1.Klasyfikacja konstrukcyjnych materiałów metalowych

Metalowe materiały konstrukcyjne:

• stopy żelaza (Fe+C, Cr, Ni, Mn, W)

* stal do przeróbki plastycznej (kucie, walcowanie, ciągnienie, toczenie)

* odlewnicze

- staliwa (niestopowe, stopowe)

- żeliwa (szare, białe, sferoidalne)

• stopy metali nieżelaznych (Al, Cu, Zn, Sn, Ti)

• Stal – stop żelaza z węglem, plastycznie obrobiony i plastycznie obrabialny o zawartości węgla nieprzekraczającej 2,11%, co odpowiada granicznej rozpuszczalności węgla w żelazie, węgiel w stali najczęściej występuje w postaci perlitu płytkowego

1. Podział ze względu na skład chemiczny:

* stale niestopowe (jakościowe, specjalne) – zawartość pierwiastków jest mniejsza od wartości granicznych

* stale odporne na korozję – stale zawierające min. 10,5% chromu i max. 1,20% węgla

- podział ze względu na za wartość niklu (stale o zwartości poniżej 2,5% Ni, stale o zawartości 2,5% Ni lub większej)

- podział według głównej właściwości (stale nierdzewne, żaroodporne, żarowytrzymałe)

* inne stale stopowe:

- stal stopowa jakościowa – stale konstrukcyjne drobnoziarniste spawalne, przeznaczone do produkcji zbiornika rurociągów pracujących pod ciśnieniem, stale elektrotechniczne zawierające jako pierwiastki stopowe tylko Si lub Si+Al., do produkcji szyn, wyrobów gładkich walcowanych na gorąco lub na zimno

- stal stopowa specjalna – różnorodne właściwości przetwórcze i użytkowe

1. Podział w zależności od zastosowania:

* konstrukcyjne (do ok. 0,85% C) – im większa zawartość C, tym większa granica plastyczności i zdolność stali do przenoszenia obciążeń

* narzędziowe (0,6 – 1,3 % C) – wyrób narzędzi do kształtowania i dzielenia materiałów, w temp. pokojowej lub do 250C, cechy: twardość, odporność na ścieranie, zawartość C większa niż w stalach konstrukcyjnych

* o szczególnych właściwościach

1. Podział w zależności od zawartości zanieczyszczeń:

* zwykłej jakości (P=0,05% masy max., S=0,05% masy max.)

* wyższej jakości (P=0,04% masy max., S=0,04% masy max.)

* o określonym przeznaczeniu (zanieczyszczenia określają normy)

2.Podział tworzyw sztucznych

Tworzywa wielocząsteczkowe:

• plastomery

* termoplasty (termoutwardzalne, chemoutwardzalne) – tworzywa wielokrotnie przetwarzane

- bezpostaciowe (polistyren PS, poliwęglan PC, polichlorek winylu PVC, polimetakrylan metylu PMMA, akrylonitryl-butadien-styren ABS)

- częściowo krystaliczne (poliamid PA6, polietylen PE, polipropylen PP, politereftalan etylenu PET, poliformaldehyd POM)

* duroplasty – tworzywa przetwarzane jednorazowo

- surowiec w postaci proszku – żywce termoutwardzalne - aminowe, fenolowe, fenolowo-formaldehydowe

- surowiec w postaci ciekłej – żywice chemoutwardzalne – poliestrowe, epoksydowe

• elastomery (niewulkanizujące, wulkanizujące)

• Zastosowanie tworzyw:

• PET – butelki na napoje i wodę o objętości 1,5 i 2 litrów, opakowania sztywne, przezroczyste

• HDPE (PE-HD) – polietylen – butelki na domowe chemikalia, buteleczki do tabletek, nakrętki do butelki, zazwyczaj cienkie woreczki i folia szeleszcząca

• PVC – butelki na oleje, znicze, opakowania zabawek, folia, profile (polichlorek winylu)

• LDPE (PE-LD) – plastikowe torby, woreczki, butelki do zgniatania, znicze (polietylen)

• PP – zabawki, pojemniki

• PS – tacki, foremki na jajka, kubki najczęściej w formie styropianu, łatwy do rozpoznania

3.Wpływ temperatury na właściwości tworzyw polimerowych

Stal – Brąz – Aluminium – Sosna – PMMA – PUC – PS – Porcelana – PP – PTFE – HDPE – LDPE – Cegła – Beton

Na prawie wszystkie własności polimerów duży wpływ ma temperatura, ponieważ:

• przemiany fazowe polimerów zachodzą w niskich temp., bliskich temp. użytkowania licznych urządzeń

• polimery, jako związki organiczne, odznaczają się współczynnikiem liniowej rozszerzalności cieplnej (10-krotnie większym w porównaniu z wieloma materiałami tradycyjnymi) – pod wpływem temp. zmienia się ich gęstość i inne właściwości

• od temperatury zależy również wpływ środowiska na polimery. Wzrost przyspiesza agresywne działanie wielu cieczy – utlenianie, hydroliza. Powyżej temp. zeszklenia Tg, a poniżej płynięcia materiału Tm leży temp. mięknienia. Temp. przejścia polimerów w różne stany fizyczne określa termiczny zakres ich użytkowania oraz obróbki plastycznej

