Nowoczesne
materiały w budowie
maszyn
Nowoczesne
materiały w budowie
maszyn
Podstawowe grupy materiałów
Materiałami w pojęciu technicznym nazywane są ciała stałe o własnościach
umożliwiających ich stosowanie przez człowieka do wytwarzania produktów.
Najogólniej wśród materiałów o znaczeniu technicznym można wyróżnić:
•materiały naturalne, wymagające jedynie nadania kształtu, do
technicznego
zastosowania,
•materiały inżynierskie, nie występujące w naturze lecz wymagające
zastosowania złożonych procesów wytwórczych do ich przystosowania do potrzeb
technicznych po wykorzystaniu surowców dostępnych w naturze.
Przykładami materiałów naturalnych są: drewno, niektóre kamienie, skały i
minerały.
Do podstawowych grup materiałów 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 dwóch z wymienionych materiałów inżynierskich w
monolityczną całość, co zapewnia uzyskanie innych własności od właściwych dla
każdego,z materiałów składowych
Rodzaje wiązań między
atomami występującymi w
podstawowych grupach
materiałów inżynierskich
Podstawowe grupy
materiałów inżynierskich
Metale i ich stopy
Układy wieloskładnikowe złożone z więcej niż jednego pierwiastka,
charakteryzujące się przewagą wiązania metalicznego tworzą stopy metali.
Składy stopów metali są zawarte w szerokich granicach bez obowiązywania
zasad stechiometrii. Są wytwarzane głównie przez topienie i krystalizację ze
stanu ciekłego.. Stosunek masy danego składnika do całej masy stopu podany
w procentach określa jego stężenie masowe.
Metale i ich stopy cechują następujące własności:
• dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne,
• dodatni temperaturowy współczynnik rezystywności (opór 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 polegają zwykle na redukcji, prowadzącej do ekstrakcji metalu z
rudy oraz na rafinacji, usuwającej z metalu pozostałe zanieczyszczenia.
Elementy metalowe zwykle wykonywane są metodami odlewniczymi,
przeróbki plastycznej lub obróbki skrawaniem, a często także metalurgii
proszków. Własności metali i stopów są kształtowane metodami obróbki
cieplnej, a powierzchnia elementów metalowych często jest uszlachetniana
metodami inżynierii powierzchni, zwiększającymi m.in. odporność na korozję
lub odporność na zużycie.
Do wytworzenia turbośmigłowego silnika odrzutowego samolotu pasażerskiego są
natomiast stosowane głównie metale nieżelazne i ich stopy, w tym: tytanu (38%),
niklu(37%),chromu (12%), kobaltu (6%), aluminium (5%),niobu (1%) i tantalu
(0,02%).
Aluminum
Aluminium należy do metali o bardzo dużym znaczeniu
technicznym. Występuje w przyrodzie w bardzo wielu minerałach i jest
trzecim (po tlenie i krzemie) pierwiastkiem pod względem udziału w
skorupie ziemskiej. Jego główną rudą jest boksyt, Aluminium wytwarza się
w 17 gatunkach o różnym stopniu czystości od 99,99 do 99,0% .
Aluminium jest stosowane zarówno w postaci czystego metalu, jak i wielu
stopów.
Temperatura topnienia aluminium wynosi 660,37°C, a wrzenia 2494°C. Gęstość
Aluminium wynosi 2,6989 g/cm3 w 20°C. Aluminium w stanie wyżarzonym cechuje się
wytrzymałością na rozciąganie wynoszącą Rm = 70+120 MPa, granicą plastyczności
R = 20+40 MPa, wydłużeniem A=30+45% i przewężeniemZ = 80+95% Aluminium może być
obrabiane plastycznie na zimno i na gorąco Aluminium cechuje wysoka przewodność
Elektryczna -37,74 MS/m, stanowiąca ok. 65% przewodności elektrycznej miedzi, oraz dobra
przewodność cieplna. Aluminium wykazuje dużą odporność na korozję. Na powietrzu
pokrywa się cienką warstwą Al2O3, chroniącą przed korozją atmosferyczną, działaniem
wody, stężonego kwasu azotowego, licznych kwasów organicznych, a także siarkowodoru.
