Badania własności materiałów konstrukcyjnych
Materiałami konstrukcyjnymi nazywamy materiały inżynierskie, które są
wykorzystywane do budowy maszyn i urządzeń. Do materiałów konstrukcyjnych
zaliczamy metale i ich stopy, polimery, ceramikę i kompozyty.
Metale są to materiały, które w stanie stałym charakteryzują się następującymi
właściwościami:
- dobre przewodnictwo ciepła i elektryczności,
- połysk,
- plastyczność,
Właściwości te wynikają z wiązania metalicznego występującego pomiędzy atomami
tworzącymi metal i budowy krystalicznej. Dzielimy je na dwie grupy, żelazne i
nieżelazne (kolorowe).
Polimery są nazywane także tworzywami wielkocząsteczkowymi. Dzielą się na
naturalne i sztuczne. Naturalne nazywane biopolimerami otrzymuje się poprzez
obróbkę i częściową modyfikacje surowców naturalnych. Sztuczne powstają w
wyniku łączenia najczęściej wiązaniami kowalencyjnymi wielu identycznych
niewielkich ugrupowań atomów, zwanych monomerami.
Ceramika są to nieorganiczne związki metali z tlenem, azotem, węglem, borem
i innymi pierwiastkami. Atomy są połączone wiązaniem jonowym i kowalencyjnym.
Po zaformowaniu materiały ceramiczne wygrzewane są w wysokich temperaturach.
Kompozyty są połączeniem dwóch lub więcej odrębnych nie rozpuszczających
się w sobie faz, z których każda odpowiada innemu podstawowemu materiałowi
inżynierskiemu zapewniającymi lepszy zespół własności i cech strukturalnych, od
właściwych dla każdego z materiałów składowych oddzielnie. Materiały
kompozytowe znajdują zastosowanie m. in. w sprzęci kosmicznym , samolotach,
samochodach, łodziach, jachtach.
Zaprojektowana, a następnie wykonana konstrukcja powinna odpowiadać
wymaganiom eksploatacyjnym, ekonomicznym oraz technologicznym.
Wymagania eksploatacyjne obejmują przystosowanie konstrukcji do
niezawodnej realizacji określonych zadań, wytrzymałość mechaniczną i odporność na
zużycie, odporność na korozyjne działanie środowiska, zabezpieczenie przed
przeciążeniem itd. Wymagania ekonomiczne sprowadzają się do rentowności
osiąganej dzięki niskim kosztom wytwarzania przy wysokiej wydajności urządzenia,
oraz małemu zużyciu materiału. Wymagania technologiczne obejmują warunki
dotyczące prostoty procesów technologicznych, łatwy montaż i demontaż oraz możli-
wość dokonywania napraw urządzenia prostymi sposobami.
We wszystkich trzech grupach wymagań możemy zauważyć warunki,
które bezpośrednio odnoszą się do materiału, z którego ma powstać urządzenie.
Konstruktor odpowiedzialny za prawidłowe opracowanie projektu powinien dokonać
pełnej analizy materiałów, biorąc pod uwagę ich własności mechaniczne,
technologiczne, plastyczne, cieplne, elektryczne, magnetyczne oraz chemiczne.
Własności mechaniczne, są to cechy związane z wytrzymałością materiału na
działanie różnego rodzaju sił zewnętrznych, są kryterialnymi wielkościami w doborze
materiałów. Poznanie własności materiałów nie jest wystarczające do oceny ich
przydatności do określonego celu. Niezbędne jest tu jeszcze poznanie wpływu różnych
czynników, np. temperatury, czasu, sposobu i wielkości obciążenia, kształtu i
wymiarów przedmiotu, na zmiany tych własności.
Metody badań własności mechanicznych możemy podzielić na dwie grupy:
- własności technologiczne, decydujące o przydatności materiałów do określonej
obróbki
- własności wytrzymałościowe, do wyznaczania, których niezbędna jest znajomość
siły lub momentu sił, jako jednej z wielkości mierzonych podczas badania. Wyniki
badań są wykorzystywane przez konstruktorów w procesie projektowania elementów
konstrukcyjnych.
