Materiałoznawstwo

1

Dr inż. Dymitry Capanidis

materiały

niemetaliczne

Literatura:

1)

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

2)

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

3)

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

4)

Serwis branżowy „Tworzywa Sztuczne”,
strona internetowa:

www.tworzywa.com.pl

Wykład 1

Rola materiałów konstrukcyjnych.

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.

Historyczny rozwój materiałów

inżynierskich

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

o

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

w

czasie

właściwości

elementów,

jak:

odporność

na

korodujące

lub

mechaniczne działanie środowiska oraz mechaniczne

oddziaływanie (ścieranie) współpracujących elementów,

czy

też

odporność

na

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.

Rodzaje wiązań

między atomami w różnych grupach

materiałów inżynierskich

Podstawowe grupy materiałów

inżynierskich

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).

Materiały kompozytowe

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.

Materiały stosowane we współczesnych

samochodach

Materiały stosowane we współczesnych

samolotach

Dziękuję za uwagę.