Natomiast kwasy redukujące HCl i HF, woda morska, pary i jony rtęci powodują
przyspieszenie korozji aluminium. W celu polepszenia odporności na korozję aluminium
może być poddane tzw. anodowaniu, tj. elektrolitycznemu procesowi wytwarzania
powłoki tlenkowej, np. w roztworze 10% kwasu siarkowego, połączonemu z barwieniem
powierzchni metalu na różne kolory.
Ogólna klasyfikacja stopów
aluminium
Stopy do obróbki plastycznej zawierają zwykle do ok. 5% pierwiastków
stopowych, najczęściej Cu, Mg, Mn, niekiedy także Si, Zn, Ni, Cr, Ti lub Li.
Niektóre z tych stopów są stosowane w stanie zgniecionym lub po
wyżarzaniu rekrystalizującym, a część jest poddawana obróbce cieplnej
polegającej na utwardzaniu wydzieleniowym
Stopy aluminium do obróbki plastycznej
Odlewnicze stopy aluminum
Odlewnicze stopy aluminium są przeważnie stopami wieloskładnikowymi o dużym
stężeniu - od 5 do 25% - pierwiastków stopowych, głównie Si, Cu, Mg, Zn
i Ni lub ich różnych zestawień. Charakteryzują się dobrą lejnością i często małym
skurczem odlewniczym. W stanie lanym można także stosować stopy zawierające
mniej niż 5% pierwiastków stopowych.
Stosunkowo niskie własności wytrzymałościowe aluminium można
zwiększyć
nawet kilkakrotnie przez wprowadzenie pierwiastków stopowych oraz obróbkę
cieplną stopów. W porównaniu ze stalami stopy aluminium charakteryzują się
znacznie mniejszą masą, a w niskiej temperaturze większą udarnością.
Najogólniej ze względu na sposób wytwarzania stopy aluminium dzieli się na:
do obróbki plastycznej, odlewnicze. Niektóre z tych stopów mogą być stosowane
zarówno jako odlewnicze jak i przeznaczone do obróbki plastycznej.
Stopy aluminium z krzemem
Podstawową grupę stopów Al z Si stanowią stopy odlewnicze zwane siluminami
Krzem, jako podstawowy składnik tych stopów, zapewnia dobrą rzadkopłynność
oraz lejność i mały skurcz odlewniczy.
Siluminy o składzie eutektycznym charakteryzują się bardzo dobrymi własno-
ściami odlewniczymi, nie wykazują skłonności do pękania na gorąco
Siluminy mogą być również stopami wieloskładnikowymi. Zawierają wówczas
dodatki Cu, Mg i Mn, zwiększające wytrzymałość
Zastosowanie stopów odlewniczych aluminium z
krzemem
Siluminy eutektyczne i nadeutektyczne wykazujące znaczną
żarowytrzymałość
są stosowane na wysoko obciążone tłoki silników spalinowych. Ze stopów
podeutektycznych wytwarza się silnie obciążone elementy dla przemysłu
okrętowego
i elektrycznego, pracujące w podwyższonej temperaturze i w wodzie morskiej.
Wieloskładnikowe stopy Al z Si są stosowane m.in. na głowice silników
spalinowych oraz inne odlewy w przemyśle maszynowym.
Stopy aluminium z magnezem
W stopach przemysłowych Al z Mg stężenie Mg jest zawarte w
przedziale od 0,5 do ok. 13%. Stopy o małym stężeniu Mg wykazują dużą
podatność na obróbkę
plastyczną, a o dużym stężeniu - bardzo dobre własności odlewnicze.
Stopy aluminium z Mg - oprócz siluminów - są najczęściej
stosowanymi stopami odlewniczymi. Wykazują bowiem największą spośród
stopów aluminium odporność na korozję i najmniejszą gęstość. Własności
odlewnicze tych stopów są jednak gorsze niż siluminów.
Stopy odlewnicze Al z Mg znajdują zastosowanie na odlewy o dużej odporno-
ści na korozję, np. na armaturę morską, elementy aparatury chemicznej oraz ele-
menty dekoracyjne, a także silnie obciążone i narażone na uderzenia
.