Własności technologiczne:
Cechy materiału charakteryzujące jego zachowanie się w czasie procesów
produkcyjnych. W celu zbadania własności technologicznych określonego materiału na-
leży przeprowadzić tylko te próby, których wyniki będą informować o możliwości
realizacji przewidywanej obróbki. np. materiały stosowane na odlewy poddaje się próbie
lejności, obrabiane zaś przez skrawanie —próbie skrawalności, obrabiane plastycznie —
badaniom własności plastycznych itd.
Własności odlewnicze. Podstawowymi własnościami charakteryzującymi
przydatność metalu lub stopu do celów odlewniczych jest lejność, czyli zdolność do
wypełniania form, następnie skurcz metalu podczas stygnięcia oraz jednorodność- składu
chemicznego w całej masie odlewu.
L e j n o ś ć zależna jest od płynności materiału w temperaturze zalewania formy i
decyduje nie tylko o łatwości wypełniania formy, lecz ma również wpływ na
makrostrukturę odlewu.
Metale i stopy odznaczające się gęstopłynnością w temperaturze odlewania dają często
odlewy porowate, gdyż wydzielające się gazy, nie mogąc znaleźć ujścia, tworzą w nich
pęcherze.
Miarą lejności jest odległość, na jaką płynie ciekły metal w znormalizowanej formie
ustawionej poziomo i mającej kształt pręta lub spirali.
S k u r c z m e t a l u podczas odlewania ma wpływ na powstawanie w gotowym
przedmiocie naprężeń magących spowodować jego pęknięcia lub odkształcenia. Z tego
powodu należy w odlewnictwie stosować stopy wykazujące małe zmiany objętości podczas
krzepnięcia i chłodzenia.
J e d n o r o d n o ś ć s k ł a d u ma również istotny wpływ na własności odlewu. Z tego
powodu do celów odlewniczych nadają się szczególnie stopy o małej różnicy temperatury
początku i końca krzepnięcia, gdyż wówczas segregacja składników nie jest zbyt duża.
Skrawalność. Podatność materiału do obróbki skrawaniem nazywa się
skrawalnością. Dobra skrawalność najczęściej występuje w materiałach, które nie
odznaczają się dobrymi własnościami mechanicznymi. Stal wykazująca dobrą
skrawalność ma niewielką wytrzymałość na rozciąganie oraz odznacza się kruchością,
powodowaną zawartością siarki i fosforu w stali. Skrawalność materiału określają trwałość
ostrza, opór skrawania, gładkość powierzchni, obrabianej oraz postać wióra. Za główne
kryterium skrawalności przyjmuje się t r w a ł o ś ć o s t r z a narzędzia skrawającego
określoną jako funkcję prędkości skrawania przy określonych parametrach skrawania.
Ścieralność jest cechą podobną do skrawalności, określa ją podatność materiału do
zużywania się wskutek tarcia ślizgowego. Miarą ścieralności jest zmniejszenie masy
badanej próbki spowodowane tarciem twardej tarczy o badany materiał.
Własności plastyczne. Ocenę technologicznych własności plastycznych
przeprowadza się na podstawie prób mających wykazać podatność materiału do
odkształceń trwałych, niezbędnych do nadania właściwych kształtów produktom, przy
czym głównie wymienić należy: próbę zginania, próbę nawijania drutu, próbę kucia oraz
próbę tłoczności.
Rys.1. Próba zginania: a) zwykła, b) obostrzona z karbem, c) obostrzona z
otworem
Próbę z g i n a n i a przeprowadza się na prętach o przekrojach kołowym,
kwadratowym lub prostokątnym. Polega ona na powolnym zginaniu próbki wokół
pręta.
