Projektowanie wyrobów z materiałów polimerowych

1. Co to jest brąz, mosiądz, stal, żeliwo?

• Brąz - miedź z cyną, cynkiem, molibdenem. Brązy– stopy miedzi z innymi metalami i ewentualnie innymi pierwiastkami, zawartość miedzi zawiera się w granicach 80-90% wagowych.

• Mosiądz - stop miedzi i cynku. Do tego podstawowego składu dodaje się często inne metale, przykładowo cynę, ołów i aluminium.

• Stal - stop żelaza z mniej niż 2% węgla

• Żeliwo - stop żelaza z więcej niż 2% węgla

1. Jakie zastosowanie ma brąz, mosiądz, duraluminium?

• Duraluminium - w lotnictwie, do części konstrukcyjnych

• Brąz – na wysoko obciążone, szybko obrotowe, źle smarowane i narażone na korozję łożyska ślizgowe

• Mosiądz - stosowany był do wyrobu broni siecznej, w średniowieczu odlewano z niego dzwony później armaty, obecnie w rzeźbiarstwie i do wyrobów ozdobnych

1. Co to jest kompozyt, nanokompozyt, laminat, sklejka?

• Kompozyty - Materiały złożone z kilku materiałów inżynierskich tak aby można było wykorzystać cechy tworzących je komponentów. Lekkie, sztywne ale jednocześnie wytrzymałe

• Nanokompozyt - materiał kompozytowy (kompozyt), w którym faza rozproszona tworzy struktury o wymiarach poniżej 100 nm; bardzo duże rozwinięcie powierzchni międzyfazowej nadaje właściwości trudno osiągalne bądź niedostępne w przypadku tradycyjnych kompozytów, jak np.: niepalność, zwiększona wytrzymałość cieplna, bardzo dobre właściwości wytrzymałościowe.

• Laminat - polimery wzmacniane włóknami węglowymi CFRP

• Sklejka - (dykta) materiał kompozytowy sklejony z krzyżujących się cienkich warstw drewna. Zwykle składa się z nieparzystej ilości warstw. Sklejki wytwarza się z różnych gatunków drewna. Najczęściej z brzozy, olchy, sosny.

1. Co to jest ceramika, porcelana, porcelit, szkło, ceramika budowlana typu cegły, klinkier?

• Ceramika - relatywnie duże wartości modułów sprężystości, ale w odróżnieniu od metali są KRUCHE; tworzywa i wyroby otrzymywane w wyniku wypalenia odpowiednio uformowanej gliny.

• Porcelana – rodzaj białej, przeświecającej ceramiki wysokiej jakości; jest wytwarzana z mieszanki glinki kaolinowej ze skaleniem i kwarcem poprzez wypalanie uformowanych wyrobów w temperaturze ok. 900 °C

• Porcelit – rodzaj białej do kremowej, szkliwionej, nieprześwitującej ceramiki wytwarzany podobnie jak porcelana, lecz z surowców (kaolin, skaleń, kwarc) o najczęściej gorszej jakości

• Szkło – nieorganiczny materiał, który został schłodzony do stanu stałego bez krystalizacji.

• Ceramika budowlana typu cegły – pełne, drążone, klinkierowe, kratówki, termalitowe, płytki -szkliwione, kamionkowe

• Klinkier - tworzywa ceramiczne o czerepie spieczonym, ale bez zeszkliwienia powierzchni. Są otrzymywane przez wypalanie glin wapienno-żelazistych, wapienno-magnezjowych lub żelazistych (w T ok. 1300 °C). Właściwości klinkieru zależą w dużej mierze od tlenku wapniowego w glinie. Klinkier jest materiałem budowlanym i drogowym

1. Co to jest spiek?

Półwyrób lub wyrób gotowy otrzymany z proszków przez spiekanie.

1. Dlaczego kompozyty wypierają inne materiały jednorodne?

Lekkie, sztywne, ale jednocześnie wytrzymałe.