Tytan (Ti, łac. titanium) – pierwiastek chemiczny z grupy metali
przejściowych w układzie okresowym o liczbie atomowej 22. Jest lekki,
posiada wysoką wytrzymałość mechaniczną, odporny na korozję
(w tym również wody morskiej i chloru), metal o szarawym kolorze.
Tytan jest dodawany jako dodatek stopowy do żelaza, aluminium,
wanadu, molibdenu i innych. Stopy tytanu są wykorzystywane w
przemyśle lotniczym (silniki odrzutowe, promy kosmiczne),
militarnym, procesach metalurgicznych, motoryzacyjnym,
medycznym (protezy dentystyczne, ortopedyczne klamry), sportów
ekstremalnych i innych.
Tytan
Stopy tytanu w budowie maszyn
Stale maraging [SM]
Stale maraging zawierają 20-25% Ni z dodatkami 1,3-
1,6% Ti, 0,15-0,30% Al, 0,3-0,5% Nb. Tytan w tych stopach
stanowi składnik umacniający, dzięki tworzeniu w czasie
starzenia licznych dyspersyjnych wydzieleń (Ni3Ti, NiTi i
inne). Stale SM stosuje się w budowie statków
kosmicznych, w lotnictwie (produkcja katapult, podwozia
samolotów, konstrukcja samolotu myśliwskiego Mirage F1),
w przemyśle zbrojeniowym (lufy dział szybkostrzelnych,
lufy broni palnej), budowie maszyn i urządzeń (elementy
turbin parowych), korbowody (Ferrari F355/360M/550M,
Porsche 911 GT3, Honda NSX), wały napędowe
samochodów wyścigowych, elementy wagonów kolejowych,
cienkościenne naczynia ciśnieniowe o średnicy do 4m oraz
kotły i rury o dużych średnicach pracujące w
podwyższonych temperaturach i pod ciśnieniem do
2GPa[19][20].
Stopy tytanu ze względu na swą odporność
na korozję, jak i możliwość przenoszenia
dużych ciśnień (praca na głębokości do 3700
m), uważane są za najbardziej
perspektywiczny materiał na kadłuby
okrętów podwodnych i batyskafów.
Lotnictwo
Stopy tytanu stanowią perspektywiczny materiał dla
samolotów przyszłości. Z uwagi na największy
współczynnik wytrzymałości do ciężaru
właściwego, wysoką odporność na korozję i
wysoką temperaturę topnienia wykorzystywane są
w przemyśle lotniczym, morskim, kosmicznym oraz w
pociskach. 2/3 produkowanego tytanu zużywane jest,
jako stop z aluminium, wanadem i innymi dodatkami, w
silnikach lotniczych i pokryciach samolotów. Stopy
tytanu używane są do produkcji większości elementów
głowic wirników w śmigłowcach.
Polimery
Polimery, nazywane także tworzywami sztucznymi lub plastikami,
są materiałami organicznymi, złożonymi ze związków węgla. Polimery są
tworzone przez węgiel, wodór i inne pierwiastki niemetaliczne z
prawego górnego rogu układu okresowego. Polimery są
makrocząsteczkami i powstają w wyniku połączenia wiązaniami
kowalencyjnymi w łańcuchy wielu grup atomów zwanych monomerami
jednego lub kilku rodzajów .W skład polimerów wchodzą również dodatki
barwników lub pigmentów, katalizatorów, napełniaczy,
zmiękczaczy (plastyfikatorów), antyutleniaczy i innych.
Prosty monomer jest cząsteczką etylenu C2H4.
W wyniku zastąpienia atomu wodoru w tych cząsteczkach przez CH3
powstaje polipropylen, przez C6H5 - polistyren, przez Cl-
polichlorek winylu. Inne polimery zawierają atomy tlenu (np.
akryliki), azotu (nylony), krzemu (silikony) i fluoru (fluoroplastiki).
Zastąpienie wszystkich atomów wodoru przez fluor w monomerze
etylenu powoduje uzyskanie politetra-
fluoroetylenu (teflonu).
