągowa przesuwa uchwyt próbki z równomierną prędkością wzdłuż walca tak, aby próbka posuwa się cały czas po świeżym papierze. Po przebyciu 40 m drogi tarcia próbki oczyszcza się z pyłu i ponownie waży.

Temperatura zeszklenia Tg - to temperatura przejścia ze stanu elastycznego w stan szklisty. Stanowi ona kryterium stosowania polimerów i tworzyw sztucznych w warunkach normalnych.

H) Na podstawie cech palności:

Tworzywo w płomieniu:

1. Nie pali się

-żarzy się w płomieniu, niebiesko-zielony koniec płomienia, nie zwęgla się- politertafluoroetylen lub polimery pochodne zawierające chlor.

-Próbka zachowuje swój kształt we wszystkich przypadkach czuje się zapach formaldehydu

-brak innego zapachu- żywica mocznikowo-formaldechydowa

-silny rybi zapach- żywica melaminowo-formaldehydowa

-zapach formaldehydu i fenolu- żywica fenolowo-formaldehydowa.

2)Pali się, po wyjęciu z płomienia gaśnie, samo gasnące

-płomień jasny, żółtawy, lub bez wyraźnego zabarwienia, kopcący, tworzywo tworzy pęcherz- poliwęglan lub nieutwardzone żywice fenolowe lub formaldehydowe

-płomień ma żółto-zielone zabarwienie:

a) zapach palonej gumy( zielona obwódka-chlorowany kauczuk, zielona obwódka otoczona żółtą-neopren)

b)polimer zmienia barwę na żółtą, potem na brunatno-czerwoną, a w końcu na czarną, ostry zapach (HCL)—polichlorek winylu i jego pochodne

3)Pali się, po wyjęciu z płomienia podtrzymuje palenie, palne

- POLIAMID (PA ): trudny do zapalenia, zapach przypomina palone włosy, lub róg, płomień biały, później niebieskawo-żółty, trzeszczy, ciągnące się ( niekiedy pieniące) krople.

-POLISTYREN (PS)- zapach słodki, kwiatowy (hiacyntów), płomień niekiedy żółto- pomarańczowy, silnie kopcący, błyskający

-POLIETYLEN (PE), POLIPROPYLEN (PP): środek płomienia niebieski, zapach parafiny

Badanie zapalności tworzyw sztucznych w postaci beleczek (TEST PALNOŚCI UL 94 HB)

Badanie polega na ogrzewaniu płomieniem palnika gazowego w ciągu 60 s swobodnego końca beleczki z badanego tworzywa zamocowanej poziomo w uchwycie i na określeniu długości spalonej części i czasu palenia. Do badania potrzeba co najmniej 5 próbek. Należy nanieść na nie linie na całej szerokości, prostopadle do podłużnej osi próbki w odległości 80 mm od końca przewidzianego do spalenia. Oznaczenie wykonuje się w ten sposób, że z chwilą zetknięcia się płomienia z próbką włącza się sekundomierz. Po 60 s ogrzewania usuwa się palnik i jednocześnie ponownie włącza sekundomierz, mierząc czas, w którym próbka dalej się pali. Gdy płomień dosięga znaku, wówczas płomień się gasi. Należy zmierzyć najmniejszą odległość między znakiem i zwęglonym brzegiem po obu szerokich stronach próbki. Długość spalonej części próbki wyraża się w mm i oblicza średni czas palenia.

5. Interpretacja krzywej rozciągania:

Krzywa rozciągania dla materiału ciągliwego

Większość tworzyw termoplastycznych podczas próby rozciągania nie wykazują w ogóle liniowej zależności naprężenia od rozciągania. W tworzywie poddanym rozciąganiu naprężenia wzrastają początkowo proporcjonalnie do odkształcenia zgodnie z prawem Hooke’a. W obszarze tym naprężenia są liniową funkcją odkształceń. Po dalszym rozciąganiu wzrostowi odkształcenia towarzyszy znacznie powolniejszy wzrost naprężenia. W tym obszarze pojawiają się odkształcenia plastyczne, czyli takie, które nie powracają po usunięciu obciążenia. Odkształcenia trwałe pojawiają się po przekroczeniu granicy plastycznej Re.

