MATERIAŁY

MATERIAŁY

KONSTRUKCYJNE I

KONSTRUKCYJNE I

CHARAKTERYSTYKA

CHARAKTERYSTYKA



Materiałami konstrukcyjnymi

Materiałami konstrukcyjnymi

nazywamy materiały

nazywamy materiały

inżynierskie, które są

inżynierskie, które są

wykorzystywane do budowy

wykorzystywane do budowy

maszyn i urządzeń. Do

maszyn i urządzeń. Do

materiałów konstrukcyjnych

materiałów konstrukcyjnych

zaliczamy metale i ich stopy,

zaliczamy metale i ich stopy,

polimery, ceramikę i kompozyty.

polimery, ceramikę i kompozyty.

METALE

METALE



są to materiały, które w stanie stałym

są to materiały, które w stanie stałym

charakteryzują się następującymi

charakteryzują się następującymi

właściwościami:

właściwościami:

- dobre przewodnictwo ciepła i

- dobre przewodnictwo ciepła i

elektryczności,

elektryczności,

- połysk,

- połysk,

- plastyczność,

- plastyczność,

Właściwości te wynikają z wiązania

Właściwości te wynikają z wiązania

metalicznego występującego pomiędzy

metalicznego występującego pomiędzy

atomami tworzącymi metal i budowy

atomami tworzącymi metal i budowy

krystalicznej. Dzielimy je na dwie grupy,

krystalicznej. Dzielimy je na dwie grupy,

żelazne i nieżelazne (kolorowe).

żelazne i nieżelazne (kolorowe).

Dla celów praktycznych

Dla celów praktycznych

metale dzieli się na:

metale dzieli się na:



-metale i stopy żelazne ( stal, żeliwo),

-metale i stopy żelazne ( stal, żeliwo),



- metale i stopy nie żelazne - podstawowy

- metale i stopy nie żelazne - podstawowy

składnik aluminium , miedź, cyna

składnik aluminium , miedź, cyna



W budownictwie pierwsze miejsce

W budownictwie pierwsze miejsce

zużycia ma stal a później żeliwo.

zużycia ma stal a później żeliwo.

Metale dla budownictwa-Zależnie od

Metale dla budownictwa-Zależnie od

składu chemicznego rozróżniamy żeliwo i

składu chemicznego rozróżniamy żeliwo i

jego stopy , metale nieżelazne i jego

jego stopy , metale nieżelazne i jego

stopy.

stopy.

Żelazo i jego stopy-Surowce do

Żelazo i jego stopy-Surowce do

wyprodukowania żelaza

wyprodukowania żelaza



Ze względu na małą odporność żelaza na

Ze względu na małą odporność żelaza na

czynniki agresywne, nie występuje on w

czynniki agresywne, nie występuje on w

przyrodzie w stanie czystym.

przyrodzie w stanie czystym.



Stop żelaza z węglem o zawartości węgla <

Stop żelaza z węglem o zawartości węgla <

2%= stal

2%= stal



Staliwo- stop żelaza z węglem o zawartości

Staliwo- stop żelaza z węglem o zawartości

węgla do 2,1 % stosowany w stanie odlanym

węgla do 2,1 % stosowany w stanie odlanym

nie obrobionym plastycznie

nie obrobionym plastycznie



Żeliwo- to stop żelaza z węglem o zawartości

Żeliwo- to stop żelaza z węglem o zawartości

węgla powyżej 2,1 %, w którym podczas

węgla powyżej 2,1 %, w którym podczas

krzepnięcia zachodzi przemiana eutektyczna.

krzepnięcia zachodzi przemiana eutektyczna.

Stale konstrukcyjne

Stale konstrukcyjne



to stale stosowane do

to stale stosowane do

wyrobu części maszyn,

wyrobu części maszyn,

urządzeń i konstrukcji

urządzeń i konstrukcji

pracujących w zwykłych

pracujących w zwykłych

warunkach tj. w temp. nie

warunkach tj. w temp. nie

przekraczającej 300 C.

przekraczającej 300 C.

