background image

MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE 

 
Właściwy dobór materiałów konstrukcyjnych musi uwzględniać warunki 

eksploatacyjne, technologiczne i ekonomiczne. 

 
Najczęściej uwzględniane właściwości materiałów konstrukcyjnych to: 
 

1.  Doraźne właściwości mechaniczne – charakterystyka: naprężenie-odkształcenie-

uplastycznienie-zniszczenie, twardość, udarność, odporność na pękanie. 

 
2.  Właściwości reologiczne – pełzanie, relaksacja, tłumienie wewnętrzne, odporność 

na zużycie. 

 
3.  Właściwości zmęczeniowe – wytrzymałość zmęczeniowa niskocyklowa i 

wysokocyklowa, wrażliwość na działanie karbu. 

 
4.  Właściwości fizyczne – rozszerzalność cieplna, przewodnictwo cieplne i 

elektryczne, ciepło właściwe. 

 
5.  Właściwości użytkowe – odporność na temperaturę, odporność na korozję, 

wrażliwość na promieniowanie. 

 
6.  Właściwości technologiczne – skrawalność, tłoczność, spawalność, lejność. 
 
 

Źródłem informacji o materiałach są normy i katalogi wyrobów wydawane przez 

producentów. 

 

INŻYNIERIA MATERIAŁOWA – dziedzina wiedzy i działalności praktycznej 

zajmująca się projektowaniem materiałów dostosowanych do szczególnych potrzeb 

wynikających z realizacji nowych konstrukcji. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW 

KONSTRUKCYJNYCH 

 
 
Dobór materiałów konstrukcyjnych w procesie konstruowania oparty jest na 
znajomości podstawowych fizykalnych cech wytrzymałościowych. 
 
Są to: 

-  zależność naprężenie-odkształcenie (próba rozciągania-ściskania wg PN-80/H-

04310), 

-  granica plastyczności,  
-  granica wytrzymałości (wytrzymałość doraźna), 
-  wydłużenie, 
-  przewężenie 

 

 

 

Charakterystyczne krzywe rozciągania: a) materiał kruchy, b) materiał z 
wyraźną granicą plastyczności (a-odkształcenie trwałe, b-odkształcenie 
sprężyste) c) materiał nie wykazujący wyraźnej granicy plastyczności, 
umowna granica dla odkształceń trwałych 

=0,002 

 

background image

Rzeczywiste krzywe rozciągania typowych metalowych materiałów 
konstrukcyjnych.  
 
Charakterystyczne cechy materiałów, widoczne na wykresie: 

-  brak wyraźnej granicy plastyczności, dlatego podano umowną 

granicę odkształceń trwałych 0,2%=0,002 

-  niewielka różnica pomiędzy wartościami R

e0,2

 i R

m

 

-  jednakowa wartość modułu Younge’a dla wszystkich stali wynosząca 

E=2

10

5

MPa=200GPa 

 
 

 

 

background image

OBCIĄŻENIA I NAPRĘŻENIA ZMIENNE W CZASIE 

 

Losowy przebieg obciążeń zmiennych w czasie 

a) przykład przebiegu naprężeń w w skrzydle samolotu, b) i c) w podłużnicy 

ramy samochodu ciężarowego jadącego z prędkością 40 km/godz ( b – 

pomiędzy pierwsza i drugą poprzeczką, c – pomiędzy wspornikami 

przedniego resoru)  

 
 
 

 

Okresowo zmienny (sinusoidalny) przebieg naprężeń zmiennych w czasie 

a) cykl jednostronny (dodatni i ujemny) 

b) cykl odzerowo tętniący (dodatni i ujemny) 

c) cykl dwustronny 

d) cykl wahadłowy (symetryczny) 

 

 

 
 

a) 

b) 

c) 

d) 

background image

PARAMETRY PRZEBIEGU NAPRĘŻEŃ ZMIENNYCH 

CYKLICZNYCH 

 

max

 – naprężenie maksymalne cyklu, 

min

 – naprężenie minimalne cyklu, 

T – okres zmiany naprężeń, 

f - częstotliwość zmiany naprężeń, 

m

 – naprężenie średnie cyklu, 

2

min

max

m

 

a

 – amplituda naprężenia cyklu, 

2

min

max

a

 



