Technik_technologii_ceramicznej_311[30].O1.04

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Recenzenci:
mgr inŜ. Małgorzata Kapusta
mgr inŜ. Beata Figarska-Wysocka

Opracowanie redakcyjne:

mgr inŜ. Teresa Traczyk

Konsultacja:

mgr inŜ. Gabriela Poloczek

Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[30].O1.04
„Charakteryzowanie

materiałów

konstrukcyjnych

oraz

wykonywanie

obliczeń

wytrzymałościowych”, zawartego w modułowym programie nauczania dla zawodu technik
technologii ceramicznej.

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie

2. Wymagania wstępne

3. Cele kształcenia

4. Materiał nauczania

4.1. Materiały konstrukcyjne

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2. Ogólne wiadomości o metalach i stopach. Własności i zastosowanie stopów

Ŝelaza z węglem

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

4.3. Właściwości oraz zastosowanie metali nieŜelaznych i ich stopów

4.3.1. Materiał nauczania

4.3.2. Pytania sprawdzające

4.3.3. Ćwiczenia

4.3.4. Sprawdzian postępów

4.4. Klasyfikacja i zastosowanie tworzyw sztucznych. Materiały

uszczelniające, termoizolacyjne i dźwiękochłonne

4.4.1. Materiał nauczania

4.4.2. Pytania sprawdzające

4.4.3. Ćwiczenia

4.4.4. Sprawdzian postępów

4.5. Metale i stopy stosowane w przemyśle ceramicznym

4.5.1. Materiał nauczania

4.5.2. Pytania sprawdzające

4.5.3. Ćwiczenia

4.5.4. Sprawdzian postępów

4.6. Rodzaje korozji. Ochrona wyrobów metalowych przed korozją

4.6.1. Materiał nauczania

4.6.2. Pytania sprawdzające

4.6.3. Ćwiczenia

4.6.4. Sprawdzian postępów

4.7. Podstawowe pojęcia z zakresu wytrzymałości materiałów

4.7.1. Materiał nauczania

4.7.2. Pytania sprawdzające

4.7.3. Ćwiczenia

4.7.4. Sprawdzian postępów

4.8. Odkształcenia ciał pod wpływem obciąŜeń. Prawo Hook’a

4.8.1. Materiał nauczania

4.8.2. Pytania sprawdzające

4.8.3. Ćwiczenia

4.8.4. Sprawdzian postępów

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1. WPROWADZENIE

Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o materiałach konstrukcyjnych oraz

wykonywaniu obliczeń wytrzymałościowych.

W poradniku zamieszczono:

−

wymagania wstępne, czyli wykaz niezbędnych wiadomości i umiejętności, które
powinieneś mieć opanowane, abyś mógł przystąpić do realizacji programu jednostki
modułowej,

−

cele kształcenia tej jednostki modułowej,

−

materiał nauczania – zawarty w rozdziale 4, który umoŜliwia samodzielne przygotowanie
się do wykonania ćwiczeń i zaliczenia sprawdzianów. Obejmuje on równieŜ ćwiczenia,
które zawierają wykaz materiałów, narzędzi i sprzętu, potrzebnych do realizacji ćwiczeń.
Przed

wiczeniami

zamieszczono

pytania

sprawdzające

wiedzę

potrzebną

do  ich  wykonania.  Po  ćwiczeniach  zamieszczony  został  sprawdzian  postępów.
Wykonując  sprawdzian  postępów  powinieneś  odpowiadać  na  pytania  tak  lub  nie,
co oznacza, Ŝe opanowałeś materiał albo nie,

−

sprawdzian osiągnięć, w którym zamieszczono instrukcję dla ucznia oraz zestaw zadań
testowych sprawdzających opanowanie wiedzy i umiejętności z zakresu całej jednostki;
zamieszczona została takŜe karta odpowiedzi,

−

wykaz literatury obejmujący zakres wiadomości dotyczących tej jednostki modułowej,
która umoŜliwi Ci pogłębienie nabytych umiejętności.
JeŜeli masz trudności ze zrozumieniem tematu lub ćwiczenia, to poproś nauczyciela

o wyjaśnienie i ewentualne sprawdzenie, czy dobrze wykonujesz daną czynność.

Bezpieczeństwo i higiena pracy

W czasie pobytu w pracowni musisz przestrzegać regulaminu, przepisów bezpieczeństwa

i higieny pracy oraz instrukcji przeciwpoŜarowych, wynikających z rodzaju wykonywanych
prac. Przepisy te poznasz podczas trwania nauki.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Schemat układu jednostek modułowych

311[30].O1

Techniczne podstawy zawodu

311[30].O1.01

Przestrzeganie wymagań bezpieczeństwa

i higieny pracy, ochrony przeciwpoŜarowej oraz

ochrony środowiska

311[30].O1.02

Posługiwanie się dokumentacją techniczną

311[30].O1.04

Charakteryzowanie materiałów

konstrukcyjnych oraz wykonywanie

obliczeń wytrzymałościowych

311[30].O1.03

Wykonywanie pomiarów warsztatowych

311[30].O1.05

Wykonywanie podstawowych operacji

technologicznych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej, powinieneś umieć:

–

stosować jednostki układu SI,

–

wykonywać obliczenia,

–

przekształcać wzory matematyczne i fizyczne,

–

pracować w grupie z uwzględnieniem podziału zadań,

–

korzystać z róŜnych źródeł informacji,

–

rozróŜniać rodzaje połączeń,

–

rozróŜniać części maszyn,

–

rozróŜniać napędy,

–

rozróŜniać hamulce i sprzęgła,

–

posługiwać się dokumentacją techniczną,

–

wykonywać pomiary warsztatowe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej, powinieneś umieć:

–

sklasyfikować materiały konstrukcyjne,

–

sklasyfikować metale i ich stopy oraz materiały stosowane w przemyśle ceramicznym,

–

określić kryteria doboru metali i ich stopów na typowe części maszyn uŜytkowanych
w zakładach ceramicznych,

–

scharakteryzować rodzaje i zastosowanie materiałów niemetalowych w przemyśle
ceramicznym,

–

scharakteryzować sposoby ochrony maszyn przed korozją,

–

wskazać cel przeprowadzania obliczeń wytrzymałościowych,

–

posłuŜyć się podstawowymi oznaczeniami oraz pojęciami z zakresu wytrzymałości
materiałów,

–

rozróŜnić podstawowe przypadki obciąŜeń elementów,

–

rozróŜnić rodzaje obciąŜeń i napręŜeń występujące w elementach maszyn,

–

wykonać obliczenia wytrzymałościowe elementów konstrukcyjnych dla przypadków
prostych,

–

zastosować prawa Hooke`a w obliczeniach elementów konstrukcyjnych,

–

wyjaśnić przypadki wytrzymałości złoŜonej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Materiały konstrukcyjne

4.1.1. Materiał nauczania

Nauka o budowie, własnościach i metodach badań materiałów konstrukcyjnych zajmująca

się ustaleniem zaleŜności pomiędzy składem chemicznym, budową tworzywa i procesami
technologicznymi, jakim ono podlega, a jego własnościami, to materiałoznawstwo. Opisywane
zaleŜności mają bardzo istotne znaczenie, poniewaŜ dostarczają racjonalnych kryteriów doboru
materiałów konstrukcyjnych do określonych zastosowań.

Dobór materiałów determinują wymagania stawiane materiałom. Do najwaŜniejszych

naleŜą:

−

dobre własności mechaniczne,

−

mały cięŜar właściwy,

−

duŜa trwałość,

−

dobre własności technologiczne,

−

niska cena,
a w szczególnych przypadkach dodatkowo:

−

specjalne własności fizyczne lub chemiczne.
Przez pojęcie własności mechaniczne rozumie się wytrzymałość, twardość i ciągliwość.
Własności te decydują o wymiarach przekrojów elementów, niezbędnych do

przenoszenia przewidywanych obciąŜeń.

Zespół cech umoŜliwiających zachowanie niezmiennych w czasie własności materiału,

jak odporność na korodujące lub mechaniczne działanie środowiska oraz na mechaniczne
działanie współpracujących elementów, decyduje o trwałości konstrukcji.

Własności technologiczne to podatność materiału do określonych technik wytwarzania, jak:

−

odlewanie – lejność,

−

spawanie – spawalność,

−

obróbka plastyczna – tłoczność,

−

obróbka skrawaniem – skrawalność, itp.
Specjalne własności fizyczne, np. wysoka temperatura topienia, mała rozszerzalność

cieplna, duŜa oporność elektryczna, itp., czy chemiczne np. odporność na utlenianie
w wysokich temperaturach, odporność na działanie kwasów lub zasad usuwają na dalszy plan
własności mechaniczne, technologiczne czy cenę materiału.

Kryterium doboru materiałów konstrukcyjnych zaleŜy zatem od doboru własności

tworzywa, techniki wytwarzania, warunków pracy elementu lub konstrukcji.

Ze względu na strukturę materiały konstrukcyjne (z wyjątkiem drewna) moŜna podzielić na:

–

materiały metaliczne,

–

tworzywa sztuczne,

–

szkła nieorganiczne i organiczne,

–

materiały ceramiczne.
Materiały metaliczne, tj. metale techniczne i ich stopy charakteryzują się dobrymi

własnościami mechanicznymi i technologicznymi oraz łatwością nadawania im róŜnorodnych
własności fizycznych i chemicznych. Wadą ich jest stosunkowo duŜy cięŜar właściwy.
Niemniej jednak stanowią podstawowe tworzywo wyrobów przemysłu maszynowego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tworzywa sztuczne, tj. materiały na bazie wielkocząsteczkowych polimerów naturalnych

i  syntetycznych.  Odznaczają  się  dobrymi  własnościami  mechanicznymi  i  technologicznymi,
znaczną  odpornością  na  działanie  czynników  chemicznych,  małym  cięŜarem  właściwym.
Wadą  jest  stosunkowo  mała  odporność  na  działanie  wysokich  temperatur  przekraczających
200–300ºC.

