właściwości mechaniczne materiałów

- moduł sprężystości (Younga)
-granica plastyczności
- wytrzymałość
- twardość
- odporność na pękanie
- wytrzymałość zmęczeniowa
- odporność na pełzanie

Rodzaje (klasy) materiałów:

- metale
- materiały ceramiczne
- tworzywa sztuczne (polimery)
- kompozyty
-tworzywa naturalne
- minerały
- nanomateriały
- półprzewodniki
- tkaniny

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Materiały metaliczne, tj. metale techniczne i ich stopy, 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. Wadą materiałów metalicznych jest na ogół duży ciężar właściwy. Stanowią one podstawowe tworzywo na wyroby przemysłu maszynowego oraz na konstrukcje metalowe.

Do metali używanych w technice należą: aluminium, antymon, beryl, bizmut, chrom, cyna, cynk, kadm, kobalt, magnez, mangan, miedź, molibden, , platyna, rtęć, srebro, tytan, wanad, wolfram, złoto, żelazo

Metal jest materiałem (najczęściej krystalicznym) o wiązaniach metalicznych, którego główne cechy to:

• plastyczność

• sprężystość

• dobre przewodnictwo prądu elektrycznego oraz ciepła

• ujemny współczynnik temperaturowy przewodności elektrycznej

• nieprzezroczystość

• metaliczny połysk

• wytrzymałość mechaniczna

• łatwość obróbki

-----------------------------------------------------------------------------------------------------

Materiały ceramiczne należą w zasadzie do tworzyw krystalicznych, jakkolwiek mogą mieć pewien udział fazy amorficznej.

Materiały ceramiczne charakteryzuje szczególnie:

• duża twardość odporność na ścieranie

• kruchość

• ognioodporność

• nieprzewodność cieplna (izolatory cieplne)

• nieprzewodność elektryczna (izolatory elektryczne)

• brak właściwości magnetycznych

• odporność na utlenianie

• podatność na gwałtowne zmiany temperatury

Podział:
- wyroby o czerepie porowatym (cegły, pustaki ścienne i stropowe, dachówki, płytki ścienne)

- wyroby o czerepie zwartym ( porcelana, kamionka, klinkier, terakota )

- ceramika półszlachetna – wyroby fajansowe i porcelanowe (umywalki, sedesy)

Zastosowanie:
elementy żaroodporne, elektroizolacyjne, termoizolacyjne oraz jako specjalne materiały narzędziowe (ostrza narzędzi skrawających, środki ścierne i polerskie).

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Polimery są to tworzywa organiczne złożone ze związków węgla. Tworzone są przez węgiel wodór i inne pierwiastki niemetaliczne na drodze chemicznej modyfikacji produktów pochodzenia naturalnego lub przez syntezę produktów chemicznej przeróbki węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego.

Cechami charakterystycznymi polimerów są:
- niski ciężar właściwy,
- odporność chemiczna,
- mała przewodność cieplna i elektryczna,
- niska temperatura przerobu,
- możliwość powtórnego przerobu.

Ze względu na własności użytkowe polimery można podzielić na:
- polimery termoplastyczne, które miękną podczas ogrzewania i twardnieją po ochłodzeniu,
- duroplasty czy polimery chemoutwardzalne lub żywice, które twardnieją pod wpływem podwyższonej temperatury lub chemicznego utwardzacza, po utwardzeniu stają się nietopliwe i nierozpuszczalne,
- elastomery lub gumy, które cechują się skłonnością do dużych odkształceń w temperaturze pokojowej i podwyższonej, które po zdjęciu obciążenia powracają do pierwotnej postaci,
- polimery naturalne, t.j. celuloza, lignina i białko

Zastosowanie tworzyw sztucznych jest dzisiaj ogromne.
Najczęściej wykorzystuje się je w:

- Produkcji opakowań (pudełka, butelki, PET)
- Urządzeniach AGD oraz TV
- Maszynach słabo obciążonych
- Motoryzacji
- Medycynie
- Mechanice precyzyjnej
- Technice lotniczej

Zastosowania polimerów

• tworzywa sztuczne

• farby i lakiery

• kleje i podobne środki powierzchniowo czynne

• polimery ciekłokrystaliczne

• membrany i inne materiały o zdolnościach rozdzielczych

• mikrosfery polimerowe

Kryteria podziału:

• wg struktury polimeru

• wg pochodzenia

• wg topologii cząsteczek

• wg jednorodności budowy

• wg budowy chemicznej

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Kompozyty
Kompozyt jest to materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów (faz) o różnych właściwościach w taki sposób, że ma właściwości lepsze od możliwych do uzyskania w każdym z komponentów osobno oraz lepsze niż wynik prostego ich sumowania.

materiały wielofazowe (zwykle dwufazowe),

najczęściej wyróżniamy:

• osnowa kompozytu (faza ciągła i otaczająca cząstki innej fazy nazywanej umacniającą),

• faza umacniająca o różnej geometrii i względnej ilości, otoczona osnową,

istotne znaczenie ma wytrzymałość granic międzyfazowych (przyczepność, kohezja),

Cechy charakterystyczne

• doskonałe parametry wytrzymałościowe
  i sztywnościowe

• doskonałe własności mechaniczne

• mały ciężar właściwy

• najczęściej celem tworzenia kompozytu jest podwyższenie własności mechanicznych:

  • sztywności,

  • wytrzymałości,

  • odporności na pękanie,

  • odporności na ścieranie,

• różnorodność celów tworzenia kompozytów jest bardzo duża, np:

  • obniżenie ciężaru,

  • obniżenie kosztów,

  • obniżenie modułu sprężystości, np. pianki (polimer + powietrze),

  • zmiana przewodności cieplnej i elektrycznej,

  • zmiana współczynnika rozszerzalności cieplnej,

Zastosowanie:

• budownictwo
  maszty, słupy

wzmocnienia konstrukcji

zbiorniki, rurociągi (celowość stosowania GFRP, przykłady)

konstrukcje mostowe

• elementy nowoczesnych lekkich konstrukcji
  samoloty wojskowe i eksperymentalne

elementy dla lotnictwa pasażerskiego

karoserie samochodowe

materiały i elementy dla medycyny

• sprzęt sportowo-rekreacyjny

lekkie samoloty sportowe (ILot Warszawa – I23)
kadłuby lekkich łodzi
baseny i brodziki
narty, deski, rakiety tenisowe, sprzęt golfowy

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

WŁASNOŚCI UŻYTKOWE MATERIAŁÓW

Odkształcenia - miara deformacji ciała poddanego siłom zewnętrznym. (sprężyste, platyczne)

Sprężystość - zdolność materiału do odzyskiwania pierwotnej postaci po usunięciu siły powodującej odkształcenie.

Plastyczność - zdolność materiału do zachowania postaci odkształconej na skutek naprężeń od obciążeń po usunięciu siły powodującej odkształcenie. Są to odkształcenia trwałe, które powstają po przekroczeniu wartości tzw. granicy plastyczności.

Naprężenie - miara sił wewnętrznych powstających w ciele pod wpływem zewnętrznej, odkształcającej siły.

Twardość - opór, jaki stawia materiał podczas wciskania w niego innego materiału lub zarysowania materiału ostrzami. Pomiar twardości jest bardzo ważną metodą określania właściwości mechanicznych, prostą i szybką do wykonania, dodatkową zaletą jest fakt występowania niekiedy zależności między twardością a innymi własnościami materiału. (metoda Rockwella, Vickersa)

PRAWO HOOKA - prawo mechaniki określające zależność odkształcenia od naprężenia. Głosi ono, że odkształcenie ciała pod wpływem działającej siły jest wprost proporcjonalne do tej siły.

WŁASNOŚCI TECHNOLOGICZNE - Cechy materiału charakteryzujące jego zachowanie się w czasie procesów produkcyjnych. W celu zbadania własności technologicznych określonego materiału naleŜy przeprowadzić tylko te próby, których wyniki będą informować o moŜliwości realizacji przewidywanej obróbki. np. materiały stosowane na odlewy poddaje się próbie lejności, obrabiane zaś przez skrawanie — próbie skrawalności, obrabiane plastycznie — badaniom własności plastycznych itd.

Własności odlewnicze

Lejność- zależna jest od płynności materiału w temperaturze zalewania formy i decyduje nie tylko o łatwości wypełniania formy, lecz ma również wpływ na makrostrukturę odlewu.