Właściwości stali:

Właściwości stali:



- dobra wytrzymałość

- dobra wytrzymałość



- dobre właściwości plastyczne,

- dobre właściwości plastyczne,

wysoka granica plastyczności

wysoka granica plastyczności



- wysoka wytrzymałość

- wysoka wytrzymałość

zmęczeniowa

zmęczeniowa



- wysoka twardość powierzchniowa

- wysoka twardość powierzchniowa



- odporność na ścieranie

- odporność na ścieranie

Stale konstrukcyjne dzielą

Stale konstrukcyjne dzielą

się na:

się na:



-niskostopowe o podwyższonej

-niskostopowe o podwyższonej

wytrzymałości

wytrzymałości



-stale do nawęglania

-stale do nawęglania



-stale do ulepszania cieplnego

-stale do ulepszania cieplnego



- stale do azotowania

- stale do azotowania



-stale sprężynowe

-stale sprężynowe



-stale na łożyska toczne

-stale na łożyska toczne

POLIMERY

POLIMERY



są nazywane także tworzywami

są nazywane także tworzywami

wielkocząsteczkowymi. Dzielą się na

wielkocząsteczkowymi. Dzielą się na

naturalne i sztuczne.

naturalne i sztuczne.



-

-

Naturalne

Naturalne

nazywane biopolimerami

nazywane biopolimerami

otrzymuje się poprzez obróbkę i częściową

otrzymuje się poprzez obróbkę i częściową

modyfikacje surowców naturalnych.

modyfikacje surowców naturalnych.



- Sztuczne

- Sztuczne

powstają w wyniku łączenia

powstają w wyniku łączenia

najczęściej wiązaniami kowalencyjnymi

najczęściej wiązaniami kowalencyjnymi

wielu identycznych niewielkich

wielu identycznych niewielkich

ugrupowań atomów, zwanych

ugrupowań atomów, zwanych

monomerami.

monomerami.

Polimery,

Polimery,



nazywane także, tworzywami sztucznymi lub

nazywane także, tworzywami sztucznymi lub

plastikami stanowią grupą materiałów

plastikami stanowią grupą materiałów

organicznych, złożoną ze związków węgla,

organicznych, złożoną ze związków węgla,

wodoru i innych pierwiastków

wodoru i innych pierwiastków

niemetalicznych. W skład polimerów wchodzą

niemetalicznych. W skład polimerów wchodzą

również dodatki barwników lub pigmentów,

również dodatki barwników lub pigmentów,

katalizatorów, napelniaczy, zmiękczaczy

katalizatorów, napelniaczy, zmiękczaczy

(plastyfikatorów), antyutleniaczy i innych. W

(plastyfikatorów), antyutleniaczy i innych. W

temperaturze pokojowej polimery

temperaturze pokojowej polimery

są bezpostaciowe lub krystaliczne.

są bezpostaciowe lub krystaliczne.

Podział polimerów:

Podział polimerów:



Polimery w zależności od kształtu i

Polimery w zależności od kształtu i

budowy makrocząsteczki można

budowy makrocząsteczki można

podzielić na 4 grupy:

podzielić na 4 grupy:

a) liniowe

a) liniowe

b) liniowe z rozgałęzieniami

b) liniowe z rozgałęzieniami

c) z rozgałęzieniami poprzecznymi

c) z rozgałęzieniami poprzecznymi

d) silnie usieciowione

d) silnie usieciowione

Właściwości polimerów są

Właściwości polimerów są

zależne od

zależne od



wielkości makrocząstek, tzn.

wielkości makrocząstek, tzn.

od liczby jednostek

od liczby jednostek

monomerycznych zawartych

monomerycznych zawartych

w każdej makrocząstce.

w każdej makrocząstce.