• Tworzywa termoplastyczne ze względu na brak poprzecznego sieciowania miękną ze wzrostem temperatury, stają się plastyczne, gęstopłynne, rzadkopłynne. Po oziębieniu odzyskują poprzednie własności. Dalsze ogrzewanie prowadzi do degradacji (wrzenia, parowania, spalania). Można je łatwo utylizować przez przetopienie i ponowne formowanie

• Duroplasty w wyniku poprzecznego sieciowania stają się twarde i kruche. Po podgrzewaniu nie miękną i nie topią się. Po przekroczeniu temperatur krytycznych ulegają degradacji rozkładając się lub spalając się. Ich utylizacja (recykling) jest ograniczona. Można je rozdrobnić i dodawać jako dodatek do świeżego tworzywa przed polimeryzacją, ale to obniża wytrzymałość tworzywa

4.Metody badan właściwości mechanicznych tworzyw sztucznych

1. Próba rozciągania:

• wymagania dla próbek – stałą grubość, stały przekrój w części odcinka pomiarowego, krawędzie równoległe, bez kantów, łagodne promienie krawędzi, wysoka dokładność kształtów i wymiarów

• przygotowanie próbek do testu – odlew, wtrysk, wykrojnik, odlewanie rotacyjne, frezowanie, wycinanie, spiekanie, laminowanie, drukowanie, odlewanie do form, wylewanie

• uchwyty maszyny wytrzymałościowej- mechaniczne gwintowe, hydrauliczne, pneumatyczne, mechaniczne samozaciskowe

• polega na jednoosiowym odkształcaniu odpowiednio przygotowanych próbek i mierzeniu powstających sił, właściwości mechaniczne tworzyw sztucznych można mierzyć maszynami wytrzymałościowymi.

• określamy: wytrzymałość na ściskanie, granica plastyczności, umowna granica plastyczności, odkształcenie przy zniszczeniu, odkształcenie na granicy plastyczności, naprężenie ściskające przy założonym odkształceniu względnym

1. Próba udarności:

• udarność – odporność tworzywa na złamanie przy uderzaniu – stosunek pracy potrzebnej do dynamicznego złamania znormalizowanej próbki z karbem do jej przekroju poprzecznego w miejscu złamania

• polega na określeniu pracy potrzebnej do złamania próbki

• zwolniony z zamocowania młot o energii 25J spada z wysokości h = 0,757 z prędkością V = 3,853 m/s łamiąc umieszczoną swobodnie na podporach próbkę

• czynniki materiałowe wpływające na udarność: stopień krystaliczności, średnia masa cząsteczkowa, stopień usieciowienia, struktura

• sposoby zwiększenia udarności: wprowadzenie napełniaczy elastomerowych lub zmiękczaczy(plastyfikatory), mieszanie tworzyw polimerowych o różnej charakterystyce

1. Próba zginania trójpunktowego:

• twardość – opór przeciw wciskaniu w badany materiał odpowiednio dobranego wgłębnika (kulka, stożek lub ostrosłup)

• pomiary nieniszczące i nie wymagają pracochłonnego przygotowania próbek

• większość metod należy do statycznych – następuje powolne wciskanie wgłębnika przy działaniu siły stałej lub stopniowo wzrastającej do okresowej wartości

• wyznaczamy: wartość modułu sprężystości przy zginanie (Ef) [GPa], wytrzymałość na zginanie (σfn) [MPa), naprężenie zginające przy umownej strzałce ugięcia [MPa]

• polimery mają wysoki powrót w zakresie małych odkształceń – pomiar prowadzi się mierząc głębokość odcisku przy trwającym obciążeniu; wyniki są powtarzalne tylko dla określonych głębokości odcisków (0,15 – 0,35mm) – kształt kulki

• metoda Brinella – wciskanie kulki stalowej o średnicy 10; 5; 2,5; 2 lub 1mm, przy zastosowaniu siły F zależnej od średnicy D i twardości materiału; twardość określana jako stosunek siły do powierzchni czasy odciśniętej w materiale ∏dh, gdzie h – głębokość odcisku

• metoda Rockwella – wgłębnik to kulka stalowao średnicy 1/16 cala lub stożek diamentowy o kącie rozwarcia 120 stopni i promieniu zaokrąglenia r = 0,2. Miarą twardości jest głębokość, na jaką zagłębi się wgłębnik; wartość odczytywana z zegara pomiarowego

• metoda Shore’a dla gum – aparat mieszczący się w dłoni dociska się podstawą do tworzywa. Wgłębnik wystający z podstawy, wypychany sprężyną, wgniata się w materiał, przy czym ustala się równowaga miedzy naciskiem sprężyny a reakcją tworzywa. Dla umiarkowanych tworzyw stosuje się typ A, w którym wgłębnik jest zakończony tępym stożkiem. Dla dużych twardości (typ D) wgłębnik na końcu jest zaostrzony. Zakres skali Shore’a w stopniach od 0 do 100

1. Pomiar ścieralności:

• ścieralność – strata objętości próbki wywołana jego ścieraniem w określonych warunkach

• zużycie ścierne – odrywanie tworzywa z dwu stykających i przesuwających się względem siebie powierzchni, spowodowane wstępującymi nierównościami lub obecności twardych cząstek