Szkło nieorganiczne, o duŜej twardości oraz szkło organiczne stosunkowo miękkie,

charakteryzuje się duŜym współczynnikiem przepuszczania światła i duŜą odpornością
chemiczną.

Materiały ceramiczne cechuje duŜa twardość i kruchość, duŜa oporność elektryczna

i odporność na działanie wysokich temperatur. Wadą są bardzo złe własności technologiczne
powodujące stosowanie specjalnych technik wytwarzania.

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Czym zajmuje się materiałoznawstwo?
2.  Jakie wymagania determinują wybór materiału konstrukcyjnego?
3.  Co to są własności mechaniczne materiału?

4. Co to są własności technologiczne materiału?

5. Jak definiujemy trwałość materiału?

6. Jak dzielimy materiały konstrukcyjne ze względu na strukturę?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Przyporządkuj własności materiałów zapisane na samoprzylepnych kartkach do

odpowiednich rodzajów własności wypisanych na planszy.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować wiadomości dotyczące materiałów konstrukcyjnych,
2)  przeanalizować zapisane na samoprzylepnych karteczkach własności,
3)  przyporządkować  i  dokleić  karteczki  z  nazwami  własności  do  odpowiednich  rodzajów

własności zapisanych na planszy,

4) zaprezentować efekty pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

samoprzylepne karteczki z nazwami własności,

–

plansza z zamieszczonymi własnościami,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 2

Korzystając z róŜnych źródeł informacji wypisz w zeszycie, gdzie stosowane są materiały

konstrukcyjne metaliczne, ceramiczne, tworzywa sztuczne i szkło organiczne.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  odszukać w materiale nauczania informacje dotyczące metod pomiarów warsztatowych,
2)  wyszukać informacje dotyczące materiałów konstrukcyjnych i ich zastosowań,
3)  wypisać główne zastosowania materiałów konstrukcyjnych,
4)  zaprezentować efekty pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

poradnik mechanika,

–

komputer z dostępem do Internetu,

–

zeszyt,

–

przybory do pisania,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) zdefiniować pojęcie materiałoznawstwa?

2) określić wymagania stawiane materiałom konstrukcyjnym?

3) zdefiniować

własności

technologiczne,

mechaniczne,

trwałość

materiałów konstrukcyjnych?

4) scharakteryzować materiały metaliczne?

5) scharakteryzować tworzywa sztuczne?

6) scharakteryzować szkła?
7) scharakteryzować materiały ceramiczne?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2. Ogólne wiadomości o metalach i stopach. Własności

i zastosowanie stopów Ŝelaza z węglem

4.2.1. Materiał nauczania

Metale i stopy metali

Metale to pierwiastki elektrododatnie. Są substancjami redukującymi, tzn. tlenki metali

tworzą z wodą roztwory zasadowe. Metale odróŜniają się od niemetali dobrym
przewodnictwem cieplnym i elektrycznym, duŜą plastycznością oraz metalicznym połyskiem.
Metale mają na ogół większą gęstość, wyŜszą temperaturę topnienia i wrzenia niŜ niemetale.
W warunkach normalnych są ciałami stałymi (z wyjątkiem rtęci, cezu i galu).

W technice stosuje się klasyfikację metali:

1) w zaleŜności od gęstości:

a) lekkie – poniŜej 5 g/cm

b) cięŜkie – powyŜej 5 g/cm

2) w zaleŜności od temperatury topienia:

a)  niskotopliwe – temperatura topnienia poniŜej 600ºC,
b)  wysokotopliwe – temperatura topnienia powyŜej 1600ºC.
Spośród  około  80  naturalnych  pierwiastków  metalicznych,  powszechne  zastosowanie

w technice ma około 20.

Stopem metali nazywamy połączenie co najmniej dwóch pierwiastków, z których

przynajmniej jeden jest metalem.

W porównaniu z metalami stopy odznaczają się:

−

większą wytrzymałością i twardością, przy mniejszej plastyczności,

−

lepszymi własnościami technologicznymi,

−

moŜliwością uzyskania szczególnych własności fizycznych lub chemicznych, dzięki
odpowiedniemu doborowi składników.
O własnościach stopów w znacznej mierze decyduje struktura. W celu zmiany własności

stopu moŜna stosować procesy technologiczne zmieniające strukturę, np. obróbkę plastyczną
czy cieplną. Do własności zaleŜnych od struktury naleŜą np.: własności mechaniczne,
elektryczne, magnetyczne oraz odporność na korozję. Własności niezaleŜne od struktury to
np.: gęstość i własności cieplne.

Stopy otrzymujemy jedną z trzech metod:

−

hutniczą, czyli przez redukcję rud,

−

odlewniczą, czyli przez stapianie składników,

−

metalurgię proszków – przez prasowanie i spiekanie proszków metali.
Do najczęściej stosowanych w technice stopów naleŜą stopy Ŝelaza, stopy miedzi, stopy

aluminium, stopy magnezu oraz stopy specjalne m.in. stopy łoŜyskowe.

Stopy Ŝelaza o zawartości węgla poniŜej 2% nazywamy stalami. JeŜeli w skład stali

wchodzą inne prócz węgla pierwiastki, to stal nazywamy stalą stopową. W przypadku, gdy
w stopach Ŝelaza z węglem jest ponad 2% węgla to wówczas stop taki nazywamy Ŝeliwem.

Stopy miedzi z cynkiem, zawierające do 40% Zn to mosiądze. Inne stopy miedzi to brązy.

W zaleŜności od składu chemicznego wyróŜnia się brązy cynowe, brązy aluminiowe, brązy
berylowe, brązy krzemowe, brązy manganowe i inne.

Stopy aluminium stosowane w technice to przede wszystkim stopy aluminium z krzemem

oraz stopy aluminium z miedzią.

Stopy magnezu stosowane w technice to głównie stopy magnezu, aluminium i cynku.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

RozróŜniamy kilka typów stopów łoŜyskowych: stopy cynowe o zawartości 80–90% Sn,

stopy cynowo-ołowiowe o zawartości 5–20% Sn i 5–17% Pb, stopy na osnowie ołowiu oraz
brązy cynowe i brązy ołowiowe.

Własności stopów Ŝelaza z węglem

W technice, poza nielicznymi wyjątkami, stosuje się stopy Ŝelaza z róŜnymi składnikami,

z których najwaŜniejszym jest węgiel. Oprócz węgla techniczne stopy Ŝelaza zawierają pewne
ilości krzemu, manganu, siarki i fosforu przedostające się do stali w czasie procesów
metalurgicznych.

Stopy Ŝelaza z węglem w zaleŜności od zawartości węgla w stopie dzielimy na:

−

stale, stopy Ŝelaza z węglem o zawartości węgla poniŜej 2%,

−

staliwa, stopy Ŝelaza z węglem w stanie lanym, o zawartości węgla ok. 1,5%,

−

eliwa, stopy o zawartości węgla zazwyczaj powyŜej 2%.

Klasyfikacja stali oparta jest na róŜnych kryteriach, które moŜna uogólnić do składu

chemicznego i zastosowania. Według pierwszego kryterium wyróŜnia się 2 zasadnicze grupy
stali:

−

stale węglowe (niestopowe),

−

stale stopowe, zawierające składniki stopowe w ilości określonej normami odpowiednich
gatunków stali.
W zaleŜności od ilości zanieczyszczeń fosforem i siarką wyróŜnia się trzy grupy jakości

(czystości) stali: zwykła, wyŜsza i najwyŜsza.

W zaleŜności od zastosowania wyróŜnia się 3 grupy stali:

−

stale konstrukcyjne,

−

stale narzędziowe,

−

stale o szczególnych własnościach fizycznych i chemicznych.
W kaŜdej z wymienionych grup wyróŜnia się róŜne gatunki.
W budowie maszyn najwaŜniejsze są własności mechaniczne i technologiczne stopów.
Własności mechaniczne to zespół cech określających odporność metali na działanie sił

zewnętrznych. Dla celów technicznych przeprowadza się róŜne próby, pozwalające sprawdzić
czy badany materiał odpowiada ustalonym warunkom.

NajwaŜniejszymi własnościami z konstrukcyjnego punktu widzenia są:

−

własności wytrzymałościowe: granica spręŜystości, wytrzymałość oraz twardość,

−

własności plastyczne: granica plastyczności, wydłuŜenie, przewęŜenie, udarność.
Wytrzymałość jest to zdolność do przenoszenia napręŜeń bez płynięcia lub naruszenia

spójności materiału.

Granica spręŜystości to wartość siły działającej na próbkę, która nie powoduje trwałych

odkształceń w materiale.

Twardość to odporność materiału na odkształcenia trwałe powstające wskutek wciskania

weń  wgłębnika.  Do  pomiaru  twardości  stosuje  się  najczęściej  metody:  Brinella,  Rockwella,
Vickersa.  Metodę  Brinella  stosuje  się  do  pomiaru  twardości  wyrobów  hutniczych,  metodę
Rockwella stosuje się do pomiaru twardości części hartowanych oraz o grubości od 0,2 mm.
Metoda  Vickersa  pozwala  badać  bardzo  cienkie  warstwy  utwardzone,  o  grubości  kilku
setnych milimetra.

Granica plastyczności określona jest wartością siły, która powoduje trwałe odkształcenia

(najczęściej wydłuŜenie) o określonej wartości.

Udarność to odporność materiału na uderzenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Zastosowanie stali

Stale konstrukcyjne to stale stosowane w budownictwie lub budowie urządzeń i maszyn

pracujące w środowiskach nieagresywnych i w temperaturze od -25ºC do +300ºC.

Stale narzędziowe to stale przeznaczone do wyrobu narzędzi do kształtowania lub

dzielenia róŜnych materiałów w zakresie temperatur od temp. otoczenia do +600ºC oraz
przyrządów pomiarowych uŜywanych w produkcji i pracujących w temperaturze otoczenia.