PODSTAWOWE WŁASNOŚCI POLIMERÓW
Polimery charakteryzują się:
• małą gęstością,
• izolacyjnymi własnościami cieplnymi i elektrycznymi (z wyjątkiem
przewodzących prąd elektryczny ),
• słabo odbijają światło i zwykle są przezroczyste.
• Wiele z polimerów jest giętkich i odkształcalnych, lecz nie nadają
się do pracy w podwyższonej temperaturze.
PROCESY TECHNOLOGICZNE POLIMERÓW
Zwykle surowcem do wytwarzania polimerów jest ropa naftowa. W
takim przypadku łączenie monomerów w makrocząstki następuje
podczas polireakcji, tj. polimeryzacji, kopolimeryzacji,
polikondensacji lub poliaddycji.
Zalety i wady
Do zalet materiałów polimerowych zaliczane są:
mała gęstość, duża wytrzymałość mechaniczna w stosunku do masy,
trwałość, odporność na czynniki atmosferyczne i środowiska aktywne,
termostabilność, własności elektryczne, cieplne oraz duża zdolność
kształtowania gotowych produktów w stosunkowo prostych procesach
technologicznych.
Do wad materiałów polimerowych zalicza się
niską odporność na pełzanie, ograniczony zakres temperatury długotrwałego użytkowania
oraz
problemy związane z procesami wtórnego wykorzystania i utylizacji zużytych produktów
i elementów konstrukcyjnych.
Przykłady polimerów
• polietylen (PE) – pojemniki, zabawki, folie, jest bardzo odporny chemicznie i łatwo się go barwi
na żywe kolory
• polipropylen (PP) – bardziej wytrzymały niż polietylen (wyższa temperatura topnienia) np.
wykładziny, rury, ale jest trudniejszy w obróbce, mniej odporny chemicznie i trudno się go barwi.
• polistyren (PS) - tworzywo konstrukcyjne, kruche ale wytrzymałe na zgniatanie.
• poliakrylonitryl (PAN) - popularna "anilana" - podstawowy składnik tzw. sztucznego jedwabiu
• poli(tereftalan etylenu) - (PET) - tworzywo przezroczyste, z którego produkuje się większość
plastikowych butelek, oraz jest też stosowane jak sztuczne włókno (patrz polartec).
• poli(tlenek etylenu) (PEO) - "sztuczna stal" - tworzywo konstrukcyjne o bardzo dużej
wytrzymałości na rozciąganie i skręcanie
• poli(chlorek winylu) (PCW, PVC) – wykazuje dużą odporność na działanie stężonych kwasów i
zasad, produkuje się z niego panele podłogowe, rurki i węże, często występuje jako składnik
klejów i lakierów.
• nylon – mocny i rozciągliwy, wykorzystywany do proukcji lin i sztucznych włókien
• kauczuk syntetyczny – cała grupa polimerów o własnościach elastycznych
• politetrafluoroetylen (PTFE) – charakteryzuje się dużym napięciem powierzchniowym oraz jest
wyjątkowo odporny chemicznie, ma też dość wysoką odporność termiczną, ale jest bardzo
kosztowny i trudny w obróbce
• poli(metakrylan metylu) (PMM) (szkło organiczne) – tworzywo o dużej przezroczystości, w
zakresie światła widzialnego i UV.
• polisiloksan - cała gama tworzyw, od kauczuków i żeli stosowanych w medycynie po tworzywa
konstrukcyjne, farby i smary
Termoplasty (tworzywa termoplastyczne)
i duroplasty (tworzywa utwardzalne),
Zalety:
• niski ciężar właściwy,
• dużą sztywność i twardość,
• wysoki współczynnik odporności na uderzenia
nawet przy niskich temperaturach,
• odporność na tarcie i ścieranie,
• doskonałe właściwości ślizgowe i pracy przy
skrajnych obciążeniach,
• odporność na korozję,
• brak lub bardzo niską absorpcję wilgoci,
• dobrą do bardzo dobrej odporność na
chemikalia i hydrolizę,
• stabilność wymiarów,
• praktycznie nieograniczoną różnorodność
wymiarów i kształtów,
• minimalne wymagania konserwacyjne.
Koła linowe, pasowe oraz klinowe stosowane
w różnorakich żurawiach oraz w systemach
transportowych i windach.