W niektórych przypadkach przeprowadza się obostrzoną próbę zginania. Poddaje się
wówczas zginaniu pręty z naciętym piłką karbem {rys. 1.b) lub płaskowniki z wy-
wierconym w nich otworem o średnicy równej podwójnej grubości próbki (rys. 1.c). W
próbie zginania miarą plastyczności jest wartość kąta, o jaki próbkę można zgiąć bez
spowodowania pęknięcia. Materiały bardzo
plastyczne poddaje się próbie wielokrotnego
zginania. Miarą plastyczności jest liczba określonych przegięć wykonanych do chwili
pojawienia się pierwszych pęknięć.
Rys. 2. Próba nawijania drutu
b)
c)
otwór
Karb
Próba n a w i j a n i a drutu. Próbę nawijania stosuje się do drutów o
średnicach mniejszych od 6 mm. Określa ona własności plastyczne drutu oraz pozwala na
wykrycie niejednorodności materiału. Ponadto umożliwia w przypadku drutów
emaliowanych określenie w warunkach próby trwałości nałożonej powłoki. Próba polega
na nawinięciu drutu na trzpień o określonej średnicy (rys. 2.). Sposób nawinięcia, liczbę
zwojów oraz średnicę trzpienia określa norma.
Rys. 3. Próba rozbijania;
1- trzpień, 2- próbka z otworem
Rys. 4. Próba spęczania Rys. 5. Próba rozklepywania:
a) pozytywna, b) negatywna
Próba k u c i a . Próbę kucia można wykonać zależnie od potrzeby jako próbę
spęczania, próbę rozklepywania lub próbę rozbijania. Sposób przeprowadzania tych
prób ilustrują rysunki 3, 4, 5. Miarą plastyczności jest w próbie kucia stopień
odkształcenia uzyskany do chwili pojawienia się pęknięć materiału.
bbb b)
Rys. 6. Próba tłoczności metodą Erichsena
Próba t ł o c z n o ś c i . Do badania tłoczności cienkich blach i taśm stosuje się
metodę Erichsena. Polega ona na powolnym wtłaczaniu kulisto zakończonego
tłocznika stalowego lub kulki w próbkę z blachy umocowanej w- odpowiednio
ukształtowanej matrycy (rys. 6). Miarą tłoczności w próbie metodą Erichsena jest
głębokość wgłębienia do chwili wystąpienia w nim pęknięcia.
Próba z g r z e w a l n o ś c i i s p a w a l n o ś c i. Zgrzewanie polega
na łączeniu pod naciskiem części metalowych nagrzanych do odpowiedniej tempe-
ratury. Podobny wynik można również uzyskać wywierając na łączone ze sobą części
nacisk w temperaturze otoczenia. Jednakże w tym wypadku wymagany jest znacznie
większy (nacisk oraz staranniejsze oczyszczenie powierzchni. Łączenie metali w
temperaturze otoczenia nazywa się spajaniem.
Połączenia zgrzewane i spajane poddaje się próbom wytrzymałościowym, a miarą
zgrzewalności i. spajalności jest wytrzymałość powstałego złącza. Jeżeli połączenie
pracuje w obwodzie elektrycznym, to poprawność jego wykonania określa
przewodność złącza.
Własności wytrzymałościowe
Wytrzymałość na rozciąganie. W statycznej próbie rozciągania znormalizowaną
próbkę wykonaną z badanego materiału o stałym przekroju S
o
poddaje się
działaniu sił rozciągających F skierowanych wzdłuż osi pręta. Wówczas w
dowolnym przekroju prostopadłym do kierunku działania siły powstaną
naprężenia rozciągające o (sigma), których wartość oblicza się wg wzoru
δ= F/S
o
N/mm
2
Naprężenia powodują wydłużenie względne materiału o wielkość ε
(epsilon)
ε = ∆L / L
0
gdzie: ∆L — przyrost długości próbki,
L
o
— długość pomiarowa próbki.
W początkowym okresie rozciągania przy znacznym wzroście wartości siły
obserwuje się nieznaczny przyrost długości próbki. Powstające pod wpływem
działania siły rozciągającej odkształcenia mają charakter sprężysty. Jeżeli
jednak siła wzrośnie ponad pewną wartość, to pojawią się odkształcenia trwałe.