Stale o specjalnych własnościach fizycznych i chemicznych stanowią róŜnorodną grupę

stali. W tej grupie stali znajdują się m.in. stale odporne na korozję (nierdzewne
i kwasoodporne), stale Ŝaroodporne i Ŝarowytrzymałe.

Oznaczenia stopów Ŝelaza

Stale

Stale węglowe zwykłej jakości oznaczane są literami St i cyfrą porządkową lub liczbą

dwucyfrową oznaczającą wymaganą wytrzymałość np. St 3 lub St 41.

Stale węglowe wyŜszej jakości oznaczane są liczbą określającą średnią zawartość C

w stali np. 35 lub maks. zawartość węgla dla stali o małej zawartości C np. 08.

Stale węglowe specjalnego przeznaczenia oznacza się dodatkowymi znakami literowymi

na końcu, np. K stal na kotły.

Stale stopowe oznacza się liczbą dwucyfrową określającą średnią zawartość węgla w stali

w setnych procenta oraz literami umownymi oznaczającymi pierwiastki stopowe z dodaniem
liczby określającej ich zawartość, o ile przekroczą średnio 1,5% np. 35HGS lub 40H2MF.

Stale narzędziowe oznacza się znakiem N i liczbą oznaczającą zawartość węgla

w dziesiątych procentu, np. N10.

śeliwa

eliwa szare oznaczamy symbolem literowym Z z dodatkowymi symbolami l – zwykłe

i modyfikowane i podaje się liczbę określającą minimalną wytrzymałość na rozciąganie, np.
Zl 300.

eliwo stopowe oznacza się symbolem Zl oraz symbolami pierwiastków z podaniem

redniej zawartości procentowej pierwiastka.

Staliwa

Staliwa oznaczane są znakiem L oraz liczbą (arabską) oznaczającą minimalną wartość,

liczba rzymska oznacza grupę jakości np. L65 II.

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  W jaki sposób klasyfikujemy metale?
2.  Co nazywamy stopem?
3.  Jakie własności charakteryzują stopy?
4.  Co decyduje o własnościach stopów?
5.  Stopy jakich metali stosowane są w technice?
6.  Jak dzielimy stopy Ŝelaza z węglem w zaleŜności od zawartości węgla?
7.  Jak klasyfikujemy stal dla potrzeb techniki?
8.  Jakie są główne zastosowania stali?
9.  W jaki sposób oznaczamy stale?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Zidentyfikuj próbki przygotowanych przez nauczyciela typowych stopów metali.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować materiał nauczania dotyczący wiadomości ogólnych o metalach i stopach,
2)  obejrzeć dokładnie próbki stopów,
3)  określić cechy charakterystyczne próbek (kolor, cięŜar),
4)  zapisać spostrzeŜenia w zeszycie,
5)  zidentyfikować stopy,
6)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

próbki typowych stopów metali,

–

zeszyt,

–

przybory do pisania,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Określ własności wytrzymałościowe wybranych gatunków stali: NC10, 30G2, 65G

i podaj moŜliwości ich zastosowania.

Ustalenia zapisz w zeszycie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  odszukać w materiale nauczania informacje dotyczące własności mechanicznych stali,
2)  wyszukać w poradniku mechanika określone w zadaniu gatunki stali,
3)  przeanalizować własności mechaniczne wybranych gatunków stali,
4)  przyporządkować je do odpowiedniej grupy ze względu na zastosowanie,
5)  zapisać w zeszycie wnioski,
6)  zaprezentować efekty swojej pracy na forum grupy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

normy aktualnie obowiązujące,

–

poradnik mechanika,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia,

–

zeszyt,

–

przybory do pisania.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 3

Na podstawie oznaczeń stali określ skład podanych przykładowo gatunków stali

stopowych: 18G2AN3Cu, 17HNM, 30Hn2MFA.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować materiał nauczania dotyczący oznaczania stali,
2)  określić główne składniki stopowe stali,
3)  określić zawartość poszczególnych pierwiastków w stali,
4)  zapisać w zeszycie skład stopów,
5)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

przybory do pisania,

–

zeszyt,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) sklasyfikować metale?

2) sklasyfikować stopy Ŝelaza z węglem?

3) sklasyfikować stal według róŜnych kryteriów?

4) określić własności mechaniczne i technologiczne stopów?

5) określić zastosowanie stopów Ŝelaza z węglem?

6) określić skład chemiczny stopów na podstawie ich oznaczenia?

7) wymienić czynniki decydujące o własnościach stopów?

8) wymienić najczęściej stosowane w technice stopy metali?

9) określić zawartość głównych metali w stopach?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3. Właściwości oraz zastosowanie metali nieŜelaznych i ich

stopów

4.3.1. Materiał nauczania

Miedź

Miedź jest metalem o charakterystycznej barwie róŜowozłocistej. Odznacza się

wyraźnymi własnościami metalicznymi, bardzo dobrą przewodnością elektryczną i cieplną
oraz duŜą plastycznością. Miedź wykazuje duŜą odporność na korozję atmosferyczną.
Własności wytrzymałościowe miedzi są niskie.

Czystej miedzi uŜywa się w elektronice. Ponadto miedź stosowana jest na wyroby

aparatury chemicznej oraz jako materiał wyjściowy do licznych stopów.

Mosiądze to stopy miedzi z cynkiem, o zawartości Zn do 48%. Własności mechaniczne

mosiądzów zaleŜą od zawartości cynku. Najlepsze własności mechaniczne mają mosiądze
o ok. 30% zawartości Zn. Mosiądze dzielimy na mosiądze do przeróbki plastycznej
i mosiądze odlewnicze.

Zastosowanie mosiądzów plastycznych zaleŜy od własności mechanicznych czyli od

zawartości Zn np. mosiądze o zawartości 10% Zn stosowane są na blachy do platerowania, od
30–32 % Zn na blachy do głębokiego tłoczenia, o 40% zawartości Zn na elementy kute
i prasowane.

Mosiądze odlewnicze o zawartości od 38–40% Zn stosowane są na armaturę sanitarną,

gazową i hydrauliczną wysoko i nisko ciśnieniową do 30 atmosfer.

Brązy

Brązy cynowe charakteryzują dobre własności, lecz ze względu na deficytowość cyny

zastępowane są przez stopy zastępcze tj. mosiądze i brązy aluminiowe.

Brązy cynowe stosuje się na odlewy silnie obciąŜonych i naraŜonych na ścieranie części

maszyn, osprzętu parowego i wodnego.

Brązy aluminiowe zawierają do 11% Al. Mają dobre własności mechaniczne, cierne

i antykorozyjne. Stosowane są na części maszyn o duŜej wytrzymałości, pracujące
w środowiskach agresywnych np. na śruby okrętowe.

Brązy krzemowe zawierają do 5% Si. W technice stosowane są brązy krzemowe

z dodatkami  stopowymi  Mn,  Ni,  Zn  i  Fe.  Brązy  krzemowe  odznaczają  się  dobrymi
własnościami mechanicznymi w zakresie temperatur od 20–300ºC. Stosowane są na spręŜyny
i  elementy  spręŜynujące,  części  aparatury  chemicznej,  części  naraŜone  na  ścieranie  oraz  dla
przemysłu  gazowego  i  petrochemicznego  (ze  względu  na  bardzo  słabe  iskrzenie  podczas
tarcia).

Brązy manganowe charakteryzują się odpornością na korozję i działanie pary przegrzanej,

stosowane są do wyrobu aparatury kotłowej. Brązy manganowe z dodatkiem Ni stosowane są
na oporniki najwyŜszej jakości w aparaturze pomiarowej.

Nikiel

Nikiel jest pierwiastkiem o typowo metalicznych własnościach. Jest ferromagnetyczny,

plastyczny i bardzo odporny na korozję. Stosowany jest jako dodatek stopowy do stali
konstrukcyjnych i stali specjalnych, a ponadto na powłoki antykorozyjne stali i mosiądzu.

W technice stosowane są stopy niklu z miedzią (miedzionikle) na blachy do platerowania,

na monety oraz w przemyśle zbrojeniowym. Dodatki innych pierwiastków powodują zmiany

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

własności. Dodatek Zn powoduje wzrost spręŜystości, dodatek Pb poprawia skrawalność, Sn
podnosi odporność na korozję.

Miedzionikle o duŜej zawartości Ni (67–72% Ni) tzw. stopy Monela charakteryzują się

bardzo dobrymi własnościami mechanicznymi, szczególnie duŜą odpornością na korozję przy
dobrych własnościach technologicznych. Stosowane są na elementy turbin parowych, osprzęt
pracujący przy duŜych ciśnieniach i duŜych szybkościach przepływu.

Aluminium

Aluminium charakteryzuje się duŜą plastycznością, bardzo małym oporem właściwym,

znaczną odpornością na korozję w atmosferze powietrza. Aluminium stosuje się w metalurgii
jako odtleniacz, na opakowania w przemyśle spoŜywczym, a ponadto na blachy i rury dla
przemysłu spoŜywczego, chemicznego i włókienniczego.

Stopy aluminium mają znacznie lepsze własności mechaniczne w porównaniu z metalem

technicznym, ale mniejsza jest ich odporność korozyjna. Stosowane są jako materiał
konstrukcyjny oraz w przemyśle samochodowym i samolotowym.

4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakimi własnościami wytrzymałościowymi charakteryzuje się miedź?
2.  Jakie zastosowanie ma czysta miedź?
3.  Jakie zastosowanie mają mosiądze?
4.  Jakie zastosowanie mają brązy?
5.  Jakie zastosowanie mają stopy niklu?
6.  Jakie zastosowanie mają stopy aluminium?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Rozpoznaj przygotowane próbki metali nieŜelaznych. Scharakteryzuj ich własności.

