Dobór materiałów konstrukcyjnych.

Data wykonania ćwiczenia: 04.01.2013, Piątek TN, godz. 13.15

Wykonawcy: Tomasz Foltyn

Kamil Cosgun

Michał Górak

1. Cel ćwiczenia.

Zapoznanie się z zasadami określania kryteriów do selekcji materiałów oraz doborem materiałów wg tych kryteriów.

Zapoznanie się z programem umożliwiającym wybór materiałów wg wcześniej ustalonych kryteriów ze względu na zadanie jakie materiał ma spełniać.

1. Stanowisko pomiarowe.

Do wykonania ćwiczenia użyty został program CES EduPack. Umożliwia on dobór materiałów konstrukcyjnych na podstawie szczegółowych kryteriów, tak aby jak najlepiej wyselekcjonować materiał do określonych warunków pracy. Program zapewnia również szczegółowe analizy dotyczące wybranych materiałów oraz graficzne zestawienia oraz wykresy pokazujące materiały, które najlepiej spełniają określone kryteria. Baza danych programu zawiera bardzo dużą liczbę materiałów konstrukcyjnych i eksploatacyjnych zebranych w podgrupy takie jak np. metale, ceramika, polimery. Kryteria doboru materiałów nie są ograniczone tylko właściwościami fizycznymi i chemicznymi ale są to także kryteria ekonomiczne, środowiskowe oraz warunki wynikłe z geometrii i funkcji pełnionej przez część.

1. Przebieg ćwiczenia.

• Ćwiczenie pierwsze polegało na sprawdzeniu korelacji pomiędzy ilością energii potrzebnej do wyprodukowania 1kg materiału z ilością CO₂ emitowaną podczas jego produkcji przeliczoną na 1 kg materiału.

Wprowadzono do programu określone kryteria oraz wybrano sposób przedstawienia graficznie wymaganej zależności i otrzymano współczynnik korelacji w przybliżeniu równy 1. Materiały, które najkorzystniej spełniają tę zależność to m.in. beton o wysokiej gęstości (powyżej 2600 kg/m³), stal niestopowa AISI 1022 (wyżarzana) a materiały wypadające niekorzystnie w tej zależności to diament, korek (o niskiej gęstości) oraz platyna.

Graficzne przedstawienie tej części ćwiczenia zawarte jest w załączonym pliku „zad. 1”.

Następnie sprawdzono jak wygląda ta zależność w przeliczeniu na objętość materiału.

Współczynnik korelacji również w przybliżeniu wynosił 1 a materiały nie spełniające dobrze tej zależności to m.in. korek, pianka propylenowa.
Wykres do tej części znajduje się w pliku „zad. 1a”.

• Celem kolejnego ćwiczenia było sprawdzenie czy cena materiału skorelowana jest z energochłonnością jego produkcji. Po wprowadzeniu odpowiednich kryteriów otrzymano współczynnik korelacji w przybliżeniu równy 1 oraz zestawienie materiałów najlepiej spełniających tę zależność. Są to m.in. granit, diament, oraz cegła ogniotrwała. Niekorzystnie w tym zestawieniu wypadły m.in. niektóre stopy aluminium.

• Kolejnym ćwiczeniem było sporządzenie zestawienia materiałów o cenie jednostkowej zawierającej się w przedziale 5-15 zł/kg. Wyselekcjonowano cztery grupy materiałów. Były to: metale, szkła i ceramika, pianki i kompozyty oraz polimery i elastomery. W tych grupach dobrano materiały, których cena jednostkowa zawierała się w powyższym przedziale. Były to:

- metale: stop aluminium T7351, stal nierdzewna (kuta)

- szkło i ceramika: granit, szkło borokrzemianowe N16B (główne składniki to tlenek boru i dwutlenek krzemu)

- pianki i kompozyty: pianka poliuretanowa o niskiej gęstości, drewno o średniej gęstości

- polimery i elastomery: EVA (kopolimer etylenu i octanu winylu), kauczuk akrylonitrylo – butadienowy (NBR)

Graficzne zestawienie tych materiałów zawarte jest w pliku „zad. 3”.

• Celem ćwiczenia czwartego było sprawdzenie dla jakiej grupy materiałów spośród metali, ceramiki oraz polimerów istnieje korelacja pomiędzy modułem Younga E oraz granicą wytrzymałości R_e. Po wprowadzeniu określonych kryteriów otrzymano współczynniki korelacji pomiędzy tymi wielkościami:

- dla metali współczynnik jest równy 1,4

- dla ceramiki współczynnik równy 1,5

- dla polimerów współczynnik równy 0,65

Najlepiej zależność pomiędzy modułem Younga oraz granicą wytrzymałości widać dla metali.