Znaczy to, że została przekroczona granica sprężystości i że w materiale
powstały nie tylko odkształcenia sprężyste, lecz również i odkształcenia
plastyczne.
Granicę s p r ę ż y s t o ś c i R
sp
określa teoretycznie największa wartość
naprężenia, przy której nie występuje jeszcze odkształcenie trwałe
R
sp
= F
sp
/ S
o
N/mm
2
Wydłużenie AL mm
Wydłużenie AL mm
Rys. 7. Wykres rozciągania: a) metali wykazujących wyraźną granicę plastyczności,
b) metali nie wykazujących granicy plastyczności
Wyznaczenie w praktyce granicy sprężystości jest bardzo trudne. Z tego powodu
w celu określenia naprężeń powodujących odkształcenia trwałe można posługiwać się
tzw. umowną granicą plastyczności, wyznaczoną przy odkształceniu trwałym
wynoszącym 0,2% z wzoru (rys. 7.)
R
0,2
= F
0.2
/ S
0
N/mm
3
Poczynając od wartości siły F
e
przyrostowi długości próbki ze stali miękkiej nie
towarzyszy dalszy wzrost siły. Przeciwnie, czasem obserwuje się jej zmniejszenie.
Tylko niektóre materiały dają na wykresach rozciągania gwałtowne załamanie
krzywej. Wiele materiałów daje wykresy, na których zmiany nachylenia krzywej
następują łagodnie, bez ostrych załamań (rys. 7b). Dla wyznaczenia umownej granicy
plastyczności dla tych materiałów przyjmuje się taką wartość siły F, przy której osiąga
się odkształcenie trwałe określonej wartości. Zwykle przyjmuje się do tego celu
wartość wydłużenia trwałego wynoszącą 0,2%, obliczoną z zależności
∆L / L
0
• 100%
gdzie: ∆L — przyrost długości próbki,
L
o
— długość pomiarowa próbki.
Po przekroczeniu naprężeń odpowiadających granicy plastyczności wydłużenie
próbki wzrasta znacznie, mimo że przyrosty siły są niewielkie. W pewnej chwili siła
osiąga największą wartość F
m
. Od tej chwili jej wartość maleje do F
u
, kiedy to
następuje zerwanie próbki. Początkowo próbka wydłuża się równomiernie. Po
osiągnięciu największego obciążenia F
m
w pewnym miejscu próbki zaczyna się
tworzyć zwężenie zwane szyjką.
Dalsze rozciąganie powoduje szybkie wydłużenie się próbki w miejscu zwężenia.
Stosunek siły F
m
do pierwotnego przekroju próbki S
o
nazywa się wytrzymałością
na rozciąganie i oznacza symbolem R
m
R
m
=
Fm
/
So
N/mm
2
Na podstawie wyników próby rozciągania można określić nie tylko wy-
trzymałościowe własności materiału, lecz również i plastyczne (wydłużenie i
przewężenie). Względne wydłużenie p r o c e n t o w e próbki po zerwaniu wyraża
się stosunkiem przyrostu długości pomiarowej próbki do jej pierwotnej długości.
A
=
L
U
-L
O
/
L
0
•100%
P r z e w ę ż e n i e określa stosunek różnicy powierzchni przekroju początkowego
próbki S
o
i powierzchni S
u
do przekroju początkowego S
o
Z=
S0-S
U
/
S
0
•100%
Wytrzymałość na ściskanie. Badania wytrzymałości na ściskanie przeprowadza się
głównie na materiałach kruchych, np. na żeliwie. Próbka w kształcie walca lub
sześcianu poddana jest działaniu sił w kierunku prostopadłym do przekroju
poprzecznego. Po przekroczeniu pewnego obciążenia próbka ulega zniszczeniu.
