Temat 6:

Wykresy doboru

Wykresy doboru

materiałów

materiałów

Z

Z

asady doboru

asady doboru

materiałów

materiałów

konstrukcyjnych

konstrukcyjnych

Z

Z

asady doboru materiałów konstrukcyjnych

asady doboru materiałów konstrukcyjnych

Główne czynniki decydujące

Główne czynniki decydujące

o doborze materiałów do różnych zastosowań

o doborze materiałów do różnych zastosowań

Mnogość

Mnogość

dostępnych

obecnie

materiałów stwarza konieczność ich

poprawnego

doboru

poprawnego

doboru

na

elementy

konstrukcyjne

lub

funkcjonalne,

narzędzia i ewentualnie inne produkty
lub ich elementy.

Z

Z

asady doboru materiałów konstrukcyjnych

asady doboru materiałów konstrukcyjnych

Główne czynniki decydujące

Główne czynniki decydujące

o doborze materiałów do różnych zastosowań

o doborze materiałów do różnych zastosowań

Doboru tego należy dokonywać na
podstawie

wielokryterialnej

wielokryterialnej

optymalizacji

optymalizacji

, w tym przede wszystkim

w

oparciu

o

właściwości

tych

właściwości

tych

materiałów

materiałów

.

Z

Z

asady doboru materiałów konstrukcyjnych

asady doboru materiałów konstrukcyjnych

Własności materiałów jako kryteria ich doboru

Własności materiałów jako kryteria ich doboru

Klasy

kryteriów

Ogólne

Cieplne

Mechaniczn

e

Zużycie

Korozja

Zakres gęstości materiałów inżynierskich:

- od 0,1

od 0,1

g/cm^3

g/cm^3 (pianki polimerowe, korek)

do 22,5

do 22,5

g/cm^3

g/cm^3 (osm).

•

Materiały o rosnącej gęstości:

1.

Polimery, drewno

2.

Materiały ceramiczne

3.

Metale i ich stopy.

Ogólne

Względny koszt

Względny koszt

Gęstość

Gęstość

• Reakcja materiału na obciążanie lub odkształcanie.
• Obciążenie może być stałe lub zmienne oraz działać

w szerokim przedziale czasu.

• Różne warunki pracy elementów konstrukcyjnych

wymagają różnych badań własności mechanicznych.

• Przykładowe badania: rozciąganie, skręcanie, zginanie,

ścinanie.

• Badania statyczne – przy wolno wzrastającym

obciążeniu.

• Badania dynamiczne – przy obciążeniu działającym

gwałtownie.

• Badania zmęczeniowe – przy obciążeniach cyklicznych,

lub

- przy obciążeniu stałym i długotrwałym.

Mechaniczn

e

Moduł

sprężysto

ści

Wytrzymałość

Odporność

na pękanie

Wskaźnik

zmęczenio

wy

Wytrzymałość

Wytrzymałość

Zakres wytrzymałości materiałów

inżynierskich:

•

Materiały o rosnącej
wytrzymałości:

1.

Polimery, drewno

2.

Metale i ich stopy

3.

Materiały ceramiczne.

Odporność na pękanie

Odporność na pękanie

Odporność na kruche

pękanie – miara

ciągliwości.

•

Materiały ciągliwe

Materiały ciągliwe

:

1.

Pianki polimerowe

2.

Polimery

3.

Drewno

4.

Materiały
kompozytowe

5.

Stopy metali.

•

Materiały kruche:

Materiały kruche:

1.

Ceramika porowata

2.

Szkło

3.

Ceramika inżynierska.

Moduł sprężystości

Moduł sprężystości

•

Materiały o malejącym module

sprężystości:

1.

Ceramika inżynierska

2.

Stopy metali

3.

Kompozyty

4.

Ceramika porowata

5.

Polimery inżynierskie

6.

Drewno

7.

Elastomery

8.

Pianki poliuretanowe

9.

Korek.

Moduł sprężystości

Moduł sprężystości

zależy od sztywności

wiązań międzyatomowych oraz od ich
gęstości na jednostkę powierzchni.

