Materiałoznawstwo

Wykłady

Prowadzący: Jakubowski

Tel. [phone] (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 (R_sp) - 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 (R_m)

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

1. 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.

R_m ≈ 3,4 HB

Schemat pomiaru twardości metodą Brinella - rysunek nr 1.

2. 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.

3. 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 · m^1/2 =

Schemat cech powierzchni złomów zmęczeniowych (wg S. Kocańdy) - rysunek nr 4

1. Ognisko

2. Strefa przyogniowa

3. Uskoki pierwotne

4. Uskoki wtórne

5. Linie zmęczeniowe

6. Strefa przejściowa

7. Strefa resztkowa

8. 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.

R_{0,5/100000/500} = 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:

1. Metale i ich stopy

• Stopy żelaza, np. stale, staliwo, żeliwo

• Stopy metali nieżelaznych, np. stopy miedzi, aluminium

2. Materiały ceramiczne (ceramika)

• Ceramika inżynierska

• Ceramika tradycyjna (porowata)

• Cermetale (połączenie ceramiki z metalami)

• Szkła

• Ceramika szklana

1. Polimery

• Polimery termoplastyczne

• Polimery utwardzalne

• Elastomery

1. 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:

1. Termoplastyczne - po podgrzaniu przechodzą w stan plastyczny, możemy zmienić ich kształt, a po ochłodzeniu twardnieją i przyjmują taki kształt, jaki im nadaliśmy wcześniej.

2. 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/cm^3]	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

R_c0,01

F

Mała siła

Duża siła

Pęknięcie

Karb

σ

3

6

7

---