Zalety: są one o wiele lżejsze niż te,
z tradycyjnych materiałów, emitują mniej
hałasu, są odporne na warunki pogodowe
i korozję, a także pochłaniają drgania,
uderzenia i szarpnięcia.
Komponenty do średnich i dużych maszyn, nawet te o
skomplikowanych kształtach, odlewane są w formach. Dzięki
temu obróbka mechaniczna zostaje całkowicie wyeliminowana
lub przynajmniej w znacznym stopniu ograniczona.
Zastosowanie tworzyw sztucznych jest korzystne z wielu
powodów: podzespoły z termo- i duroplastów są znacznie
lżejsze od odpowiedników wykonanych z metalu, wytrzymują
duże obciążenia, wykazują dłuższą żywotność niż ich
odpowiedniki wykonane z innych materiałów, podzespoły
wykonane ztermo- i duroplastów cechuje cicha praca oraz
redukcja wibracji i drgań, tworzywa te mogą być stosowane w
szerokim zakresie temperatur, są ekologiczne i
nadają się do recyklingu.
Elementy napędów, takie jak koła zębate
i łańcuchowe, są stosowane w różnych
gałęziach przemysłu: oczyszczalniach
ścieków, sprzęcie transportowym,
maszynach
do produkcji napojów, papieru i tekstyliów,
robotach i obrabiarkach oraz wielu innych.
Materiały ceramiczne
Ceramikę stanowią materiały nieorganiczne o jonowych i kowalencyjnych
wiązaniach międzyatomowych, wytwarzane zwykle w wysokotemperaturowych
procesach związanych z przebiegiem nieodwracalnych reakcji, chociaż do tej
grupy materiałów zaliczane są również szkła oraz beton i cement, pomimo że
przy
ich wytwarzaniu zachodzą nie wszystkie z tych procesów.
Najogólniej do szeroko rozumianych
materiałów ceramicznych można
zaliczyć ceramikę inżynierską,
cermetale, ceramikę porowatą,
szkła, ceramikę szklaną
Zastosowanie w przemyśle samochodowym
i lotniczym: elementy turbin, osłony termiczne
i wymienniki, uszczelnienia, elementy systemu
osłony termicznej promów kosmicznych
Metalurgia proszków
Metalurgia proszków jest dziedziną techniki, obejmującą metody wytwarzania
proszków metali i materiałów metalowych lub ich mieszanin z proszkami
Niemetalowymi oraz otrzymywania półproduktów i produktów z tych proszków bez
Konieczności roztapiania głównego składnika.
Do zalet metalurgii proszków w porównaniu z innymi technologiami można
zaliczyć ograniczenie zużycia materiałów, możliwość otrzymywania materiałów,
których
nie da się wytworzyć innymi metodami, stosowanie niższej temperatury niż
w metalurgii konwencjonalnej. Wady metody metalurgii proszków są związane
z uzyskiwaniem materiałów o dużej porowatości, a co za tym idzie - o małej
wytrzymałości, oraz z trudnościami w uzyskiwaniu produktów o złożonym kształcie
ze względu na nierównomierny rozkład ciśnienia w objętości proszku podczas
prasowania. Porowatość produktów można wykorzystać, np. w filtrach i łożyskach
porowatych (samosmarujących).
Uproszczony schemat
produkcji masowej
produktów z proszków
żelaza i stali
(według W. Rutkowskiego);
a) wytwarzanie proszków,
b) b) przygotowanie proszków,
c) c) formowanie wstępne
d) i spiekanie,
e) d) obróbka wykończająca
Zastosowanie
Metody metalurgii proszków znalazły zastosowanie w masowej produkcji licz-
nych elementów wytwarzanych z żelaza, stali niestopowych i stali stopowych.
Umożliwiają bowiem znaczne zmniejszenie pracochłonności, odciążenie obrabia-
rek, oszczędności surowcowe i zmniejszenie ilości odpadów. Spiekane elementy
maszyn są stosowane w przemyśle maszynowym i motoryzacyjnym. W postaci pro-
duktów z proszków spiekanych są wytwarzane koła zębate, rolki, podkładki, nakręt-
ki, zapadki, elementy amortyzatorów, gniazda zaworów, łożyska, okucia budowla-
ne, elementy uzbrojenia, maszyn biurowych i maszyn do szycia.
