Materiałoznawstwo
Wykłady
Prowadzący: Jakubowski
Tel. 6653781 (Wilda)
Konsultacje budynek: B13 nC
Podręczniki:
„Materiały Budowy Maszyn” - skrypt pod redakcją Andrzeja Barbackiego
A także literatura Leszka Dobrzańskiego, Przybyłowicza, Rudnika, Michalskiego
20.02.2007
Wykład 1
Naprężenie
Siła działająca na dany przekrój
Wielokrotność
Moduł sprężystości
Moduł sprężystości wzdłużnej (moduł Younga)
[Pa]
Stosunek naprężenia do odkształcenia. Wyznaczamy go w próbie rozciągania.
l
Jeśli moduł Younga jest duży, to materiał charakteryzuje się dużą sztywnością, jeśli natomiast jest mały, to materiał jest bardziej sprężysty.
Stal - 2,05 * 105 MPa
Diament - 12 * 105 MPa
Żywica epoksydowa - 0,034 * 105 MPa
Moduł odkształcenia objętościowego
Dany element jest ściskany
Moduł odkształcenia poprzecznego - próba ścinania
Zależności między modułami
ν - mi (współczynnik Poissona)
Stosunek względnej zmiany przekroju do względnej zmiany długości
Statyczna próba rozciągania
Jest to próba, w której wyznaczamy parametry wytrzymałościowe i parametry przekrojowe. Wyznaczmy ją w próbie rozciągania.
Materiały o dużej wytrzymałości i małej plastyczności
W trakcie próby rozciągania obserwujemy, że przedmiot się wydłuża. Odkształceniu ulega węższy element (szyjka). Zmienia się przekrój elementu.
Wykres inżynierski - siłę odnosimy do pola przekroju początkowego.
Wykres rzeczywisty - siłę rozciągającą odnosimy do zmieniającego się pola rozciąganego elementu.
Parametry materiałów:
Własności wytrzymałościowe
Granica sprężystości (Rsp) - naprężenie po przekroczeniu, którego powstają nieznaczne odkształcenia na poziomie 0,001 do 0,03%
Granica plastyczności
Naprężenie po osiągnięciu, którego następuje wyraźny wzrost wydłużenia rozciąganej próbki.
Umowna granica plastyczności
Naprężenie wywołujące w próbce wydłużenie trwałe równe 0,2% długości pomiarowej.
Wyznaczamy ją dla materiałów, które charakteryzują się dużą wytrzymałością a nie odznaczają się dużą plastycznością.
Wytrzymałość na rozciąganie (Rm)
Stosunek największej siły obciągającej w trakcie próby rozciągania do pola początkowego.
Granica plastyczności jest zawsze mniejsza od granicy wytrzymałości.
Własności (parametry) plastyczne
Wydłużenie - (A5 lub A10) liczba oznaczająca stosunek długości odcinka pomiarowego do średnicy
Przewężenie (Z)
Zmiana przekroju
Materiał o wysokiej plastyczności - wydłużenie osiąga powyżej 20%
Materiał o niskiej plastyczności - wydłużenie osiąga do 2 - 3%
Materiały polimerowe od kilkunastu do kilkudziesięciu Mpa
Próba zginania
Wytrzymałość zginania
Próba ściskania
Element jest poddawany siłom ściskającym. Wyznaczamy granicę sprężystości przy ściskaniu. Jest to naprężenie powodujące skrócenie próbki o 0,01% długości pomiarowej.
Granica plastyczności przy ściskaniu
Naprężenie odpowiadające sile, przy której próbka ulega skróceniu bez wzrostu obciążenia
Wytrzymałość na ściskanie
- szczególnie dla elementów
Twardość - opór, jaki stawia materiał podczas wciskania w niego innego materiału.
Skala Mohsa - jest to skala od 1 do 10, gdzie 1 to materiał najbardziej miękki, a 10 najbardziej twardy
1 - Talk
2 - Gips
3 - Kalcyt
4 - Fluoryt
5 - Apatyt
6 - Ortoplas
7 - Kwarc
8 - Topaz
9 - Korund (tlenek glinu)
10 - Diament
Trzy metody pomiaru twardości:
- wgłębniki wykonane z węglików spiekanych lub diamentu
Metoda Brinella
W badany element wciskamy stalową zahartowaną kulkę. Pomiar twardości polega na pomiarze średnicy wgłębienia. Parametry twardości w metodzie Brinella oznaczamy HB.
Kulka, którą wciskamy ma średnicę od 1 do 10 mm, natomiast siły wciskania wynoszą od 30000 N do 300 N.
Metoda ta służy do badania materiałów miękkich.
