Materiałoznawstwo

Literatura:

Dobrzański L. A.: Materiały inżynierskie i
projektowanie materiałowe. Podstawy nauki o
materiałach i metaloznawstwo. Wydanie II
zmienione i uzupełnione, WNT, Warszawa 2006.

Żuchowska D.: Polimery konstrukcyjne. WNT,
Warszawa 2000.

Dobrosz K, Matysiak A.: Tworzywa sztuczne.
Właściwości i zastosowanie. WSP, Warszawa 1985.

Serwis branżowy „Tworzywa Sztuczne”,
strona internetowa:

www.tworzywa.com.pl

Znaczenie nauki o materiałach

w realizacji zadań środowiska

inżynierskiego

Udostępnienie produktów i różnych dóbr użytkowych ludziom

jest humanistyczną misją inżynierów

, ponieważ decydują one

o :

–

poziomie i jakości życia,

–

wymianie informacji,

–

poziomie edukacji,

–

jakości i możliwościach opieki zdrowotnej,

–

wielu innych aspektach środowiska, w którym żyjemy.

Zagadnienia materiałowe odgrywają ważną rolę w realizacji tych
zadań środowiska inżynierskiego, ponieważ:

materiał jest tworzywem, z którego wytwarza się

produkty.

Z punktu widzenia projektowania produktów,

równoprawne są wszystkie

materiały inżynierskie

, które mogą zapewnić wymagane własności

produktów,  a  wielokryterialna  optymalizacja  jest  podstawą  selekcji  tworzywa  o
najlepszych  własnościach  użytkowych  i  technologicznych  oraz  najniższych
możliwych  kosztach  wytwarzania,  przetwórstwa  i  eksploatacji  materiału  i
produktu.

Z jakiego materiału wytworzyć

produkt ?

Obecnie znanych jest na świecie ponad sto tysięcy

materiałów inżynierskich.

Statystyki dotyczące wiedzy specjalistycznej pozyskiwanej
w trakcie kariery zawodowej wskazują, że:

na każdych 2000 materiałów, inżynier poznaje

tylko jeden.

Zatem  szansa  takiego  inżyniera  na  właściwy  dobór  materiału
jest wówczas niemal zerowa, a ostre warunki konkurencji mogą
przesądzić  o  niepowodzeniu  rynkowym  tak  zaprojektowanego
i wytworzonego produktu.
Niejednokrotnie zdarza się, że decyzja o prawidłowym doborze
materiału  inżynierskiego  wymusza  zmianę  technologii,
a nawet postaci konstrukcyjnej produktu lub jego elementu.

Nierzadko bywa również odwrotnie.

Historyczny rozwój

materiałów

• Człowiek od zarania dziejów wykorzystywał, a z czasem

przetwarzał, materiały dla zdobycia pożywienia,
zwiększenia swego bezpieczeństwa i zapewnienia sobie
odpowiedniego poziomu życia.

• Śledząc dzieje cywilizacji ludzkiej można dojść do

przekonania, że o jej rozwoju decyduje w dużej mierze
rozwój

materiałów

i towarzyszący temu rozwój sił wytwórczych.

• Świadczy o tym niewątpliwie między innymi nazwanie

różnych okresów w dziejach ludzkości od materiałów
decydujących wówczas o warunkach życia, np. epoki:
kamienia, brązu, żelaza.

Rola materiałów

konstrukcyjnych

• Wdrożenie różnych wynalazków stało się możliwe

dopiero po udostępnieniu odpowiednich materiałów:

– już w notatkach Leonardo da Vinci z piętnastego wieku

znaleziono szkic helikoptera, lecz śmigłowiec
wyprodukowano dopiero w latach czterdziestych
dwudziestego wieku,

– statki kosmiczne dawno opisano w literaturze, a

niezbędnych obliczeń dokonano już w pierwszym
dziesięcioleciu dwudziestego wieku,

– pierwszy sztuczny satelita Ziemi wystartował z sukcesem

dopiero pod koniec lat pięćdziesiątych,

– pierwszy prom kosmiczny zbudowano w latach

siedemdziesiątych ubiegłego wieku.

Materiały konstrukcyjne

• decydują

wymiarach

przekroju

elementów,

niezbędnych do przenoszenia przewidywanych obciążeń,

wespół z ciężarem właściwym przesądzają o gabarycie i

ciężarze konstrukcji,

• zespół odpowiednich cech materiałów umożliwia

zachowanie,

niezmiennych

czasie

właściwości

elementów,

jak:

odporność

korodujące

lub

mechaniczne działanie środowiska oraz mechaniczne

oddziaływanie (ścieranie) współpracujących elementów,

czy

też

odporność

działanie

podwyższonej

temperatury - decydując ostatecznie o niezawodności

i trwałości konstrukcji,

• decydują o wyborze określonych technik wytwarzania,

jak: odlewanie, spawanie, obróbka plastyczna, obróbka

skrawaniem, obróbka cieplna, wtryskiwanie itp.

