Zasady doboru materiałów inżynierskich, źródła informacji o materiałach inżynierskich, ich właściwościach i zastosowaniach.
MATERIAŁAMI (inżynierskimi) nazywa się skondensowane (stałe) substancje, których właściwości czynią ją użytecznymi dla ludzi gdyż wykonuje się z nich złożone produkty pracy
Podział materiałów stosowanych w praktyce inżynierskiej:
metale – wysokie wartości modułów sprężystości - ich właściwości mogą być kształtowane (podwyższone) nie tylko przez obróbkę cieplną i mechaniczną, ale nawet w procesie wytapiania - poprzez wprowadzenie odpowiednich dodatków stopowych. Cechą charakterystyczną metali jest ciągliwość. W ciągliwości metali należy upatrywać przyczyn ich odporności na zmęczenie. Ze wszystkich materiałów inżynierskich metale są najmniej odporne na korozję.
ceramika i szkła – duże wartości modułów sprężystości (podobnie jak metale), jednak są kruche (w odróżnieniu od matali). Nie są na ogół materiałami łatwymi do zastosowań jako tworzywa konstrukcyjne (w przeciwieństwie do metali). Duża sztywność, twardość, odporność na ścieranie (dlatego są stosowane na narzędzia skrawające), doskonała odporność na korozję.
polimery i elastomery:
E – mała wartość (50 razy mniejsza niż metali),
wytrzymałość może być porównywalna z metalami, ugięcie sprężyste może być bardzo duże,
polimery mogą płynąć pod wpływem stale działającego obciążenia (nawet w temperaturze pokojowej), oznacza to, że poddane obciążeniu mogą z czasem przyjmować ostateczny kształt różny od początkowego,
właściwości polimerów zależą silnie od temperatury,
wytrzymałość właściwa (porównywalna z metalami),
przydatne do wykonywania wyrobów o bardzo skomplikowanych kształtach,
odporność na korozję - dobra,
niskie wartości współczynnika tarcia,
nie są odporne na działanie promieni UV,
duża odkształcalność plastyczna.
kompozyty - idea materiałów kompozytowych wzięła się z potrzeby łączenia
ze sobą różnych materiałów w celu przezwyciężenia niedostatków tego z nich,
którego inne właściwości są szczególnie użyteczne. Dzięki temu właściwości
kompozytu są wyższe niż właściwości tworzących je faz.
PROCES PROJEKTOWANIA
Projektowanie – proces przekładania idei lub wymagań rynku na szczegółowe informacje umożliwiające wykonanie danego wyrobu.
Każdy z etapów tego procesu wymaga decyzji dotyczących materiałów, z których ma być wykonany.
Rodzaje projektów:
oryginalne (całkowicie nowe pomysły):
adaptacyjne (tzw. rozwojowe, tj. ewolucja istniejących projektów):
alternatywne (zmiana formy, tj. kształtu, skali, wielkości, bez zmian funkcji):
Projektowanie jest procesem iteracyjnym. Punktem wyjścia jest potrzeba rynkowa lub pomysł, finałem zaś – produkt zaspokajający tę potrzebę lub urzeczywistniający ideę. Między punktami skrajnymi znajduje się cały szereg stadiów pośrednich, np. projekt koncepcyjny, ogólny i szczegółowy, prowadzących do powstania zbioru specyfikacji definiujących sposób wyprodukowania wyrobu.
Główne czynniki decydujące o doborze materiałów
Ogólne: względny koszt, gęstość
Własności mechaniczne: moduł sprężystości, wytrzymałość, odporność na pękanie, wskaźnik zmęczeniowy
Własności cieplne: przewodność cieplna, dyfuzyjność, pojemność cieplna, temperatura topnienia, temperatura zeszklenia, współczynnik rozszerzalności cieplnej, odporność na udary cieplne, odporność na pełzanie
Zużycie: wskaźnik zużycia
Odporność na korozje: wskaźnik korozyjny
Komputerowe wspomaganie doboru materiałów
Do dzisiaj bardzo ważnym czynnikiem decydującym o doborze materiałów do konkretnych zastosowań jest doświadczenie i intuicja projektanta, a nawet jego przyzwyczajenia. Współcześnie w ramach systemów komputerowego wspomagania projektowania CAD (computer aided design) i wytwarzania CAM (computer aided manufacturing) należne miejsce znajdują także systemy komputerowego wspomagania doboru materiałów CAMS (computer aided materials selection).
Wykresy doboru materiałów
Dogodnym sposobem właściwej prezentacji właściwości materiałów są wykresy doboru materiałów mające następujące charakterystyczne cechy:
- zakres wartości na osiach wykresu jest tak dobrany, aby objąć wszystkie materiały inżynierskie
- dane dla określonego rodzaju materiałów (np. polimerów) skupiają się w jednym obszarze wykresu
- w obrębie pola zajmowanego na wykresie przez każdy rodzaj materiału uwzględniono informacje dla reprezentatywnego ich zbioru- zbiór ten składa się z materiałów najpowszechniej i najczęściej stosowanych, wybranych tak, aby został objęty pełny zakres właściwości danej grupy
- we wszystkich przypadkach właściwości grupy materiałów mieszczą się znacznie w mniejszym przedziale niż pełny zakres właściwości wszystkich materiałów inżynierskich.
Moduł Younga- materiały inżynierskie mają wartości od 0,01 GPa (pianki o małej gęstości)do 1000 GPa (diament).
Linie przewodnie- odpowiadają stałej wartości wskaźników funkcjonalności, umożliwiają one dobór materiałów na elementy sztywne o minimalnej masie.
Gęstość ciał stałych zależy od 3 czynników:
1. Ciężaru atomowego
2. Wielkości tworzących je atomów lub jonów
3. Sposobu rozmieszczenia tworzących je atomów lub jonów.
Rozmiary atomów nie różnią się znacznie- większość z nich ma objętość nie przekraczającą 4x10-29m3.
Porównanie możliwości zastosowania materiałów inżynierskich w warunkach zużycia.
Dobór materiałów inżynierskich do pracy w warunkach zużycia opiera się na kilku zasadach:
materiał winien być stabilny chemicznie, mechanicznie lub cieplnie w warunkach eksploatacji,
nominalne naprężenia kontaktowe nie powinny przekraczać granicy
sprężystości materiału,
w warunkach zużycia ściernego twardość materiału winna być wyższa niż czynnika ścierającego,
warunki użytkowania muszą być dostosowane do możliwości zastosowanego materiału.
Ekonomiczne uwarunkowania stosowania materiałów inżynierskich
Szacuje się, że do osiągnięcia czasu połowicznego wyczerpania na przykład
Ropy naftowej pozostaje tylko ok. 20 lat, gdy w
przypadkach cynku, cyny, ołowiu, rtęci, srebra i wolframu – od 50 do 80 lat, natomiast
aluminium, żelaza oraz większości surowców stosowanych do wytwarzania ceramiki i szkła upłynie jeszcze kilkaset lat.