 - zakres zmiany naprężeń 

         

min

max

a

2

 

R – współczynnik asymetrii cyklu, 

max

min

R

    

 - współczynnik stałości obciążenia 

a

m

   

R

1

R

1

    

1

1

R

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

CHARAKTERYSTYKI ZMĘCZENIOWE MATERIAŁÓW 

KONSTRUKCYJNYCH 

 

Większość elementów maszyn podlega oddziaływaniu cyklicznie zmiennych 
obciążeń, dlatego należy je obliczać z uwzględnieniem wytrzymałości 
zmęczeniowej. 
 
 

 

Krzywe zmęczeniowe dla materiałów wykazujących granicę wytrzymałości 

zmęczeniowej (a) i nie wykazujących tej granicy (b). 

 

a – typowy przykład: stale - dla większości stali przyjmuje się granicę 

wytrzymałości zmęczeniowej Z powyżej N=5

10

6

 cykli  

b – typowy przykład: aluminium i magnez charakteryzują się 

monotonicznie opadająca krzywą zmęczeniową; przyjmuje się umowną 

granicę wytrzymałości zmęczeniowej Z powyżej N=5

10

8

 cykli.  

 
 
 
 

background image

WYKRESY ZMĘCZENIOWE W

HLERA. GRANICE 

ZMĘCZENIA. 

 

Krzywe wykresów uzyskuje się w wyniku zniszczenia określonej liczby próbek 
wzorcowych przy zmieniającej się amplitudzie σ

a

 dla ustalonej wartości σ

m

 

 
 

 

 

 

Wykres zmęczeniowy W

hlera dla obrotowo zginanych próbek wykonanych z 

normalizowanej stali 45 w układzie 

a

 – logi w układzie log

a

 – logN

 

Z

- GRANICA ZMĘCZENIA

 

(wytrzymałość zmęczeniowa): 

największe 

naprężenie normalne 

max

, przy którym badana próbka lub badany 

element nie ulegną zniszczeniu po osiągnięciu umownej granicznej 

liczby cykli 

N

G

 

N

G

 - UMOWNA GRANICZNA LICZBA CYKLI  (bazowa liczba cykli):  

najczęściej przyjmuje się:  

N

G

.= (5 

 10)

10

6

 – dla stali,   

N

G

.= (100

500) 

10

6

 – dla metali nieżelaznych.  

 

N

0

 – punkt przecięcia nachylonej części wykresu z częścią równoległą do osi 

poziomej nazywany jest 

TEORETYCZNĄ GRANICZNĄ LICZBĄ 

CYKLI.  

Punkt ten znajduje się w innym położeniu niż punkt 

UMOWNEJ GRANICZNEJ LICZBY CYKLI  N

G

  ponieważ w 

rzeczywistości wyniki badań w przedziale leżącym w pobliżu punktów 

N

0

 i 

N

G

  nie dadzą się aproksymować logarytmicznie. 

background image

 
 
 
 

 
Wykres W

hlera składa się z dwóch obszarów: 

część lewa – obszar ograniczonej wytrzymałości zmęczeniowej 

część prawa – obszar nieograniczonej wytrzymałości zmęczeniowej  

 

W układzie log 

a

, logN część lewą wykresu opisuje równanie prostej: 

 

0

G

a

N

log

Z

log

m

N

log

log

m

 

stąd: 

0

m

G

m

a

N

Z

N

 

 

Zatem współczynnik kierunkowy m lewej części wykresu wynosi: 
 

G

a

0

Z

log

N

N

log

m

 

 

Przyjmując taki model procesu zmęczenia możliwe jest określenie współczynnika 
kierunkowego m
 jeżeli znane są: granica zmęczenia – Z

G

 , teoretyczna bazowa liczba 

cykli – N

0

 oraz znajomość współrzędnych 

a

, N jednego punktu wykresu. 

