06.03.2007

Wykład 3

Właściwości tworzyw ceramicznych metali i polimerowych (folia)

• Temperatura najwyższa - ceramiczne

• Temperatura niższa - stopy metali

• Polimery - temperatura najniższa

Temperatura topnienia materiałów ceramicznych - 3000°C

100 MPa - wytrzymałość na rozciąganie metali

Wytrzymałość na rozciąganie - ceramika - nieokreślony, bo ceramika pęka zanim będzie osiągnięta granica plastyczności.

Ceramika - najwyższa - granica plastyczności dotyczy próby ściskania

Polimery - niewielka

Najwyższą wytrzymałością charakteryzują się odpowiednio:

• Materiały ceramiczne

• Materiały metalowe

• Materiały polimerowe

Udział grup materiałów w danym okresie historii

• Samochód - 15000 rodzajów materiałów

• Samolot - 4 mln elementów - stopy lekkie, stopy magnezu, polimery

Orientacyjny koszt na jednostkę masy:

• Budowlane - stal konstrukcyjna, drewno, beton - najniższe koszty

• Stale stopowe i stale innych metali (stopy stale niklu, tytanu, wolframu) - droższe

• Polimery - objętość większa niż objętość kilogramowa stopu metali

• Ceramiczne - najtańsze szkła

• Kompozyty inżynierskie - podobne koszty do ceramiki

• Materiały specjalne (Cermetale, srebro, złoto, platyna, diament) - na cenę wpływa ilość energii potrzebnej do ich pozyskania, przetworzenia)

DOBÓR MATERIAŁÓW

Większość materiałów inżynierskich pochodzi z surowców ze skorupy ziemskiej (rudy metali)

Stopy żelaza - rudy metali muszą zawierać tlenki żelaza Fe₂O₃, Fe₃o₄, które przez odpowiednie operacje są wzbogacane.

Część materiałów inżynierskich z oceanów lub atmosfery.

Złoża dostępne, - które opłaca się eksploatować, które można eksploatować. Złoża niedostępne, nieopłacalne, czekają na technologię, które pomogą je wydobyć.

Główne pierwiastki wydobywane ze skorupy ziemskiej:

• Tlen (47%)

• Krzem (27%)

• Żelazo (5%)

• Glin (8%)

Główne pierwiastki wydobywane z oceanów:

• Tlen

• Wodór

• Chlor

Główne pierwiastki wydobywane z atmosfery:

• Azot

• Tlen

• Argon

Koszt / kg

• Budowle - koszt najmniejszy (ok. 1 $ za kilogram)

• 
  Opakowanie - np. folia, metalowe, szkła

• Urządzenia okrętowe, wodne - np. most, tankowiec, jacht

• Samochody (małe wyścigowe) - koszt porównywalny z minutnikiem do jajek

• Artykuły gospodarstwa domowego (suszarka do włosów, lodówka)

• Sprzęt sportowy (np. sprzęt wędkarski, rakieta tenisowa)

• Prom kosmiczny - sprzęt lotniczy i kosmiczny

• Wyroby biomedyczne (szczotka do zębów, okulary)

Własności materiałów stosowane jako kryteria ich doboru

Klasy	Własności
Ogólne	Względny koszt, gęstość
Mechaniczne	Moduł sprężystości, wytrzymałość, wskaźnik zmęczeniowy, ciągliwość
Cieplne	Przewodnictwo ciepła, dyfuzyjność, ciepło wtórne, temperatura topnienia, temperatura zeszklenia, współczynnik rozszerzalności cieplnej, odporność na udary cieplne, odporność na pełzanie
Zużycie	Wskaźnik zużycia
Korozja	Wskaźnik korozyjny

WPŁYW WŁAŚCIWOŚCI MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH NA PROCES PROJEKTOWANIA

Właściwości

(jakie uwzględniają przy projektowaniu)

wynikające ze struktury materiałów uwarunkowania czynnikami

związanymi z produkcją

• Najpierw materiał, później dobieramy do tego odpowiednią technologię (częściej stosowaną) albo na odwrót, (np. gdy założymy, że mamy wyrób o skomplikowanych kształtach - odlewanie)

Podczas projektowania należy zebrać szczegółowe dane:

1. Określony materiał: poznać jego własności mechaniczne, fizyko - techniczne, w jakiej jest postaci (pręt, wałek, kształtownik, blacha)