Szyna kolejowa wykonana ze stali wysokowęglowej - 200 HB
Brąz - 80 HB
Miedź - 50 HB
Aluminium - 20 HB
Złoto - 18 HB
Ołów - 5 HB
Twardość Brinella możemy powiązać z wytrzymałością na rozciąganie stali węglowej.
Rm ≈ 3,4 HB
Schemat pomiaru twardości metodą Brinella - rysunek nr 1.
Metoda Vickersa
Wciskamy ostrosłup diamentowy o kącie wierzchołkowym 136°. Wciskamy z siłami od 50 do 1000 N lub 0,02 do 2 N.
Mniejsze siły stosujemy do badania warstw.
Stosowana jest do badania materiałów twardych i bardzo twardych
Stal zahartowana - 700 HV
Korund - 2000 HV
Węglik tytanu - 2500 HV
Schemat pomiaru twardości metodą Vickersa - rysunek nr 2.
Metoda Rockwella
Ma 11 sposobów pomiaru twardości, dlatego, za HR może się znaleźć 11 różnych liter. Najczęściej stosowane to HRB i HRC.
W metodzie HRC wciskamy stożek diamentowy, a w HRB zahartowaną stalową kulkę o średnicy 1,5 mm.
Pomiar twardości wykonywany jest i odczytywany na przyrządzie.
60 HRC - zahartowana stal
Metody Rockwella nie stosujemy do badania materiałów miękkich. Granicą jest 20 HRC.
Schemat pomiaru twardości metodą Rockwella - rysunek nr3.
Udarność
Charakteryzuje zachowanie się materiałów dynamicznych. Polega na złamaniu próbki za pomocą jednego uderzenia młota pneumatycznego. Długość próbki wynosi ok. 10 cm.
Karb może być w kształcie litery V lub litery U
Pomiar udarności polega na zbadaniu pracy, jaką trzeba wykonać, aby złamać próbkę. Pracę tę wyznaczamy w J lub w J/cm2.
Parametr udarności oznaczamy:
KCV, - jeśli karb ma kształt litery V
KCU, - jeśli karb ma kształt litery U
Próbki standardowe: KU, KV
Szkło - 5 J/cm2
Materiały o największej udarności - 300 J/cm2
Odporność na kruche pękanie (na propagację pęknięć)
, gdzie a - długość szczeliny
Charakteryzuje zachowanie się materiałów w obecności szczeliny.
Korzystne jest, aby materiały miały jak największy parametr KC, bo wtedy można dopuszczać dużą szczelinę przy naprężeniu.
Stale wysokowytrzymałe, stopy tytanu - 150 ·Mpa · m1/2 =
Schemat cech powierzchni złomów zmęczeniowych (wg S. Kocańdy) - rysunek nr 4
Ognisko
Strefa przyogniowa
Uskoki pierwotne
Uskoki wtórne
Linie zmęczeniowe
Strefa przejściowa
Strefa resztkowa
Kierunek obrotu wału
Karb - nagła zmiana przekroju
Wady powodujące pęknięcia zmęczeniowe:
Materiałowe
Metalurgiczne (wytrącenia, np. węgliki [Fe3C], azotki [Fe2N])
Wtrącenia niemetaliczne (tlenki, siarczki)
Jamy
Koncentratory naprężeń mogą powstawać w procesie projektowania, w procesie technologicznym.
W miejscu, gdzie mamy koncentratory materiał ulega uplastycznieniu.
Zmęczeniu ulegają materiały, które poddane są umiarkowanymi siłami.
Im mniejsza strefa resztkowa, tym lepiej. Oznacza to, że wyrób będzie dłużej pracował.
Współczynnik bezpieczeństwa - wprowadzamy go na etapie projektowania. Przyjmuje on wartości od 1,1 do 1,3.
Wytrzymałość zmęczeniową możemy teoretycznie określić, jeśli znamy wytrzymałość na rozciąganie, czyli:
Z - przewężenie
Wytrzymałość zmęczeniową określamy w próbach. Próbki to walce o tym samym przekroju wypolerowane. Są one poddawane obciążeniom zmiennym. Na początku przykładamy duże naprężenie, potem coraz mniejsze.
Żarowytrzymałość - odporność na działanie naprężeń w podwyższonej temperaturze. Odporność na odkształcenia w podwyższonej temperaturze.
Proces pełzania, - jeżeli na element działa pewne naprężenie pod wpływem temperatury, to będzie on się wydłużał.
Temperatura graniczna:
Metale - 0,3 - 0,4 temperatury topnienia
Ceramika - 0,4 - 0,5 temperatury topnienia
Polimery - temperatura pokojowa
Proces pełzania badamy w podwyższonych temperaturach przykładając naprężenie i badamy odkształcenie wyznaczając krzywe pełzania.
