Charakterystyka podstawowych grup materiałów. Zasady doboru materiałów

Materiałami w pojęciu technicznym nazywane są ciała stałe o własnościach umożliwiających ich stosowanie przez człowieka do wytwarzania produktow.

Najogolniej wśrod materiałow o znaczeniu technicznym można wyrożnić:

• materiały naturalne, wymagające jedynie nadania kształtu, do technicznego

zastosowania,

• materiały inżynierskie, nie występujące w naturze lecz wymagające zastosowania

złożonych procesow wytworczych do ich przystosowania do potrzeb technicznych po wykorzystaniu surowcow dostępnych w naturze.

Przykładami materiałow naturalnych są: drewno, niektore kamienie, skały i minerały. Do podstawowych grup materiałow inżynierskich tradycyjnie są zaliczane:

• metale i ich stopy,

• polimery,

• materiały ceramiczne

Podstawą podanej klasyfikacji jest istota wiązań między atomami tworzącymi dany materiał,

utrzymujących je w skoordynowanych przestrzennie układach i determinujących podstawowe

własności materiału.

Ponadto można wymienić

• materiały kompozytowe, tworzone przez połączenie dowolnych dwoch z wymienionych materiałow inżynierskich w monolityczną całość, co zapewnia uzyskanie innych własności od właściwych dla każdego z materiałow składowych (rys)

Metale charakteryzują się wiązaniem metalicznym. Układy wieloskładnikowe złożone z więcej niż jednego pierwiastka, charakteryzujące się przewagą wiązania metalicznego tworzą stopy metali.

Metale i ich stopy cechują następujące własności:

• dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne,

• dodatni temperaturowy wspołczynnik rezystywności (opor elektryczny zwiększa się z podwyższeniem temperatury),

• połysk metaliczny, polegający na odbijaniu promieni świetlnych od wypolerowanych powierzchni,

• plastyczność, czyli zdolność do trwałych odkształceń pod wpływem przyłożonych naprężeń.

Metale otrzymuje się z rud, będących najczęściej tlenkami. Procesy metalurgiczne pozwalaja na ekstrakcje metalu z rudi i pozbycie się zanieczyszczeń.

Elementy metalowe zwykle wykonywane są metodami odlewniczymi, przeróbki plastycznej lub obróbki skrawaniem, a często także metalurgii proszków a ich własności kształtowane za pomocą obróbki ciepln

Polimery są materiałami organicznymi, złożonymi ze związkow węgla. Polimery są makrocząsteczkami i powstają w wyniku połączenia wiązaniami kowalencyjnymi w łańcuchy wielu

grup atomow zwanych monomerami jednego lub kilku rodzajow. W skład polimerow wchodzą rownież dodatki barwników lub pigmentów, katalizatorów, napełniaczy, zmiękczaczy (plastyfikatorow), antyutleniaczy i innych.

Polimery charakteryzują się:

• małą gęstością,

• izolacyjnymi własnościami cieplnymi i elektrycznymi (z wyjątkiem przewodzących

prąd elektryczny)

• słabo odbijają światło i zwykle są przezroczyste.

Wiele z polimerow jest giętkich i odkształcalnych, lecz nie nadają się do pracy w podwyższonej temperaturze.

Ze względu na własności użytkowe polimery dzielą się na plastomery i elastomery,

• Plastomerami są polimery charakteryzujące się wydłużeniem przy rozerwaniu zwykle nieprzekraczającym 200%, chociaż polietylen lub polipropylen wykazujące maksymalne wydłużenie kilkaset procent też są zaliczane do tej grupy polimerow. Plastomery dzielą się na polimery termoplastyczne (termoplasty) i polimery utwardzalne (duroplasty).

• Elastomerami są polimery cechujące się skłonnością do dużych odkształceń sprężystych, a po poddaniu dużemu odkształceniu w temperaturze pokojowej i po odciążeniu powracają do pierwotnej postaci lub bardzo do niej zbliżonej.

Zwykle surowcem do wytwarzania polimerow jest ropa naftowa. W takim przypadku łączenie monomerow w makrocząstki następuje podczas polireakcji, tj. polimeryzacji, kopolimeryzacji, polikondensacji lub poliaddycji.