Podstawowe wielkości opisujące krzywą :

-Wydłużenie bezwzględne x ∆ jest to różnica między końcową x l a początkową długością l odcinka pomiarowego użytej próbki, podawana w mm. ∆ l − x = l x l o , [mm]

-Wydłużenie względne ε jest to stosunek wydłużenia bezwzględnego do początkowej długości 0 l odcinka pomiarowego, podawany w procentach. ε = ∆ l x 100

Im większy moduł Younga, tym materiał jest mniej podatny na odkształcenie. Największy moduł Younga posiada diament ok.10³ GN*m^-2, a najmniej miękkie gumy i pianki polimerowe z modułem rzędu 10^-3 GN*m^-2.

Moduł sprężystości opisuje podatność materiałów na odkształcenie pod wpływem takich samych naprężeń. Moduł Younga to tangens kąta nachylenia. , epsilon A=0,005, epsilon B=0,025

R_e- granica plastyczności (F/A₀ w punkcie oznaczającym początek plastycznego płynięcia)

R_0,1-umowna granica plastyczności (F/A₀ w punkcie oznaczającym 0,1% trwałego odkształcenia) często stosuje się także o,2% trwałego odkształcenia. Umowna granica plastyczności charakteryzuje materiał dla którego na wykresie nie występuje wyraźny punkt oznaczający początek odkształcenia plastycznego.

R_m -wytrzymałość na rozciąganie (F/A₀ w punkcie oznaczającym początek tworzenia szyjki.

ε_f- wydłużenie względne po próbie rozciągania. Powstałe po pęknięciu próbki dwa kawałki łączy się i mierzy, ε_f oblicza się z zależności: (l-l₀)/ l₀, gdzie l jest długością złączonych kawałków.

Krzywa rozciągania w funkcji temperatury:

W niskich temp. będzie brak przewężenia, niewielkie odkształcenie. Polimer zamrożony będzie pękał krucho, ale przy wyższej wartości naprężenia.

Próba rozciągania polimerów zależy głównie od:

-temperatury próbki

-prędkości rozciągania

Krzywa rozciągania dla stali:

Kształt początkowej części krzywej rozciągania: a) większość metali i stopów; b) z górną i dolną granicą plastyczności (np. stal miękka); c) bez zakresu liniowego

6.Wskaźnik bezpieczeństwa w projektowaniu wyrobów:

W obliczeniach, w których podstawą jest kryterium dopuszczalnego naprężenia, powinien być spełniony warunek:

$$\sigma \leq \sigma\ dop = \ \frac{R}{a*S\ }$$

R- wartość odpowiednich wytrzymałości Rm, Ru, Re, Rg,itp.

a- całkowity współczynnik korekcji

S-współczynnik bezpieczeństwa

Współczynnik bezpieczeństwa S praktycznie nie zależy od rodzaju tworzywa, a uwzględnia jedynie dokładność określenia sił zewnętrznych działających w konstrukcji, rozrzut wyników oznaczeń wytrzymałościowych, możliwą dokładność obliczeń oraz możliwe ryzyko. Współczynnik ten wyraża stopień narażenia otoczenia w przypadku zawodności pracy konstrukcji. Mniejsze wartości współczynnika S obowiązują przy rozciąganiu, a większe przy zginaniu( występuje silny wpływ nieregularności kształtu).

7.Główne zasady i wytyczne w projektowaniu wyrobów z tworzyw polimerowych:

8. Technologiczność wyrobów z uwzględnieniem warunków przetwarzania

9.. Kryteria doboru materiałów i technologii wykonania (dotyczy tworzyw)

a) Szerokie sprecyzowanie warunków eksploatacji wyrobu (np. temperatury, obciążenia, czynników agresywnych, stabilności wymiarów, zagrożenia pożarem, starzenie, współpraca z innymi materiałami, czas eksploatacji, podatność na recykling)

b) Dobór rodzaju i gatunku surowca (p. termoplastyczność, kompozyt czy nie, skurcz przetwórczy, płynność materiału, możliwość barwienia, zawężenie obszaru wyrobu, dostępność różnych odmian, dopuszczenie do kontaktu z żywnością)