Produkty spiekane ze stali niskowęglowej cechują się wytrzymałością na rozcią-
ganie ok. 220 MPa, twardością 50 HB i wydłużeniem do 20%. Zwiększenie wytrzy-
małości i odporności na korozję i ścieranie jest możliwe w przypadku zastosowa-
nia produktów z proszków stalowych, w szczególności o składzie chemicznym od-
powiadającym stalom specjalnym.
Metody metalurgii proszków umożliwiają
wytwarzanie produktów, których nie można
wytworzyć innymi metodami. Do produktów
tych należą między innymi:
•łożyska lite,
•łożyska porowate,
•filtry spiekane.
Metody metalurgii proszków umożliwiają otrzymanie czystych metali trudno
topliwych, np. Ta, Nb, Ti, odpornych na korozję, albo W lub Mo stosowanych do
pracy w wysokiej temperaturze, szczególnie w elektrotechnice i elektronice.
Cermetale
Spiekami ceramiczno-metalowymi albo krótko — cermetalami nazywa się
materiały uzyskane przez połączenie proszków ceramicznych, z metalami różnymi
metodami stosowanymi w metalurgii i ceramice proszków. Najważniejsze z tych metod
to:
• bezpośrednie spiekanie, jeśli metal i materiał ceramiczny zwilżają się wzajemnie;
• spiekanie materiału ceramicznego z tlenkiem metalu, który następnie redukuje
się do czystego metalu;
• spiekanie laminatów proszków ceramicznych i metalowych;
• prasowanie w atmosferze ochronnej w temperaturze powyżej 1000°C i pod
ciśnieniem powyżej 25 MPa;
• spiekanie przy użyciu aktywnych metali lub ich stopów.
Ponadto stosuje się wiązanie metalu z materiałem ceramicznym za pośrednictwem
bezpostaciowych faz szklistych.
Składnikami ceramicznymi cermetali są tlenki, węgliki, borki, krzemki i azotki.
Jako metale wiążące stosuje się żelazo, chrom, nikiel, aluminium, molibden, kobalt,
srebro, tantal i in., przy czym ich ilość wynosi najczęściej 10-30%.
Cermetale Cr-Al
2
O
3
składają się z tlenku aluminium oraz chromu i mają najlepsze
własności użytkowe ze wszystkich cermetali tlenkowych.
Przy większej zawartości chromu uzyskuje się cermetale o szkielecie
metalowym, dobrze obrabialne, z których wykonuje się części aparatury chemicznej
oraz części maszyn, np. łopatki turbin, elementy wysokotemperaturowych zaworów
i elementy odporne na ścieranie, ultra wysokotemperaturowe przewody, dysze
i inne elementy silników rakietowych
Materiały kompozytowe
Materiały kompozytowe są
połączeniami dwóch lub więcej odrębnych i
nierozpuszczających się w sobie faz, z
których każda odpowiada innemu
podstawowemu materiałowi
inżynierskiemu, zapewniającymi lepszy
zespół własności i cech strukturalnych, od
właściwych dla każdego z materiałów
składowych oddzielnie.
Materiały kompozytowe, dzielą się ze
względu na osnowę metalową,
polimerową lub ceramiczną. Materiały
kompozytowe znajdują współcześnie
zastosowanie między innymi w sprzęcie
kosmicznym, samolotach, samochodach,
łodziach, jachtach, szybowcach i sprzęcie
sportowym.
Faza powodująca wzmocnienie
kompozytów,
nazywana także zbrojeniem, może być
wprowadzona w postaci drobnych
cząstek, niekiedy dyspersyjnych,
krótkich włókien lub płatków, a także
włókien ciągłych.