Określ zastosowanie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z materiałem nauczania dotyczącym metali nieŜelaznych i ich stopów,
2)  obejrzeć dokładnie przygotowane próbki technicznych metali nieŜelaznych,
3)  rozpoznać przygotowane próbki,
4)  określić własności poszczególnych metali nieŜelaznych,
5)  określić zastosowanie zidentyfikowanych metali,
6)  zaprezentować wyniki pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

próbki technicznych metali nieŜelaznych,

–

poradniki np. mechanika, metalurga,

–

normy polskie lub europejskie,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 2

Przyporządkuj do podanych stopów ich zastosowanie:

–

mosiądze o zawartości 40% Zn,

–

brązy krzemowe,

–

miedzionikle,

–

duraluminium.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować materiał nauczania, dotyczący własności i zastosowania stopów metali

nieŜelaznych,

2)  uporządkować kartki z nazwami stopów,
3)  przeanalizować opisane na kartkach zastosowania stopów metali nieŜelaznych,
4)  przyporządkować do stopów ich zastosowania,
5)  zaprezentować efekty swojej pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

kartki z wypisanymi nazwami stopów metali nieŜelaznych,

–

kartki z wypisanymi zastosowaniami,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) wymienić metale nieŜelazne?

2) określić własności metali nieŜelaznych?

3) określić zastosowanie metali nieŜelaznych?

4) wymienić typowe stopy miedzi?

5) wymienić typowe stopy niklu?

6) wymienić typowe stopy aluminium?

7) określić zastosowanie stopów miedzi?

8) określić zastosowanie stopów niklu?

9) określić zastosowanie stopów aluminium?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4. Klasyfikacja i zastosowanie tworzyw sztucznych. Materiały

uszczelniające, termoizolacyjne i dźwiękochłonne

4.4.1. Materiał nauczania

Tworzywa sztuczne

Tworzywa sztuczne polimerowe dzielą się na plastomery i elastomery.

Elastomery to kauczuk naturalny oraz wszelkie kauczuki syntetyczne. Cechą

charakterystyczną tych tworzyw jest fakt, Ŝe nawet po duŜym odkształceniu wykazują
zdolność do prawie natychmiastowego powrotu do postaci pierwotnej lub do niej zbliŜonej.
Wszystkie pozostałe tworzywa polimerowe to plastomery.

Ze względu na własności fizyczne i technologiczne plastomery dzielą się na:

−

tworzywa termoplastyczne − termoplasty,

−

duroplasty.

Do najwaŜniejszych tworzyw termoplastycznych zalicza się:

−

polistyren stosowany na przedmioty gospodarstwa domowego, wyroby galanteryjne,
elektrotechniczne, części samochodowe, części maszyn,

−

poliamidy stosowane są jako tworzywo konstrukcyjne wtryskowe na powłoki do metali,
a takŜe do wyrobu precyzyjnych części maszyn,

−

polimetakrylan metylu (szkło organiczne) stosowany na szyby lotnicze i samochodowe,
elementy maszyn, w gospodarstwie domowym,

−

polichlorek winylu PCV stosowany na węŜe w przemyśle spoŜywczym, chemicznym,
elektromechanicznym i w medycynie oraz na kształtowniki w budownictwie, przemyśle
maszynowym i obuwniczym,

−

polietylen słuŜy do wyrobu folii, opakowań, do powlekania kabli, papieru i tkanin.

Do najwaŜniejszych duroplastów naleŜą:

−

fenoplasty stosowane na odlewy, do wyrobu lakierów i emalii, do wyrobu laminatów,

−

aminoplasty do produkcji laminatów, papierów wodotrwałych do wytwarzania apretur
przeciwgniotliwych

przeciwskurczliwych

jako

materiały

termoizolacyjne

i dźwiekochłonne,

−

ywice poliestrowe nienasycone stosowane są w postaci lanej do zalewania elementów

aparatury elektrotechnicznej i do konserwacji preparatów biologicznych i medycznych,
lakiernicze i do wytwarzania laminatów,

−

ywice epoksydowe stosowane są w postaci lanej, laminatów na nośniku włókien

szklanych, klejów do metali, lakierów izolacyjnych i antykorozyjnych,

−

ywice silikonowe stosowane w postaci tłoczyw, laminatów na nośniku z włókna

szklanego lub lakierów.

Ponadto rozróŜnia się tworzywa:

−

konstrukcyjne stosowane do wyrobu przedmiotów uŜytkowych,

−

adhezyjne do łączenia róŜnych materiałów,

−

impregnacyjne do uszlachetniania róŜnych materiałów, m.in. drewna, papieru, tkanin,

−

powłokowe do ochronnego lub dekoracyjnego pokrywania gotowych wyrobów.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Materiały uszczelniające

Obecnie, w róŜnych dziedzinach gospodarki, stosowane są róŜne materiały

uszczelniające, choć najczęściej uŜywanym środkiem są róŜnego rodzaju silikony.

W budownictwie stosuje się silikony uniwersalne, szklarskie, sanitarne (z dodatkiem

rodków grzybobójczych), pianki poliuretanowe i akryle.

W przemyśle maszynowym, motoryzacji i elektrotechnice, silikony równieŜ znalazły

bardzo  szerokie  zastosowanie  z  tym,  Ŝe  są  to  silikony  odporne  na  działanie  wysokich
temperatur  i  olejów.  Największą  zaletą  w/w  środków  uszczelniających  jest  to,  Ŝe  będąc
w postaci  półpłynnej  idealnie  dopasowują  się  do  kształtu  uszczelnianych  elementów,
całkowicie wypełniając mogące wystąpić drobne ubytki powierzchni uszczelnianych.

Innym powszechnie stosowanym materiałem uszczelniającym jest teflon.

Produkowany

jest  w  postaci  płyt,  krąŜków,  taśm,  które  są  półfabrykatami  do  wytwarzania  róŜnych  detali
metodą  obróbki  wiórowej.  Głównie  wykonuje  się  z  nich  pierścienie  uszczelniające,
prowadnice,  części  izolacyjne,  róŜne  części  maszyn,  wykładziny  antyadhezyjne,  przegrody
izolacyjne i inne.

W dalszym ciągu stosowane są tradycyjne materiały uszczelniające takie jak guma.

Z gumy produkowane są róŜnego rodzaju uszczelki i kształtki uszczelniające. Ten rodzaj
szczeliwa wypierany jest jednak przez nowoczesne materiały uszczelniające charakteryzujące
się lepszymi parametrami technologicznymi i mechanicznymi oraz znacznie większą
trwałością.

Materiały termoizolacyjne

Materiałem termoizolacyjnym szeroko stosowanym, szczególnie w budownictwie jest

styropian czyli polistyren ekspandowany. Produkowany jest w postaci płyt o róŜnej grubości
oraz kształtek. W przemyśle spoŜywczym, handlu stosowany jest na opakowania
termoizolacyjne.

Innym materiałem jest polistyren ekstradowany. Materiał ten podobny jest do styropianu.

RóŜnica polega na sposobie wytwarzania. Ponadto charakteryzuje się większą wytrzymałością
oraz odpornością na nasiąkanie w porównaniu ze styropianem.

Wełna mineralna naleŜy do najstarszych materiałów termoizolacyjnych. Cechuje ją

wysoka termoizolacyjność, a takŜe znakomita izolacyjność akustyczna. Poza tym jest
całkowicie niepalna. Produkowana jest w postaci płyt, mat oraz granulatu.

Innymi materiałami stosowanymi takŜe jako materiały termoizolacyjne są pianki i płyty

poliuretanowe. Charakteryzują się bardzo małym cięŜarem. Ze względu na sposób nanoszenia
uŜywane mogą być w miejscach trudno dostępnych.

Materiały dźwiękochłonne

Masy bitumiczne są stosowane tam, gdzie występują nadmierne wibracje oraz rezonans

akustyczny  emitowany  przez  urządzenia  oraz  czynniki  mechaniczne.  Własności  mas
bitumicznych,  tj.  zdolność  do  absorbowania  dźwięków,  plastyczność  i  bezpostaciowość
powoduje,  Ŝe  tworzą  one  barierę  dla  przekazywania  drgań  akustycznych.  Są  doskonałymi
wibroizolatorami, eliminującymi w duŜym stopniu hałas.

Wełna mineralna, jest materiałem o bardzo dobrych własnościach dźwiękochłonnych.

Stosowana jest do wyciszania hałasów pochodzących od instalacji wodnej i centralnego
ogrzewania na ścianach masywnych.

Wata szklana stosowana jest jako materiał izolacyjny w budownictwie do izolacji

termicznej i akustycznej.

Blacha ocynkowana stosowana na ekrany ochronne wzdłuŜ dróg o duŜym natęŜeniu ruchu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jak dzielimy tworzywa sztuczne polimerowe?
2.  Jak dzielą się plastomery ?
3.  Jakie tworzywa zaliczmy do tworzyw termoplastycznych?
4.  Jakie tworzywa zaliczamy do duroplastów?
5.  Jak dzielimy tworzywa sztuczne ze względu na ich zastosowanie ?
6.  Jakie tworzywa stosujemy na części maszyn?
7.  Jakie tworzywa stosujemy na laminaty?
8.  Jakie tworzywa stosujemy na lakiery?
9.  Jakie materiały stosowane są jako materiały uszczelniające?
10.  Jakie materiały stosowane są jako materiały termoizolacyjne?
11.  Jakie materiały stosowane są jako materiały dźwiękochłonne?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Korzystając z dostępnych źródeł informacji uzupełnij tabelę.

Rodzaj tworzywa sztucznego

Nazwa tworzywa sztucznego

Tworzywa konstrukcyjne

Np.: poliamid, …………..