 
Przykładowo: 
Dla próbki ze stali 45 w stanie normalizowanym badanej w cyklu wahadłowym mamy: 
dla 

a

 = 350 MPa uzyskano N = 10

5

Z

G

 = 280 MPa, N

0

 = 1,2

10

6

.  Stąd można wyliczyć m 

= 11. 
 
Wartość m
 zależy od rodzaju materiału, geometrii elementu i jakości wykonania. Przy 
obliczeniach prowadzonych z mniejszą dokładnością można przyjmować wartości 
orientacyjne podawane w specjalistycznej literaturze technicznej.  
Przykładowo dla stalowych elementów polerowanych i szlifowanych można przyjmować 
m = 
8

12, dla elementów spawanych = 3

4. 

 

background image

 

 

Pełny wykres Wohlera dla obszaru ograniczonej wytrzymałości zmęczeniowej z 

podobszarami wytrzymałości quasi-statycznej (I), niskocyklowej (II) i wysokocyklowej 

(III) 

 

4

1

 - początek układu współrzędnych odpowiadający wytrzymałości próbki przy ¼ cyklu, 

 
I – obszar pękania quasi-statycznego, 
 
II- obszar pękania przy wysokich naprężeniach z odkształceniami typu 
     plastycznego widocznymi na przełomach próbek, 
 
III- obszar pękania przy niskich naprężeniach, na przełomach próbek  
       widoczne odkształcenia typu kruchego typu kruchego. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

OKREŚLANIE PRZYBLIŻONYCH WARTOŚCI GRANICY ZMĘCZENIA 

(Z

G

)

 DLA 

NAJCZĘŚCIEJ SPOTYKANYCH CYKLI ZMĘCZENIOWYCH I RODZAJÓW 

OBCIĄŻENIA 

 
Oznaczenia: 
Z

go

 – granica zmęczenia przy zginaniu wahadłowym (dwustronnym), 

Z

gj

 – granica zmęczenia przy zginaniu odzerowo tętniącym  

         (jednostronnym),  
Z

so

 – granica zmęczenia przy skręcaniu wahadłowym (dwustronnym), 

Z

sj

 – granica zmęczenia przy skręcaniu odzerowo tętniącym  

        (jednostronnym),  
Z

rc

 – granica zmęczenia przy ściskaniu-rozciąganiu, 

Z

rj

 – granica zmęczenia przy rozciąganiu jednostronnym, 

Z

cj

 – granica zmęczenia przy ściskaniu jednostronnym. 

 

 

 
 
a)  zależność między granicą zmęczenia Z

go

, a wytrzymałością R

m

 dla stali, 

b)  zależność między granicami zmęczenia Z

go

, Z

so

, Z

rc

 a wytrzymałością R

m

  

     dla żeliwa szarego, 
c)  zależność między granicą zmęczenia Z

go

, a wytrzymałością R

m

 dla dla    

     stopów aluminium do przeróbki plastycznej. 

 

 
 
 

background image

 

ORIENTACYJNE WARTOŚCI ŚREDNIE GRANIC ZMĘCZENIA W ZALEŻNOŚCI 

OD WYTRZYMAŁOŚCI NA ROZCIĄGANIE DLA RÓŻNYCH MATERIAŁÓW 

KONSTRUKCYJNYCH. 

 

-  stale węglowe i stopowe, normalizowane lub ulepszane cieplnie: 

Z

go

 = 0,45R

m

 ,

 

    Z

rc

 = 0,33 R

m

 ,    Z

so

 = 0,25 R

m

 ,    Z

rj

 =( 0,55

0,63) R

m

 , 

Z

gj

 = 0,70 R

m

 ,    Z

sj

 =( 0,45

0,50)R

 

-  żeliwo szare do R

m

 = 400MPa

Z

go

 = 0,40R

 

-  staliwo: 

Z

go

 = 0,40R

 

-  stopy aluminium, miedzi i niklu: 

Z

go

 = 0,40R

 

-  tytan: 

Z

go

 =( 0,55

0,80)R

 

-  stopy tytanu: 

Z

go

 =( 0,40

0,60)R

 
Właściwości mechaniczne statyczne i zmęczeniowe różnych gatunków stali w stanie 
normalizowanym (MPa). Wartości średnie.  