Odporność
na udary
cieplne

Przewodno

ść cieplna

Dyfuzyjność

Pojemno

ść

cieplna

Temperat

ura

topnienia

Temperat

ura

zeszklenia

Współczynni

k

rozszerzalno

ści cieplnej

Odpornoś

ć na

pełzanie

Zużycie

• Stabilność chemiczna, mechaniczna lub

cieplna w warunkach eksploatacji.

• Naprężenia kontaktowe poniżej granicy

sprężystości materiału.

• Przy ścieraniu twardość materiału winna być

wyższa niż czynnika ścierającego.

• Warunki użytkowania dostosowane do

możliwości zastosowanego materiału.

• Zależy od warunków prowadzonego procesu.
• Twardość nie jest wskaźnikiem odporności na zużycie
• Różne rodzaje materiałów są preferowane do zastosowania w

różnych sytuacjach.

Wytrzymałość materiałów

Wytrzymałość materiałów

w różnych temperaturach

w różnych temperaturach

• Zakres temperatur wykorzystania

materiałów inżynierskich:

od –200

od –200

0

0

C do 1600

C do 1600

0

0

C.

C.

• W wysokich temperaturach –
ceramika inżynierska, stopy metali.
• Do około 300

0

C –

polimery i kompozyty inżynierskie.
• Do 100

0

C – drewno.

Korozja

Korozja

Aktywne ośrodki

Aktywne ośrodki

chemiczne:

chemiczne:

1. Woda napowietrzona
2. Solanka
3. Silne kwasy i zasady
4. Kwasy organiczne
5. Promieniowanie

nadfioletowe.

• Materiały ceramiczne i szkła – odporność na większość ośrodków

aktywnych.

• Istnieją odpowiednie stopy metali o bardzo dobrej odporności

korozyjnej.

• Stale węglowe i niskostopowe – brak odporności korozyjnej.
• Materiały polimerowe i kompozyty wykazują zróżnicowaną odporność.

Porównanie wytrzymałości i gęstości różnych

Porównanie wytrzymałości i gęstości różnych

materiałów

materiałów

Stopy metali

Stopy metali

- duża gęstość,

zbudowane z ciężkich atomów

o gęstym upakowaniu.

Polimery -

Polimery -

mała gęstość,

zbudowane z węgla i azotu

Materiały ceramiczne -

gęstość mniejsza od metali,

ponieważ

zawierają lekkie atomy C, N i
O.

Ze względu na sposób obliczeń inżynierskich:
Metale i polimery - granica plastyczności,
Materiały ceramiczne – wytrzymałość na ściskanie,
Elastomery – wytrzymałość na rozdarcie,
Materiały kompozytowe – wytrzymałość na rozciąganie.

Odporność na pękanie i wytrzymałość różnych

Odporność na pękanie i wytrzymałość różnych

materiałów

materiałów

Materiały ciągliwe:

pianki polimerowe, polimery,

drewno, materiały

kompozytowe

i stopy metali.

Materiały kruche:

ceramika porowata,

szkła i ceramika inżynierska.

Najkorzystniejsze połączenie największej odporności na pękanie z bardzo dużą wytrzymałością

wykazują stopy metali, którym nie ustępują kompozyty. Ceramika inżynierska ma 10–krotnie

mniejszą ciągliwość niż stopy metali.

Odporność na pękanie i gęstość różnych

Odporność na pękanie i gęstość różnych

materiałów

materiałów

Najwyższą odporność na pękanie wykazują metale i ich

stopy.

Moduł sprężystości i gęstość różnych materiałów

Moduł sprężystości i gęstość różnych materiałów

Moduł sprężystości

zależy od sztywności wiązań międzyatomowych oraz od ich gęstości

na jednostkę powierzchni.

Największym
modułem sprężystości
cechuje się ceramika
inżynierska,
stopy

metali,

kompozyty i ceramika
porowata,

zaś

pośrednim – polimery
inżynierskie i drewno
a najmniejszym pianki
polimerowe i korek.

Współczynnik tłumienia drgań i moduł sprężystości różnych

Współczynnik tłumienia drgań i moduł sprężystości różnych

materiałów

materiałów

Największym

modułem

sprężystości cechuje się
ceramika

inżynierska,

stopy metali, kompozyty
i ceramika porowata.

Duży współczynnik tłumienia mają materiały cechujące się niższym
modułem sprężystości. Do takich materiałów mogą być zaliczone
polimery i drewno.