Wykres nr 1
Granica pełzania - naprężenie, które spowoduje, że w określonych warunkach wydłużenie osiągnie dopuszczalną granicę.
R0,5/100000/500 = 500 MPa,
Co oznacza, że naprężenie 500 MPa w temperaturze 500°C po czasie 100 tys. Godzin doprowadzi do wydłużenia materiału o 0,5%.
Żaroodporność - naprężenie, które w określonych warunkach spowoduje zniszczenie materiału.
27.02.2007
Wykład 2
Rodzaje materiałów:
Naturalne - występujące w przyrodzie, nadajemy im kształt, drewno, kamienie.
Inżynierskie - nie występują w przyrodzie, do ich powstania wykorzystujemy materiały naturalne poprzez zastosowanie złożonych procesów wytwórczych. Są to ciała stałe o własnościach odpowiednich do stosowania ich przez człowieka.
Grupy materiałów inżynierskich:
Metale i ich stopy
Stopy żelaza, np. stale, staliwo, żeliwo
Stopy metali nieżelaznych, np. stopy miedzi, aluminium
Materiały ceramiczne (ceramika)
Ceramika inżynierska
Ceramika tradycyjna (porowata)
Cermetale (połączenie ceramiki z metalami)
Szkła
Ceramika szklana
Polimery
Polimery termoplastyczne
Polimery utwardzalne
Elastomery
Kompozyty - w zależności od rodzaju osnowy wyróżnia się:
Kompozyty o osnowie ceramicznej
Kompozyty o osnowie polimerowej
Kompozyty o osnowie metalowej
Metale to pierwiastki, w których występuje przewaga wiązania metalicznego.
Czyste metale stosowane są rzadko ze względu na małą wytrzymałość, dlatego stosuje się stopy, w których przynajmniej jeden pierwiastek jest pierwiastkiem metalicznym.
Stopy metali są wieloskładnikowe. Cechy:
Dobre przewodnictwo ciepłe i elektryczne
Opór wzrasta ze wzrostem temperatury
Zdolność do odkształceń plastycznych pod wpływem działających naprężeń
Metale otrzymujemy z rud metalurgicznych, natomiast elementy metalowe tworzymy wykorzystując procesy odlewania, obróbki skrawaniem i proces metalurgii proszku.
Własności wyrobów kształtujemy poprzez przeprowadzenie obróbki cieplnej lub cieplnochemicznej.
Materiały polimerowe to materiały organiczne złożone ze związków węgla. Surowcem do wytwarzania polimerów oraz surowce zawierające węgiel, np. ropa, kopaliny.
Polimery powstają w wyniku połączenia wiązaniami kowalencyjnymi wielu grup atomów. Atomy te nazywamy monomerami.
Polimery są to ciała bezpostaciowe, czyli atomy są ułożone w sposób przypadkowy, nie ma struktury krystalicznej. Cząsteczki mogą układać się w sposób krystaliczny.
W skład polimerów wchodzą dodatki:
Napełniacze, które mają na celu obniżenie ceny polimeru
Barwniki, które nadają kolor
Zmiękczacze
Antyutleniacze, tak, żeby polimery w trakcie eksploatacji nie pękały i działały niezawodnie.
Polimery dzielimy na:
Termoplastyczne - po podgrzaniu przechodzą w stan plastyczny, możemy zmienić ich kształt, a po ochłodzeniu twardnieją i przyjmują taki kształt, jaki im nadaliśmy wcześniej.
Utwardzalne
Termoutwardzalne - temperatura
Chemoutwardzalne - utwardzacz chemiczny
Elastomery - polimery o dużych odkształceniach sprężystych
Struktura polimerów termoplastycznych - tabela nr 2
Polietylen, np. butelki [PE]
Polichlorek winylu, np. wykładziny podłogowe [PCV, PCW]
Polipropylen, np. folie, rury, pokrycia [PP]
Polistyren (styropian), np. pojemniki, pianki [PS]
Kopolimer (akrylonitryl - butadien - styren; ABS), np. walizki, telefony
Politereftalen, np. taśmy magnetyczne
Polimetakrylan metylu, np. szyby [PMME]
Nylon 6.6 (Poliamid), np. tkaniny
Elastomery to przede wszystkim kauczuk. Stosowany na opony.