Obciążenie to odniesione do jednostki powierzchni,. nazywane wytrzymałością na
ściskanie, wyraża się zależnością
Rc =
Fc
/
So
N/mm
2
gdzie;
F
c
— najmniejsza wartość siły powodująca zniszczenie materiału,
S
O
— powierzchnia początkowego poprzecznego przekroju próbki.
Rys.8. Schemat próby ściskania: a) próbka wysoka,
b) próbka niska
Kształt próbki wpływa na wartość wytrzymałości i z tego powodu próbę ściskania
przeprowadza się na próbkach, których kształt i rozmiary określają normy.
Najczęściej do badania wytrzymałości na ściskanie stosuje się próbki walcowe,
których wysokość jest dwa i pół raza większa od średnicy próbki. Z badań wynika,
że próbki wyższe wykazują mniejszą wytrzymałość na ściskanie niż próbki, niższe.
Wiąże się to ze zjawiskiem występowania w pobliżu podstaw próbki, oprócz naprężeń
normalnych — naprężeń stycznych obejmujących obszary stożkowe (rys. 8) nie
odkształcające się jeszcze przy obciążeniach powodujących odkształcenia części, w
których występują wyłącznie naprężenia normalne. W niskich próbkach obszary
stożkowe wspierają się na sobie i z tego powodu ich działanie jest w pewnym sensie
hamowane.
Wytrzymałość na pełzanie. Pełzanie — wydłużanie materiału w podwyższonej
temperaturze pod niezmiennym obciążeniem w miarę upływu czasu. Stosunek
wydłużenia do czasu jego powstania nazywamy prędkością pełzania..
Jest umowną granicą wytrzymałości na rozciąganie wyznaczoną w stałej temperaturze
przy określonej prędkości pełzania. Wytrzymałość na pełzanie metali i stopów zależy w
pewnym stopniu od szybkości narastania obciążenia. Z doświadczeń wynika, że
wytrzymałość jest tym mniejsza, im dłuższe jest działanie siły. Zerwanie materiału w
podwyższonej temperaturze może. nastąpić nawet wówczas, gdy naprężenia w
materiale są mniejsze od naprężeń określonych jako wytrzymałość na roz-
c i ą g a n i e w takiej samej temperaturze.
Podczas długotrwałego działania siły materiał pod jej wpływem bardzo wolno ulega
wydłużeniu. Jest to pełzanie prowadzące zazwyczaj do pęknięcia materiału po dłuższym
czasie. Przebieg zjawiska pełzania podczas rozciągania można przedstawić w postaci
zależności wydłużenia od czasu przy stałym naprężeniu rozciągającym oraz w stałej
temperaturze
(rys. 9).
Rys. 9. Wykres pełzania
Odcinek AB odpowiada początkowemu okresowi pełzania, podczas którego następuje
stosunkowo znaczne odkształcenie próbki w krótkim czasie. Odcinek BC przedstawia
dalszy okres pełzania odznaczający się powolnym i równomiernym odkształceniem
trwałym. Odcinek CD odpowiada ostatniemu okresowi pełzania, w którym obserwuje
się ciągły, coraz to szybszy przyrost wydłużenia, prowadzący w końcu do zerwania
próbki. Zachowanie się w podwyższonej temperaturze materiału pod obciążeniem
charakteryzuje wytrzymałość trwała określona jako naprężenie powodujące w danej
temperaturze zerwanie próbki po upływie określonego czasu. Wartość tego naprężenia
oznacza się symbolem R, a w indeksie podaje się czas, po upływie, którego nastąpiło
zerwanie próbki, i temperaturę, w której przeprowadzono badania.
Wytrzymałość zmęczeniowa. Jeżeli na materiał działają siły zmieniające swą wartość
okresowo w czasie, to mogą w nim powstać pęknięcia, chociaż naprężenia określone w
stosunku do początkowego przekroju próbki nie osiągnęły nigdy wartości, które przy
stałym obciążeniu mogłyby spowodować zniszczenie materiału.
Pęknięcia są zazwyczaj spowodowane w mniejszym lub w większym stopniu
działaniem karbu.
