10.05.21
Nauka o Materiałach dr inż. W. Żak
1
Ogólna
charakterystyka
materiałów
Metale i ich stopy
:
- żelazo ( żeliwa , staliwa i stale
) ,
- aluminium ( siluminy ,
duraluminium ) ,
- miedź ( mosiądze , brązy ) ,
- cyna ( powłoki ochronne , luty
miękkie ,
stopy łożyskowe ) ,
- ołów ( luty miękkie , stopy
łożyskowe ) ,
- cynk ( znale ) .
10.05.21
Nauka o Materiałach dr inż. W. Żak
2
Ceramika , szkła :
- tlenek glinu ( Al
2
O
3
, papier
ścierny ) ,
- tlenek magnezu ( steatyt ) ,
- krzemionka SiO
2
, szkła i
krzemiany ,
- węglik krzemu ( SiC ) ,
- azotek krzemu ( Si
3
N
4
) ,
- cement ,
- beton .
Kompozyty :
- drewno , muszle mięczaków ,
- polimery zbrojone włóknami
szklanymi ,
- polimery zbrojone włóknami
węglowymi ,
- polimery z napełniaczami ,
- cermetale ( WC + 10% Co ) .
10.05.21
Nauka o Materiałach dr inż. W. Żak
3
Tworzywa polimerowe :
- polietylen ( PE) ,
- polimetakrylan metylu ( PMMA ,
plexi ) ,
- poliamid ( PA , nylon ) ,
- polistyren ( PS ) ,
- polichlorek winylu ( PVC ) ,
- teflon ( PTFE ) ,
- żywica fenolowa,
- guma .
10.05.21
Nauka o Materiałach dr inż. W. Żak
4
Podstawowe technologie wytwarzania
elementów maszyn
Ciekły metal
Odlewanie
wlewków,
(odlewanie
ciągłe)
Odlewanie
półproduktó
w
Produkcja
proszków
Odlewanie
gotowych
elementów
( różne metody )
Przeróbka
plastyczna
(różne metody)
Precyzyjne
kształtowanie
( odkształcenie na
zimno i na gorąco)
Formowanie
wyprasek i
spiekanie
Obróbka skrawaniem
( toczenie, frezowanie,
wiercenie)
Obróbka wykańczająca
( szlifowanie, polerowanie,
docieranie, obróbki powierzchniowe,
malowanie)
Przeróbka
plastyczna
( głębokie tłoczenie,
cięcie,
wykrawanie,
gięcie)
Łączenie ( spawanie,
nitowanie, zgrzewanie,
lutowanie, połączenia
montażowe )
O
d
p
a
d
y
O
d
p
a
d
y
10.05.21
Nauka o Materiałach dr inż. W. Żak
5
Właściwości materiałów
konstrukcyjnych
- mechaniczne , np. :
E , R
e
, R
m
, HB , A ,
U ,
- fizyczne , np. :
gęstość
,elektryczne ,
cieplne , optyczne ,
magnetyczne ,
- powierzchniowe , np. : utlenianie i
korozja , tarcie ,
ścieralność i
zużycie ,
- technologiczne , np. : łatwość
wytwarzania , skrawania ,
łączenia ,
- estetyczne , np. : wygląd , dotyk , kolor .
10.05.21
Nauka o Materiałach dr inż. W. Żak
6
Schemat krzywej rozciągania
typowego materiału ciągliwego
10.05.21
Nauka o Materiałach dr inż. W. Żak
7
Krzywe rozciągania
Kształt początkowej części krzywej
rozciągania :
a) większość metali i stopów ;
b) z górną i dolną granicą plastyczności
(np . stal
miękka ) ;
c) bez zakresu liniowego .
a)
b)
c)
10.05.21
Nauka o Materiałach dr inż. W. Żak
8
Pomiary twardości HV
2
2
2
2
mm
N
d
F
0,1891
mm
kG
d
F
1,854
S
F
HV
2
2
α
2
α
2
d
sin
F
2
sin
2
d
F
Twardość Vickersa
traktuje się jako wielkość
bezwymiarową
!!! .
Pomiar metodą Vickersa:
a) obciążenie próbki,
b) odcisk.
1 – penetrator , 2 - siła obciążająca ,
3 - próbka , 4 – odcisk .