c) Kryteria wstępne odnośnie surowca (np. parametry odbiorcze surowca (!), postać surowca wejściowego, warunki suszenia, operacje mieszania, temperatura i ciśnienie przetwórcze, czas formowania do uzyskania wyrobu o stabilnych wymiarach, technologie komplementarne)

d) Wybór technologii wykonania (np. wydajnośd, ilośd wyrobów na godzinę, dokładnośd wymiarów, zmiana właściwości wskutek przerobu materiału, skomplikowane kształty, wybór rodzaju maszyny, oprzyrządowanie, technologie pomocnicze, aspekt ekologiczny, koszt jednostkowy wyrobu)

e) Metody i sposób obróbki (np. znaki graficzne, logo, napisy, nazwa modelu, pochodzenie itp., przygotowanie powierzchni przed zdobieniem, lakierowanie, nadruk (tempo), metalizowanie, naklejanie)

f) Krytyczna dyskusja rozwiązania (np. obciążenie środowiska, generowanie odpadów, wydajnośd gniazda produkcyjnego, nakład pracy ludzkiej, cena, potencjalne przyczyny powstawania braków, konkurencyjnośd technologii, możliwośd modernizacji technologii)

g) Utylizacja wyrobu (np. czas życia, demontaż, wybór metody recyklingu, ekonomiczne sposoby rozdrabniania, odzysk energii, udział gazów toksycznych).

10. Zasady projektowania zaczepów wspornikowych

Połączenie zaczepowe: zatrzaski tulejowe, bagnetowe, czopowe, cylindryczne.

Zaczepy z tworzyw sztucznych na łączonych elementach zwykle wykonywane są jako wspornikowe, prętowe lub cylindryczne.

Do sprawnego działania połączenia zaczepowego potrzebna jest możliwość dużego odkształcenia sprężystego zaczepu przy jednocześnie znacznej sprężystości.

Duże odkształcenia wykazują termoplasty krystaliczne, które mogą być krótkotrwałe obciążone prawie do granicy sprężystości.

Obciążenia jakim poddany jest wspornik:

P=W*(Es*E)/ l

Gdzie:

Es – moduł sprężystości(sieczny)

W- wskaźnik wytrzymałości na zginanie

E- dopuszczalne odkształcenie

l- długość wspornika

W projektowanie- bardzo ważne- określenie obciążeń tak aby zapobiec deformacjom wspornika.

11. Zasady projektowania i podstawowe obliczenia wentylatorów

Natężenie przepływu Q powietrza przez wentylator o średnicy R jest równe z jego powierzchni πR² pomnożonej przez prędkość przepływającgo przez niego powietrza, proporcjonalną do prędkości obwodowej wentylatora ωR, gdzie ωjest prędkością obrotową ( w rad/s):

Q=CωR³

We wzorze tym C jest stałą równą w przybliżeniu 1. Jednostką Q są m³/s.

Chcemy zmaksymalizować natężenie przepływu, uwzględniając dwa ograniczenia projektowe. Pierwszym jest promień R o wymiarze ustalonym tak, aby odkurzacz był mały. Drugie ograniczenie dotyczy maksymalnej siły odśrodkowej, która nie wywoła uszkodzenia łopatek wentylatora. łopatka ma średni przekrój S₀ i długość ὰR, gdzie ὰ jest ułamkiem R przypadającym na łopatkę (reszte stanowi piasta). Objętość łopatki wynosi ὰRS₀, a jej przyspieszenie kątowe jest równe ω²R. Siłę odśrodkową u podstawy łopatki oblicza się z równania:

F=σ(ὰRS₀)ω²R

Siła ta jest przenoszona przez przekrój S₀, a zatem naprężenie:

σ=F/S₀ = ὰσω²R²

Nie może ono osiągnąć wartości naprężenia niszczącego σ_f, więc:

σ≤σ_f/S_f

gdzie S_f jest współczynnikiem bezpieczeństwa.

Z połączenia obydwu równań uzyskuje się wzór na dopuszczalną prędkość kątową wentylatora:

ω≤(σ_f/ὰ S_fσ)^1/21/R

Podstawienie tej wartości do wzoru daje:

Q≤CR²/(ὰ S_f )^1/2 *(σ_f/σ)^1/2

Promień R jest ustalony w założeniach projektowych. Aby zmaksymalizować natężenie przepływu powietrza przez odkurzacz, potrzebujemy materiału na łopatki wentylatora o największej wartości wskaźnika : M=σ_f/σ.