F
Rys. 10. Wykres naprężeń w próbce z karbem
Zjawisko karbu powstaje w konstrukcjach, w których występują ostre pęknięcia lub
wycięcia. Np. na rys. 10 płaska próbka mająca po bokach wycięcia, poddana próbie roz-
ciągania, wykazuje nierównomierny rozkład naprężeń w najmniejszym przekroju.
Największe naprężenie występuje tutaj na dnie wycięcia. Wobec tego jest zrozumiałe,
że jakiekolwiek ostre zmiany przekroju, np. rysy lub miejscowe wady materiału,
działają podobnie jak wycięcie w opisanej wyżej próbce.
Pęknięcia zaczynają się w pewnym punkcie A przekroju (rys. 11), zwykle przy
powierzchni, i z wolna postępują w głąb materiału. Skoro przekrój zostanie w ten
sposób dostatecznie osłabiony, następuje nagłe pęknięcie obciążonego elementu.
Czas
Rys. 11. Schemat powstawania przełomu
Pęknięcia wywołane naprężeniami zmęczeniowymi mają charakterystyczny przełom.
Jedna część przełomu ma wygląd muszlowy gładki (1), a druiga krystaliczny (2).
Obciążenia występujące w elementach konstrukcyjnych mogą się zmieniać w pewnych
granicach (rys. 12).
Określenie wytrzymałości zmęczeniowej odbywa się na znormalizowanych próbkach
poddawanych okresowo zmiennym obciążeniom.
Rys. 12. Charakter naprężeń przy obciążeniach okresowo zmiennych:
a) obciążenie zmienne (jednostronne),
b) obciążenie powtarzalne (jednostronne),
c) obciążenie przemienne (obustronne)
Wohler badając wielokrotnie zginanie obracającej się próbki przy różnych naprężeniach
a, doszedł do wniosku, że liczba cykli obciążenia do chwili pęknięcia próbki jest tym
mniejsza, im większe zastosowano naprężenia..
Wytrzymałością na zmęczenie będziemy nazywać naprężenie δ, przy którym liczba
cykli poprzedzająca pęknięcie próbki przekroczy wartość Nc. Wartość tego naprężenia
δ oznaczamy Z
0
.
Dla stali konstrukcyjnej za normalną granicę wytrzymałości na zmęczenie przyjęto
uważać naprężenie, które przy 10 milionach zmian obciążenia nie powoduje jeszcze
złamania próbki, lecz niewielki wzrost naprężeń powoduje już zniszczenie próbki przy
tej liczbie zmian obciążenia.
Twardość. Twardością nazywa się odporność materiału na' odkształcenia trwałe
powstające wskutek wciskania weń wgłębnika. Do pomiaru twardości stosuje się
najczęściej metody: Brinella, Rockwella, Vickersa.
Metoda Brinella. Pomiar twardości metodą Brinella polega na wgniataniu w badany
materiał pod obciążeniem F kulki hartowanej o średnicy D. Miarą twardości w tej
metodzie jest stosunek siły F do powierzchni odcisku, powstałego w materiale w wy-
niku działania na kulkę pomiarową siły nacisku F.
HB =
F
/
Scz
N/mm
2
gdzie: HB — twardość wg Brinella w N/mm
2
,
F — siła nacisku w N,
Scz — powierzchnia czdszy kulistej w mm
2
.
Podstawiając wzór na powierzchnię czaszy otrzymuje się
HB =
2F • 0,102
/
∏ D (D-√D2-d2)
gdzie: D —, średnica wgniatanej kulki w mm,
d — średnica odcisku w mm.
Udarność. Odporność na uderzenie zależy od rodzaju materiału, temperatury oraz
kształtu próbki., którą poddano badaniu, a także od sposobu jej obciążenia.
Zależnie od sposobu obciążenia można wyróżnić udarowe rozciąganie, udarowe
ściskanie, udarowe skręcanie oraz udarowe zginanie. Wynik badania udarowego zgi-
nania nazywa się udarnością.