• badanie wykonywane przy pomocy walca z papierem ściernym

• ścieralność: X = m1-m2/ρ*L

m1- masa próbki przed procesem, m2- masa próbki po procesie, ρ- gęstość pozorna próbki, L- droga ścierana

• im większa twardość, tym mniejsza ścieralność

1. Pomiar gęstości:

• tworzywa spienione 0,01 – 0,1 g/cm3, polipropylen 0,85 – 0,92, kauczuk naturalny 0,92 – 1, kopolimer ABS 1,04 – 1,06, polistyren PS 1,04 – 1,08, Nybu 6 1,12 – 1,15, poliwęglan 1,2 – 1,22, żywice poliestrowe i epoksydowe, napełnione włóknem szklanym 1,5 – 2,9

• pomiar za pomocą wagi hydrostatycznej

1. Pomiar palności:

• materiały niepalące się – próbka zachowuje swój kształt, we wszystkich przypadkach czuje się zapach formaldehydów, żarzy się w płomieniu, niebiesko-zielony koniec płomienia, nie zwęgla się (politetrafluoroetylen lub polimery zawierające chlor)

• materiały samogasnące – płomień jasny, żółtawy lub bez wyraźnego zabarwienia, kopcący, tworzywo tworzy pęcherze – czysty poliwęglan, nieutwardzone żywice fenolowe lub formaldehydowe

*żółtozielone zabarwienie: zapach palonej gumy (zielona obwódka – chlorowany kauczuk, zielona obwódka otoczona żółtą – neopren) lub PVC i jego pochodne – polimer zmienia barwę na żółtą

• materiały palne – polipropylen – szybko się pali, kapie , zapach, kopcenie – PA (trudny do zapalenia, zapach przypomina palone włosy, płomień biały, później niebiesko-żółty, trzeszczy, ciągnące się krople), PS (zapach słodki, kwiatowy, płomień żółto-pomarańczowy, silnie kopcący), PE/PP (środek płomienia niebieski, zapach parafiny, PP sztywniejszy, PE o niższej gęstości jest elastyczniejszy)

5.Interpretacja krzywej rozciągania tworzyw sztucznych

• próba rozciągania polega na jednoosiowym odkształcaniu odpowiednio przygotowanych próbek i mierzeniu powstających sił. Właściwości mechaniczne tworzyw sztucznych można mierzyć m.in. maszynami wytrzymałościowymi

• w czasie rozciągania szyjka tworzy się w miejscu, gdzie występują największe naprężenia

• w celu scharakteryzowania właściwości tworzywa poddanego rozciąganiu lub ściskaniu są stosowane następujące pojęcia:

• wytrzymałość na ściskanie,

• granica plastyczności,

• umowna granica plastyczności,

• odkształcenie przy zniszczeniu,

• odkształcenie na granicy plastyczności,

• naprężenie ściskające przy założonym odkształceniu względnym.

• krzywa rozciągania przyjmuje różną postać dla różnych materiałów, a już szczególnie dla tworzyw sztucznych. Charakterystycznym elementem dla krzywych rozciągania w przypadku tworzy sztucznych jest krótki zakres prostoliniowości. Po przekroczeniu stosunkowo niewielkich odkształceń naprężenia wzrastają wolniej niż wywołujące je odkształcenie. Ta prawidłowość ma charakter ogólny, chociaż u niektórych polimerów usieciowanych przestrzennie występuje dopiero pod wpływem obciążeń długotrwałych. Brak wyraźniej granicy plastyczności – wyznacza się granicę umowną, tzw. umownej granicy plastyczności R0,2

- moduł Younga – nowa definicja: $E = \frac{\sigma_{2} - \sigma_{1}}{\varepsilon_{0,0025} - \varepsilon_{0,0005}}$ [MPa]

- wydłużenie bezwzględne: L = L − L_o [mm]

- wydłużenie względne: $\varepsilon_{y} = \frac{L}{L_{o}}\lbrack\%\rbrack$

- granica plastyczności (MPa) – pierwsze naprężenie, przy którym wzrost wydłużenia nie powoduje przyrostu naprężenia

6.Wskaźniki bezpieczeństwa w projektowaniu wyrobów

• w przypadkach konstruowania elementów z tworzyw sztucznych wyniki uzyskane podczas doraźnych oznaczeń właściwości wytrzymałościowych są niedostateczne. Jednak w niektórych specyficznych przypadkach przyjmuje się je jako podstawę do obliczeń wytrzymałościowych. W obliczeniach, których podstawą jest kryterium naprężenia dopuszczalnego, powinien być spełniony warunek: $\sigma_{\max} \leq \sigma_{\text{dop}} = \frac{R}{\text{aS}}$, R – wartości odpowiednich wytrzymałości Rm, Re, Ru, itp.; a – całkowity współczynnik korekcji, S – współczynnik bezpieczeństwa

• całkowity współczynnik korekcji jest iloczynem współczynników uwzględniających poszczególny wpływy: a = a₁ * a₂ * a₃ * a₄, gdzie: a1 – współczynnik korekcji z tytułu obciążenia długotrwałego, a2 – z tytułu działania podwyższonej temperatury, a3 – z tytułu wpływu środowiska, a4 – z tytułu warunków przetwórstwa