1. Dlaczego kompozyty metalowo-ceramiczne zastępują coraz częściej materiały metalowe?

Bo można z nich wytwarzać rzeczy o nietypowych właściwościach: narzędzia skrawające, narzędzia do obróbki plastycznej, nakładki końcówek narzędzi mierniczych, części odporne na ścieranie, narzędzia do urabiania kopalin.

1. Do jakiej maksymalnej temperatury może długo pracować (być pod obciążeniem) drewno?

Do 200 ^oC,

1. Jakie są sposoby zmiany właściwości stali (hartowanie, nawęglanie, odpuszczanie, obróbka plastyczna)?

Hartowanie, nawęglanie, odpuszczanie, obróbka plastyczna.

1. Do jakiej maksymalnej temperatury mogą długo pracować (być pod obciążeniem) powszechnie stosowane termoplastyczne tworzywa sztuczne?

Do 80 ^oC.

1. Do czego najczęściej używa się włókien Kevlaru (Nomex)?

Kamizelki kuloodporne.

1. Do jakiej temperatury maksymalnie można nagrzewać a potem zaraz chłodzić (odporność na szoki cielne) zwykła cegłę budowlaną?

Do 200 ^oC.

1. W jaki sposób można poprawić właściwości drewna?

Proces termiczny, polimeryzacja i proces nasączania drewna żywicami (melaminą).

1. Co to jest układ żelazo węgiel?

Wykres pokazujący zależność struktury stali od jej temperatury i ilości węgla.

1. Jaką funkcję w kompozycje spełniają włókna?

Poprawiają wytrzymałość.

1. Do jakiej temperatury może długo pracować żeliwo nie odkształcając się pod dużym obciążeniem

Do

1. Czego miarą jest wytrzymałość na rozciąganie?

Statycznej siły odniesionej do pierwotnego przekroju poprzecznego, przy której badana próbka pęka.

1. Czego miarą jest moduł sprężystości?

Sztywności.

1. Czego miarą jest współczynnik tarcia?

Siły przeciwstawiającej się przesunięciu.

1. Czego miarą jest udarność?

Wytrzymałości dynamicznej.

1. Co to jest granica plastyczności materiału?

Naprężenie powodujące początek odkształcenia plastycznego.

1. Czym jest spowodowane plastyczne odkształcenie materiału metalowego?

Przesunięciami wewnątrz ziaren.

1. Czym spowodowane jest plastyczne odkształcenie kompozytu polimerowego?

Przesunięciami segmentów łańcucha polimeru podczas obciążania próbki.

1. Dlaczego wytrzymałość materiałów w podwyższonej temperaturze jest inna niż w pokojowej?

Dlatego, że ciepło doprowadzone do materiału w efekcie podgrzania obniża energię oddziaływań międzycząsteczkowych w materiale.

1. Co powoduje ścieranie materiałów?

Wielokrotne przykładanie do materiału zarówno sil statycznych, jak i normalnych (prostopadłych do stycznych - dociskających do podłoża); jednokrotne przyłożenie do materiału zarówno sił statycznych (powodujących przesunięcie), jak i normalnych (dociskających do podłoża).

1. Co powoduje zmęczenie materiałów?

Cykliczne obciążanie.

1. Co to jest korozja?

Wtedy, gdy powierzchnia ciała stałego reaguje chemicznie z suchymi gazami.

1. Jakie czynniki powodują korozję?

Obecność zanieczyszczeń, odczyn środowiska, zmiany temperatury i ciśnienia, naprężenie materiału, struktura krystaliczna materiału.

Zadania W8 Zastosowanie wykresów doboru materiałów

1. Pewien wyrób jest obecnie wytwarzany z mosiądzu.

Używając wykresów doboru materiału zaproponuj dwa inne tworzywa metaliczne, które przy niezmienionym kształcie wyrobu, zapewniłyby zwiększenie sztywności.

