Temat 4:

Dobór materiałów i

Dobór materiałów i

technik wytwarzania w

technik wytwarzania w

projektowaniu

projektowaniu

Materiały

inżynierskie i

techniki

wytwarzania

dr inż. Dariusz Zasada

konsultacje środa 15

środa 15

00

00

-17

-17

00

00

piątek 8

piątek 8

00

00

-9

-9

00

00

(w przypadku braku

(w przypadku braku

zajęć)

zajęć)

Literatura:

M.F. Ashby

M.F. Ashby

:

:

Dobór materiałów w projektowaniu

Dobór materiałów w projektowaniu

inżynierskim,

inżynierskim,

WNT 1998

WNT 1998

L.A. Dobrz

L.A. Dobrz

a

a

ński

ński

:

:

Zasady doboru materiałów inżynierskich

Zasady doboru materiałów inżynierskich

,

,

Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2001

Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2001

L.A. Dobrzański

L.A. Dobrzański

:

:

Materiały inżynierskie i projektowanie

Materiały inżynierskie i projektowanie

materiałowe

materiałowe

, WNT 2006

, WNT 2006

M.F. Ashby, D.R.H. Jones: Materiały inżynierskie 1- właściwości
i zastosowania, WNT, 1996

M.F. Ashby, D.R.H. Jones: Materiały inżynierskie 2 –
kształtowanie struktury i właściwości, dobór materiałów
właściwości i zastosowania, WNT 1996

L.A. Dobrzański: Metalowe materiały inżynierskie, WNT 2004

Najszerzej akceptowaną definicję podaje Encyklopedia Powszechna PWN, według
której:

„Kompozyty to materiały utworzone z co najmniej dwóch składników (z
makroskopowo widocznymi granicami między nimi), mające właściwości
lepsze niż każdy ze składników lub wynikające z sumowania tych
właściwości”

Definicja ta oddaje w sposób ogólny zasadniczą ideę wytwarzania kompozytów i
podkreśla ich charakter monolityczny, a jednocześnie jest na tyle szeroka, że
obejmuje liczne materiały złożone.

DEFINICJA KOMPOZYTÓW

DEFINICJA KOMPOZYTÓW

Jako przykłady w Encyklopedii Powszechnej PWN występują:

kompozyty ceramiczne,

stosowane w skali masowej głównie w budownictwie

(np. beton, żelbet),

kompozyty polimerowe,

zbrojone włóknem szklanym lub węglowym – do wyrobu

części maszyn, sprzętu sportowego,

kompozyty specjalne,

stosowane w technice lotniczej, astronautycznej,

przemyśle okrętowym, zbrojeniowym

WŁAŚCIWOŚCI

KOMPOZYTU

rodzaj osnowy i fazy

zbrojącej

udział fazy zbrojącej

właściwości

osnowy

rozmieszczenie fazy

zbrojącej w osnowie

właściwości fazy

zbrojącej

morfologia fazy

zbrojącej

rozmiary fazy

zbrojącej

rodzaj połączenia

pomiędzy komponentami

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA WŁAŚCIWOŚCI KOMPOZYTU

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA WŁAŚCIWOŚCI KOMPOZYTU

POTENCJALNE MATERIAŁOWE SUROWCE WYJŚCIOWE

POTENCJALNE MATERIAŁOWE SUROWCE WYJŚCIOWE

DO SYNTEZY KOMPOZYTU

DO SYNTEZY KOMPOZYTU

KOMPOZYT

Polimery

Szkła

Elastomery

Ceramika

Metale

Rozwój materiałów

Rozwój materiałów

Człowiek od zarania dziejów

wykorzystywał

, a z

czasem

przetwarzał

, materiały potrzebne do zdobycia

pożywienia, zwiększenia swego bezpieczeństwa i
zapewnienia sobie odpowiedniego poziomu życia.

Człowiek

Człowiek

Materiał

Materiał

Siły

Siły

wytwórcze

wytwórcze

Rozwój !!!!

Rozwój !!!!

Projektowanie inżynierskie jest złożonym

Projektowanie inżynierskie jest złożonym

działaniem

działaniem

wymagającym uwzględnienia wielu

wymagającym uwzględnienia wielu

różnorodnych

różnorodnych czynników

czynników

i elementów !!!!!

i elementów !!!!!