• czynniki wpływające na wybór współczynnika bezpieczeństwa:

• niejednorodna struktura materiału (wtrącenia)

• naprężenia wstępne (obróbka cieplna, naprężenia montażowe, naprężenia termiczne)

• charakter obciążenia: losowość obciążenia (obciążenia przypadkowe), zmienność obciążenia (zmęczenie materiałów), obciążenia dynamiczne (udarowe)

• warunki eksploatacji (zużycie, korozja)

• spiętrzenia naprężeń (karby, niedokładności wykonania i obciążenia)

• niedoskonałość metod obliczeniowych: zbyt daleko idące uproszczenia, błędy modelowania, niedoskonałość metod analitycznych

7.Ogólne zasady i wytyczne w projektowaniu wyrobów z tworzyw polimerowych

• projektowanie inżynierskie składa się z kilku etapów: analizy właściwości objętościowych i powierzchniowych materiału, rozważania łatwości jego wytwarzania, musi uwzględniać życzenia potencjalnych klientów i być konkurencyjny cenowo w porównaniu z innymi proponowanymi materiałami

• właściwości:

1. wynikające ze struktury materiału: mechaniczne właściwości objętościowe, niemechaniczne właściwości objętościowe, właściwości powierzchni

2. uwarunkowane czynnikami zewnętrznymi związanymi z produkcją: cena i dostępność, cechy produkcyjne – łatwość wytwarzania, łączenia i wykończenia, walory estetyczne – wygląd, faktura powierzchni itp.

• konstruowanie wyrobów z tworzyw sztucznych jest odrębną specjalizacją techniczną, ponieważ wymagana znajomości:

- specyficznych właściwości tworzywa

- uwarunkowań procesu przetwórczego

- zasad kształtowania wypraski w formie

- technologii związanych z wyrobem

- optymalizacji produkcji

- askepktów ekonomicznych – dostępność surowca, cena, możliwość recyklingu

8.Technologiczność wyrobów z uwzględnieniem warunków przetwarzania

• projektując konstrukcję z tworzyw sztucznych, mając na celu optymalizację technologiczności należy rozpatrzyć:

• grubość i kształt ścian (zależy od: przeznaczenia wyrobu, wielkości, kształtu, kosztu, własności wytrzymałościowych gotowego wyrobu, płynności przetwarzanego tworzywa; sprawności i możliwości wtryskarki)

* przeciętnie grubość ścianek wyprasek wtryskowych wynosi 0,8-3mm, a w wypraskach dużych wyrobów do 6mm. Ważną zależnością jest stosunek grubości ściany do długości płynięcia dla danego rodzaju tworzywa sztucznego – pozwala ona określić optymalne parametry technologiczne podczas wtryskiwania

• wzmocnienie ścian, otworów i obrzeży

* aby usztywnić i umocnić ściany stosuje się żebra oraz kołnierze kształtowe. Żebra o grubości większej lub równej grubości ścianki powoduje powstawanie zapadnięć po przeciwnej stronie ścianki, dlatego przy projektowaniu należy zwrócić na to szczególną uwagę – zwiększenie sztywności detalu. Grubość żeberka powinna kształtować się w przedziale 0,5-0,7 grubości ścianki detalu

• pochylenie ścian – ułatwienie wypychania detalu z formy

• zaokrąglenie – zmniejszenie naprężeń karbu – maleje podatność na pękanie wypraski

• kształt i rozmieszczenie otworów

• podcięcia i otwory boczne

• zaczepy

• gwinty

• zawiasy elastyczne

• powierzchnie wypraski, linie łączenia, napisy

• wymiary tolerowane

• zapraski – elementy osadzane w wyrobach wtryskowych wykonanych z innych materiałów; podział: metalowe (elementy usztywniające – tuleje, blachy, rdzenie; łożyskowe – piasty, łożyska; niezależne – ośki, ostrza; złączne – tuleje) i z tworzyw – stosujemy, gdy wymagane jest zwiększenie wytrzymałości wypraski; zalecane materiały: mosiądz, stal i stopy Al.

• Przy konstruowaniu wyrobów wtryskowych należy uwzględnić następujące problemy:

- warunki wypełnienia – długość drogi płynięcia, utrudnienia przepływu / zaokrąglenia, nierównomierność wypełnienia, linie łączenia, efekt płynięcia

- warunki chłodzenia – zasada symetrii odbioru ciepła, zasada równomierności odbioru ciepła, zasada wygrzewania zaprasek metalowych przed formowaniem

9.Kryteria doboru materiałów i technologii wykonania

• sprecyzowanie warunków eksploatacji wyrobu (temp. stosowania – zakres temp. ciągłego obciążenia; obciążenia – chwilowe, cykliczne, statyczne, udarowe; stabilność wymiarów – wpływ zmiany temp. na wymiary; czynniki agresywne – deszcz, roztwory o małym stężeniu; zagrożenie pożarem; biodegradowalność; właściwości optyczne; starzenie – intensywność, rodzaj czynnika; podatność na recycling; czas eksploatacji – pełzanie, starzenie, pęcznienie; współpraca z innymi materiałami)