Dobór materiałów:

Nylon, polipropylen i stopy aluminium mają oczywiste zalety w takim zainteresowaniu. W przypadku dwóch pierwszych materiałów wentylator o wymaganym kształcie i głądkości powierzchni może być wykonany w jednej operacji wtryskiwania do formy. Nie jest koniezna dodatkowa obróbka wykańczająca. Koszt formy może być jednak wysoki. Wentylator o kształcie zbliżonym do finałowego może być odlewany kokilowo ze stopów aluminium i magnezu. Jeżeli konieczna jest wysoka funkcjonalność wentylatora, to niezbędne jest uwzględnienie nowych czynników. ukształtowanie wentylatora z materiałów o wysokiej funkcjonalności (GFRP lub CFRP umocnione włóknem krótkim, stale wysokowytrzymałe lub utwardzane wydzieleniowo stopy aluminium) jest znacznie kosztowniejsze.

WYKONANIE:

*WYMAGANIA PROJEKTOWE:

Wydajność wentylatora zależy od jego promienia i szybkości obrotowej co określa ego wielkość. Obliczenia wykonano dla wirnika wentylatora, o promieniu 60 mm, składającego się z dwudziestu łopatek o grubości 3 mm. Ich powierzchnia 2πR² wynosi w przybliżeniu 2*10 ^-2m².

Wirnik wentylatora stanowi jedną całość o dość skomplikowanym kształcie, odznaczającym się wysoką symetrią, co jest istotnym ułatwieniem w procesie kształtowania. Każdą łopatkę wirnika określa siedem wymiarów : długość, szerokość i grubość u podstawy i na wierzchołku oraz promienie krzywizny powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej. Takich łopatek jest 20, ale można uważać, że wymiary jednej łopatki oraz współrzędne rozmieszczenia łopatek na tarczy są wystarczające. Dane są także wymiary piasty. W sumie jest 25÷50 wymiarów, a których każdy ma określoną dokładność. W przypadku wirników wentylatorów dokładność nie jest aż tak istotna, choć błędy mogą być przyczyną nadmiernych drgań. Projektant arbitralnie przyjął dokładność +/- 0,2 mm dla wszystkich wymiarów z wyjątkiem otworu, gdzie jest zamocowany wałek - dokładność tego wymiaru powinna wynosić +/- 0,05 mm. Oznacza to, że za pomocą średniej dokładności Δl/l, wynoszącej ok. 10^-2, określa złożoność jako:

C=n log₂(l/Δl)~160 ÷330

Objętość materiału potrzebnego do wykonania wentylatora, obliczona w przybliżeniu jako iloczyn pola powierzchni i grubości, wynosi 6*10^-2m³, co daje masę w przedziale 0,03÷0,5 kg.

Z punktu widzenia projektanta najważniejsza jest jakość powierzchni( jej gładkość). To ona i kształt łopatek mają decydujący wpływ na wydajność wentylatora i na głośnośc jego pracy. Wymagania dokładności wykonania powierzchni projektant określił jako R<1μm.

12. Łożyska ślizgowe z tworzyw polimerowych

a)Łożyska bezobsługowe

Zastosowanie:

-węzły maszynowe w których nie może byd stosowane smarowanie konwencjonalne ze względu na jego nieefektywnośd

- w maszynach i urzadzeniach w których smarowanie konwencjonalne może zabrudzid wyrób

-w przypadkach gdy obsługa smarownicza jest niemożliwa, trudna lub wątpliwa a także gdy jest ona nieopłacalna

b)Właściwości bezobsługowych łożysk ślizgowych:

zależa od właściwości smarownych materiałow i charakteryzują się:

-obciążalnością

-maksymalna temperatura pracy łożyska

-wartośd współczynnika tarcia

-odporności na czynniki chemiczne i inne

c)Łożyska spiekane

Posiada mikroporowatą strukture nasączoną olejem. W trakcie pracy wytwarza się układ smarowania hydrodynamicznego zapewniajacy minimalne tarcie i prędkośd obrotową di 6-10m/s.. Celem zwiekszenia gładkośd powierzchni ślizgowej i udziału powierzchni nosnej, wewnętrzna srednica kalibruje się.