Głównymi sposobami

Głównymi sposobami

łączenia polimerów są

łączenia polimerów są



klejenie, zgrzewanie

klejenie, zgrzewanie

oraz stosowanie różnych

oraz stosowanie różnych

złączek, które często

złączek, które często

wykonuje się z

wykonuje się z

polimerów.

polimerów.

CERAMIKA

CERAMIKA

Ceramika są to

Ceramika są to



nieorganiczne związki metali z tlenem,

nieorganiczne związki metali z tlenem,

azotem, węglem, borem i innymi

azotem, węglem, borem i innymi

pierwiastkami. Atomy są połączone

pierwiastkami. Atomy są połączone

wiązaniem jonowym i kowalencyjnym.

wiązaniem jonowym i kowalencyjnym.

Po zaformowaniu materiały

Po zaformowaniu materiały

ceramiczne wygrzewane są w

ceramiczne wygrzewane są w

wysokich temperaturach.

wysokich temperaturach.



- większość materiałów ceramicznych

- większość materiałów ceramicznych

to tlenki lub związki chemiczne

to tlenki lub związki chemiczne

metalu z pierwiastkiem C, N, P, S

metalu z pierwiastkiem C, N, P, S

Właściwości ceramiki:

Właściwości ceramiki:



-stabilność chemiczna tj. odporność na

-stabilność chemiczna tj. odporność na

utlenianie w podwyższonej temp.

utlenianie w podwyższonej temp.



- twardość i odporność na zużycie

- twardość i odporność na zużycie

ścierne

ścierne



- mały ciężar, są o połowę lżejsze niż

- mały ciężar, są o połowę lżejsze niż

wyroby ze stali,

wyroby ze stali,



- zróżnicowane właściwości cieplne:

- zróżnicowane właściwości cieplne:

ceramika węglikowa dobrze przewodzi

ceramika węglikowa dobrze przewodzi

ciepło.

ciepło.

Podział ceramiki:

Podział ceramiki:



- wielkotonażowa

- wielkotonażowa



- specjalna

- specjalna



-szkło

-szkło



Ceramika wielkotonażowa

Ceramika wielkotonażowa

obejmuje przede wszystkim

obejmuje przede wszystkim

materiały budowlane (cement,

materiały budowlane (cement,

gips, cegły, płyty), ceramikę

gips, cegły, płyty), ceramikę

sanitarną, ogniotrwałą itp.

sanitarną, ogniotrwałą itp.

Podstawowymi surowcami

Podstawowymi surowcami

do wyrobu tej ceramiki są:

do wyrobu tej ceramiki są:



1. Glina

1. Glina

– składająca się z bardzo

– składająca się z bardzo

drobnych ziarn uwodnionego krzemianu

drobnych ziarn uwodnionego krzemianu

glinu,

glinu,

2. Krzemionka

2. Krzemionka

– krystaliczna odmiana

– krystaliczna odmiana

SiO2, zwana również kwarcem.

SiO2, zwana również kwarcem.

3. Skaleń

3. Skaleń

– glinokrzemian metali

– glinokrzemian metali

alkalicznych stanowiących mieszaninę:

alkalicznych stanowiących mieszaninę:

skalenia potasowego, skalenia sodowego i

skalenia potasowego, skalenia sodowego i

skalenia wapniowego.

skalenia wapniowego.

Ceramika specjalna

Ceramika specjalna



to zróżnicowana grupa materiałów

to zróżnicowana grupa materiałów

i produktów. Należą do niej

i produktów. Należą do niej

materiały dla elektroniki, na

materiały dla elektroniki, na

narzędzia skrawające i elementy

narzędzia skrawające i elementy

odporne na ścieranie, tworzywa

odporne na ścieranie, tworzywa

ogniotrwale o wysokiej jakości,

ogniotrwale o wysokiej jakości,

ceramika stosowana w przemyśle

ceramika stosowana w przemyśle

jądrowym, w silnikach cieplnych,

jądrowym, w silnikach cieplnych,

ceramika dla celów medycznych.

ceramika dla celów medycznych.