Typowe

Typowe

rodzaje

rodzaje

zużycia

zużycia

materiałów

materiałów

inżynierskich

inżynierskich

Współczynnik zużycia materiałów stosowanych na

Współczynnik zużycia materiałów stosowanych na

łożyska w zależności od nośności łożysk

łożyska w zależności od nośności łożysk

Stosowane na
łożyska:
polimery,
kompozyty, stopy
metali, ceramika
inżynierska.

Dopuszczalna nośność łożyska jest największa w przypadku

ceramiki

ceramiki

inżynierskiej

inżynierskiej i kolejno niższa każdorazowo o rząd wielkości (10x) dla

stopów

stopów

metali

metali,

kompozytów i polimerów

kompozytów i polimerów.

Wytrzymałość różnych materiałów w podwyższonej

Wytrzymałość różnych materiałów w podwyższonej

lub obniżonej temperaturze

lub obniżonej temperaturze

Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej i

Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej i

przewodność cieplna różnych materiałów

przewodność cieplna różnych materiałów

Odporność różnych materiałów na oddziaływanie

Odporność różnych materiałów na oddziaływanie

aktywnych ośrodków chemicznych oraz

aktywnych ośrodków chemicznych oraz

promieniowania nadfioletowego

promieniowania nadfioletowego

Dobór materiałów inżynierskich w stadium

projektowania szczegółowego

Dobór właściwego materiału inżynierskiego
wraz

z

odpowiednim

procesem

technologicznym ma kluczowe znaczenie
zapewniając największą trwałość produktu
przy najniższych kosztach.

100 000 możliwych i dostępnych na

100 000 możliwych i dostępnych na

rynku materiałów inżynierskich

rynku materiałów inżynierskich

Możliwe są dwa podejścia do doboru kombinacji

materiałów inżynierskich i procesu

technologicznego danego elementu.

Materiał inżynierski

Materiał inżynierski

(preferowany przez inżynierów)

(preferowany przez inżynierów)

Proces

Proces

technologiczny

technologiczny

(dobór w następnym ruchu odpowiednio

procesu technologicznego lub materiału

inżynierskiego)

Ze względu na bardzo zróżnicowane

warunki eksploatacji

warunki eksploatacji

różnych produktów,

jak również ich bardzo różnorodne

cechy

konstrukcyjne

, do poprawnego doboru

materiałów inżynierskich niezbędne jest
zebranie

wielu informacji

szczegółowych.

Sposób podejścia

do zagadnień

doboru

materiałów

inżynierskich

Stadia doboru materiałów inżynierskich

Stadia doboru materiałów inżynierskich

Można wyróżnić cztery stadia w procesie

Można wyróżnić cztery stadia w procesie

doboru materiałów inżynierskich na

doboru materiałów inżynierskich na

wytypowane elementy:

wytypowane elementy:

ograniczenie wyboru do ściśle określonej kategorii materiałów, np. w
przypadku stopów metali określenie, że element będzie wytworzony ze
stali konstrukcyjnej stopowej do ulepszania cieplnego, stali
żarowytrzymałej lub stopu aluminium do obróbki plastycznej, a w
przypadku materiałów polimerowych, że zostanie zastosowany jeden z
termoplastów lub duroplastów, np. poliester lub poliwęglan,

na podstawie własności kryterialnych określenie, czy element będzie
wytwarzany ze stopów metali, materiałów polimerowych, ceramicznych lub
kompozytowych,

w przypadku stopów metali określenie, czy element będzie wytwarzany
przez obróbkę plastyczną czy też odlewanie, a w przypadku materiałów
polimerowych

określenie,

czy

zostanie

zastosowany

polimer

termoplastyczny lub termoutwardzalny,

dobór konkretnego materiału

inżynierskiego

z podaniem oznaczenia

lub cechy.

obliczenie poziomów jakości:

•średniej arytmetycznej wyróżników
kryterialnych;