Ujścia kanalików kapilarych smarujących szczeline ślizgową. Po zakooczeniu pracy wałka łożysko ochłodza się i wchłania olej do kapilarnej struktury.

d)Zastosowanie łożysk porowatych:

-sliniki elektryczne o malej mocy

-sliniki spalinowe

-maszyny rolnicze miedzy innymi przemyslu spożywczego włókienniczego

-zmechaniczowany sprzet gospodarstwa domowego

-urzadzenia transportu pionowego i poziomego

-elektronarzedzia

e)Smary stałe:

-grafit

-siarczek molibdenu MoS2

12)Łożyska ślizg. z tworzyw polimerowych

Łożyska ogólnie:

W celu zapewnienia prawidłowej pracy elementów maszyn poruszających się ruchem obrotowym (osi, wałów oraz części maszyn na nich osadzonych) powinno być zachowane stałe położenie osi obrotu wałów względem nieruchomej podstawy (np. korpusu obrabiarki).

Zadanie to spełniają łożyska, a ustalanie położenia osi i wałów względem korpusu maszyn i urządzeń nazywa się łożyskowaniem.

Łożyska są obciążone siłami wynikającymi z ciężaru wałów i osadzonych na nich elementów (kół zębatych i pasowych, sprzęgieł itd.) oraz siłami pochodzącymi od obciążenia wałów i osi. Łożyska wywierają na wał reakcje równe co do wartości siłom obciążającym łożysko i przeciwnie zwrócone (podobnie jak reakcje podpór w belkach).

Aby łożyska spełniały podane zadania , tzn. zapewniały ruch obrotowy wału i utrzymanie stałego położenia jego osi obrotu oraz przenosiły obciążenia, powinny się one charakteryzować małymi oporami ruchu, stabilną pracą, niezawodnością działania oraz odpornością na zużycie, czyli dużą trwałością. Powinny też spełniać określone wymagania technologiczno- konstrukcyjne.

W łożyskach ślizgowych powierzchnia czopa wału ślizga się po powierzchni panewki lub bezpośrednio po powierzchni otworu łożyska, zatem w czasie pracy występuje tarcie ślizgowe.

Zastosowanie?

Łożyska ślizgowe stosuje się:

• przy przenoszeniu bardzo dużych obciążeń (nawet do kilku MN w przypadku łożysk o średnicy powyżej 1 m), a także przy obciążeniach udarowych,

• gdy konieczne jest, aby łożyska tłumiły drgania wału,

• przy dużych prędkościach obrotowych i możliwości uzyskania tarcia płynnego,

• w razie konieczności stosowania łożysk (lub panwi) dzielonych,

• gdy wymagana jest cichobieżność łożyska,

• gdy osiągnięcie bardzo dużej dokładności montażu (koniecznej przy łożyskach tocznych) jest utrudnione,

• przy drobnych konstrukcjach o bardzo małych obciążeniach (m. in. w urządzeniach mechaniki precyzyjnej

Materiały

Od materiałów łożyskowych wymaga się wysokiej wytrzymałości mechanicznej na obciążenia statyczne i dynamiczne, odporności na zatarcie, odporności na korozję, małego współczynnika tarcia odpowiedniej rozszerzalności cieplnej, dobrego przewodzenia ciepła, dobrej odkształcalności, dobrej obrabialności, a także niskiej ceny. Mimo, że istnieje bardzo dużo różnych materiałów łożyskowych, żaden z nich nie spełnia wszystkich wymagań. Przy doborze materiałów łożyskowych należy więc kierować się tymi ich cechami, które są najbardziej istotne dla pracy określonych łożysk.

Materiały kompozytowe na łożyska slizgowe:

łożyska ślizgowe: charakteryzują się małym współczynnikiem tarcia, podatnością na wciskanie drobnych cząstek metalu oraz mające zdolność tłumienia drgań. Można tutaj wymienić : teflon, żywice fenolowo-formaldehydowe, poliamidy, kopolimer acetalowy czy modyfikowany poliester.