• dobór rodzaju i gatunku surowca (termoplastyczny czy termoutwardzalny; nienapełnione tworzywo czy kompozyt; możliwość uformowania ścianki – minimalna grubość, droga płynięcia; skurcz przetwórczy – kłopoty z formowaniem; skurcz wtórny – kłopoty ze zmianą kształtu; płynność materiałów – metody ciśnieniowe, bezciśnieniowe; możliwość barwienia; cena; dostępność różnych odmian; zawężenie obszaru wyroby – dodatkowe kryteria; wybór konkretnego gatunku lub zamiennika)

• kryteria wstępne surowca dla potencjalnych metod wytwarzania – parametry odbiorcze surowca (postać surowca wejściowego, warunki suszenia, operacje mieszania, temp. i ciśnienia przetwórstwa; czas formowania do uzyskania wyrobu o stabilnych wymiarach; technologie komplementarne; parametry przetwórstwa – tolerancje parametrów)

• wybór technologii wykonania (wydajność, ilość wyrobów na godzinę; dokładność wymiarów; zmiana właściwości na skutek przerobu materiału; skomplikowanie kształtu – otwory poprzeczne, gwinty; wybór rodzaju maszyny; oprzyrządzenie, technologie pomocnicze; układy narzędziowe; odpad produkcyjny; koszt jednostkowy wyrobu)

• metoda i sposób obróbki powierzchni (znaki graficzne; logo; technologie wykonania – lakierowanie, metalizowanie, naklejanie, nadruk; przygotowanie powierzchni przed zdobieniem; napisy, nazwa modelu, pochodzenie, materiał, skala, instrukcja)

• krytyczna dyskusja rozwiązania (generowanie odpadów; obciążenie środowiska; wydajność gniazda produkcyjnego; nakład pracy ludzkiej; cena; potencjalne przyczyny powstawania braków; konkurencyjność technologii – innowacyjne czy klasyczne)

• utylizacja wyrobu (czas życia, demontaż, wybór metody recyklingu, ekonomiczne sposoby rozdrabniania, odzysk energii, udział gazów toksycznych)

10.Zasady projektowania zaczepów wspornikowych

• zaczepy z tworzyw sztucznych na łączonych elementach zwykle wykonywane są jako wspornikowe, prętowe lub cylindryczne

• do sprawnego działania połączenia zaczepowego potrzebna jest możliwość dużego odkształcenia sprężystego zaczepy przy jednocześnie znacznej sprężystości

• duże odkształcenia wykazują termoplasty krystaliczne, które mogą być krótkotrwale obciążone prawie do granicy plastyczności

$$P = W*\frac{E_{s}*\varepsilon}{I}$$

P – obciążenie, jakiemu poddawany jest wspornik

W = l / e – wskaźnik wytrzymałości na zginanie wspornika, dla przypadku, kiedy wspornik ma przekrój prostokątny W = bh2/6 (?) -> obliczamy b – szerokość wspornika

Es – moduł sprężystości (sieczny) – określany dla materiału wspornika

Ε – wydłużenie

L – długość wspornika

• wpływ wydłużenia ε na sieczny współczynnik sprężystości Es niektórych tworzyw

- strzałka ugięcia: $\varepsilon_{\text{dop}} \geq \frac{3n*f}{2l^{2}}$ -> obliczamy f

- siła złączania (wtłaczania): $Q = P\frac{\mu + tg\alpha_{z}}{1 - \mu tg\alpha_{z}} = P*\mu_{o}$, gdzie: μ – współczynnik tarcia, μo – wielkość określona, αz – kąt wejścia, im jest większy tym większa jest siła wtłaczania, αz > 60^o

11.Zasady projektowania i podstawowe obliczenia wirników wentylatorów

• wirniki sprężarek, wentylatorów – laminaty szklane z żywic poliestrowych

• wirniki silników wiatrowych – z laminatów poliestrowo-szklanych, przestrzeń wewnątrz powłoki wypełnia się poliuretanem piankowym

• lekkość jest jedną z najważniejszych zalet materiałów na wirniki szybkobieżne pomp, sprężarek, wentylatorów, turbin, silników wiatrowych, itp.

• największą dopuszczalną prędkością obwodowa obracającej się tarczy można obliczyć ze wzoru: $v \approx 10\sqrt{\frac{k_{r}}{\gamma}}$, gdzie: v – prędkość obwodowa [m/s], kr – dopuszczalne naprężenie materiału na rozciąganie [Pa], gamma – ciężar właściwy materiału [g/cm3]

• zalety wirników z tworzyw sztucznych: duża trwałość, mały ciężar, dobra odporność chemiczna, duża wytrzymałość względna, dzięki dużej gładkości skrzydeł oraz dużej swobody w kształtowaniu profili skrzydeł na całej długości ,zapewniają najwyższą sprawność wentylatorów w graniach 0,5-0,7

• w obliczeniach wytrzymałościowych wirników z tworzyw sztucznych za podstawę przyjmuje się siły odśrodkowe, pomija się siły bezwładności, tarcia i inne:

- naprężenia rozciągające u stopy skrzydła: σ_f ≤ σ_dop

- wydłużenie skrzydeł

- naprężenia w piaście

- piasta ma kształt pierścieniowy (uproszczenie), stąd:

$\sigma_{n} = \sigma_{f}*\frac{F_{i}}{F_{n}}*\frac{Z_{r}}{2\pi} + \frac{\gamma}{4g}{(d_{n}\omega)}^{2}$

- nacisk jednostkowy na powierzchnię śrub mocujących: $p = \sigma_{f}*\frac{F_{i}}{F_{n}}*\frac{Z_{r}}{2\pi}$

- zmiękczenie śruby piasty na skutek naprężeń rozciągających

- całkowite powiększenie średnicy

• wentylatory chemoodporne – wentylator promieniowy:

- transport medium zawierającego agresywne związki chemiczne (opary kwasów, zasad)

- napływ do wentylatora i wirnika jest osiowy, w komorze wlotowej wirnika zmienia się na promieniowy

- odprowadzenie płynów, dymu, spalin, itp.