1. Korzystając z WYKRESÓW znajdź materiał o module E > 200 GPa i gęstości ρ< 2 Mg/m₂

2. Które stopy mają większą wytrzymałość właściwą (tzn. wytrzymałość odniesioną do gęstości σ_f/ρ) tytanu czy wolframu?

3. Obszar „Wyroby z drewna” na WYKRESACH dotyczy sklejki, płyt pilśniowych i wiórowych. Czy sztywność właściwa (E/ρ) tych materiałów jest większa czy mniejsza od nylonu?

4. Czy krytyczny współczynnik intensywności naprężeń (KIc) popularnych polimerów, np: PMMA jest większa czy mniejsza niż materiałów ceramicznych np.: Al₂O₃

5. Konstrukcja hamowni silników spalinowych wymaga materiału, który jest sztywny (E > 40 GPa) i jednocześnie wykazuje dużą zdolność tłumienia drgań przez rozpraszanie ich energii sprężystej. Jej miarą jest współczynnik stratności η. Znajdź cztery materiały podatne do budowy hamowni silników. Skomentuj ich użyteczność.

6. Dobierz materiał na dzwony.

7. Wytypuj zbiory materiałów najlepszych na izolacje skuteczne w długim czasie (o najmniejszej przewodności cieplnej) oraz najlepsze na izolacje skuteczne w krótkim okresie (o najmniejszej dyfuzyjności cieplnej)

8. Ustal, który materiał charakteryzuje się odpornością na szoki cieplne –stal czy żeliwo

9. Czy ceramika techniczna jest bardziej czy mniej odporna na ścieranie od tworzyw metalicznych?

10. Który z materiałów mających wytrzymałość powyżej 100 MPa byłby najkorzystniejszy ze względów cenowych na wykonanie ramy do roweru?

11. Z czego można wykonać drobne elementy o złożonych kształtach odporne na silne kwasy, zasady i wodę morską.

Zadania W11,12 Dobór materiałów bez uwzględniania kształtu przekroju wyrobu

1. Znany projektant mebli (Luigi Tavolino) zaprojektował lekki stół o zadziwiającej prostocie: płaska płyta hartowanego szkła umieszczona na wysmukłych, cylindrycznych nogach.

2. Nogi muszą być lite (aby mogły być cienkie) i tak lekkie, jak to jest tylko możliwe (aby stół można było łatwo przemieszczać). Powinny one ponadto podtrzymywać szklany blat i wszystko co na nim umieszczone, bez wyboczania się.

3. Materiał na sprężyny. Sprężyny magazynują energię. Najlepszym materiałem na jakąkolwiek sprężynę, niezależnie od jej kształtu, a także sposobu obciążenia, jest materiał o najwyższej wartości wskaźnika σf2/E lub wskaźnika σf2/Eρ, gdy istotna jest masa sprężyny

4. Przeguby elastyczne. Przeguby umożliwiają duże, odwracalne zgięcia. Przykładem z natury mogą być mięśnie i ścięgna. Człowiek również tworzy konstrukcję stosując zginane i skręcane przeguby –urządzenia łączące lub przekazujące obciążenia między poszczególnymi częściami, umożliwiające ograniczone wzajemne ich przemieszczanie w wyniku sprężystego ugięcia. Przykład –niektóre korki do butelek np. z kosmetykami

5. Materiał na uszczelki. Elastyczna uszczelka wielokrotnego użytku jest cylindrycznym materiałem ściśniętym między dwoma płaskimi powierzchniami. Uszczelka powinna zapewniać jak największą szerokość powierzchni styku b, wywołując naprężenia stykowe σ na tyle małe, aby nie zachodziło niebezpieczeństwo uszkodzenia uszczelnianych płaskich powierzchni. Uszczelka powinna jednocześnie pozostać sprężystą, aby mogła być wielokrotnie użyta.

6. Projektowanie z polimerów elementów o ograniczonym, dopuszczalnym ugięciu. Konstruktorzy stosują następującą zasadę: należy unikać materiałów o odporności na pękanie mniejszej niż 15 MPa*m^1/2. Warunek ten spełniają prawie wszystkie metale. Polimery inżynierskie, pomimo że mają wartości krytycznego współczynnika intensywności naprężeń KIc(0,5-3 MPa*m^1/2) są często stosowane przez konstruktorów.