Jako przykłady można

Jako przykłady można

podać:

podać:



1. Ferryty

1. Ferryty

– ceramiczne materiały

– ceramiczne materiały

magnetyczne z których najważniejszy to

magnetyczne z których najważniejszy to

magnetyt. W zależności od

magnetyt. W zależności od

charakterystyki znalazły zastosowanie na

charakterystyki znalazły zastosowanie na

elementy pamięci w komputerach,

elementy pamięci w komputerach,

rdzenie transformatorów wysokiej

rdzenie transformatorów wysokiej

częstotliwości, trwałe magnesy.

częstotliwości, trwałe magnesy.

Jako przykłady można

Jako przykłady można

podać:

podać:



2. Sialon

2. Sialon

– tworzywo

– tworzywo

konstrukcyjne

konstrukcyjne

stosowane na łopatki

stosowane na łopatki

turbin i elementy

turbin i elementy

silników cieplnych.

silników cieplnych.

Jako przykłady można

Jako przykłady można

podać:

podać:



Cermetale

Cermetale

– złożone z drobnych

– złożone z drobnych

cząstek krystalicznej ceramiki

cząstek krystalicznej ceramiki

(np. węglików) rozmieszczonych

(np. węglików) rozmieszczonych

na osnowie metalowej, np. WC

na osnowie metalowej, np. WC

w osnowie

w osnowie

Co, przeznaczone na narzędzia

Co, przeznaczone na narzędzia

skrawające.

skrawające.

3.

3.

Materiały ceramiczne

Materiały ceramiczne

stosowane są m.in.

stosowane są m.in.



- jako tworzywa elektro-

- jako tworzywa elektro-

iTermoizolacyjne,

iTermoizolacyjne,



- jako tworzywa żaroodporne

- jako tworzywa żaroodporne

(wysoka temperatura topnienia),

(wysoka temperatura topnienia),



- odporne na działanie czynników

- odporne na działanie czynników

chemicznych.

chemicznych.

Szkła –

Szkła –



to materiały nieograniczone,

to materiały nieograniczone,

głównie tlenki, których stan fizyczny

głównie tlenki, których stan fizyczny

jest stanem pośrednim pomiędzy

jest stanem pośrednim pomiędzy

stanem ciekłym a stałym. Szkła są

stanem ciekłym a stałym. Szkła są

materiałami bezpostaciowymi, w

materiałami bezpostaciowymi, w

których występuje uporządkowanie

których występuje uporządkowanie

bliskiego zasięgu.

bliskiego zasięgu.

Najważniejszą właściwością

Najważniejszą właściwością

szkła jest

szkła jest



-

-

jego przezroczystość

jego przezroczystość

. Podczas

. Podczas

chłodzenia ze stanu ciekłego szkła

chłodzenia ze stanu ciekłego szkła

nie tworzą się puste miejsca ani inne

nie tworzą się puste miejsca ani inne

defekty o wielkości zbliżonej do

defekty o wielkości zbliżonej do

długości fali światła, które są

długości fali światła, które są

przyczyną rozpraszania w

przyczyną rozpraszania w

kryształach niemetalicznych

kryształach niemetalicznych

wytworzonych metodą spiekania.

wytworzonych metodą spiekania.

- Szkło ma bardzo słabe

- Szkło ma bardzo słabe

przewodnictwo elektryczne

przewodnictwo elektryczne



zaliczane jest do izolatorów.

zaliczane jest do izolatorów.

Przewodność cieplna szkła jest o kilka

Przewodność cieplna szkła jest o kilka

rzędów wielkości mniejsza od ceramiki

rzędów wielkości mniejsza od ceramiki

krystalicznej.

krystalicznej.