Materiały kompozytowe na łożyska slizgowe:

-kompozyty o osnowie z tworzyw sztucznych, zawierające cząstki metalowe (teflon z brązem na łożyska ślizgowe)

-bimetale, powstające przez zwalcowanie lub platerowanie wybuchowe dwóch różnych stopów. Można tutaj zaliczyć łożyska ślizgowe bimetaliczne (napiekanie brązu na taśmę stalową),

-kompozyt aluminium-grafit

Wśród metalowych materiałów kompozytowych na szczególną uwagę zasługują kompozyty o osnowie stopów aluminium. Wprowadzenie cząsteczek ceramicznych typu tlenków (Al2O3, ZrO2, TiO2), węglików (SiC, TiC) czy grafitu do stopów aluminium pozwala wytworzyć kompozyty ślizgowe, odporne na ścieranie, o podwyższonej wytrzymałości. Zbrojenie cząsteczkami ceramicznymi zapewnia ponadto podwyższenie temperatury pracy. Dużą odporność na ścieranie kompozytów zapewniają cząsteczki tlenków i węglików o średnicy powyżej 100μm.

Kompozyty Al/grafit charakteryzują się obniżonym współczynnikiem tarcia (do zawartości 3% grafitu). Podobnie, jak dla kompozytów zbrojonych cząsteczkami SiC, Al2O3, obniża się również znacznie stopień zużycia ściernego, np. przy zawartości 3% wag. grafitu zużycie ścierne kompozytu spada do poziomu 20% zużycia osnowy.

Łożyska ślizgowe wykonane z kompozytu aluminium-grafit charakteryzują się podwyższoną odpornością na zużycie, niskim współczynnikiem tarcia, zdolnością tłumienia drgań.

PODSTAWOWE KRYTERIA WYBORU TYPU ŁOŻYSKA

● Wielkość występującego obciążenia dynamicznego P w N/mm²

● Prędkość ślizgowa (liniowa) V w m/s

● Współczynnik obciążeniowy będący iloczynem obciążenia P i prędkości V w

N/mm² x m/s

KRYTERIA UZUPEŁNIAJĄCE

● Temperatura pracy w ºC

● Praca w środowisku zanieczyszczonym

● Odporność na korozję (praca w środowisku o wysokiej wilgotności)

● Oczekiwana trwałość łożyska zależna od typu pracy (ciągła, okresowa)

● Rodzaj pracy wałka (obrotowy, nawrotny, wzdłużny)

13.Łozyska ślizgowe z materiałow kompozytowych

a)Łożysko samosmarowne kompozytowe

Stal – brąz – tworzywo (POM)- polioksyetylen(szybko degraduje)

-d. odporność na zużycie

-mały współczynnik tarcia

Struktura:

Korpus wykonany jest z blach stalowej z warstwą ślizgową z żywicy typu POM z kieszonkami smarnymi na podkładce z brązu spiekanego. Łożysko pokryte jest warstwą miedzi spełniającą funkcję ochrony przed korozją.

Zastosowanie:

-maszyny rolnicze

-cylindry hydrauliczne

-maszyny budowlane

-urzadzenia dzwigowe

Temp. Pracy : -40- 130 C

Współczynnik tarcia : 0,04-0,12

b)Stal – braz – tworzywo (PTFE – policzterofluoro etylen(kiepsko się przetwarza, niskie napięcie powierzchniowe) - teflon

Łożysko oferuje dobra właściwości ślizgowe przy niskiej cenie. Właściwa warstwa tworzona jest przez warstwe teflonu na podkładzie z brązu spiekanego. Ten typ przeznaczony jest to pracy przy średnich prędkościach ślizgania.