Czynniki uwzględniane podczas

Czynniki uwzględniane podczas

projektowania inżynierskiego

projektowania inżynierskiego

Główne

Główne

czynniki

czynniki

Funkcjonalne

Funkcjonalne

Związane z analizą

Związane z analizą

cyklu życia produktu

cyklu życia produktu

Socjologiczne,

Socjologiczne,

ekologiczne

ekologiczne

i

i

ekonomiczne

ekonomiczne

Czynniki

Czynniki

funkcjonalne

funkcjonalne

Specyfikacja

parametrów

użytkowych:

• określenie potrzeb;
• ustalenie ryzyka i

konsekwencji jego
wymagań;

• konsekwencje

zawyżonych
wymagań.

Elementy

projektowania:

• uwzględnienie

naprężeń lub
obciążeń;

• ograniczenia

wymiarów, masy lub
objętości;

• trudne warunki pracy

(agresywne
środowisko);

• przewidywanie

możliwych uszkodzeń;

• niezawodność;
• łatwość konserwacji;
• dostępność;
• skal produkcji;
• itp.

przeprojektowanie:

• analiza projektu;
• uproszczenia i

normalizacja;

• alternatywne

rozwiązania
funkcjonalne.

1.Dobór materiału;

2. Technologiczność;

3. Trwałość;

4. Przystosowanie do recyklingu;

5. Zapotrzebowanie na energię

(w procesie produkcyjnym, odzysku i
eksploatacji);

6. Powiązania ze środowiskiem (wpływ produktu 

środowiska;

7. Badania i próby dla zapewnienia jakości;

8. Transport technologiczny;

9. Konfekcjonowanie i pakowanie;

10.Magazynowanie i spedycja;

11.Wartość złomu.

Czynniki związane z

Czynniki związane z

analizą cyklu życia

analizą cyklu życia

produktu

produktu

Projektowanie inżynierskie z uwzględnieniem

pełnego cyklu życia produktu

technicznego cyklu

życia produktu:

1.cały okres życia produktu,
2.pełny okres życia tworzących
go elementów i materiałów

rynkowego cyklu

rynkowego cyklu

życia produktu:

życia produktu:

związany jest z obecnością
danego produktu na rynku,
począwszy

od

jego

wprowadzenia do wycofania
go z rynku

1. Przegląd stanu zagadnienia:

• dotychczasowa wiedza z tej dziedziny,
• ryzyko naruszenia patentów i wynalazczości,
• produkty konkurencyjne,

2. Zgodność z normami.

• dopuszczenie do użytkowania ze względu na wymagania

bezpieczeństwa (ostrzeżenia, niezamierzone użycie,
oznakowanie),

• wymagania BHP w procesie wytwarzania,
• wymagania związane z ochroną środowiska,
• normy przemysłowe (EN, PN, ISO),

3. Czynniki ludzkie (łatwość użytkowania i konserwacji).

4. Estetyka.

5. Koszt.

Inne ważne czynniki w

Inne ważne czynniki w

procesie projektowania

procesie projektowania

Czynniki ludzkie w projektowaniu inżynierskim

Czynniki ludzkie w projektowaniu inżynierskim

produktów

produktów

Człowie
k

Kształt produktu

Kształt produktu

Konserwacja i

Konserwacja i

eksploatacja

eksploatacja

1.rozmieszczenie
wskaźników i
przełączników,
2.dostępność,
3.Ergonomia.
4.itp..

Estetyka

Estetyka

1.Gładka lub błyszcząca
powierzchnia,
2.piękny kształt
3.wrażenie solidności i odporności
na
4.trudne warunki pracy

Znaczenie kosztów w projektowaniu inżynierskim

produktów

Koszt produktu musi być konkurencyjny w stosunku do porównywalnych produktów znajdujących
się na rynku

Koszt zazwyczaj stanowi jedno z

podstawowych kryteriów w procesie

projektowania

różne materiały

konstrukcje

procesy produkcyjny

Zakup

Zakup

najniższych kosztach

najniższych kosztach

(przy tych samych

(przy tych samych

kryteriach)

kryteriach)

Z

Z

asady doboru materiałów konstrukcyjnych

asady doboru materiałów konstrukcyjnych

Rodzaje

Rodzaje

projektów

projektów

Projekt

Projekt

oryginalny

oryginalny

Projekt

Projekt

adaptacyjny

adaptacyjny

Projekt

Projekt

alternatywny

alternatywny

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

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 zużycia.
• Twardość nie jest wskaźnikiem odporności zużycia.
• Różne rodzaje materiałów są preferowane do zastosowania w

różnych sytuacjach.

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.

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.

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

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,

Dziękuję za uwagę!