- maksymalna temperatura tłoczonego medium +80C

- temperatura otoczenia silnika -15-40C

- średniociśnieniowy wentylator promieniowy o napędzie bezpośrednim

- obudowa, wirnik, tarcza silnika i wlot wykonane ze wzmacnianego promieniami UV polipropylenu

12.Łożyska ślizgowe z materiałów kompozytowych

• na wałku osadzona jest panewka (tuleja, tuleja z kołnierzem), na wcisk, po niej ślizga się wałek

• zapewnienie środka smarnego na styku dwóch powierzchni:

a) warstwa smaru dostarczana z zewnątrz

b) smar umieszczony w materiale

c) smarowanie łożyska – szybki montaż ze średnio dobrych materiałów żywotności 2 lat

• smarownice: kapturkowa, dociskowa sprężynowa, knotowa, igłowa z regulacją przepływu, poprzeczne łożysko ślizgowe smarowane pierścieniem luźnym

• podstawowe kryteria doboru typu łożyska:

a) wielkość występującego jednostkowego obciążenia dynamicznego P=F/A [N/mm2], F – siła przenoszona na łożysko i działająca na wałek, A – powierzchnia rzutu pionowego

b) prędkość ślizgowa (liniowa) V = ∏dn/60000 [m/s], d – średnica łożyska (wałka) [mm], n – prędkość obrotowa [obr/min]

c) współczynnik obciążeniowy PV= P*V

d) temperatura

• dopuszczalne wartości, P,V, PV wybranego typu łożyska powinny być wyższe lub równe wielkościom obliczonym według powyższych wzorów Przekroczenie wartości dopuszczalnych może powodować zmniejszenie trwałości łożyska. Ilość ciepła tarcia pomiędzy łożyskiem i wałkiem jest wprost proporcjonalna do V ślizgania i działającego obciążenia

• kryteria uzupełniające: temperatura pracy w C, praca w środowisku zanieczyszczonym, odporność na korozję, oczekiwana trwałość łożyska zależna od typu pracy, rodzaj pracy wałka

• zastosowanie łożysk samosmarowych: zmechanizowany sprzęt gospodarstwa domowego (suszarka, miksery), narzędzia elektryczne, drążek kierowniczy, zmiana biegów, silniki elektryczne i spalinowe, pompy, kompresory, łóżka szpitalne, zawory, liczniki, urządzenia kontrolno-pomiarowe, maszyny rolnicze i ogrodnicze

• łożyska samosmarowe kompozytowe – stal – brąz – tworzywo (polioksymetylen) – korpus wykonany jest z blachy stalowej z warstwą ślizgową z żywicy typu POM z kieszonkami smarnymi na podkładzie z brązu spiekanego. Łożysko pokryte jest warstwą miedzi spełniającą funkcję ochrony przed korozją i polepszającą odprowadzanie ciepła do obudowy. W korpusie łożyska standardowo wykonany jest otwór do doprowadzania środka smarnego przez układ smarowania. łożysko zwijane z taśmy stalowej z kieszonkami na smar, temperatura pracy -40C – 130C, tarcie 0,04-0,12, zastosowanie: maszyny rolnicze, cylindry hydrauliczne, maszyny budowlane, urządzenia dźwigowe

• łożysko samosmarowe kompozytowe – stal – brąz – tworzywo (PTFE – środek smarujący, teflon), Łożysko oferuje dobre własności ślizgowe przy niskiej cenie. Właściwa warstwa tworzona jest przez warstwę teflonu PTFE na podkładzie z brązu spiekanego. Ze względu na korzystną cenę łożysko znajduje szerokie zastosowanie w wielu maszynach i urządzeniach. Łożyska nie należy stosować w warunkach trwale występującej wilgoci. temperatura pracy 280C, tarcie 0,03-0,25, dobre właściwości ślizgowe, wysokie dopuszczalne obciążenie

13.Łożyska ślizgowe z tworzyw polimerowych

• przy kształtowaniu węzłów tarcia z użyciem polimerów należy pamiętać o ich małej przewodności cieplnej. Jest ona o 150-600 razy mniejsza od przewodności cieplnej metali i ich stopów. Powoduje to szybkie nagrzewanie się tych tworzyw do temperatury przemian strukturalnych i w konsekwencji prowadzi do wyraźnych zmian w jakości i wartości tarcia