- Właściwości mechaniczne szkła

- Właściwości mechaniczne szkła

poddanego obciążeniom szybko

poddanego obciążeniom szybko

wzrastającym są podobne do właściwości

wzrastającym są podobne do właściwości

ciał stałych. Przy obciążeniach

ciał stałych. Przy obciążeniach

zmieniających się bardzo wolno szkła

zmieniających się bardzo wolno szkła

zachowują się jak ciecze newtonowskie.

zachowują się jak ciecze newtonowskie.

KOMPOZYTY

KOMPOZYTY

kompozyty

kompozyty



są połączeniem dwóch lub więcej

są połączeniem dwóch lub więcej

odrębnych nie rozpuszczających się

odrębnych nie rozpuszczających się

w sobie faz, z których każda

w sobie faz, z których każda

odpowiada innemu podstawowemu

odpowiada innemu podstawowemu

materiałowi inżynierskiemu

materiałowi inżynierskiemu

zapewniającymi lepszy zespół

zapewniającymi lepszy zespół

własności i cech strukturalnych, od

własności i cech strukturalnych, od

właściwych dla każdego z

właściwych dla każdego z

materiałów składowych oddzielnie.

materiałów składowych oddzielnie.



Materiały kompozytowe

Materiały kompozytowe

znajdują zastosowanie

znajdują zastosowanie

m.

m.

in. w sprzęci kosmicznym ,

in. w sprzęci kosmicznym ,

samolotach, samochodach,

samolotach, samochodach,

łodziach, jachtach.

łodziach, jachtach.



Kompozyty

Kompozyty

są to tworzywa

są to tworzywa

składające się z dwóch lub

składające się z dwóch lub

więcej faz o własnościach

więcej faz o własnościach

nieosiągalnych w żadnym

nieosiągalnych w żadnym

innym materiale.

innym materiale.



Do najbardziej znanych

Do najbardziej znanych

kompozytów należą

kompozytów należą

żelazo -

żelazo -

beton, eternit, szkło zbrojone

beton, eternit, szkło zbrojone

siatką metalową, węgliki

siatką metalową, węgliki

spiekane, cermetale i inne.

spiekane, cermetale i inne.

Kompozyty dzielimy na:

Kompozyty dzielimy na:



- umacniane cząstkami

- umacniane cząstkami

(dyspersyjnie)

(dyspersyjnie)



- umacniane włóknami

- umacniane włóknami

(włókniste) ;

(włókniste) ;



- na umacniane włóknami

- na umacniane włóknami

ciętymi

ciętymi



- na umacniane włóknami ciągłymi.

- na umacniane włóknami ciągłymi.

Kompozyty pozwalają na

Kompozyty pozwalają na

otrzymywanie

otrzymywanie



lekkich, mocnych i

lekkich, mocnych i

elastycznych konstrukcji. Są

elastycznych konstrukcji. Są

nimi także materiały

nimi także materiały

żarowytrzymałe (np. łopatki

żarowytrzymałe (np. łopatki

turbin gazowych) i narzędzia

turbin gazowych) i narzędzia

(np. węgliki spiekane).

(np. węgliki spiekane).



Kompozyt składa się z

Kompozyt składa się z

osnowy

osnowy

i umieszczonego w niej

i umieszczonego w niej

drugiego składnika (zbrojenia) o

drugiego składnika (zbrojenia) o

znacznie lepszych

znacznie lepszych

właściwościach mechanicznych.

właściwościach mechanicznych.



Zbrojenie

Zbrojenie

może mieć postać

może mieć postać

proszku lub włókien. Dodawane

proszku lub włókien. Dodawane

jest do kompozytu w dużej

jest do kompozytu w dużej

ilości. Oddziałuje ono zazwyczaj

ilości. Oddziałuje ono zazwyczaj

tylko fizycznie na osnowę.

tylko fizycznie na osnowę.

