Klasyfikacja własności
W technice wyodrębnia się własności:
Własności technologiczne
Własności ekonomiczne
Zespół cech tworzywa charakteryzujących jego
Koszt, Cena !
WYKA
AD 1
zachowanie się w czasie procesów
produkcyjnych.
Chemiczne  określają najczęściej
Fizyczne  określają zachowanie się materiału
zdolność (lub jej brak) do wchodzenia
w polu oddziaływania czynnika fizycznego:
tworzywa w reakcję chemiczną ze
- pole temperatury, przewodność cieplna środowiskiem .
Własności materiałów Najbardziej typowym przykładem jest
- pole elektryczne, przewodność elektryczna
odporność korozyjna tworzywa
- pole magnetyczne podatność magnetyczna
Do własności fizycznych zalicza się również własności:
Mechaniczne - charakteryzujące zachowanie się tworzyw poddanych
działaniu obciążeń mechanicznych.
ż� �
obciążenia statyczne
Własności materiału  to zespół charakterystycznych cech
o moduły sprężystości
określających reakcje tworzywa na bodz
ce zewnętrzne
o granica plastyczności
(obciążenie, temperaturę, środowisko itp.)
o wytrzymałość na rozciąganie, ściskanie, zginanie, skręcanie
o odporność na pękanie
o twardość, ciągliwość
ż� �
obciążenia dynamiczne - udarność
ż� �
zmieniających się cyklicznie - wytrzymałość na zmęczenie
1
3
ż� �
w wysokich temperaturach - wytrzymałość na pełzanie
Zależność między:
- procesami wytwarzania
- strukturą
Materiały bardzo się różnią swoimi właściwościami. Czasem te różnice sięgają
- własnościami
wielu rzędów wielkości:
- moduł sprężystości diamentu jest milion razy większy niż galarety
(10 6 razy większa)
Proces wytwarzania (1) zmienia mikrostrukturę (2) i powoduję zmianę własności(3)
- gęstość osmu jest dziesięć tysięcy razy większa od gęstości styropianu
(10 4 razy większa)
- rezystywność (opór właściwy):
miedz
- 1,67 10 -8 [W� m] polistyren - 10 16 (10 24 razy większa)
- przewodność cieplna
srebro - 419 [W/m K] styropian - 0,023 (2��10 4 razy większa)
1. W wyniku odkształceń plastycznych ulega zmianie kształt
ziaren, powiększa się zdecydowanie gęstość defektów
struktury krystalicznej  następuje wzmocnienie materiału.
2. Wzrost wytrzymałości przy zmniejszeniu plastyczności.
4
Powstaje też anizotropia.
2
Własności odlewnicze
Podstawowymi własnościami charakteryzującymi przydatność metalu lub
Własności technologiczne stopu do celów odlewniczych są:
- lejność - czyli zdolność do wypełniania form. Zależna jest od płynności
tworzywa w temperaturze zalewania formy i decyduje nie tylko o
łatwości wypełniania formy, lecz ma także wpływ na makrostrukturę
Przez własności technologiczne rozumie się tę grupę własności, które
odlewu. Metale i stopy odznaczające się gęstopłynnością dają zwykle
charakteryzują zachowanie się tworzywa w różnych procesach
odlewy porowate, gdyż wydzielające się gazy nie mogą znalez
ć ujścia
technologicznych (wytwórczych) np. w obróbce plastycznej, odlewnictwie
tworzą w nich pęcherze
czy w obróbce skrawaniem
- skurcz metalu - zjawisko zmniejszania objętości podczas krzepnięcia i
chłodzenia, ma wpływ na powstawanie w gotowym przedmiocie
naprężeń mogących spowodować jego pęknięcia lub odkształcenia.
Podstawą oceny własności technologicznych są próby materiału
Z tego powodu w odlewnictwie należy stosować stopy wykazujące małe
przeprowadzane w warunkach zbliżonych do stosowanych w procesach
zmiany objętości podczas krzepnięcia i chłodzenia
obróbkowych, mających na celu wytworzenie określonego produktu.