Tworzywa adhezyjne

Tworzywa impregnacyjne

Tworzywa powłokowe ochronne

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) odszukać w materiale nauczania informacje dotyczące zastosowania tworzyw sztucznych

oraz materiałów uszczelniających, termoizolacyjnych i dźwiękochłonnych,

2)  przeanalizować zastosowania tworzyw sztucznych,
3)  posegregować tworzywa ze względu na zastosowanie,
4)  uzupełnić tabelę,
5)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

przybory do pisania,

–

materiały dotyczące tworzyw sztucznych,

–

komputer z dostępem do Internetu,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Porównując próbki tworzyw sztucznych rozpoznaj rodzaje tworzyw, z których wykonane

są wyroby znajdujące się w najbliŜszym otoczeniu.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować materiał nauczania dotyczący tworzyw sztucznych,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2)  obejrzeć próbki tworzyw sztucznych,
3)  wybrać wyroby z tworzyw sztucznych, które znajdują się w najbliŜszym otoczeniu,
4)  porównać wyroby z tworzyw sztucznych z próbkami,
5)  zidentyfikować rodzaje tworzyw, z których wykonane są wybrane wyroby,
6)  zaprezentować efekty swojej pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

przybory do pisania,

–

próbki tworzyw sztucznych,

–

samoprzylepne kartki,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 3

Korzystając z katalogów firm produkujących materiały uszczelniające wybierz te, które

mogą być zastosowane do uszczelniania połączeń gwintowych, pokryw pomp, głowic
silników.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować informacje zawarte w katalogach producentów materiałów uszczelniających,
2)  wybrać z katalogów najlepsze szczeliwo ze względu na warunki pracy,
3)  wypisać wybrane produkty z katalogów,
4)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

przybory do pisania,

–

katalogi firm produkujących materiały uszczelniające,

–

zeszyt,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.4.4.

Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) określić rodzaje tworzyw sztucznych?
2) wymienić najwaŜniejsze tworzywa termoplastyczne?

3) wymienić najwaŜniejsze duroplasty?

4) określić zastosowanie najwaŜniejszych termoplastów?

5) wymienić materiały uszczelniające stosowane w budowie maszyn?

6) wymienić materiały uszczelniające stosowane w budownictwie?

7) wymienić materiały termoizolacyjne stosowane w budownictwie?

8) wymienić materiały dźwiękochłonne?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5. Metale i stopy stosowane w przemyśle ceramicznym

4.5.1. Materiał nauczania

W materiałoznawstwie nie klasyfikuje się odrębnej grupy materiałów stosowanych

w przemyśle ceramicznym. Materiały wykorzystywane w budowie maszyn i urządzeń dla
przemysłu ceramicznego muszą spełniać wymagania wytrzymałościowe dla określonych
obciąŜeń oraz uwzględniać specyficzne warunki pracy, tj. wysoką temperaturę oraz działanie
ś

rodowiska korozyjnego.

W związku z tym, podstawowym kryterium doboru materiałów stosowanych w przemyśle

ceramicznym jest Ŝaroodporność, Ŝarowytrzymałość i odporność na działanie środowiska
korozyjnego.

Stopy Ŝaroodporne i Ŝarowytrzymałe

Od materiałów konstrukcyjnych, które pracują w najwyŜszych temperaturach i są

poddawane najwyŜszym obciąŜeniom mechanicznym, wymaga się oprócz wysokiej
Ŝ

arowytrzymałośći i Ŝaroodpomości spełnienia takŜe innych wymagań, takich jak: wysokiej

temperatury topnienia, małego współczynnika rozszerzalności cieplnej, duŜej przewodności
cieplnej i małej gęstości. W przemyśle ceramicznym materiały te stosowane są na zewnętrzne
ś

ciany pieców, części maszyn i urządzeń pracujących w podwyŜszonych i wysokich

temperaturach.

Podstawowymi rodzajami najnowszych materiałów Ŝarowytrzymałych stosowanych

w przemyśle ceramicznym są: stopy na osnowie niklu oraz stopy na osnowie aluminium.

Stopy na osnowie niklu

arowytrzymałe stopy niklu (nadstopy lub superstopy) zawierają zwykle 65–85%

materiału  podstawowego  oraz  10–21%  Cr,  a  takŜe  inne  dodatki stopowe głównie Ti-Al, Co,
jak równieŜ Mn, Si, Nb, Fe, W, B. Metale te dodawane są w róŜnych ilościach w zaleŜności
od przeznaczenia danego materiału, gdyŜ w zaleŜności od ich zawartości w stopie zmieniają
się jego własności. Decydujący wpływ na polepszenie Ŝaroodpornych własności stopów Ni-Cr
wywiera  dodatek  2%  Al.  Skład  stopowy  materiału  ma  wpływ  na  jakość  zgorzeliny,  a  tym
samym  na  ochronę  przed  dalszym  utlenianiem  czyli  na  Ŝaroodpomość.  Natomiast  dodatek
tytanu  do  stopu  Ni-Cr  pracującego  w  temperaturze  powyŜej  900  °C  jest  korzystny  nie  tylko
z punktu  widzenia  własności  Ŝaroodpornych,  ale  i  Ŝarowytrzymałych.  Metaliczny  itr
wprowadzony  do  stopów  Ni-Cr  poprawia  ich  wytrzymałość  i  odporność  korozyjną
w termicznie  zmiennych  warunkach,  natomiast  tlenek  aluminium  w  tych  warunkach  jedynie
nieznacznie poprawia odporność korozyjną. Stosowane są do budowy rur ogniowych, łopatek
kierowniczych  i  wirnikowych  turbin,  dopalaczy  oraz  tarcz  turbin,  a  więc  najbardziej
obciąŜonych elementów, tak pod względem mechanicznym czy termicznym, jak i ze względu
na agresywne (korozyjne) oddziaływanie czynnika roboczego.

Stopy na osnowie aluminium

Stopy aluminium są drugim, zaraz po stopach Ŝelaza, rodzajem materiału mającym

największe zastosowanie w technice. Podstawową cechą stopów aluminium jest ich lekkość.
Głównie ze względu na niską gęstość aluminium 2,7 g/cm

. Inne waŜne cechy to stosunkowo

wysokie własności wytrzymałościowe i w zaleŜności od rodzaju dobra lejność bądź
plastyczność.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ze względu na postać, stopy aluminium dzieli się na odlewnicze i do przeróbki

plastycznej.

Natomiast w zaleŜności od składu chemicznego dzielą się na stopy aluminiowo-krzemowe,

aluminiowo-magnezowe, aluminiowo-miedziowe, aluminiowo-cynkowe, aluminiowo-manganowe
i inne wieloskładnikowe.

Ponadto stopy aluminiowe dzielą się wg ich przeznaczenia na: antykorozyjne, tłokowe,

głowicowe, okrętowe, lotnicze, budowlane, Ŝaroodporne i inne.

W przemyśle ceramicznym waŜna rolę odgrywają róŜnego rodzaju przenośniki taśmowe

oraz piece zarówno do suszenia wyrobów ceramicznych jak i wypalania. Do najwaŜniejszych
naleŜą taśmy przenośnikowe oraz wymurówki pieców ceramicznych.

Materiały niemetaliczne
Tworzywa sztuczne

Najczęściej uŜywanym materiałem na taśmy przenośnikowe w przemyśle ceramicznym są

taśmy z tworzyw sztucznych. Obecnie tworzywa te wzmacniane są włóknami aramidowymi.
Materiał  ten  jest  bardzo  lekki  (jak  i  inne  włókna  syntetyczne,  np.  poliestrowe  lub
poliamidowe),  przy  czym  posiada  wysoką  wytrzymałość  (jak  stal).  Włókna  aramidowe
charakteryzują  się  niskim  współczynnikiem  wydłuŜenia  i  posiadają  doskonałą  wytrzymałość
cieplną i chemiczną.

Dla aplikacji wysokotemperaturowych dostępne są róŜne typy taśm: RETARDANT,

HIGH HEAT i TERMO. Taśmy te są zaprojektowane do transportu materiałów takich jak:
klinkier, koks, piasek. Termoodporne taśmy przenośnikowe mogą być uŜywane do transportu
materiałów o temperaturze stałej od 150°C do 190°C, a chwilowej do 250°C.

Szamot

Szamot to wypalona powyŜej temperatury spiekania i zmielona glina ogniotrwała

(kaolin),  stosowana  do  produkcji  szamotowych  ogniotrwałych  wyrobów  ceramicznych,
uŜywanych  do  budowy  pieców  hutniczych,  ceramicznych,  szklarskich  i  cementowych.
W przemyśle  ceramicznym  szamot,  a  właściwie  wysokoilaste  szamoty  stosowane  są  na
wymurówki pieców ceramicznych.

Gips

Materiałem powszechnie stosowanym na formy do wyrobów ceramicznych

otrzymywanych metodą odlewania jest gips, a ściśle gips modelarski. Jego zaletą jest bardzo
niska cena przy spełnieniu wymagań dla materiałów na formy do odlewania gęstw lejnych.

4.5.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jakie właściwości materiałów decydują o specjalnym zastosowaniu w przemyśle

ceramicznym?

2.  Jakie stopy stosowane są w przemyśle ceramicznym?
3.  Jakie dodatki stopowe poprawiają Ŝaroodporność i Ŝarowytrzymałość stopów?
4.  Jakie materiały stosowane są na przenośniki taśmowe?
5.  Jakie materiały stosowane są na wymurówki pieców ceramicznych?
6.  Jakie materiały stosowane są na formy do odlewania mas lejnych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Weź udział w wycieczce do zakładu produkującego wyroby ceramiczne. Przeprowadź

wywiad z pracownikami słuŜb utrzymania ruchu lub działu głównego mechanika na temat
najszybciej zuŜywających się części maszyn. Określ przyczyny tego procesu. Wnioski zapisz
w zeszycie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) wziąć udział w wycieczce dydaktycznej do zakładu produkującego wyroby ceramiczne,
2) przeprowadzić rozmowę z pracownikami słuŜby utrzymania ruchu lub z działu głównego

mechanika,

3)  ustalić, które części maszyn najszybciej się zuŜywają,
4)  ustalić przyczyny zuŜycia części maszyn,
5)  zapisać spostrzeŜenia i wnioski,
6)  zaprezentować wyniki pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

zeszyt,

–

przybory do pisania,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Dopasuj rodzaj materiałów stosowanych w przemyśle ceramicznym do ich zastosowania.