Struktura elastomerów - tabela nr 1
Własności polimerów - tworzyw termoplastycznych - tabela nr 3
Nazwa |
Gęstość [g/cm3] |
Wytrzymałość na rozciąganie [MPa} |
A % |
Zakres temperatury pracy |
Polietylen wysokociśnieniowy |
0,92 |
14 |
600 |
-70 ÷ +70 |
Polietylen niskociśnieniowy |
0,96 |
27 |
600 |
-70 ÷ +80 |
Politetrafluoroetylen (teflon) [PTFE] |
2,15 |
30 |
200 |
-269 ÷ +260 |
Polimetalinylen metylu (szkło organiczne) |
1,18 |
80 |
3,0 |
-60 ÷ +100 |
Poliwęglany |
1,20 |
70 |
100 |
-200 ÷ +135 |
Właściwości i zastosowanie niektórych materiałów utwardzalnych - tabela nr 4
Zastosowanie tworzyw sztucznych polimerów jest dosyć złożone.
Przykłady zastosowań polimerów - tabela nr 5.
Procesy, w których wytwarzamy elementy to:
Procesy wtrysku - materiał w postaci granulatu, który jest stopiony i wtryskiwany do formy wtryskowej, gdzie zastyga i przyjmuje kształt formy.
Wytłaczanie - stosowane jest do elementów długich (rynny, rury). Wytłaczarka działa na zasadzie maszynki do mielenia mięsa. Wsypujemy do niej granulat, który na ślimaku jest mielony, podgrzewany i wypychany przez specjalną dyszę.
Proces odlewania.
Tworzywa ceramiczne
Są to tworzywa nieorganiczne, w których występują wiązania jonowe i kowalencyjne. Powodują one, że materiały ceramiczne są wytrzymałe na podwyższone temperatury, są wytrzymałościowe. Wytwarzane są w procesach wysokotemperaturowych, procesy spiekania. Wytwarzane są z niemetali: węgiel (C), azot (N), tlen (O), Fosfor (P). Te pierwiastki łączą się z pierwiastkami metalicznymi.
Główna charakterystyka niektórych materiałów ceramicznych - tabela nr 6.
Jeśli ceramika zbudowana jest z:
- wegla, to są węgliki
- azotu, to są azotki
- tlenu, to są tlenki
- fosforu, to są fosforki
Ceramika inżynierska - ceramika bezporowata. Powstaje w procesie spiekania, bez udziału fazy ciekłej.
Pory - wolne miejsce
Proszki ceramiczne prasujemy w podwyższonym ciśnieniu, powstaje wypraska. Jest ona spiekana w odpowiedniej temperaturze.
Szkło zbudowane jest przynajmniej w 50% z krzemionki (SiO2). Pozostały procent to są tlenki.
Skład chemiczny i zastosowanie niektórych szkieł i ceramiki szklanej - tabela nr 7.
Cermetale - węgliki bądź azotki rozmieszczone w osnowie metalowej. Osnowy metalowej może być najczęściej od 5 do 15%. Najczęściej stosowana osnowa to: kobalt lub molibden.
Ceramika szklana - powstaje w procesie denitryfikacji (oszklenia). Materiałem wyjściowym jest szkło. Poddajemy je oszkleniu. Powstają małe obszary krystaliczne o uporządkowanej strukturze.
Węglik wolframu - WC
Węglik tytanu - TiC
Węglik krzemu - SiC
Azotek boru - BN
Azotek tytanu - TiN
Azotek krzemu - Si3N4
Tlenek aluminium - Al2O3 (stosowany jako materiał skrawający, materiał ścierny. Wykorzystywany w izolatorach.
Do materiałów ceramicznych zaliczamy diament, wykorzystywany jako materiał skrawający.
Właściwości tworzyw ceramicznych, metalicznych i polimerowych - tabela nr 8.
Wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności i wydłużenie względne tworzyw ceramicznych, metalicznych i polimerowych - tabela nr 9.
Materiały kompozytowe
Zbudowane z dwóch lub większej ilości faz o różnych właściwościach. Najczęściej łączymy materiał o wysokiej wytrzymałości z materiałem o niskiej wytrzymałości, ale wysokiej plastyczności.
Wysoka wytrzymałość - zbrojenie, duże obciążenie
Wysoka plastyczność - osnowa, nadaje kształt wyrobowi
Klasy materiałów kompozytowych - rysunek nr 5
Zbrojenie polimerowe - włókna o średnicy od 1 do 130 μm
Najczęściej stosowane, to włókna węglowe i szklane
Polimery utwardzalne, termoplastyczne - osnowa.
Kompozyty o osnowie polimerowej wykorzystujemy w przemyśle samochodowym, w sporcie, wędki, rakiety tenisowe.
Typy i charakterystyka materiałów kompozytowych - tabela nr 10.
Zastosowania materiałów kompozytowych o o osnowie metalowej - tabela nr 11.
17
τ
τ
γ - kąt odkształcenia postaciowego
l0
F
F
Materiały o dużej plastyczności
F
∆L
σ
ε
f
Strzałka ugięcia
F
Rc0,01
F
Mała siła
Duża siła
Pęknięcie
Karb
σ
3
6
7