- jednorodność składu - w przypadku stopów mających dużą różnicę
temperatury początku i końca krzepnięcia podczas procesu krzepnięcia
następuje segregacja składników i odlew ma niejednorodny skład.
Metody odlewnicze należą do szeroko stosowanych technik wytwórczych.
Klasycznym tworzywem odlewniczym jest żeliwo i staliwo. Dobre własności
7
5 lejne mają również stopy metali kolorowych.
PROCES WYTWARZANIA
Własności plastyczne (podatność na obróbkę plastyczną)
W procesie wytwarzania z tworzywa uzyskuje się element o założonym
Podatność tworzywa do odkształceń trwałych, niezbędnych do nadania
kształcie i własnościach
właściwych kształtów w trakcie procesów tłoczenia, kucia.
METALE
Ocenę plastyczności przeprowadza się na podstawie prób: zginania,
Metale mogą być kształtowane przez:
nawijania drutu, próbę kucia oraz próbę tłoczności
- odlewanie - wlanie ciekłego metalu do formy (metody odlewnicze)
- odkształcenie plastyczne - odkształcanie pod wpływem dużych
Skrawalność
nacisków (obróbka plastyczna):
Jest to podatność tworzywa do obróbki skrawaniem. Skrawalność
walcowanie, kucie, wyciskanie, ciągnienie, tłoczenie, gięcie
tworzywa określają: trwałość ostrza, opór skrawania, gładkość
- obróbka skrawaniem - usuwanie nadmiaru tworzywa :
powierzchni obrobionej oraz postać wióra.
toczenie, struganie, frezowanie, wiercenie, szlifowanie
- metalurgia proszków - zagęszczanie drobnego proszku metalowego
Dobra skrawalność występuje najczęściej w tworzywach, które nie
z następnym spiekaniem
odznaczają się dobrymi własnościami mechanicznymi.
- łączenie poszczególnych części metalowych:
spawanie, zgrzewanie, lutowanie, nitowanie, skręcanie, klejenie
8
6
Własności mechaniczne
Spawalność
Reakcją materiału na obciążenie  przyłożone siły zewnętrzne  są powstałe w nim
naprężenia i odkształcenia
Zdolność tworzywa do trwałego połączenia w procesie łączenia dwóch
Każde ciało stałe pod wpływem zrównoważonego układu sił mechanicznych ulega
elementów z tego samego tworzywa przez ich miejscowe stopienie
odkształceniu, a w skrajnym przypadku dekohezji, czyli rozdzieleniu na dwie lub
z dodatkiem lub bez dodatku spoiwa (najczęściej z tego samego
więcej części.
tworzywa)
Reakcja taka jest indywidualna  zależna od dwóch grup czynników:
Zewnętrznych (niezależne od tworzywa)
Miarą spawalności jest wytrzymałość powstałych przy spawaniu spoin,
- stanu obciążenia, który może być realizowany jako:
określana głównie w próbie rozciągania i udarności.
rozciąganie
ściskanie
zginanie
Obrabialność cieplna i cieplno-chemiczna skręcanie
a ponadto może występować jednoosiowy, płaski lub trójosiowy stan naprężenia
Obróbką cieplną nazywa się zabiegi technologiczne umożliwiające dzięki
- charakteru obciążających sił, których działanie może być:
ogrzewaniu i chłodzeniu zmianę mikrostruktury tworzywa , a tym samym
statyczne
zmianę wlasności tworzywa: fizycznych, mechanicznych, technologicznych udarowe
zmienne w czasie
czy chemicznych. Obróbce cieplnej można poddawać praktycznie stopy, w
- temperatury i rodzaju środowiska
których zabiegi cieplne wywołują w stanie stałym zmianę rozpuszczalności
Wewnętrznych (wynikających z budowy tworzywa)
składników lub przemianę eutektoidalną lub alotropową.
