3. MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE

Metalowe

Metale są to materiały, które w stanie stałym charakteryzują sie następującymi właściwościami:

• dobre przewodnictwo ciepła i elektryczności,

• połysk,

• plastyczność,

Właściwości te wynikają z wiązania metalicznego występującego pomiędzy atomami tworzącymi metal i budowy krystalicznej. Dzielimy je na dwie grupy, żelazne i nieżelazne (kolorowe).

Stale

Stal jest plastycznie i cieplnie obrabialnym stopem żelaza z węglem (do ok. 2%) i innymi pierwiastkami, otrzymywanym w procesach stalowniczych ze stanu ciekłego.

Stal - stop żelaza z węglem plastycznie obrobiony i obrabialny cieplnie o zawartości węgla od 0,02% do 2,06%, może zawierać określone dodatki stopowe i ograniczona ilość szkodliwych zanieczyszczeń. Zanieczyszczenia, którymi najczęściej są siarka i fosfor decydują o jakości stali, stad zależnie od ich dopuszczalnej wartości dokonuje sie podziału jakościowego stali.

Podział stali;

• Konstrukcyjne węglowe

  • Zwykłej jakości ogólnego przeznaczenia

  • Zwykłej jakości o szczególnym przeznaczeniu

  • Konstrukcyjna wyższej jakości ogólnego przeznaczenia

  • Konstrukcyjna wyższej i najwyższej jakości o szczególnym przeznaczeniu

  • Konstrukcyjna o szczególnych właściwościach

  • Narzędziowa

• Stale stopowe

  • Konstrukcyjna stopowa ogólnego przeznaczenia

  • Konstrukcyjna stopowa o szczególnym przeznaczeniu

  • Stopowa narzędziowa

Staliwa

Staliwa - odlewnicze stopy żelaza z węglem i ewentualnie z pierwiastkami stopowymi.

• węglowe - o zawartości węgla do 0,6%,

• stopowe - o zawartości węgla do 1,4% z dodatkami stopowymi.

Żeliwa

Odlewnicze stopy żelaza z węglem, zawierające 2,5 - 4,5%C oraz pewne ilości krzemu, manganu, fosforu i siarki pochodzenia metalurgicznego.

Stopy miedzi

Stopy miedzi - materiały konstrukcyjne w których głównym składnikiem stopowym jest miedz. Rozróżnia sie następujące rodzaje stopów miedzi.

• Miedz techniczna

• Miedz stopowa

• Mosiądze

• Miedzionikle

• Brązy

Stopy aluminium

Stosunkowo niskie właściwości mechaniczne czystego aluminium ograniczające jego zastosowanie jako materiału konstrukcyjnego można zwiększyć nawet kilkakrotnie przez wprowadzenie dodatków stopowych oraz obróbkę cieplną stopów.

Stopy aluminium dzielą się na;

• Aluminium technicznie czyste

• Odlewnicze stopy aluminium

• Do przeróbki plastycznej

Stopy magnezu

Stopy magnezu cechują się dobrą wytrzymałością (do 350 MPa) i bardzo małą gęstością (ok. 1,8 Mg/m³). Jako dodatki stopowe stosuje się: aluminium, cynk, mangan, krzem, cer, cyrkon i metale ziem rzadkich (ZR). Trzy ostatnie dodatki poprawiają wytrzymałość w podwyższonych temperaturach. Wyróżniamy;

• Stopy odlewnicze

• Do przeróbki plastycznej

Niemetalowe

Polimery są nazywane także tworzywami wielkocząsteczkowymi.

Ceramika są to nieorganiczne związki metali z tlenem, azotem, węglem, borem i innymi pierwiastkami. Atomy są połączone wiązaniem jonowym i kowalencyjnym.

Po zaformowaniu materiały ceramiczne wygrzewane są w wysokich temperaturach.

Kompozyty są polaczeniem dwóch lub więcej odrębnych nie rozpuszczających sie w sobie faz, z których każda odpowiada innemu podstawowemu materiałowi inżynierskiemu zapewniającymi lepszy zespół własności i cech strukturalnych, od właściwych dla każdego z materiałów składowych oddzielnie. Materiały kompozytowe znajdują zastosowanie m. in. w sprzęcie kosmicznym , samolotach, samochodach, łodziach, jachtach.

Wymagania stawiane materiałom konstrukcyjnym

Zaprojektowana, a następnie wykonana konstrukcja powinna odpowiadać wymaganiom eksploatacyjnym, ekonomicznym oraz technologicznym.

• Wymagania eksploatacyjne obejmują przystosowanie konstrukcji do niezawodnej realizacji określonych zadań, wytrzymałość mechaniczna i odporność na zużycie, odporność na korozyjne działanie środowiska, zabezpieczenie przed przeciążeniem itd.

• Wymagania ekonomiczne sprowadzają sie do rentowności osiąganej dzięki niskim kosztom wytwarzania przy wysokiej wydajności urządzenia, oraz małemu zużyciu materiału.

• Wymagania technologiczne obejmują warunki dotyczące prostoty procesów technologicznych, łatwy montaż i demontaż oraz możliwość dokonywania napraw urządzenia prostymi sposobami.

We wszystkich trzech grupach wymagań możemy zauważyć warunki, które bezpośrednio odnoszą sie do materiału, z którego ma powstać urządzenie.

Konstruktor odpowiedzialny za prawidłowe opracowanie projektu powinien dokonać pełnej analizy materiałów, biorąc pod uwagę ich własności mechaniczne, technologiczne, plastyczne, cieplne, elektryczne, magnetyczne oraz chemiczne.

Cechy materiałów uwzględniane najczęściej w procesie projektowania to;

• granice wytrzymałości materiałów: przy naprężeniach statycznych (rys. 1a): granica plastyczności R_e, umowna granica plastyczności Re₀₂, wytrzymałość doraźna R_m, granica proporcjonalności/Hooke’a/ R_H; przy naprężeniach zmęczeniowych (rys. 1b): długotrwała granica wytrzymałości zmęczeniowej Z, krótkotrwała granica wytrzymałości zmęczeniowej Z_N,

• wydłużenie względne A₅ [%] (miara ciągliwości /plastyczności/ materiału),

• udarność U [J/mm²] (odporność na kruche pękanie),

• twardość (Brinella HB [N/mm²], Rockwella HRB, HRC, Vickersa HV [N/mm²]),

• właściwości technologiczne.