• Celem ćwiczenia piątego było wyselekcjonowanie materiałów najbardziej przyjaznych dla środowiska. W tym celu wybrane kryterium to wartość współczynnika recyklingu większa od 0,8. Z zestawienia wynika, że najbardziej przyjazne środowisku są m.in. szkło ołowiowe, stop niklu, żelaza i chromu. Zestawienie tych materiałów znajduje się w pliku „zad. 5”.

• Ostatnim zadaniem było dobranie materiałów najlepiej nadającego się na łopaty turbiny wiatrowej. Wprowadzone ograniczenia to niska gęstość ze względu na lekkość materiału. Drugim kryterium była duża wytrzymałość materiału a więc wysoka granica plastyczności. Ze względu na warunki pracy materiał ten musi być także odporny na działanie wody. Ostatnim ograniczeniem była cena za kilogram materiału.

Wartości liczbowe ograniczeń:

- granica plastyczności: R_e ≥ 1000 MPa

- gęstość: $\rho \leq 4000\ \frac{\text{kg}}{m^{3}}$

- cena 100 − 250 zl

Zgodnie z powyższymi kryteriami wyselekcjonowano 2 materiały:

• Wysokiej wytrzymałości włókno szklane (kompozyt epoksydowy):

- gęstość: $1550 - 1580\ \frac{\text{kg}}{m^{3}}$

- granica plastyczności: 1744 − 2165 MPa

- cena: $179,2 - 220,7\ \frac{\text{PLN}}{\text{kg}}$

- produkcja CO₂ (podczas wytwarzania 1 kg materiału): $21,3 - 23,6\ \frac{\text{kg}}{\text{kg}}$

- zużycie energii do produkcji 1 kg materiału: $261 - 289\ \frac{\text{MJ}}{\text{kg}}$

- współczynnik recyklingu: 0, 018 − 0, 022

• Włókno szklane S (kompozyt epoksydowy):

- gęstość: $1840 - 1970\ \frac{\text{kg}}{m^{3}}$

- granica plastyczności: 1696 − 1758 MPa

- cena: $94,95 - 136,5\ \frac{\text{PLN}}{\text{kg}}$

- produkcja CO₂ (podczas wytwarzania 1 kg materiału): $7,68 - 8,49\ \frac{\text{kg}}{\text{kg}}$

- zużycie energii do produkcji 1 kg materiału: $109 - 121\ \frac{\text{MJ}}{\text{kg}}$

- współczynnik recyklingu: 0, 01 − 0, 02

1. Wnioski.

Po dobraniu odpowiednich kryteriów, program wyselekcjonował dwa materiały najlepiej nadające się na śmigła turbiny wiatrowej. Są to: włókno szklane o wysokiej wytrzymałości oraz włókno szklane S. Oba materiały znacznie różnią się od siebie pewnymi parametrami. Włókno szklane o wysokiej wytrzymałości jest materiałem prawie dwa razy droższym. Do jego produkcji potrzeba ponad dwa razy większej energii a produkcja dwutlenku węgla przy produkcji 1 kg materiału jest również dwa razy większa. Jednak mimo wysokiej ceny i niekorzystnych wartości innych parametrów materiał ten posiada doskonałe właściwości wytrzymałościowe. Bardzo wysoka wytrzymałość sprawia, że materiał bardzo dobrze nadaje się na śmigła turbiny wiatrowej mimo wysokiej ceny i dużych kosztów energetycznych produkcji. Oprócz tego gwarantuje dobre parametry wytrzymałościowe przy niskiej gęstości a więc jest też materiałem lekkim, co ma duże znaczenie przy rozmiarach łopat turbiny wiatrowej. Drugi materiał to włókno szklane S. Jest tańszy od drugiego materiału oraz koszty energetyczne jego produkcji nie są aż tak wysokie. Jest też znacznie cięższy oraz posiada niższą wartość granicy plastyczności, co oznacza że jest mniej wytrzymały. Jednak parametry wytrzymałościowe, które nie są dużo mniejsze niż w przypadku pierwszego materiału to jego atrakcyjna cena sprawia, że należałoby rozważyć jego użycie. Jedynym parametrem, który w przypadku obu materiałów miał podobną wartość jest współczynnik recyklingu.