Uzupełnij tabelę.

Rodzaj materiału

Zastosowanie

Zewnętrzne ściany pieców

Stopy aluminiowo-miedziowe

Wymurówki pieców ceramicznych

Trellex

Gips

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) wyszukać w literaturze i Internecie informacje dotyczące materiałów stosowanych

w przemyśle ceramicznym,

2)  przeanalizować zebrany materiał,
3)  uzupełnić tabelę,
4)  zaprezentować efekty swojej pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

przybory do pisania,

−

komputer z dostępem do Internetu,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) określić kryteria doboru materiałów w przemyśle ceramicznym?

2) wymienić stopy o określonych właściwościach stosowane w przemyśle

ceramicznym?

3) wymienić materiały stosowane na wymurówki pieców ceramicznych

i ściany zewnętrzne pieców?

4) wymienić materiały stosowane na formy do odlewania mas lejnych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.6. Rodzaje korozji. Ochrona wyrobów metalowych przed

korozją

4.6.1. Materiał nauczania

Korozja jest to stopniowe niszczenie tworzyw metalowych i niemetalowych pod

wpływem  chemicznego  i  elektrochemicznego  oddziaływania  środowiska,  w  wyniku  którego
zmieniają  się  stan  i  właściwości  niszczonego  tworzywa.  Korozja  metali  najczęściej  objawia
się  poprzez  powierzchniowe  ubytki  metalu  (plamy  i  wŜery),  bądź  przez  obniŜenie
wytrzymałości  metali.  Najczęściej  szybkość  korozji  określa  się  przez  ubytek  masy  próbki
metalu pod wpływem działania czynnika korodującego na jednostkę powierzchni i czasu.

W przypadku metali rozróŜnia się korozję chemiczną i elektrochemiczną.
Korozja chemiczna metali następuje w wyniku działania suchych gazów lub bezwodnych

cieczy i gazów organicznych. W wyniku zachodzących procesów korozyjnych w temperaturze
otoczenia i niŜszych następuje matowienie powierzchni metalu, w temperaturach wysokich
skutkiem korozji chemicznej jest tworzenie grubych, łuszczących się warstw tzw. zgorzeliny.

Korozja

elektrochemiczna

jest

najbardziej

powszechnym

rodzajem

korozji.

NajwaŜniejsze rodzaje korozji elektrochemicznej to:

–

galwaniczna,

–

międzykrystaliczna,

–

warstwowa (odwarstwienie),

–

selektywna (rozpuszczanie składnika mniej szlachetnego),

–

szczelinowa,

–

kroplowa,

–

podosadowa,

–

wŜerowa.
Podstawowym sposobem ochrony przed korozją chemiczną jest dobór odpowiedniego

materiału do warunków środowiska agresywnego.

MoŜna znacznie obniŜyć działanie korodujące niektórych czynników przez zastosowanie

inhibitorów (opóźniaczy) korozji. Inhibitory tworzą zwykle na powierzchni metalu warstewki
ochronne hamujące szybkość korozji. Dla korozji w środowisku alkalicznym jako inhibitory
korozji stosowane są sole cyny, arsenu, niklu i magnezu, zaś w środowisku kwaśnym:
krochmal, klej lub białko.

Zabezpieczenie przed korozją elektrochemiczną stanowi tak zwana ochrona katodowa.

Ochrona  katodowa  polega  na  połączeniu  chronionej  konstrukcji  z  metalem  mniej
szlachetnym,  tworzącym  anodę  (protektor)  ogniwa,  natomiast  katodą  jest  obiekt  chroniony.
Połączenie  takiej  anody  z  konstrukcją  chronioną  wykonuje  się  przez  bezpośredni  styk
(tzw. powłoki  anodowe)  lub  za  pomocą  przewodnika.  Za  pomocą  protektorów  chroni  się
przed  korozją  duŜe  obiekty  stalowe,  takie  jak  kadłuby  statków,  rurociągi  i  podziemne
zbiorniki. Protektorami są blachy lub sztaby wykonane z metali aktywnych jak: cynk, magnez
lub  glin,  połączone  przewodami  z  obiektem  chronionym.  W  utworzonym  w  ten  sposób
ogniwie  anodą  jest  protektor,  który  ulega  korozji.  Po  zuŜyciu  protektory  wymienia  się  na
nowe.  Identyczny  efekt  daje  zastąpienie  cynku  złomem  stalowym  połączonym  z  dodatnim
biegunem  prądu  stałego,  podczas  gdy  chroniona  konstrukcja  połączona  jest  z  biegunem
ujemnym.

Innym sposobem ochrony przed korozją jest nanoszenie na powierzchnię wyrobu lub

konstrukcji powłok ochronnych.

Powszechnie stosowanymi powłokami ochronnymi są:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

–

powłoki nieorganiczne: metalowe i niemetalowe,

–

powłoki organiczne: farby, lakiery, tworzywa sztuczne, smoła i smary.
Powłoki metalowe wytwarzane na skalę przemysłową dzielimy na dwie grupy: powłoki

anodowe i katodowe.

Powłoki anodowe są wykonane z metali o bardziej ujemnym potencjale

elektrochemicznym (mniej szlachetnych) niŜ metal chroniony. Pokrywanie metali powłokami
anodowymi  zapewnia  chronionemu  metalowi  ochronę  katodową,  gdyŜ  powłoka  z  metalu
mniej  szlachetnego  działa  w  charakterze  anody  jako  protektor.  Jako  przykład  powłok
anodowych  moŜna  wymienić  cynk  i  kadm.  NajwaŜniejszym,  praktycznym  zastosowaniem
powłok  anodowych  jest  pokrywanie  stali  powłoką  cynkową  (blachy  ocynkowane).
W przypadku  pokrywania  powierzchni  stalowych  cynkiem  w  razie  pojawienia  się  rysy  lub
szczeliny tworzy się ogniwo, w którym katodą jest Ŝelazo zaś anodą cynk. W tej sytuacji do
roztworu przechodzą jony cynku, a nie jony Ŝelaza. Tak więc w przypadku pokrywania metali
powłokami anodowymi, powłoka pokrywająca nie musi być idealnie szczelna.

Powłoki katodowe są wykonane z metali bardziej szlachetnych niŜ metal chroniony.

Przykładem  powłok  katodowych  są,  np.  powłoki  z  miedzi,  niklu,  chromu,  cyny  lub  srebra.
Powłoka  katodowa  jest  skuteczna  tylko  wówczas,  kiedy  cała  powierzchnia  stalowa  jest  nią
szczelnie  pokryta.  Po  utworzeniu  szczeliny  powstaje  mikroogniwo,  w  którym  Ŝelazo  jest
anodą i ono ulega rozpuszczeniu, co przyspiesza korozję, a metal szlachetny staje się katodą
ogniwa.  W  rezultacie  uszkodzenia  powłoki  katodowej  szybkość  korozji  w  miejscu
uszkodzenia jest większa niŜ w przypadku braku powłoki katodowej.

Metaliczne powłoki ochronne mogą być nakładane przez: zanurzenie w ciekłym metalu,

platerowanie (zwalcowanie na gorąco), natryskiwanie roztopionego metalu na powierzchnię
chronioną i elektrolizę.
Niemetaliczne powłoki ochronne wywoływane są na powierzchni metali przez wytworzenie
na niej związku chemicznego w wyniku zabiegów chemicznych:
–

utleniania (oksydowania) mającego na celu wytworzenie na chronionym metalu
pasywnych warstewek tlenkowych,

–

fosforanowania za pomocą kwasu fosforowego (tworzą się trudno rozpuszczalne
fosforany metali),

–

chromianowania za pomocą mieszaniny kwasu chromowego i siarkowego, w wyniku
którego tworzą się powłoki chromianowe.
Do niemetalicznych powłok ochronnych zalicza się równieŜ emalie szkliste, które

wyróŜniają się dobrą odpornością na działanie alkaliów, kwasów, a takŜe na działanie
rozpuszczalników organicznych i na działanie podwyŜszonych temperatur.

4.6.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakie rodzaje korozji zachodzą na powierzchni metalu?
2.  Kiedy zachodzi proces korozji chemicznej?
3.  Kiedy zachodzi proces korozji elektrochemicznej?
4.  Jakie są rodzaje korozji elektrochemicznej?
5.  Jak zapobiega się korozji chemicznej?
6.  W jaki sposób zapobiega się korozji elektrochemicznej?
7.  Jakie są inne sposoby ochrony przed korozją?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.6.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Rozpoznaj rodzaje korozji występujące na przygotowanych fragmentach konstrukcji

stalowych i częściach maszyn. Opisz w zeszycie charakterystyczne cechy zidentyfikowanych
rodzajów korozji.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować wiadomości dotyczące rodzajów korozji,
2)  dokładnie obejrzeć przygotowane próbki, na których wystąpiła korozja,
3)  rozpoznać rodzaje korozji występujące na próbkach,
4)  opisać charakterystyczne cechy poszczególnych rodzajów korozji,
5)  zaprezentować efekty pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

przybory do pisania,

–

zeszyt,

–

fragmenty konstrukcji stalowych i części maszyn z występującymi róŜnymi rodzajami
korozji,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Opracuj sposób przygotowania powierzchni przed nakładaniem powłok ochronnych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować materiał nauczania dotyczący rodzajów korozji i ochrony przed korozją,
2) przeanalizować fragmenty, które mówią o sposobach przygotowania powierzchni do

nanoszenia powłok ochronnych,

3) wypisać czynności związane z przygotowaniem powierzchni do naniesienia powłok

ochronnych,

4) zaprezentować efekty swojej pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

przybory do pisania,

−

zeszyt,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.7. Podstawowe pojęcia z zakresu wytrzymałości materiałów

4.7.1. Materiał nauczania

Wytrzymałość materiałów jest nauką o sztywności, wytrzymałości i stateczności

konstrukcji inŜynierskich. Efekt działania sił zewnętrznych na ciało materialne pozostające
w równowadze moŜe przejawiać się w róŜnych formach, a mianowicie: zmianie kształtów
i wymiarów ciała bez naruszania jego spójności, zniszczenia ciała przez pękniecie, złamanie,
itp. oraz naruszeniu jego równowagi stałej jako całości.