Klasyfikacja materiałów

konstrukcyjnych

Jedną z najogólniejszych jest klasyfikacja oparta
na

charakterze

dominującego

wiązania

działającego między cząstkami materii. Z tego
punktu widzenia wyróżnia się materiały:

–

metaliczne o wiązaniu metalicznym,

–

ceramiczne o wiązaniu kowalencyjnym albo jonowym,

–

polimeryczne, w których działa wiązanie atomowe
inaczej nazywane też kowalencyjne (w obrębie
makrocząsteczek)
i siły Van der Waalsa (między makrocząsteczkami),

–

kompozytowe.

Materiały metaliczne

 Zalicza się do nich metale techniczne i ich stopy, które

należą do grupy tworzyw krystalicznych.

 Charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami

wytrzymałościowymi i plastycznymi, dobrą
przewodnością elektryczną i cieplną oraz zróżnicowaną
odpornością na korozję.

 Odznaczają się na ogół dobrymi właściwościami

technologicznymi oraz łatwością nadawania im (stopy
metali) bardzo różnorodnych właściwości fizycznych i
chemicznych.

 Stanowią one podstawowe tworzywo na wyroby

przemysłu maszynowego.

 Wadą materiałów metalicznych

jest na ogół duży ciężar

właściwy.

Materiały ceramiczne

 Należą w zasadzie do tworzyw krystalicznych,

jakkolwiek mogą mieć pewien udział fazy amorficznej.

 Cechuje je duża twardość i kruchość.
 Przeważnie są izolatorami elektrycznymi i cieplnymi,

o znacznej odporności na korozję.

 Właściwości predystynują materiały ceramiczne do

specjalnych zastosowań, np. do wyrobu elementów

żaroodpornych, elektroizolacyjnych, termoizolacyjnych

oraz jako specjalne materiały narzędziowe (ostrza

narzędzi skrawających, środki ścierne i polerskie).

 Wadą ich są złe właściwości technologiczne

przez co wymagają specjalnych technik

przetwarzania.

Materiały polimeryczne

tworzywa sztuczne

 Odznaczają się stosunkowo dobrymi właściwościami

mechanicznymi, są elektroizolatorami oraz są bardzo

odporne na działanie czynników chemicznych.

 Zaletą ich jest mały ciężar właściwy, a wadą - mała

odporność na działanie temperatur przekraczających 200-

300°C (organiczne związki węgla z wodorem i tlenem).

 Obserwuje się ogromny wzrost zastosowań tworzyw

sztucznych, skutecznie konkurujących z materiałami

metalicznymi w zakresie elementów maszyn oraz

zdecydowanie wypierających metale i szkło w zakresie

opakowań, albo metale i drewno w zakresie elementów

wystroju wnętrz i taboru komunikacyjnego.

 Jednym z powodów wzrostu produkcji tworzyw sztucznych

jest możliwość wydatnego powiększenia ich cech

mechanicznych przez tzw. zbrojenie kompozyty), np.

włóknami metalicznymi lub ceramicznymi (szkło, węgiel).

Własności materiałów

konstrukcyjnych

Cechy charakteryzujące materiały

konstrukcyjne:

– własności mechaniczne: wytrzymałościowe (granica

sprężystości, wytrzymałość, twardość) oraz

charakteryzujących plastyczność materiału (granica

plastyczności, wydłużenie, przewężenie, udarność),

– właściwości technologiczne, jak: lejność, spawalność,

ciągliwość, tłoczność, skrawalność, hartowność itp.,

– specjalne właściwości fizyczne, np.: temperatura

topnienia, rozszerzalność cieplna, przenikalność

magnetyczna itp., czy chemiczne, np. odporność na

utlenianie w wysokiej temperaturze, odporność na

działanie określonej substancji chemicznej itp.

– cena materiału i koszty przetwórstwa.

Kryteria wyboru materiałów

konstrukcyjnych

• Właściwy dobór materiału do danego zastosowania

powinien być oparty o wielokryterialną optymalizację

związaną zarówno ze:

- składem chemicznym,
- warunkami wytwarzania,
- warunkami eksploatacji,

- sposobem utylizacji materiału w fazie poużytkowej
- oraz szeroko rozumianymi aspektami ekonomicznymi.

• Skutki błędnej decyzji mogą być związane z:

- niepotrzebnymi wydatkami,
- dużą awaryjnością sprzętów, maszyn i urządzeń,
- dyskomfortem lub po prostu zdenerwowaniem użytkowników,

- niepowodzeniem rynkowym produktu i w konsekwencji brakiem

sukcesu wytwórcy.

- niekiedy może także narażać zdrowie i życie ludzkie (np. w

lotnictwie czy

przemyśle samochodowym).

Decyzja o doborze odpowiedniego materiału w żadnym
przypadku nie jest jednak prosta.

- Przeciętny samochód osobowy składa się z 15 tysięcy
elementów.
- Duży samolot pasażerski składa się z ok. 4,5 miliona
elementów.

Document Outline