 

  
 

 

 ,  

  - współczynnik asymetrii cyklu dla naprężeń normalnych i stycznych 

sj

sj

so

rj

rj

rc

r

gj

gj

go

g

Z

Z

Z

2

,

Z

Z

Z

2

,

Z

Z

Z

2

 

 
 
 

 
 

background image

DOPUSZCZALNE NAPRĘŻENIA. WSPÓŁCZYNNIK 

BEZPIECZEŃSTWA 

 

Parametry wytrzymałościowe materiałów konstrukcyjnych, zarówno dla obciążeń stałych jak 

i zmęczeniowych określane są dla próbek o znanym dokładnie kształcie i technologii 

wykonania, poddanych badaniom w ściśle określonych warunkach.  

W rzeczywistości wytrzymałość wytwarzanych elementów może być bardzo zróżnicowana w 

zależności od wielu czynników. Wpływ niektórych z nich, np. kształt, wielkość, stan 

powierzchni, możliwy jest do oceny w sposób stosunkowo dokładny, jednak wiele czynników 

wynikających z cech materiałowych (skład, jednorodność, wady) oraz warunków pracy 

(przeciążenia, rzeczywisty czas pracy, rzeczywiste przebiegi obciążeń) są trudne do 

dokładnego określenia, wykrycia, bądź identyfikacji. 

Dlatego w obliczeniach wytrzymałościowych elementów maszyn przyjmuje się, że obliczone 

naprężenie musi być mniejsze lub, co najwyżej równe pewnemu 

DOPUSZCZALNEMU 

NAPRĘŻENIU

, w którym zawarto zapas bezpieczeństwa związany z niepewnością obliczeń 

spowodowaną wyżej wymienionymi czynnikami.  

Elementarny warunek bezpieczeństwa wytrzymałościowego można 

przedstawić w postaci relacji: 

 

k

x

Z

A

P

z

 

 

gdzie:  

σ

 – uogólnione naprężenie  występujące w przekroju niebezpiecznym 

elementu, 

P

 – uogólnione obciążenie (siła lub moment), 

A

 – uogólniony 

wskaźnik przekroju (pole przekroju, wskaźniki wytrzymałości), 

Z

 – uogólniona 

wytrzymałość materiału (zmęczeniowa, granica plastyczności, granica 

wytrzymałości), 

x

z

 – uogólniony współczynnik bezpieczeństwa dla obciążeń 

stałych lub zmiennych, 

k

 – uogólnione dopuszczalne naprężenie zależne od 

rodzaju i sposobu obciążenia. 

 

 

 

background image

UPROSZCZONY SPOSÓB OKREŚLANIA NAPRĘŻEŃ 

DOPUSZCZALNYCH I WSPÓŁCZYNNIKÓW BEZPIECZEŃSTWA 

DLA RÓŻNYCH WARUNKÓW OBCIĄŻENIA ELEMENTÓW 

 

OBCIĄŻENIA STAŁE. 

Naprężenia dopuszczalne określa się w odniesieniu do wartości R

e

 lub R

m

 

uzyskanych w próbach wytrzymałościowych rozciągania, skręcania, zginania.  

-  dopuszczalne naprężenie na rozciąganie: 

e

e

r

x

R

k

 lub 

m

m

r

x

R

k

 

-  dopuszczalne naprężenie na ściskanie: 

e

ec

c

x

R

k

 lub 

m

mc

c

x

R

k

 

-  dopuszczalne naprężenie na zginanie: 

e

eg

g

x

R

k

 lub 

m

mg

g

x

R

k

 

-  dopuszczalne naprężenie na skręcanie: 

e

es

s

x

R

k

 lub 

m

ms

s

x

R

k

 

-  dopuszczalne naprężenie na ścinanie: 

e

et

t

x

R

k

 lub 

m

mt

r

x

R

k

 

x

e

 – współczynnik bezpieczeństwa w odniesieniu do granicy plastyczności, 

x

m

 – współczynnik bezpieczeństwa w odniesieniu do granicy wytrzymałości. 