Zdolność konstrukcji do przeciwstawienia się tym niekorzystnym efektom nazywamy

odpowiednio jej sztywnością, wytrzymałością i statecznością.

Siły zewnętrzne działające na ciało materialne nazywane są obciąŜeniami.

Cecha materiałów, dzięki której materiał zmienia kształt i wymiar pod obciąŜeniem to

odkształcalność.  JeŜeli  zmiana  kształtu  i  wymiarów  jest  trwała  wówczas  mówimy
o odkształceniach  plastycznych,  inaczej  mówiąc  plastyczności  materiału.  Jeśli  po  ustaniu
obciąŜenia  przedmiot  wraca  do  kształtu  i  wymiarów  pierwotnych  to  cechę  taką  nazywamy
spręŜystością.

RozróŜniamy następujące rodzaje obciąŜeń prostych: rozciąganie, ściskanie, zginanie,

skręcanie. Siły zewnętrzne działające na ciało materialne powodują powstanie w nim sił
wewnętrznych, te zaś – odniesione do jednostki pola przekroju części obciąŜonej nazywa się
napręŜeniami.

Przy projektowaniu konstrukcji dokonuje się obliczeń wytrzymałościowych w celu

spełnienia wymagań załoŜonej wytrzymałości mechanicznej gwarantującej zapewnienie
nośności lub normalną eksploatacje konstrukcji. W tym celu wyznacza się napręŜenia
wywołane działaniem sił zewnętrznych.

NapręŜenia dopuszczalne to takie napręŜenia wywołane przez siły zewnętrzne, które nie

powodują nadmiernego odkształcenia ani zniszczenia obciąŜonego ciała materialnego.

Oznaczamy je literą k z odpowiednim indeksem dolnym, charakteryzującym rodzaj

odkształcenia:
–

− napręŜenie dopuszczalne przy rozciąganiu,

–

− napręŜenie dopuszczalne przy ściskaniu,

–

− napręŜenie dopuszczalne przy zginaniu,

–

− napręŜenie dopuszczalne przy ścinaniu,

–

− napręŜenie dopuszczalne przy skręcaniu.

Liczbę n oznaczającą, ile razy napręŜenie dopuszczalne jest mniejsze od granicy

wytrzymałości R

(dla materiałów kruchych) lub od granicy plastyczności R

(dla materiałów

plastycznych), nazywa się współczynnikiem bezpieczeństwa.

NapręŜenia normalne są to napręŜenia wywołane obciąŜeniem działającym prostopadle

do rozpatrywanego przekroju. Oznaczamy je symbolem σ. Występują przy rozciąganiu,
ś

ciskaniu i zginaniu. Oblicza się je według wzoru:

wyraŜa się w paskalach, 1 Pa = N/ m

gdzie:

F – siła działająca prostopadle do przekroju obciąŜonego elementu w [N],
S – pole powierzchni przekroju elementu w [m

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

NapręŜenia styczne są to napręŜenia spowodowane obciąŜeniem działającym równolegle

do rozpatrywanego przekroju. Oznacza się je τ i występują przy ścinaniu i skręcaniu. Określa
się je wzorem:

wyraŜa w paskalach, 1 Pa = N/ m

gdzie:

F – siła działająca równolegle do przekroju obciąŜonego elementu w [N],
S – pole powierzchni przekroju elementu w [m

WaŜnym zagadnieniem w wytrzymałości materiałów jest wyznaczenie parametrów

charakteryzujących zachowanie się materiałów w róŜnych warunkach otoczenia i obciąŜenia.
Najprostszymi obciąŜeniami są obciąŜenia statyczne.

Statyczne próby wytrzymałościowe wykonywane są w celu wyznaczenia wielkości

charakteryzujących stan napręŜenia i odkształcenia próbki, najczęściej w postaci pręta.

Najczęściej wykonywanym obliczeniem jest wyznaczenie wymiarów przekroju, jakie

powinien mieć element, mający przenieść siłę statyczną rozciągającą.

Korzystamy ze wzoru:

gdzie: σ

przyjmuje wartość napręŜeń dopuszczalnych na rozciąganie k

Analogicznie postępujemy przy obliczaniu wymiarów przekroju, jakie powinien mieć

element mający przenieść siłę statyczną ściskającą. Wówczas σ

przyjmuje wartość napręŜeń

dopuszczalnych na ściskanie k

W przypadku ścinania wywołanego dwoma równymi i równoległymi siłami

o przeciwnych zwrotach tworzącymi parę sił o bardzo małym ramieniu oblicza się siłę
niezbędną do ścięcia ze wzoru:

⋅

i mnoŜy przez współczynnik 1,3, przyjmując τ

= (0,6–0,65) k

Wytrzymałość na ścinanie dla stali przyjmuje się w zaleŜności od wytrzymałości na

rozciąganie:

⋅

≈

NapręŜenia zginające σ

składają się z napręŜeń ściskających i rozciągających i oblicza

się je ze wzoru:

gdzie:

– największy moment zginający w [N m],

– wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie w [m

W przypadku skręcania obliczamy maksymalne napręŜenie skręcające τ

, oblicza się je ze

wzoru:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

gdzie:

– moment skręcający w [Nm],

– wskaźnik wytrzymałości przekroju na skręcanie.

4.7.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Co to jest obciąŜenie?
2.  Jak definiujemy odkształcalność materiałów?
3.  Jak definiujemy plastyczność materiałów?
4.  Jak definiujemy spręŜystość materiałów?
5.  Jakie rodzaje obciąŜeń zaliczymy do obciąŜeń prostych?
6.  Co powoduje działanie sił zewnętrznych na ciało materialne ?
7.  Jakie napręŜenia nazywamy dopuszczalnymi, normalnymi i stycznymi?
8.  W jaki sposób obliczamy napręŜenia normalne?
9.  W jaki sposób obliczamy napręŜenia styczne?
10.  W jaki sposób obliczamy wymiary przekroju przenoszącego siłę rozciągającą?
11.  W jaki sposób obliczamy siłę niezbędną do ścięcia elementu o danym przekroju?
12.  W jaki sposób obliczamy napręŜenia zginające?
13.  W jaki sposób obliczamy napręŜenia skręcające?

4.7.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Oblicz średnicę pręta ze stali St2 rozciąganego siłą osiową F = 50000 N. NapręŜenie

dopuszczalne k

wynosi 100 MPa. Obliczenia zapisz w zeszycie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować wiadomości dotyczące obliczania napręŜeń wywołanych działaniem sił

zewnętrznych,

2)  wypisać w zeszycie potrzebne dane,
3)  wykonać rysunek schematyczny zaznaczając działającą siłę,
4)  wykonać przeliczenia jednostek,
5)  obliczyć  pole  przekroju  poprzecznego  pręta  korzystając  ze  wzoru  w  rozdziale  4.7.1.

materiału nauczania,

6) wykonać obliczenia średnicy pręta znając wielkość pola przekroju poprzecznego,
7) zaprezentować wyniki obliczeń.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

przybory do pisania,

−

zeszyt,

−

tablice matematyczne,

−

kalkulator,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Dobierz przekrój dwuteownika ze stali St3, dla której napręŜenie dopuszczalne

= 117,5 MPa, Mg max = 8 kN. Wyniki zapisz w zeszycie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować wiadomości dotyczące wytrzymałości prostej,
2)  wypisać w zeszycie potrzebne dane przeliczając jednostki,
3)  obliczyć wskaźnik wytrzymałości,
4)  wybrać dwuteownik z tablic znormalizowanych przekrojów,
5)  zaprezentować wyniki.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

przybory do pisania,

−

zeszyt,

−

kalkulator,

−

tablice znormalizowanych przekrojów wyrobów metalowych,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.7.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) opisać efekty działania sił zewnętrznych na ciało materialne?

2) zdefiniować pojęcie plastyczności materiału?

3) zdefiniować pojęcie spręŜystości materiału?

4) rozróŜnić rodzaje obciąŜeń prostych?

5) wymienić napręŜenia wywołane działaniem sił zewnętrznych?

6) określić cel wykonywania obliczeń wytrzymałościowych?

7) podać wzory określające wartość napręŜeń w zaleŜności od rodzaju

obciąŜenia?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.8. Odkształcenia ciał pod wpływem obciąŜeń. Prawo Hook’a

4.8.1. Materiał nauczania

Pod wpływem sił zewnętrznych elementy konstrukcyjne mogą zmieniać swoje pierwotne

kształty. W celu jednoznacznego określenia tych zmian wprowadzono pojęcia odkształcenia
liniowego i odkształcenia postaciowego.

W zaleŜności od sposobu działania obciąŜenia na ciało rozróŜniamy następujące

podstawowe rodzaje odkształceń: rozciąganie, ściskanie, ścinanie, skręcanie i zginanie.

Rozciąganie

Składają się na nie dwie przeciwnie działające siły, powodujące wydłuŜenie ciała

w kierunku linii działania tych sił.

Ściskanie

Składają się na nie dwie siły o przeciwnych zwrotach, powodujące ściśnięcie (skrócenie)

ciała w kierunku linii działania tych sił.

Przykłady działania sił zewnętrznych (rozciągających i ściskających) na ciało

przedstawiono na rysunku 1.