Do badania stosuje się próbkę w postaci pręta o przekroju kwadratowym. Na jednym z
jej boków nacięty jest karb ułatwiający pęknięcie próbki podczas badania; wymiary
próbki oraz wymiary karbu określa norma. Przyrząd do określania udarności nazywa się
młotem udarnościowym. Najczęściej stosuje się-młot typu Charpy przedstawiony na
rys. 13.
Rys 13. Młot udarnościowy Charpy`ego
1- próbka, 2 – wahadło, 3 – podziałka, 4- wskaźnik
W celu przeprowadzenia pomiaru umieszcza się próbkę na podporach, a wahadło
podnosi na wysokość H. Opuszczone z tej wysokości uderza ono w próbkę, a po jej
zniszczeniu unosi się jeszcze na wysokość h. Jeżeli ciężar wahadła wynosi G N, to w
położeniu górnym energia potencjalna młota wynosi
E
1
= G-H
Po złamaniu próbki wahadło miało jeszcze energię, dzięki której mogło się wznieść na
wysokość h. Energia ta wynosi
E
2
= G•h
Energia zużyta na zniszczenie próbki wynosi
E = E
1
— E
2
= G • {H—h) J
'Jeżeli przekrój próbki wynosi So cm
2
, to udarność K obliczamy wg wzoru
K =
Wu
/
S0
J/cm3
gdzie:
Wu — wartość pracy odpowiadającej' energii zużytej na złamanie próbki w J,
So — powierzchnia przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu mierzona przed
próbą w cm
2
.
Własności cieplne
Głównymi własnościami cieplnymi materiałów technicznych są: pojemność cieplna,
rozszerzalność temperaturowa oraz przewodność cieplna.
P o j e m n o ś c i ą c i e p l n ą substancji nazywa się ilość ciepła potrzebną do
podniesienia temperatury tej substancji o jeden stopień. Pojemność cieplna
przypadająca na jednostkę masy substancji nazywa się ciepłem właściwym i wyraża się
w J/ (kg • K). Ciepło właściwe nie jest wartością stałą i zależy głównie od temperatury.
Ciepło właściwe wielu substancji krystalicznych, bezpostaciowych i szklistych wzrasta
wraz ze wzrostem temperatury.
R o z s z e r z a l n o ś ć t e m p e r a t u r o w a charakteryzuje zjawisko zmiany
wymiarów substancji wraz ze zmianą temperatury.
Przyrost długości przypadający na jednostkę długości spowodowany wzrostem
temperatury o IK nazywa się współczynnikiem temperaturowej rozszerzalności
liniowej.
Zjawisko rozszerzalności temperaturowej ciał stałych jest spowodowane drganiami
atomów w siatce krystalicznej, w których intensywność wzrasta wraz ze wzrostem
temperatury. Podczas ogrzewania pewne materiały wykazują nagłe zmiany
współczynnika rozszerzalności temperaturowej. Zmiany te są spowodowane głównie
przez przebudowę siatki krystalicznej zachodzącą w niektórych substancjach w
określonych temperaturach.
Przewodność c i e p l n a jest określona współczynnikiem przewodności cieplnej.
Jest to ilość ciepła, która w jednostce czasu przepływa
przez jednostkę powierzchni,
gdy różnica temperatury w ciele przewodzącym ciepło równa jest ∆K na jednostkę
długości. W technice współczynnik przewodności cieplnej wyraża się W/ (m • K).
Własności elektryczne
Stosowane w technice materiały ze względu na zdolność przewodzenia prądu
elektrycznego dzieli się na przewodniki, półprzewodniki i izolatory:
Umownie przyjęto uważać za przewodniki ciała, których oporność właściwa w
temperaturze pokojowej jest mniejsza od Ω cm.
Za izolatory uważa się ciała o oporności właściwej przekraczającej 10
10
Ω cm..
Ciała wykazujące oporność właściwą od l.do 10
10
Ω cm uważa się za półprzewodniki.