• materiały na łożyska ślizgowe z tworzyw sztucznych: poliamid (niski współczynnik tarcia, pochłania wilgoć) do 95C, PA66 – 95C, PA12 – chłonie mało wilgoci – 95C, PE-HD – 95C, PS polistyren – 100C, kopolimer styrenu / akrylonitryl (SAN) – 110 C, DMMA – 120 C, Poliacetal POM – 120 C, PFTE – do 280C, PC

• obliczanie łożysk ślizgowych z tworzyw sztucznych: dobór materiału, obliczenia wytrzymałościowe (reakcje, momenty: skręcający, gnący, naprężenia redukujące), naciski jednostkowe, rozgrzewanie się łożyska, przyrost temperatury łożyska, temperatura na powierzchni, zużycie, nadmiar na wcisk, luz łożyskowy (uwzględnia zmianę łożyska na skutek rozszerzalności liniowej)

• zużywanie się łożyska to proces wycierania łożyska przez obracający się wałek powodujące zwiększenie luzu pomiędzy wałkiem i łożyskiem do wielkości dopuszczalnej. Najczęstszym przypadkiem jest „osiadanie” wałka w łożysku. Obciążenie łożysk ponad wartości dopuszczalne dla danego typu powoduje silne skrócenie jego żywotności lub jego uszkodzenie

• zalety: mały współczynnik tarcia suchego i małe straty energii; zdolność wchłaniania wody i smarów (efekt samosmarowności), zdolność samodocierania łożysk, dobra odporność na ścieranie, duża wytrzymałość na ściskanie, mały ciężar właściwy, odporność na działanie wody i smarów, odporność na korozję, łatwość kształtowania, zdolność tłumienia drgań

• wady: duża higroskopijność i nasiąkliwość, powodująca niestabilność wymiarową, mała przewodność cieplna stwarzająca problem odprowadzania ciepła, duża rozszerzalność cieplna, wpływająca na zmiany luzów

• samosmarujące łożyska z brązu spiekanego, nasączonego olejem, temperatura pracy do 120C, 0,04-0,12 współczynnik tarcia, posiadają mikroporowatą strukturę, wytwarzane technologią metalurgii proszkowej, proszek z brązu + domieszka grafitu jest prasowana w matrycach o wymiarze gotowego łożyska, wypraska spiekana w temp. 800C, drobiny łączą się na zasadzie dyfuzji; średnica wewnętrzna kalibruje się celem nadania odpowiedniej gładkości; łożysko nasącza się próżniowo olejem

*struktura łożysk: posiadają mikro-porowatą strukturę nasączoną olejem. W trakcie pracy wytwarza się układ smarowania hydrodynamicznego zapewniający minimalne tarcie i możliwość prędkości obrotowych do 6m/s a nawet 10m/s i minimalne zużywanie się łożyska i wałka

• łożyska bezobsługowe – właściwości zależą od właściwości smarownych materiałów i charakteryzują się: obciążalnością, maksymalną temperatura pracy łożyska, wartością współczynnika tarcia, odpornością na czynniki chemiczne i inne

• zastosowanie: węzły maszynowe,, w których nie może być stosowane smarowanie konwencjonalne ze względu na jego nieefektywność, w maszynach i urządzeniach, w których smarowanie konwencjonalne może zabrudzić wyrób, w przypadkach, gdy obsługa smarownicza jest niemożliwa, trudna lub wątpliwa, a także gdy jest ona nieopłacalna

14.Kompozyty jednopolimerowe

• kompozyt to materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów o różnych właściwościach, w taki sposób, że ma właściwości lepsze i nowe (dodatkowe) w stosunku do komponentów użytych osobno lub wynikających z prostego sumowania tych właściwości. Kompozyt jest utworzony sztucznie przez człowieka.

Nie jest: stal kwasoodporna, ABS, mosiądz, gips, folia wielowarstwowa

Jest: żeliwo szare, sferoidalne, stal szybkotnąca, płyta gipsowo-kartonowa

• kompozyty jednopolimerowe – kompozyt składający się z włókna (np. polietylenowe) i osnowy, przy czym włókna i osnowa wykonane są z tego samego polimeru. Tego typu struktura daje możliwość przetwórstwa cyklicznego, tzn. produkt po spełnieniu swojej funkcji staje się surowcem

• kompozyty jednopolimerowe to nowe kompozytowe materiały konstrukcyjne to materiały spełniające kryteria: materiał lekki, bardzo duża wytrzymałość właściwa, całkowita odporność na czynniki atmosferyczne, recykling 100% bez odpadu, tani, dostępny surowiec, możliwość formowania wyrobów o powierzchni kilku m2

• najpowszechniej stosowanymi w praktyce włóknami wzmacniającymi są włókna szklane oraz węglowe. Pomimo uzyskania odpowiednich właściwości mechanicznych, ich stosowanie powoduje pewnie niekorzystne zmiany cech tworzywa. Innowacją jest wykorzystanie jako wzmocnienia lekkich włókien termoplastycznych, które z jednej strony pozwalają uzyskać odpowiednie pożądane właściwości, z drugiej umożliwiają ponowne przetwórstwo tych kompozytów

• odpowiednio naprężone włókna charakteryzują się znacznie mniejszą wartością skurczu oraz wyższą temperaturą topnienia w stosunku do analogicznych włókien. Dlatego też podczas formowania kompozytów jednopolimerowych włókna z reguły są unieruchamiane