10.05.21
Nauka o Materiałach dr inż. W. Żak
9
1 Talk
Mg
3
[Si
4
O
10
(OH)
2
]
2,4 HV
2 Selenit
CuSO
4
2H
2
O
36 HV
3 Kalcyt
CaCO
3
109 HV
4 Fluoryt
CaF
2
189 HV
5 Apatyt
Ca
5
[(F,Cl)
(PO
4
)
3
]
536 HV
6 Ortoklaz
KAlSi
3
O
8
795 HV
7 Kwarc
SiO
2
1120
HV
8 Topaz
Al
2
(F,OH)
2
SiO
4
1427
HV
9 Korund
Al
2
O
3
2060
HV
1
0
Diament
C
10060
HV
10.05.21
Nauka o Materiałach dr inż. W. Żak
10
Pomiary twardości HB
2
2
2
2
2
2
mm
N
d
D
D
πD
0,102
2F
mm
kG
d
D
D
πD
2F
S
F
HB
2
2
d
D
D
2
πD
F
Twardość Brinella
traktuje się jako wielkość
bezwymiarową
!!! .
Pomiar metodą Brinella:
a) podczas obciążenia,
b)po odciążeniu.
1 – kulka , 2 - element obciążający , 3 –
próbka , 4 - odcisk.
10.05.21
Nauka o Materiałach dr inż. W. Żak
11
Pomiary twardości HRB i HRC
e
130
0,002
h
0,26
c
h
K
HRB
Skal
a
F
0
[kG]
F
1
[kG]
F
0
+F
1
[kG]
Wgłębnik
K
[mm
]
Jednostka
odczytowa
c
[mm]
HRB
10
90
100
Kulka 1/16"
0,26
0,002
HRC
10
140
150
Stożek diamentowy
120º
0,20
0,002
Pomiar metodą Rockwella (a ÷ d – kolejne fazy pomiaru ):
F
0
, F
1
– obciążenie wstępne i główne ,
h
0
, h
c
– głębokości
odcisku przy obciążeniach wstępnym i głównym ,
h – trwały przyrost głębokości odcisku pod obciążeniem
wstępnym bez obciążenia głównego ,
K/c - stała
umowna odpowiadająca 100 lub 130 jednostkom podziałki w
zależności od skali .
e
100
0,002
h
0,20
c
h
K
HRC
Twardość Rockwella jest
wielkością
bezwymiarową
!!!
.
F
1
F
1
F
1
F
1
F
1
10.05.21
Nauka o Materiałach dr inż. W. Żak
12
Projektowanie
materiałów
Technologia
wytwarzania
→
↕
Obróbka cieplna
↕
Struktura materiału
→
↕
Właściwości materiału
↕
Zastosowanie materiału
jedna faza lub
mieszanina faz
odlewnictwo , przeróbka
plast . ,
technologia spieków
10.05.21
Nauka o Materiałach dr inż. W. Żak
13
Czynniki wpływające na dobór
materiału :
1. Kształt i wielkość elementu .
2. Wymagane właściwości ( oraz ich
tolerancje ) :
mechaniczne , fizyczne , powierzchniowe
,
technologiczne , estetyczne , oraz ich
sposób
badania i kontroli .
3. Koszt i dostępność materiału .
4. Koszt jednostkowy procesu
technologicznego
wytwarzania .
5. Trwałość w różnych warunkach :
przechowywania , transportu i
eksploatacji .
10.05.21
Nauka o Materiałach dr inż. W. Żak
14
Orientacyjne ceny jednostki objętości
niektórych
materiałów ( cena stali niskowęglowej
= 1 ) .
Materiał
Cena
względna
Al
( wlewek
99,5% )
2
Cu
( katody )
10
Cu
( proszek )
15
Ni
( granulki )
35
Pb
( 99,97% )
5
Sn
( 99,75% )
20
PE HD
0,3
PA
( nylon – 6,6
)
2
PTFE
( teflon )
15
Żywica
fenolowa
0,6
10.05.21
Nauka o Materiałach dr inż. W. Żak
15
Racjonalne zasady wykorzystania
materiałów
1. Oszczędność na etapie projektowania
np . stosowanie powłok ochronnych .
2. Stosowanie zamienników
np. stal lub drewno można zastąpić
polimerami lub kompozytami .
3. Ponowne wykorzystanie ( recykling )
np . przetapianie złomu stalowego .