Ceramikę stanowią materiały nieorganiczne o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach międzyatomowych, wytwarzane zwykle w wysokotemperaturowych procesach związanych z przebiegiem nieodwracalnych reakcji, chociaż do tej grupy materiałow zaliczane są rownież szkła oraz beton i cement, pomimo że przy ich wytwarzaniu zachodzą nie wszystkie z tych procesow.

Cechy charakterystyczne materiałów ceramicznych:

•wysoka temperatura topnienia

•niski ciężar właściwy

•wysoka twardość

•wysoka wytrzymałość na ściskanie

•niska wytrzymałość na rozciąganie

•niska rozszerzalność cieplna

•mała przewodność cieplna

•dobra żaroodporność i żarowytrzymałość

•dobra odporność na korozję

•duża kruchość

Kompozyty obejmują bardzo liczną i różnorodną grupę materiałów konstrukcyjnych. Określenie kompozyty oznacza materiał powstały przez ścisłe zespolenie co najmniej dwóch chemicznie różnych materiałów (faz – zbrojącej i osnowy) w taki sposób, aby mimo wyraźnej granicy rozdziału między nimi nastąpiło dobre i ciągłe połączenie składników oraz możliwie równomierne rozłożenie fazy zbrojącej w osnowie.

Klasyfikacja materiałów kompozytowych (MK) obejmuje głównie podział ze względu na

osnowę i rodzaj fazy zbrojącej.

W zależności od rodzaju osnowy MK można podzielić na:

- kompozyty o osnowie metalowej,

- kompozyty o osnowie niemetalowej: ceramicznej, polimerowej.

Natomiast ze względu na rodzaj fazy zbrojącej wyróżniamy kompozyty:

- zbrojone włóknami: ciągłymi, krótkimi,

- zbrojone cząsteczkami,

- zbrojone dyspersyjnie.

Współcześnie technologie kompozytowe pozwalają Lamborghini budować superwytrzymałe, a jednocześnie niezwykle lekkie konstrukcje samonośne. Skorupa modelu Murcielago waży nieco ponad 300 kg. 

Wszystkie zaprezentowane materialy maja określone Cechy i własności dlatego odpowiedne dobranie materialu do skonstruowania maszyny czy przedmiotu jest wazne aby był on bezpieczny i funkcjonalny. Przykład na slajdzie.

Zastosowanie różnych materiałów na elementy samochodu osobowego (na przykładzie Mercedesa SLK)

Projektowanie jest to proces przekształcania idei, potrzeby w gotowy wyrób. Każdy etap projektowania wymaga decyzji dotyczącej doboru materiałów, z których wyrób ma być wykonany.

Z powodu bardzo duzej ilości dostępnych materiałów, doboru należy dokonywać na podstawie wieku kryteriów. Międzie innymi

Rodzaje projektów:

• Oryginalne- zupełnie nowe pomysły

• Adaptacyjne- ewolucja istniejących projektów

• Alternatywne- całkowita zmiana formy ale bez zmiany funkcji

Rys. Schemat współzależności między elementami projektowania inżynierskiego produktu

projektowanie produktu, łączy w sobie trzy równie ważne i nierozdzielne elementy

projektowanie konstrukcyjne, którego celem jest opracowywanie kształtu i cech geometrycznych

produktów zaspokajających ludzkie potrzeby,

projektowanie materiałowe w celu zagwarantowania wymaganej trwałości produktu lub

jego elementów wytworzonych z materiałów inżynierskich o wymaganych własnościach fizykochemicznych i technologicznych,

projektowanie technologiczne procesu umożliwiającego nadanie wymaganych cech geometrycznych i własności poszczególnym elementom produktu, a także ich prawidłowe współdziałanie po zmontowaniu, przy uwzględnieniu wielkości produkcji, poziomu automatyzacji i komputerowego wspomagania, jak również przy zapewnieniu najmniejszych możliwych kosztów tego produktu.

Rys. Stadia projektowania inżynierskiego

Rys. Dobór materiału jest determinowany przez funkcję, jaką ma spełniać wyrób. Czasami kształt wyrobu wpływa na dobór materiału.

Wykresy doboru materiałów służą do ilościowej prezentacji właściwości materiałów i mają następujące cechy:

• zakres wartości na osiach wykresu jest tak dobrany, aby objąć wszystkie materiały inżynierskie,

• dane dla określonego rodzaju materiałów (np. polimerów) skupiają się w pewnym 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.

Katarzyna Buczek

Mateusz Bednarek

ZIP 43