7. Materiały na pojemniki izotermiczne, skuteczne w krótkich przedziałach czasu. Układ elektroniczny w izolacji. W założeniach projektowych pojemnik miał kształt jaja, zawierającego układ elektroniczny. Przyjęto, że jeżeli temperatura jego powierzchni zewnętrznej zmienia się o 30°C, to nie może to spowodować istotnej zmiany temperatury wewnątrz pojemnika w ciągu jednej godziny. Aby urządzenie było małe grubość jego ścianki S nie może przekroczyć 20mm.

8. Materiały na ściany akumulujące ciepło. Najprostszym rozwiązaniem jest ściana akumulująca ciepło. Jest to gruba ściana, której zewnętrzna powierzchnia nagrzewana jest bezpośrednio promieniami słonecznymi w ciągu dnia i z której ciepło jest odbierane w ciągu nocy przez nawiew powietrza na jej powierzchnię wewnętrzną. Istotne dla tego projektu jest to, że stała czasowa przepływu ciepła przez ścianę wynosi ok. 12 godzin. Ściana nagrzewa zatem swoją wewnętrzną powierzchnię przez ok. 12 godzin, po tym, jak słońce nagrzeje jej zewnętrzną powierzchnię. Przyjmijmy, że ściana nie powinna być grubsza niż ½ m.

Zadania W13,14 Dobór materiału i kształtu

1. Widelce roweru wyścigowego. Najważniejszym wskaźnikiem rozpatrywanym przy projektowaniu roweru jest wytrzymałość. Sztywność też ma znaczenie. Wyjściowym kryterium jest warunek, aby rama i widelce nie odkształciły się plastycznie lub nie pękły przy normalnym użytkowaniu. W przypadku widelców sprawa jest prostsza. Pracują one głównie na zginanie. Jeśli ma to być rower wyścigowy, to jego masa ma pierwszorzędne znaczenie i dlatego widelce powinny być tak lekkie jak to będzie możliwe.

Najlepszą kombinacją materiał-kształt na lekką wytrzymałą belkę będzie ta, dla której wartość wskaźnika funkcjonalności M3osiągnie najwyższą wartość. WYKRES DOBORU MATERIAŁÓW WYTRZYMAŁOŚĆ-GĘSTOŚĆ

stop aluminium 7075 ΦBf= 20, stop tytanu ΦBf= 15, stop magnezuΦBf= 12, stal (Reynolds 531) ΦBf= 30, CFRP (z dodatkiem włókna szklanego lub Kevlaru) – najlepszy

1. Lekki i wytrzymały stelaż do plecaka. Dolna część takiego stelażu ma poziomą półkę, do której można przymocować śpiwory i inne przedmioty. Stelaż zaprojektowano tak, aby wytrzymywał obciążenie siłą P i mógł być wykonany z rurek dostępnych w hurcie. W tym przypadku sprężyste ugięcie nie gra roli, natomiast istotne jest, aby nie zaszło odkształcenie plastyczne lub nie nastąpiło pęknięcie zmęczeniowe. Stelaż projektuje się pod kątem wytrzymałości a nie sztywności. Poszukujemy takiej kombinacji materiał-kształt, która umożliwi uzyskanie najlżejszej belki, nie ulegającej uszkodzeniu przy danym obciążeniu zginającym.

Poszukujemy takiej kombinacji materiał-kształt, która umożliwi uzyskanie najlżejszej belki, nie ulegającej uszkodzeniu przy danym obciążeniu zginającym.

Stalowe i aluminiowe rurki na stelaż plecaka dostępne w hurcie.

Mając swobodny wybór, dobór materiału byłby inny.

Można by, wybrać drewno, magnez, stop tytanu nie tylko stop aluminium, a zwłaszcza CFRP.

Stelaże plecaków są robione z każdego z tych materiałów.