- typu wiązań (między atomami, czy cząsteczkami)
- struktury tworzywa (na poziomie kryształu, cząsteczki czy mikrostruktury)
9
11
Rodzaj i wielkość odkształcenia materiału osiągnięte do momentu dekohezji
(rozdzielenia) wskazują na jego stan fizyczny. Dwa takie skrajne stany fizyczne
materiału to:
- stan kruchy (dekohezja następuje bez jego wcześniejszych znaczniejszych
odkształceń)
Stosowanie odpowiednich technik wytwórczych, niezależnie od
- stan plastyczny (wykazuje natomiast duże odkształcenia trwałe przed
celu podstawowego jakim jest wytworzenie elementu
zniszczeniem)
o odpowiedniej postaci konstrukcyjnej, powinno uwzględniać
relację jaka zachodzi między techniką wytwórczą a tworzywem,
Kruchość i plastyczność nie są bezwzględnymi właściwościami materiałów ,
np:
lecz należy traktować je jako charakterystykę zachowania się materiału zależną
od:
- nie każdy materiał nadaje się do spawania czy odlewania
- temperatury,
- ten sam element konstrukcyjny będzie miał różną postać
- stanu naprężenia
konstrukcyjną w zależności od zastosowanej techniki wytwórczej
- prędkości odkształcania.
(technologii).
W przeciwieństwie do materiałów metalicznych oraz nieorganiczno-
niemetalicznych, w organicznych polimerach nieusieciowanych między stanem
kruchym a stanem plastycznym pojawia się jeszcze dodatkowy stan fizyczny  stan
elastyczny lub wysokoelastyczny, w którym tworzywo wykazuje opóz
nienie
odkształcania w stosunku do obciążenia, a po odciążeniu stopniowy zanik
odkształcenia w czasie.
10
12
Naprężenie
Naprężenie jest wartością obciążenia (siły) odniesioną do jednostki
Pod działaniem dostatecznie dużego naprężenia kryształ odkształca się
powierzchni przekroju materiału:
plastycznie. Polega to na przemieszczeniu się części kryształu względem
siebie za pośrednictwem poślizgu bądz
bliz
niakowania.
S
F
F
Fn siła normalna
s� �� S
� � S F
F
Ft siła styczna
Fn
s� =�
s� - naprężenie normalne
S
Ft
t� =�
Fn
Fn �  naprężenie styczne:
S
Ft F
Ft F
13
15
Wymienionym rodzajom naprężeń odpowiadają następujące
Odkształcenie
rodzaje odkształcenia:
Odkształcenie jest to zmiana kształtu lub wymiarów odkształcanego elementu. D�L =� L -� L0
Naprężenia rozciągające powoduje wydłużenie:
Najczęściej stosuje się pojęcie odkształcenia odniesionego do jednostki długości
D�L L -� L0
początkowej i wyrażanego w procentach (odkształcenie względne).
Wydłużenie względne oblicza się następująco: e� =� =�
L0 L0
Odkształcenie materiału, które znika i to
Wydłużeniu towarzyszy odkształcenie poprzeczne:
d -� d0
e�' =�
prawie natychmiast po usunięciu obciążenia,
d0
Stosunek odkształcenia
nazywamy odkształceniem sprężystym,
poprzecznego do wydłużenia jest
natomiast odkształcenie nie zanikające po
dla danego materiału stałe i
usunięciu przyczyny  odkształceniem
nazywa się liczbą Poissona:
trwałym lub plastycznym.
e�'
=� -�
Odkształcenie sprężyste polega na
e�
sprężystym ugięciu sieci w kierunku
działania naprężenia. Wychylenie atomów
z pozycji równowagi powiększa energię
Naprężenia ścinające (tnące) wywołują odkształcenia
potencjalna kryształu.
postaciowe:
w
Po usunięcia naprężenia atomy zmniejszają
Q�
g� =� =� tgQ�
swoja energię, powracając do położeń
L
równowagi, co powoduje zanik odkształcenia
14
16
Wartość modułów maleje ze zmniejszaniem się energii wiązania:
Sprężystość
- największą wartość modułu sprężystości mają struktury kowalencyjne,
jonowe i metaliczne
Sprężystość jest to własność polegająca na powrocie odkształconego ciała do jego
- najmniejszą bezpostaciowe polimery wielkocząsteczkowe.
pierwotnej formy po zniknięciu sił wywołujących odkształcenie.