Różnice między przewodnikami, izolatorami i półprzewodnikami są bardziej istotne niż
to wynika z przedstawionej klasyfikacji. Dotyczą one głównie sposobu przewodzenia
prądu oraz wpływu warunków zewnętrznych na przewodność elektryczną materiałów.
Własności magnetyczne
W zależności od zachowania się materiałów w polu magnetycznym można wszystkie
materiały podzielić na diamagnetyczne, paramagnetyczne i ferromagnetyczne
Materiały diamagnetyczne ustawiają się w stałym polu magnetycznym prostopadle do
kierunku linii sił pola. Materiałami diamagnetycznymi są: bizmut, cynk, miedź.
Materiały paramagnetyczne ustawiają się w polu magnetycznym równolegle do
kierunku linii sił pola. Własności paramagnetyczne wykazują między innymi:
aluminium, chrom i mangan.
Materiały ferromagnetyczne umieszczone w polu magnetycznym wraz ze wzrostem
natężenia tego pola ulegają namagnesowaniu i po usunięciu pola magnetycznego
wykazują samoistne własności magnetyczne. Materiałami ferromagnetycznymi są:
żelazo w temperaturze otoczenia, nikiel, kobalt oraz niektóre ich tlenki i węgliki.
Własności chemiczne
Z punktu widzenia konstruktora i eksploatatora urządzeń własności chemiczne
materiałów sprowadzają się do odporności materiału na działanie środowiska,
w którym urządzenia te przebywają stale. Metale, z którymi w budownictwie maszyn
mamy najczęściej do czynienia, wykazują tendencje do utleniania się (korozja
chemiczna) lub ulegają jonizacji w obecności elektrolitu. Jeżeli w elektrolicie występuje
różnica potencjałów między sąsiadującymi ze sobą obszarami stopu, wówczas
rozpoczyna wędrówka różnoimiennych jonów, co w konsekwencji prowadzi do
zniszczenia materiału w pewnych obszarach. Zjawisko niszczenia stopów lub metali
przy udziale elektrolitu nazywa się korozją elektrochemiczną. Jest zatem zrozumiałe, że
przy doborze materiałów należy liczyć się z możliwością występowania korozji i wobec
tego trzeba urządzenia chronić przed jej skutkami.
Zasady oszczędnego doboru materiałów
Przy doborze materiału ma niewątpliwie istotne znaczenie jego cena jednostkowa.
Jednakże rezygnuje się niejednokrotnie ze stosowania tanich tworzyw na korzyść
tworzyw droższych, jeżeli ich zastosowanie zapewni dłuższą trwałość urządzenia lub
poprawi niezawodność działania. Spełnienie określonych warunków przy doborze
materiałów prowadzi do uzyskania pozytywnych skutków ekonomicznych. Jako
najważniejsze wymienić należy:
1. Zwiększenie dokładności obliczeń wytrzymałościowych pozwalające na zmniejszenie
współczynników bezpieczeństwa.
2. Dokładna znajomość warunków pracy urządzenia,
3. Zastosowanie optymalnych metod wytwarzania.
4. Obniżenie zapotrzebowania na materiały przez stosowanie kształtowników, rur itp.
półwyrobów zbliżonych wymiarami do gotowego produktu.
5. Przeanalizowanie właściwości materiałów i możliwości ich zmiany przez
zastosowanie obróbki cieplnej, powierzchniowej itp.
Ilościowe ujęcie wymienionych czynników pozwoliłoby na podjęcie
jednoznacznej decyzji w sprawie doboru materiału. Od pewnego czasu czyni się próby
podporządkowania wymienionym warunkom określonych parametrów liczbowych
uwzględniających sposób obciążenia elementów oraz dopuszczalne naprężenia
występujące pod obciążeniem elementu. Parametry te, zwane wskaźnikami
materiałowymi, określają porównawczo (w procentach) ciężar, objętość i koszt użytego
materiału.
Problemy te rozwiązuje konstruktor urządzenia podczas opracowania dokumentacji
projektowej.