•rozpiętości stanów względnych
kryteriów

•średniej zmodyfikowanej
różnicowo,

•wskaźników decyzyjnych
jednostkowej jakości ekonomicznej,

•wskaźników porównawczych
jednostkowego kosztu materiałów,

W metodzie analitycznego doboru

W metodzie analitycznego doboru

materiałów konstrukcyjnych tok

materiałów konstrukcyjnych tok

postępowania obejmuje

postępowania obejmuje

sporządzenie zestawu

najistotniejszych kryteriów

odtwarzających wymagania

jakościowe dotyczące

rozpatrywanych materiałów

inżynierskich

wyznaczenie lub pobranie z
odpowiednich dokumentów
dopuszczalnych i pożądanych
wartości stanów bezwzględnych
własności (lub cech) rozpatrywanych
materiałów

relatywizacja stanów
bezwzględnych własności
mierzalnych i niemierzalnych

Warianty doboru materiałów inżynierskich

Proces doboru materiałów inżynierskich
zwykle dotyczy jednej z dwóch sytuacji:

doboru materiałów i

doboru materiałów i

procesów

procesów

technologicznych dla

technologicznych dla

nowych produktów lub

nowych produktów lub

projektów

projektów

oceny materiałów

oceny materiałów

alternatywnych

alternatywnych

i możliwości wytwarzania

i możliwości wytwarzania

dla istniejących

dla istniejących

produktów lub projektów

produktów lub projektów

Dobór materiałów inżynierskich dla nowych produktów

Kolejności postępowania

Kolejności postępowania

zdefiniować

funkcje użytkowe

funkcje użytkowe, jakie musi

spełniać produkt

spełniać produkt i opisać

je wymaganymi

własnościami

własnościami, jak np. sztywnością, wytrzymałością i

odpornością korozyjną oraz wskaźnikami ekonomicznymi, np. kosztem
lub dostępnością,

określić

wymagania

wymagania dotyczące

wytwarzania

wytwarzania podając liczbę

koniecznych elementów, ich wielkość i złożoność, wymagane
tolerancje wymiarowe, obróbkę wykończającą, ogólny poziom jakości
i całkowitą technologiczność materiału,

porównać

porównać wymagane

własności i parametry

własności i parametry z obszernymi bazami

danych materiałowych, najkorzystniej komputerowymi, w celu
wstępnego

wytypowania

wytypowania kilku materiałów możliwych do

zastosowania, zwykle na podstawie przeglądu jedynie kilku
wyselekcjonowanych własności analizowanych materiałów o
ekstremalnych wartościach

Dobór materiałów inżynierskich dla nowych produktów

uzupełnić dane projektowe

uzupełnić dane projektowe, ustalając najmniejszą liczbę własności
opisujących dany materiał inżynierski, a w przypadku szczególnych
zastosowań, jak np. techniki kosmicznej lub jądrowej, wykonać
badania według rozbudowanego programu dla uzyskania danych
projektowych o dużej statystycznej pewności.

zbadać

bardziej szczegółowo

bardziej szczegółowo wstępnie wytypowany materiał

inżynierski, pochodzący z dostaw handlowych i zastosowany w
danym produkcie, jego koszt, technologiczność i dostępność w
postaci i wymiarach niezbędnych do zastosowania,

Dobór materiałów inżynierskich zamiennych dla

istniejących produktów

poszukać alternatywnych materiałów inżynierskich i procesów
technologicznych, wykorzystując metodę przeglądu zalet,

scharakteryzować obecnie stosowany materiał inżynierski w
danej postaci, wymagania procesu technologicznego i koszty,

Kolejności postępowania

Kolejności postępowania

określić, które z własności muszą być poprawione dla
rozszerzenia funkcji użytkowych produktu, ze szczególnym
uwzględnieniem przesłanek wynikających z analizy uszkodzeń,

Dobór materiałów inżynierskich zamiennych dla

istniejących produktów

zestawić krótki wykaz materiałów inżynierskich i odpowiadających
im procesów technologicznych i porównać koszty wytwarzanych
elementów, stosując inżynierską analizę wartości, której należy
poddać każdy materiał inżynierski, każdy element i każdy proces
technologiczny

Kolejności postępowania

Kolejności postępowania

rozwinąć wyniki osiągnięte w poprzednim kroku i wskazać
materiał inżynierski zamienny, określając jego krytyczne
własności, ze specyfikacją lub badaniem materiałów inżynierskich
do szczególnych zastosowań, jak w przypadku materiałów
inżynierskich dobieranych po raz pierwszy.

Dziękuję za uwagę!