Materiał idealnie sprężysty podlega prawu Hooke a  odkształcenie wywołane Moduł sprężystości Liczba Temperatura
Materiał
Poissona topnienia
w materiale jest proporcjonalne do naprężenia i niezależne od czasu oraz zanika
�
s�
całkowicie po usunięciu naprężenia.
Podłużnej E Poprzecznej ��C
GPa GPa
Aluminium 70,6 24,5 0,33 660
Miedz
124,5 44,1 0,36 1083
e�
Mosiądzv 30% Zn 102,0 36,2 - � 960
Największe naprężenia powodujące wyłącznie odkształcenia sprężyste nazywamy
Nikiel 213,9 79,4 0,30 1455
granicą sprężystości.
Ołów 17,6 6,4 0,40 327,4
Tytan 106,9 - - 1667
Stosunek naprężenia do odkształcenia, czyli stała sprężystości, zwana modułem
Stal 206 81,5 0,30 ( Fe 1535)
sprężystości (wyrażany jest w MPa) jest wielkością, która charakteryzuje materiał. Żeliwo 110,8 52 0,17
Kauczuk twardy 19,6 - 0,43
Polistyren 29,4 - -
Ze względu na różnorodne stany naprężenia i odpowiadające im różną geometrię
Polichlorek winylu 34,3 - -
odkształcenia nie można posługiwać się tylko jednym rodzajem modułu sprężystości.
Szkło sodowe 68,6 - 0,23
17
19
Moduły sprężystości
Plastyczność
Przy jednoosiowemu rozciąganiu i ściskaniu: moduł sprężystości podłużnej
Plastycznością nazywamy zdolność tworzywa do trwałych odkształceń
(moduł Younga):
bez pękania pod wpływem przyłożonych obciążeń.
s�
E =�
Zachowanie tworzywa doskonale plastycznego można przedstawić w postaci
e�
takiego wykresu np. rozciągania.
Przy ścinaniu i skręcaniu: moduł sprężystości poprzecznej czyli moduł ścinania
(moduł Kirchhoffa):
s� .
t�
G =�
R e To jest oczywiście
g�
zachowanie wyidealizowane
Materiały izotropowe charakteryzuje jedna wartość modułu sprężystości,
natomiast materiały anizotropowe (monokryształy metali) lub o strukturze
warstwowej (mika, grafit) mają, zależnie od kierunku, różne wartości modułów e�
sprężystości. Dla materiałów izotropowych wielkości: E, G, i � związane są
Miarą odporności tworzywa na odkształcenie plastyczne jest naprężenie, które
zależnościami:
nazywamy granicą plastyczności i oznaczamy
Re
Jest to taka wartość naprężenia, przy której wystąpi trwałe odkształcenie
tworzywa bez pęknięcia.
20
18
Własności plastyczne charakteryzują takie parametry:
Granica plastyczności może stać się podstawą sformułowania dla
Trwałe wydłużenie względne A
materiałów sprężysto-plastycznych kryterium w obliczeniach
wytrzymałościowych:
Lu -� Lo
A =� ��100%
Lo
s� Ł� Re
To naprężenie wynika z: Re jest cechą tworzywa
- przyłożonego obciążenia zależy tylko wyłącznie od
Trwałe przewężenie w miejscu złomu próbki Z
- wielkości przekroju tworzywa,
s� = F / S jest własnością
So -� Su
Z =� ��100%
czyli jest to naprężenie tworzywa
So
istniejące w przekroju
elementu
23
21
Wytrzymałość
Uwagi do granicy plastyczności
Pod pojęciem wytrzymałości rozumiemy zdolność tworzywa do
1. Re zależy od stanu obciążenia i dlatego należy wyróżnić:
przeciwstawiania się niszczącemu działaniu obciążenia. Na podstawie
Re  na rozciąganie (ściskanie)
badań empirycznych możemy dojść do wniosku, że każde tworzywo ma
Reg  na zginanie
Res  na skręcanie
ograniczoną zdolność do akumulacji energii. Jeżeli przekroczymy pewien
poziom naprężenia, element utraci spójność i wystąp złom (pęknięcie).