Klasy materiałów kompozytowych
Ogólna klasyfikacja
materiałów
kompozytowych
Włókna wzmacniające materiały kompozytowe
Materiały kompozytowe wzmacniane włóknami najczęściej są
stosowane w celu zapewnienia zwiększonej wytrzymałości statycznej i
zmęczeniowej w tym wytrzymałości właściwej oraz sztywności, co
uzyskuje się przez wprowadzenie włókien wytrzymałych, sztywnych
lecz zwykle kruchych do miękkiej lecz ciągliwej osnowy. Osnowa
przekazuje jedynie przyłożone obciążenie do włókien, które w większości je
przenoszą. Materiały kompozytowe tej grupy mogą przy tym wykazywać
wysokie własności wytrzymałościowe zarówno w temperaturze pokojowej
jak i podwyższonej.
Pręty stalowe służą do wzmacniania betonu, tworząc żelbeton. Włókna szklane
w osnowie polimerowej powszechnie są stosowane w lotnictwie. Włókna
borowe, węglowe, polimerowe i ceramiczne są stosowane do wzmacniania
materiałów kompozytowych z osnową polimerową, metalową, ceramiczną, a
nawet o składzie odpowiadającym fazom międzymetalicznym.
Opona promieniowa samochodu jest przykładem
produktu wytworzonego ze złożonych materiałów
kompozytowych składając się przynajmniej z trzech
różnych elastomerów, drutu i włókien.
Przykłady zastosowania nowoczesnych materiałów
kompozytowych na elementy samolotu pasażerskiego
Nowoczesne produkty nie mogłyby być częstokroć
zaprojektowane i wytworzone bez użycia wielu materiałów,
jak również nie mogłyby bez nich działać w warunkach
eksploatacji przewidzianych dla nich oraz przy wymaganym
bardzo wysokim poziomie niezawodności. Zdawać sobie
należy jednak sprawę, że współczesny produkt złożony jest
z bardzo wielu elementów, wykonanych z bardzo różnych
materiałów. Przykładowo, typowy samochód składa się z
około 15 000 elementów, a samolot pasażerski z ponad 4
000 000 elementów. Do produkcji samochodu wykorzystuje
się zarówno stale, jak i inne stopy metali, w tym także
wytworzone metodami metalurgii proszków, materiały
ceramiczne i szkła, różnorodne materiały polimerowe, jak i
kompozytowe
Zastosowani różnych materiałów na elementy
samochodu
Własności materiałów
stosowane jako kryteria ich
doboru
Klasy kryteriów Własności
Ogólne
względny koszt
gęstość
Mechaniczne
moduł sprężystości
wytrzymałość
odporność na pękanie
wskaźnik zmęczeniowy
Cieplne
przewodność cieplna
dyfuzyjność
pojemność cieplna
temperatura topnienia
temperatura zeszklenia
współczynnik rozszerzalności cieplnej
odporność na udary cieplne
odporność na pełzanie
Zużycie
wskaźnik zużycia
Korozja
wskaźnik korozyjny
Schemat ogólnej strategii
wprowadzania nowych materiałów
inżynierskich
(opracowano według H. Doscha i
M.H. Van de Voorde)
Dla wprowadzenia nowych generacji materiałów i upowszechnienia
produktów
o oczekiwanych własnościach, które mogą być wytworzone z tych
materiałów, nie-
zbędne jest poznanie zachowania się materiałów jako tworzyw do
wyprodukowania
nowych produktów, od skali atomowej/nanostrukturalnej przez
mikrostrukturę do
skali makroskopowej przy użyciu rozwiniętych technik analitycznych
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE DOBORU MATERIAŁÓW
Do dzisiaj bardzo ważnym czynnikiem decydującym o doborze materiałów do
konkretnych zastosowań jest doświadczenie i intuicja projektanta, a nawet jego
przyzwyczajenia. Współcześnie w ramach systemów komputerowego
wspomagania projektowania CAD (computer aided design) i wytwarzania CAM
(computer aided manufacturing) należne miejsce znajdują także systemy
komputerowego wspomagania doboru materiałów CAMS (computer aided
materials selection).
Żródła:
• Leszek A. Dobrzański - Podstawy nauki o
materiałach i metaloznawstwo
• A. Ciszewski - Materiały konstrukcyjne w budowie
maszyn
•
http://pl.wikipedia.org/wiki/Tytan_(pierwiastek)
•
http://pl.wikipedia.org/wiki/Polimery
•
• Zdjęcia: Internet