Zadania zbrojenia to:

Zadania zbrojenia to:



●

●

poprawia określone

poprawia określone

właściwości mechaniczne i/lub

właściwości mechaniczne i/lub

użytkowe wyrobu

użytkowe wyrobu

●niekiedy zmniejsza koszt

●niekiedy zmniejsza koszt

wsadu surowcowego (dotyczy to

wsadu surowcowego (dotyczy to

napełniaczy proszkowych

napełniaczy proszkowych

Osnowa –

Osnowa –



jest to najczęściej polimer, może to być także

jest to najczęściej polimer, może to być także

metal ( np. tytan, glin, miedź) lub ceramika

metal ( np. tytan, glin, miedź) lub ceramika

( np. tlenek glinu). Wymienione materiały

( np. tlenek glinu). Wymienione materiały

różnią się znacznie właściwościami takimi jak

różnią się znacznie właściwościami takimi jak

wytrzymałość na rozciąganie, sztywność,

wytrzymałość na rozciąganie, sztywność,

odporność na kruche pękanie, temperatura

odporność na kruche pękanie, temperatura

użytkowania, a przede wszystkim różnią się

użytkowania, a przede wszystkim różnią się

ciężarem właściwym. Najczęściej osnową są

ciężarem właściwym. Najczęściej osnową są

polimery, ze względu na ich mały ciężar

polimery, ze względu na ich mały ciężar

właściwy i łatwość kształtowania. Niezależnie

właściwy i łatwość kształtowania. Niezależnie

jednak, jaki to jest materiał osnowa spełnia w

jednak, jaki to jest materiał osnowa spełnia w

kompozycie wymienione funkcje.

kompozycie wymienione funkcje.

Osnowa pełni następujące

Osnowa pełni następujące

funkcje:

funkcje:



●

●

utrzymuje razem zbrojenie

utrzymuje razem zbrojenie

●zapewnia wytrzymałość na

●zapewnia wytrzymałość na

ściskanie

ściskanie

●przenosi naprężenie zewnętrzne

●przenosi naprężenie zewnętrzne

na zbrojenie,

na zbrojenie,

●zatrzymuje rozprzestrzenianie

●zatrzymuje rozprzestrzenianie

się pęknięć,

się pęknięć,



●

●

nadaje wyrobom żądany kształt.

nadaje wyrobom żądany kształt.

Podział kompozytów ze

Podział kompozytów ze

względu na osnowę:

względu na osnowę:



1)kompozyty metalowe

1)kompozyty metalowe

●kompozyty o osnowie ze stopu

●kompozyty o osnowie ze stopu

metali lekkich ( Mg, Al, Ti)

metali lekkich ( Mg, Al, Ti)

●kompozyty o osnowie ze stopu

●kompozyty o osnowie ze stopu

srebra i miedzi

srebra i miedzi

●kompozyty o osnowie ze stopu niklu

●kompozyty o osnowie ze stopu niklu

●kompozyty o osnowie ze stopu

●kompozyty o osnowie ze stopu

ołowiu i cynku

ołowiu i cynku

Podział kompozytów ze

Podział kompozytów ze

względu na osnowę:

względu na osnowę:



2) kompozyty polimerowe

2) kompozyty polimerowe

(żywice termoutwardzalne jak

(żywice termoutwardzalne jak

fenoplasty i aminoplasty;

fenoplasty i aminoplasty;

duroplasty chemoutwardzalne,

duroplasty chemoutwardzalne,

silikony, tworzywa

silikony, tworzywa

termoplastyczne)

termoplastyczne)

Podział kompozytów ze

Podział kompozytów ze

względu na osnowę:

względu na osnowę:



3) kompozyty ceramiczne

3) kompozyty ceramiczne

(materiały budowlane jak

(materiały budowlane jak

cement i gips; materiały

cement i gips; materiały

hutnicze

hutnicze

- głównie ogniotrwałe;

- głównie ogniotrwałe;

materiały stosowane w

materiały stosowane w

elektronice)

elektronice)