2. Są tworzywa, które mają tzw. fizyczną granicę plastyczności, ale są też
tworzywa, które nie mają fizycznej granicy plastyczności. Wprowadza się
Zjawisko wytrzymałości związane jest z rozdzieleniem się materiału
zatem pojęcie umownej granicy plastyczności:
(dekohezją)  pęknięciem. O ile zjawisko to jest wspólne dla różnych
przypadków, o tyle mechanizmy wywołujące pęknięcia są różne
i dlatego należy wyróżnić:
R0,2 - jest to takie naprężenie,
przy którym trwałe odkształcenie
- wytrzymałość doraz
ną
wyniesie e� = 0,2 %
- wytrzymałość zmęczeniową
- wytrzymałość na pełzanie
- wytrzymałość na obciążenia udarowe (udarność)
- wytrzymałość na kruche pękanie
24
22
Statyczna próba rozciągania
Próba rozciągania jest podstawowym rodzajem badania metali mających
zastosowanie w technice i pozwala na określenie własności plastycznych
i wytrzymałościowych metalu.
Próba polega na osiowym rozciąganiu próbek o ściśle określonym kształcie
w uchwytach specjalnych maszyn zwanych maszynami wytrzymałościowymi lub
zrywarkami.
Próba rozrywania umożliwia określenie :
- wytrzymałości na rozciąganie - granicy plastyczności
- wydłużenia - przewężenia
- modułu Younga
27
25
L0  początkowa długość pomiarowa
próbki
Lu  długość pomiarowa próbki po
zerwaniu
S0  pole powierzchni przekroju
początkowego próbki
Su  pole powierzchni przekroju próbki
po zerwaniu
Fm
Rm =�
Wytrzymałość na rozciąganie
S0
Fe
Re =�
Wyraz
na granica plastyczności
S0
FeH
ReH =�
Górna granica plastyczności
S0
FeL
ReL =�
Dolna granica plastyczności
S0
28
26
Metoda Brinella
Twardość
Twardość wg Brinella jest to stosunek sił, działającej prostopadle do badanej
powierzchni obciążającą stalową kulkę, do powierzchni odcisku (powierzchni
Twardość jest własnością, której nie można zdefiniować jednoznacznie.
czaszy kulistej) jaki ta kulka zostawiła w badanym materiale.
W różnych próbach, których celem jest pomiar twardości, w rzeczywistości
mierzy się różne własności.
Próby te można sklasyfikować (według) w zależności od rodzaju oporu
tworzywa stawianego podczas próby.
- statyczne próby twardości, podczas których opór tworzywa
spowodowany działaniem obciążenia statycznego związany jest
F F
z odkształceniem plastycznym
HB =� =�
p�
P
- dynamiczne próby twardości, podczas których opór tworzywa
�� D�� (D -� D2 -� d2 )
2
wywołany działaniem obciążenia udarowego jest związany z
odkształceniem sprężystym lub plastycznym.
- próby zarysowania, w których opór tworzywa związany jest z jego
zarysowaniem
29
31
Metoda Vickersa
Podstawowe znaczenie praktyczne zyskały statyczne próby twardości.
Pomiar twardości dokonuje się diamentową
czworościenną piramidką o kącie rozwarcia między
W tym przypadku TWARDOŚCI
możemy nazwać własność ciał stałych
ścianami 136�. Twardośc wyznacza się ze wzoru:
polegającą na stawianiu oporu odkształceniom plastycznym przy lokalnym
oddziaływaniu nacisku na ich powierzchnię wywieranego przez inne
F F
bardziej twarde ciało. Inaczej mówiąc:
HV =� =� 0,189
P
d2
TWARDOŚĆ można określić jako miarę odporności tworzywa na
odkształcenia trwałe (plastyczne) powstające w wyniku wciskania
P  pole pobocznicy odcisku
wgłębnika.