15.Materiały konstrukcyjne z odpadów

• nowe odpadowe materiały konstrukcyjne: butelki z PET – 13 mln rocznie, wyroby włókiennicze – 9,5 mln, taśmy audio i video – 2 mln, różnego rodzaju opakowania – 1,5 mln, wtórne wykorzystanie butelek – kompozyt o nazwie IZOPET-R – technologia opracowana w Polsce – twórca Jerzy Polaczek

• aspekty wykorzystania odpadów z butelek PET:

I etap: rozdrobnienie butelek do postaci płatków

II etap: zagęszczanie i mieszanie z lepiszczem

III etap: formowanie wyrobów technika przenoszenia

• zastosowanie kompozytu IZOPET-R:

• ocieplanie poziomu podpiwniczonego do głębokości 1m poniżej terenu

• ocieplanie posadzek posadowionych na gruncie (ochrona przed zamarznięciem)

*na właściwości fizyko-mechaniczne płyt termoizolacyjnych wykonanych z kompozytów IZOPET-R znaczący wpływ ma ich gęstość, wielkość i czystość używanych płatków PET, jak i rodzaj i ilość środka wiążącego je

• podłoże pod ogrzewanie podłogowe

• izolowanie ścian piwnic i cokołów przed uszkodzeniami mechanicznymi

• płyty do stabilizacji gruntu na skarpach

• ekrany dźwiękochłonne

• płyty o podwyższonej wytrzymałości

16.Ceramika konstrukcyjna (typy ceramiki, budowa)

• podział ze względu na skład chemiczny:

a) ceramika tlenkowa

* czysta ceramika tlenkowa – Al2O3, Al2O3 + ZrO2

* ceramika mieszana – Al2O3 + ZrO2 + Tic/TiN

* ceramika wzmocniona wiskersami – Al2O3 + SiC (wiskersy), Al2O3 + SiC (monokryształy plastikowe)

b) ceramika azotkowa – Si3N4, Si3N4 + SiAlON

• materiały ceramiczne:

- szkła – wszystkie na bazie SiO2 z dodatkami obniżającymi temperaturę topnienia

- tradycyjne tworzywa wielofazowe z dużym udziałem fazy szklistej lub gliny, używane do wyrobu: naczyń domowych, ceramiki sanitarnej, dachówek, cegieł, itp.

- cement i beton

- nowoczesne tworzywa ceramiczne o szczególnych właściwościach, stosowane w narzędziach skrawających, do obróbki plastycznej

• ceramika funkcjonalna - materiały spełniające specjalną funkcje: dielektryczną, magnetyczną, optyczną, chemiczną

• ceramika konstrukcyjna -przenoszą obciążenia mechaniczne, podlegają rozciąganiu, ściskaniu, zginaniu

• techniczne materiały ceramiczne - zagęszczone tworzywa polikrystaliczne, nieorganiczne, niemetalowe, uzyskujące charakterystyczne właściwości podczas wytwarzania w wys. Temp

• ceramika kowalencyjna – twarda, wysoka temperatura topnienia – są związkami dwóch niemetali (np. SiO2)

• ceramika jonowa – połączenie metalu z niemetalem (NaCl, MgO, Al2O3, ZrO2) – metal i niemetal mają ładunki o różnych znakach. Przyciąganie elektrostatyczne jest głównym czynnikiem powodującymi wiązania jonowe

• mikrostruktura materiałów ceramicznych – mikrostruktura jest rezultatem sposobu ich wykorzystania, polegającego na łączeniu silnie zdyspergowanych cząstek (ziaren) o wielkości rzędu mikrometrów. Z tego powodu większość ceramik ma budowę polikrystaliczną. Najbardziej złożoną postacią ceramiki są materiały wielofazowe krystaliczne i amorficzne. Granice niekoherentne na styku dwóch ziaren – wydzielanie drugiej fazy -> defekty

• wytwarzanie ceramiki – materiałem wyjściowym jest proszek z pewną ilością ciekłego spoiwa, który po wymieszaniu formuje się, suszy i wypala w wysokiej temp. Jeśli sprasowany proszek nagrzeje się do temperatury, w której zachodzi bardzo szybko dyfuzja to cząstki ulegają spiekaniu, tzn. łączą się ze sobą nawzajem, tworząc niewielkie miejsca styku (szyjki)

• materiały ceramiczne:

- korund o dużej gęstości – skład chemiczny: Al2O3 – zastosowanie: narzędzia skrawające do obróbki plastycznej

- węglik i azotek krzemu – SiC, Si3N4 – narzędzia skrawające do obróbki plastycznej

- sialony – Si2AlON3 – odporne na zużycie powłoki

- dwutlenek cyrkonu (regularny) ZrO2 + 5%wag. MgO – łożyska, implanty, części silników i turbin, pancerze

• budowa ceramiki:

17.Wybrane kierunki zastosowań ceramiki technicznej

pierścienie ślizgowe uszczelnień, łożyska ślizgowe smarowane cieczami procesowymi, dysze do rozpylania ściernych i agresywnych mediów, palniki do pieców do wypalania ceramiki, pieców szklarskich

18.Rozpoznanie rodzaju materiału konstrukcyjnego