Skurcz - metalu podczas odlewania ma wpływ na powstawanie w gotowym przedmiocie naprężeń mogących spowodować jego pęknięcia lub odkształcenia. Z tego powodu należy w odlewnictwie stosować stopy wykazujące małe zmiany objętości podczas krzepnięcia i chłodzenia.

Jednorodność - ma istotny wpływ na własności odlewu. Z tego powodu do celów odlewniczych nadają się szczególnie stopy o małej różnicy temperatury początku i końca krzepnięcia, gdyż wówczas segregacja składników nie jest zbyt duża.

Skrawalność - Podatność materiału do obróbki skrawaniem nazywa się skrawalnością. Dobra skrawalność najczęściej występuje w materiałach, które nie odznaczają się dobrymi własnościami mechanicznymi. Stal wykazująca dobrą skrawalność ma niewielką wytrzymałość na rozciąganie oraz odznacza się kruchością, powodowaną zawartością siarki i fosforu w stali. Skrawalność materiału określają trwałość ostrza, opór skrawania, gładkość powierzchni, obrabianej oraz postać wióra.

Udarność - definiuje się jako stosunek pracy K, potrzebnej do złamania znormalizowanej próbki pod wpływem uderzenia, do jej przekroju poprzecznego S0 w miejscu złamania KC= K/S0 [J/cm2] lub pracy w dżulach [J] potrzebnej do złamania próbki o znormalizowanym przekroju . Udarność jest miarą odporności metali i stopów na pękanie przy obciążeniach dynamicznych.

Pełzanie - powolne, ciągłe plastyczne wydłużanie się metalu pod stałym obciążeniem i przy stałej temperaturze w miarę upływu czasu.

Wytrzymałość na ściskanie - Badania wytrzymałości na ściskanie przeprowadza się głównie na materiałach kruchych, np. na żeliwie. Próbka w kształcie walca lub sześcianu poddana jest działaniu sił w kierunku prostopadłym do przekroju poprzecznego. Po przekroczeniu pewnego obciążenia próbka ulega zniszczeniu

Wytrzymałość zmęczeniowa - Jeżeli na materiał działają siły zmieniające swą wartość okresowo w czasie, to mogą w nim powstać pęknięcia, chociaż naprężenia określone w stosunku do początkowego przekroju próbki nie osiągnęły nigdy wartości, które przy stałym obciążeniu mogłyby spowodować zniszczenie materiału.

Do stopów stosowanych w technice należą:

żelaza z węglem (stal, staliwo, żeliwo )

miedzi (miedź stopowa, miedzionikiel, mosiądz )

Stopy metali

• stopy aluminium

• stopy cyny

• stopy cynku

• stopy magnezu

• stopy niklu

• stopy ołowiu

• stopy łożyskowe

Stal – stop żelaza z węglem plastycznie obrobiony i plastycznie obrabialny o zawartości węgla nie przekraczającej 2,06%. Węgiel w stali najczęściej występuje w postaci perlitu płytkowego. Niekiedy jednak, szczególnie przy większych zawartościach węgla cementyt występuje w postaci kulkowej w

otoczeniu ziaren ferrytu.

Stal żaroodporna – jest to stal odporna na korozyjne działanie gazów utleniających wysokich temperaturach.

Żaroodporność stali wynika głównie z możliwości tworzenia się na jej powierzchni zwartej zgorzeliny. Do temperatury ok. 560°C utlenianie żelaza zachodzi stosunkowo wolno, powyżej zaś tej temperatury zgorzelinę w większości tworzy FeO (wustyt) który krystalizuje z nadmiarem atomów tlenu, co ułatwia dyfuzję jonów żelaza i przyspiesza utlenianie.

Stale żaroodporne w swym składzie zawierają dodatki stopowe o większym powinowactwie tlenowym niż żelazo, takie jak: krzem, aluminium, chrom.

Ze stali żaroodpornych i żarowytrzymałych wykonuje się elementy pieców, kotłów parowych, wentylatory do gorących gazów, skrzynki do nawęglania, komory spalania turbin gazowych oraz zawory tłokowych silników spalinowych.

OBROBKA CIEPLNA