Do najczęściej stosowanych w technice metod pomiarów twardości
należą metody:
BRINELL a ROCKWELL a VICKERS a
Pomiar polega na wtłaczaniu w badaną powierzchnię specjalnej końcówki
pomiarowej obciążonej siłą o określonej wartości (oczywiście pomiar jest
32
znormalizowany)
30
Pomiar przy pomocy młotka Poldiego
Metoda Rockwella
Jest to porównawcza metoda dynamiczna, polegająca na równoczesnym wciskaniu
Próba ta polega na dwustopniowym wciskaniu w badany materiał stożka
kulki w materiał badany oraz wzorcowy, o znanej twardości HBw .
diamentowego lub kulki stalowej.
Podstawą określenia twardości Rockwella stanowi pomiar trwałego przyrostu
głębokości odcisku, który jest wyrażony w jednostkach twardości HR.
Twardość odczytuje się bezpośrednio na wyskalowanym czujniku.
Twardość badanego materiału
wyznacza się ze wzoru:
Stożek diamentowy (o kącie wierzchołkowym 120�� i promieniu zaokrąglenia
0,2 mm) stosuje się dla stali węglowych i stopowych w stanie zahartowanym
i ulepszonym cieplnie oraz innych materiałów o twardości 20 - 60 HRC
D -� D2 -� d2
w
HB =� HB
Kulki o średnicy 1/16" używa się dla twardości 35 - 200 HRB. w
D -� D2 -� d2
35
33
Metodę wykorzystującą odporność tworzywa na zarysowanie stosuje się
Z dynamicznych prób twardości stosowane są:
do badania twardości:
- dynamiczno-sprężysta metoda Shore a
- minerałów
- dynamiczno-plastyczna metoda porównawcza za pomocą
- skał
młotka Poldi
- materiałów ceramicznych
Wyniki ocenia się wg skali Mosha utworzonej z 10 minerałów o rosnącej
twardości
Metoda skleroskopowa Shore a  w której za miarę twardości przyjmuje
się wysokość odskoku ciężarka stalowego (o masie 2,62 g) zakończonego
1  talk 6  ortoklaz
kulką diamentową lub rubinową spadającą z określonej wysokości (275
2  gips 7  kwarc
mm) na powierzchnię badanej próbki (skala ma 130 jednostek).
3  kalcyt 8  topaz
4  fluoryt 9  korund
Stosuje się np. do pomiaru twardości powierzchni gładkich, których nie
można uszkodzić odciskiem wgłębnika jak również do pomiaru twardości
5  apatyt 10 - diament
gumy
Skala jest tak ułożona, że każdy minerał twardszy może zarysować
bardziej miękki (np. fluoryt (4) rysuje kalcyt(3), ale bardziej miękki nie
może zarysować minerału twardszego.
34
36
Pomiędzy wytrzymałością na rozciąganie a twardością HB (w mierze Brinella) istnieje dla
cd
szeregu tworzyw metalicznych określona zależność.
Dla stali węglowych daje się ona ująć wzorem:
Rm (w MPa) = 3,4  3,6 HB
Dla miedzi i stopów miedzi:
Rm (w MPa) = 4,0  5,5 HB
Dla aluminiium i stopów aluminium
Rm (w MPa) = 2,4  3,0 HB
( jeżeli twardość podstawimy w mierze Brinella to wytrzymałość otrzymamy w MPa )
Umożliwia to szybkie określenie wytrzymałości na rozciąganie na podstawie taniego
pomiaru twardości zamiast długotrwałej i kosztownej próby rozciągania.
Twardość mierzy się zwykle w celu:
porównania materiałów
Na rysunku pokazano porównanie twardości uzyskanych
sprawdzenia poprawności przeprowadzenia obróbki cieplnej
różnymi metodami, należy pamiętać że są to porównania
w celu kontroli jakości
orientacyjne
37 38