2. Znać historię produkcji materiału (skład chemiczny, zalecenia ograniczające proces produkcji)

3. Znać technologię, jaką można zastosować

4. Poznać doświadczenia stosowania tego materiału w innych wyrobach

5. Poznać takie czynniki jak: koszty, cena surowca, czy jest wymagana dodatkowa obróbka

Materiały metaliczne (zalety) - sztywne, ciągliwe, duże E, K_k, małe R_e, wysoka temperatura topnienia, odporność na szoki termiczne; (wady) wytrzymałość zmęczeniowa ½ plastyczności, odporność na korozję - niewielka.

Materiały ceramiczne - niski K_c, duży moduł Younga, wysoka plastyczność, wysoka temperatura topnienia, żaroodporne, odporne na korozję, umiarkowana gęstość; szoki termiczne, problemy w wytwarzaniu.

Polimery - niska odporność plastyczności, niski K_c, niska sztywność, niska temperatura szklenia; są ciągliwe, odporne na korozję.

Kompozyty - wada - koszt wytworzenia, niskie pełzanie (osnowa polimerowa); zaleta - wysoki K_c, wysoka sprężystość, sztywne, duża granica plastyczności

Podczas doboru materiału inżynierskiego trzeba znać jego właściwości, np. wytrzymałość w podwyższonej temperaturze

MATERIAŁY ŁOŻYSKOWE

• Nośność łożyska

• Niewielkie obciążenia - materiały polimerowe

• Duże obciążenia - jako ślizgowe stosujemy brązy

• Najbardziej obciążone - ceramika inżynierska

Metodologia projektowania

CAMS - komputerowe wspomaganie doboru materiału

Typowa baza - 3 tys. - 5 tys. Materiałów: szczegółowo, wysokie własności, procesy technologiczne, w jakiej są postaci, wymiary, normy polskie, skład chemiczny, zastosowanie, odpowiednik zagraniczny

Dobór materiału przeprowadzany jest na 3 sposoby:

1. Materiał o określonym kryterium (podający zakres plastyczności)

2. Szukamy wg oznaczenia, normy

3. Wyszukiwanie zamienników materiałów
   
   
   
   
   

22

Materiały podstawowe

Przetwarza się je, aby wykonać np. chemikalia (produkty ekstrakcji, rafinerii)

Procesy przetwórcze tych materiałów, aby uzyskać materiały inżynierskie

Procesy wytwórcze produktów

Użytkowanie, eksploatacja

Odpady

Proces recyklingu

Usuwanie

Demineralizacja

Ziemia

Surowce

Pozyskujemy materiały podstawowe, ruda, węgiel, ropa, piasek z kopalni

PROJEKTOWANIE

Mechaniczne właściwości objętościowe

Nie mechaniczne właściwości objętościowe

Właściwości powierzchni

Walory estetyczne: wygląd, faktura, powierzchnia, itp.

Cechy produkcyjne: łatwość wytwarzania, łączenia i wykończenia

Cena i dostępność

Zadania projektowe

Projektowanie inżynierskie

Dane wejściowe

- wymagania

- gdzie będzie zastosowane

- potrzeby ilościowe

- warunki pracy, sposób obciążenia, temperatura

- nowoczesność rozwiązania

Określenie żądań, wymagań, oczekiwań klienta

Dobór kształtu i cech geometrycznych

Dobór materiału inżynierskiego

Dobór procesu wytwarzania

Sformułowanie wymagań, ustalenie kryteriów doboru

Dobór materiału spośród dostępnych na rynku

Opracowanie lub udoskonalenie nowych materiałów i technologii

Materiał, technologia

• Własności

• Cena

• Ryzyko

• Czas dostawy

• Technologia wykonania

Jednocześnie dobór materiału z projektowaniem części

Wstępny wybór materiału

Wstępne projektowanie

Zebranie danych materiałowych

Wstępna analiza naprężeń

Ocena zachowania się materiału we wstępnym projekcie

Heraja

Jeśli coś nie tak

Szczegółowe zestawienie warunków technicznych projektu

Wybór sposobu wytwarzania

Zmieniamy materiał lub konstrukcję

Testowanie prototypu

Uruchomienie produkcji

Udoskonalenie produkcji

---