 

Dla stali, staliwa i żeliw ciągliwych można przyjmować: 

x

e

 = (1,8 

 2,5) 

Dla metali nieżelaznych i ich stopów można przyjmować: 

x

e

 = (3,0 

3,5)

 

Dla żeliwa szarego można przyjmować: x

m

 = 3,5 

 

Dla celów praktycznych można posługiwać się zależnościami: 

R

ec

 R

e

 ,  R

eg

 (1,1

1,2)R

e

 , R

es

 R

et

 

 0,6 R

e

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 
 
 

OBCIĄŻENIA ZMIENNE (ZMĘCZENIOWE). 

Określenie współczynnika bezpieczeństwa (naprężeń dopuszczalnych) w 

warunkach obciążeń zmiennych wymaga uwzględnienia geometrii, wielkości i 

technologii wytwarzania oraz znajomości przebiegu obciążeń działających na 

rozpatrywany element maszyny. 

Dlatego obliczenia te przeprowadza się w dwóch etapach: 

 

1.  Obliczenia wstępne, dla naprężeń dopuszczalnych obliczonych dla danego 

typu obciążenia na podstawie znajomości granicy zmęczenia i  wartości 

ogólnego współczynnika bezpieczeństwa  x

z

  założonej na podstawie 

własnego doświadczenia lub zaleceń literaturowych. 

- wahadłowe rozciąganie-ściskanie: 

z

rc

rc

x

Z

k

 

- wahadłowe skręcanie: 

z

so

so

x

Z

k

 

- wahadłowe zginanie: 

z

go

go

x

Z

k

 

- jednostronne rozciąganie: 

z

rj

x

Zrj

k

 

- jednostronne skręcanie: 

z

sj

sj

x

Z

k

 

- jednostronne zginanie: 

z

gj

gj

x

Z

k

 

Wartość ogólnego współczynnika bezpieczeństwa 

x

z

 można przyjąć: 

 

x

z

 =2,5 

4,0 

– dla stali i żeliwa szarego

 

x

z

 =4,5 

5,5 

– dla metali nieżelaznych i ich stopów. 

 
 
 
 
 
 

background image

2. Obliczenia sprawdzające mające na celu obliczenie rzeczywistego 

współczynnika bezpieczeństwa, w którym w zależności od metody obliczeń 

uwzględnia się zdefiniowane i/lub losowe czynniki wpływające na 

rozpatrywaną konstrukcję.  

Przykładowo, w jednej z prostszych metod rzeczywisty współczynnik 

bezpieczeństwa 

 , wyznacza się ze wzoru: 

na

Z



 

Z

 – granica zmęczenia przy danym rodzaju obciążenia, 

na

 – nominalna amplituda naprężenia, 

  – współczynnik działania karbu 

(

  = 

k

)

współczynnik stanu powierzchni 

        (

 =

p

)

, lub inne indywidualne lub zagregowane współczynniki  

        

uwzględniające cechy kształtu i jakości powierzchni,  

  – współczynnik wielkości przedmiotu. 

Prawidłowość wyznaczenia współczynnika bezpieczeństwa 

 , według 

powyższego wzoru można ocenić posługując się poniższymi zaleceniami: 

 = 1,3 

1,5

 – znany rozkład naprężeń i charakterystyk zmęczeniowych dla 

danych warunków eksploatacyjnych, wysoka technologia 

wykonania, kontrola defektoskopowa wyrobów, także w 

użytkowaniu (pęknięcia, zużycie), 

 = 1,5 

1,7

 – powszechnie stosowana dokładność obliczeń i określania 

obciążeń przy dobrej technologii wykonania i kontroli jakości,  

 = 1,7 

2,0

 – elementy o dużych wymiarach, bez możliwości badań, 

konstrukcje spawane, średni poziom technologii wykonania, 

 

 = 2,0 

2,5

 – przybliżone określanie obciążeń i naprężeń, ciężkie i 

niecałkowicie poznane warunki pracy, elementy odlewane.