Obciążenie statyczne : 250 N/mm2

Temp. Pracy: -200-280 C

Współczynnik tarcia 0,03-0,25

c)Podstawowe kryteria wyboru typu lozyska:

-wielkość wystepowania obciążenia dynamicznego P=F/A, F-siła działająca na wałek i przenoszona na łożysko, A- powierzchnia rzutu pionowego = d x l [mm2] , d- średnica łożyska = śr wałka , l-dł. łożyska

-prędkość slizgowa V=π x d x n / 60 000 [m/s] n- prędkość obrotowa

-współczynnik obciążeniowy – iloczyn obciążenia P*v wyrazane w [N/mm^2 * m/s]

Kryteria uzupełniające:

-Temperatura pracy

-Praca w środowisku zanieczyszczonym

-Odpornośd na korozje

-Oczekiwana trwałośd lozyska

-Rodzaj pracy walka (obrotowy, nawrotowy, wzdłuzyny)

14. Kompozyty jednopolimerowe: (JPK)

15.Materiały konstrukcyjne z odpadów:

Możemy otrzymywać z odpadów tzw. IZOPET-R, produkowany z zużytych butek PET, technologię tę opracował Jerzy Polaszek z Politechniki Krakowskiej.

a) etap 1-rozdrobnienie butelek do postaci płatków

b) etap 2- suszenie płatków, zagęszczenie i mieszanie z lepiszczem

c) etap 3- formowanie wyrobów techniką prasowania (spryskuje się je klejem i wkłada do formy)

w momencie prasowania nie wolno nam nadtopić PETa

IZOPET-R może być paraprzepuszczalny, wodoprzesiąkliwy lub może nie przepuszczać wody

Zastosowanie:

-izolacja termiczna fundamentów i ścian piwnic,

- izolacja termiczna cokołów, podłóg i ścian w pomieszczeniach o podwyższonej wilgotności, płyt podłogowych posadowionych na gruncie, mocno obciążonych posadzek przemysłowych. Ponadto płyty mogą być stosowane w dachach tarasowych, w dachach o odwróconym układzie warstw, w ogrodach dachowych, a także do stabilizacji gruntu na skarpach oraz do wykonywania tzw. deskowania traconego, spełniając następnie rolę drenażu i/lub warstwy termoizolacyjnej

Parametry IZOPET-R:

Z odpadów PET  dywany, skarpety, koszule itp. Żyłka

Kompozyt IZOPET-R

1) Rozdrabniania butelek do postaci płatków

2) Zagęszczenie i mieszanie z lepiszczem

3) Formowanie płyt techniką prasowania

Może byd porowaty lub nie.

Zastosowanie na ekrany dźwiękochłonne, izolowanie ścian, płyty do stabilizacji gruntu w skarpach.

16.Ceramika konstrukcyjna

a)Materiały ceramiczne dzielimy na:

-szkła- wszystkie na bazie SiO2 z dodatkami obniżającymi temp. Topnienia lub poprawienie innych właściwości

-tradycyjne tworzywa wielofazowe z dużym udziałem fazy szklistej lub gliny, używane na: naczynia domowe, dodatki cegły.

-Cement i beton- wielofazowa mieszanina ceramiczna, która jest jednym z trzech podstawowych materiałów budowlanych

-Skały i minerały (w tym również lód)

-Nowoczesne tworzywa ceramiczne o szczególnych właściwościach, obecnie stosowane w narzędziach skrawających, narzędziach do obróbki plastycznej, częściach silników oraz maszyn i innych wyrobach od których wymaga się dużej odporności na zużycie

Techniczne materiały ceramiczne to zagęszczone tworzywa polikrystaliczne, nieorganiczne, niemetalowe, uzyskujące charakterystyczne dla nich właściwości podczas wytwarzania w wys. Temp. (około 800oC)

b)Rodzaje ceramiki:

-ceramika kowalencyjna: są związkami dwóch niemetali (np. SiO2) lub czasami SA to czyste pierwiastki (C-diament); gęste upakowanie atomów; związanie atomów poprzez wymianę elektronów; odmienne właściwości mechaniczne; struktury często nie są krystaliczne.

-ceramika jonowa: są związkami metalu z niemetalem np. NaCl, MgO, Al2O3; przyciąganie elektromeganetyczne wynikające z jonów o różnych znakach

c)budowa ceramiki

17. Zastosowanie ceramiki technicznej:

- pierścienie ślizgowe uszczelnione

- łożyska ślizgowe smarowane cieczami procesowymi

- dysze do rozpylania ściernych i agresywnych mediów

- palniki do pieców do wypalania ceramiki, pieców szklarskich