Rys. 1. Rodzaje obciąŜeń prostych: a) rozciąganie b) ściskanie [8, s. 327]

Zginanie

Wywołane jest działaniem sił prostopadłych (rys. 2) do osi belki i leŜącymi w płaszczyźnie

zawierającej tę oś lub równoległej do niej. Typowe elementy zginane to: belki, osie i wały
maszyn.

Rys. 2. Rodzaje obciąŜeń prostych – zginanie [8, s. 336]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ścinanie

Wywołane jest działaniem dwóch sił tworzących parę sił pokazanych na rysunku 3,

powodują w ostateczności ścięcie elementu. Na ścinanie pracują przede wszystkim nity,
ś

ruby, sworznie i spoiny.

Rys. 3. Rodzaje obciąŜeń prostych; siły wywołujące ścinanie [8, s. 330]

Skręcanie

Wywołane jest siłami dającymi moment skręcający (rys. 4), pod którego działaniem

poszczególne przekroje poprzeczne przedmiotu zostają obrócone względem siebie wokół
pewnej osi. Typowym przykładem elementów skręcanych są wały maszyn.

Rys. 4. Rodzaje obciąŜeń prostych – skręcanie [8, s. 332]

Miarą odkształcenia ciała pod wpływem obciąŜenia jest odkształcenie liniowe.

Za miarę odkształcenia liniowego przyjmowane jest średnie odkształcenie liniowe ε

zwane takŜe wydłuŜeniem względnym wyznaczane ze wzoru:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

∆

gdzie:

∆

l – całkowita liniowa zmiana wymiarów (długości),

l – wymiar liniowy (długość) przed odkształceniem.

W zakresie małych odkształceń ciała pomiędzy napręŜeniami, a odpowiadającymi im

odkształceniami istnieje liniowa zaleŜność nazwana prawem Hook’a.

Symboliczna postać prawa Hooke'a (prawo proporcjonalności) wyraŜa się następująco:

⋅

gdzie:

E – współczynnik (moduł) spręŜystości wzdłuŜnej (moduł Younga),
e – wydłuŜenie względne.

Uwzględniając w tym prawie inne związki, otrzymujemy:

⋅

∆

Według tego prawa wartość napręŜenia normalnego do przekroju jest proporcjonalna do

wartości względnego wydłuŜenia w kierunku prostopadłym do tego przekroju.

Odkształcenie postaciowe (kątowe) to zmiana kształtu ciała przy zachowaniu długości

odcinków równoległych do osi układu współrzędnych.

4.8.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakie rodzaje odkształceń mogą powodować obciąŜenia proste?
2.  W jakim przypadku zachodzi rozciąganie?
3.  W jakim przypadku zachodzi ściskanie?
4.  W jakim przypadku zachodzi ścinanie?
5.  W jakim przypadku zachodzi skręcanie?
6.  W jakim przypadku zachodzi zginanie?
7.  W jaki sposób obliczamy średnie odkształcenie liniowe?
8.  Jak wyraŜa się prawo Hook ’a?
9.  W jaki sposób obliczamy całkowite odkształcenie?

4.8.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Oblicz całkowitą wartość odkształcenia wywołanego działaniem siły rozciągającej

F = 50000 N na pręt ze stali St4 o średnicy 30 mm i długości początkowej 80 mm. Moduł
Younga E = 2,04 · 10

MPa.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować wiadomości dotyczące prawa Hook’a,
2)  wypisać w zeszycie potrzebne dane przeliczając jednostki,
3)  wybrać wzór potrzebny do obliczenia odkształcenia,
4)  wykonać obliczenia,
5)  zaprezentować wynik obliczeń.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

przybory do pisania,

–

zeszyt,

–

kalkulator,

–

tablice matematyczne,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Wycieczka do laboratorium badań wytrzymałościowych – obserwacja pomiaru wielkości

odkształceń za pomocą tensometrów.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  wziąć udział w wycieczce do laboratorium badań wytrzymałości materiałów,
2)  obserwować uwaŜnie pracowników wykonujących badania wielkości odkształceń,
3)  zanotować czynności wykonywane przez laborantów,
4)  sporządzić  opis  czynności  wykonywanych  przy  wyznaczaniu  wielkości  odkształceń  za

pomocą tensometru,

5) zaprezentować efekty pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.8.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) określić rodzaje zmian kształtu ciała wywołane przez obciąŜenia?

2) określić układ sił powodujących rozciąganie, ściskanie, zginanie i skręcanie?

3) określić w jakich przypadkach stosować moŜna prawo Hook ’a?

4) zdefiniować odkształcenia liniowe i postaciowe?

5) obliczyć całkowitą wartość odkształcenia?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.9. Wytrzymałość

zmęczeniowa.

Przypadki

wytrzymałości

złoŜonej

4.9.1. Materiał nauczania

Zmęczenie materiału, to zjawisko polegające na zmniejszeniu wytrzymałości materiału,

z którego wykonano element konstrukcyjny (niekiedy na jego pękaniu i zniszczeniu) pod
wpływem długotrwałych obciąŜeń okresowo zmiennych, pomimo, Ŝe obciąŜenia te nie
przekraczają granicy plastyczności.

Cyklem napręŜeń nazywa się okresowo zmienne napręŜenie o wartościach zmieniających

się w sposób ciągły w czasie jednego okresu zmiany. Okresowo zmienne napręŜenia
występujące w próbach zmęczeniowych mają najczęściej charakter sinusoidalny.

Zmęczenie materiału określa się za pomocą wyznaczenia wytrzymałości zmęczeniowej

materiału i sporządzeniu wykresu zmęczeniowego Wöhlera.

Największa wartość napręŜenia σ

max

(

przy danym cyklu), przy której próbki nie ulegają

zniszczeniu nazywa się rzeczywistą wytrzymałością zmęczeniową albo granicą rzeczywistą
zmęczenia. W zaleŜności od rodzaju cyklu wytrzymałość zmęczeniową oznaczamy symbolem
Z

– dla cyklu wahadłowego lub Z

– dla cyklu tętniącego. Oznaczanie wytrzymałości

zmęczeniowej pokazuje tabela 1.

Tabela 1. Oznaczenie wytrzymałości zmęczeniowej dla podstawowych przypadków obciąŜeń [8, s. 315]

Cykl

Rozciąganie

Ściskanie

Zginanie

Skręcanie

Wahadłowy

Zrc

Tętniący

Istnieje zaleŜność pomiędzy wytrzymałością zmęczeniową, a wytrzymałością R

Dla stali zaleŜność ta wynosi Z

= (0,36–0,6) R

Przypadki wytrzymałości złoŜonej

W praktyce części maszyn podlegają jednoczesnemu działaniu sił powodujących zginanie

i  ścinanie,  zginanie  i  skręcania,  zginanie  i  rozciąganie.  Obliczanie  napręŜeń  w  przypadkach
obciąŜeń  złoŜonych  sprowadza  się  do  obliczeń  napręŜeń  spowodowanych  poszczególnymi
obciąŜeniami.  Następnie  dodaje  się  te  napręŜenia  według  ustalonych  zasad  lub  operuje  się
tzw. napręŜeniami zastępczymi.

Zginanie połączone z rozciąganiem lub ściskaniem jest najprostszym przypadkiem

wytrzymałości złoŜonej. KaŜde z wymienionych obciąŜeń wywołuje napręŜenia normalne
(prostopadłe do przekroju poprzecznego).

NapręŜenie całkowite przy tym obciąŜeniu złoŜonym jest − zgodnie z zasadą superpozycji

− sumą napręŜeń wywołanych przez poszczególne obciąŜenia.

Maksymalne napręŜenia normalne dodatnie występują w skrajnych włóknach przekroju

niebezpiecznego w przypadku rozciągania i zginania ma wartość:

max

Maksymalne napręŜenia normalne ujemne występują w skrajnych włóknach przekroju

niebezpiecznego w przypadku ściskania i zginania mają wartość:

max

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

gdzie:

M – to moment zginający,
W – wskaźnik wytrzymałości na zginanie,
P – siła rozciągająca (ściskająca),
S – pole przekroju powierzchni próbki.

Zginanie i skręcanie zachodzi wtedy, gdy w poprzecznym przekroju pręta występuje

równocześnie moment zginający i skręcający.

Dla uproszczenia obliczeń wyznacza się moment zredukowany

red

gdzie:

Mg – moment zginający,
Ms − moment skręcający.

Wartość napręŜenia σ

red

przy tym rodzaju obciąŜenia złoŜonego określa wzór:

dop

red

≤

4.9.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakie rodzaje odkształceń mogą powodować obciąŜenia proste?
2.  Jak określamy wytrzymałość zmęczeniową materiału?
3.  Jaka  jest  zaleŜność  pomiędzy  wytrzymałością  zmęczeniową  a  wytrzymałością  na

rozciąganie?

4.  Co nazywamy wytrzymałością złoŜoną?
5.  W jaki sposób obliczamy napręŜenia złoŜone?
6.  Jakie przypadki wytrzymałości złoŜonej występują najczęściej?

4.9.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ (na podstawie filmu) przyczyny katastrof budowlanych, które z nich wynikały

z niewłaściwie przeprowadzonych obliczeń wytrzymałościowych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować treść filmu dydaktycznego ,,Największe katastrofy budowlane”,
2)  wypisać przyczyny katastrof,
3)  wybrać  te  przyczyny  katastrof,  które  wynikały  z  błędnie  wykonanych  obliczeń

wytrzymałościowych,

4) zapisać wnioski w zeszycie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

przybory do pisania,

–

zeszyt,

–

film dydaktyczny „Największe katastrofy budowlane”,

–

zestaw do wyświetlania filmów.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 2

Korzystając z tablic z podstawowymi danymi wytrzymałości zmęczeniowej, wypisz

orientacyjne wartości wytrzymałości zmęczeniowej stali węglowej zwykłej jakości.

Wartości wytrzymałości zmęczeniowej

Rozciąganie

Zginanie

skręcanie

Znak

stali

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować informacje zawarte w tablicach wytrzymałości zmęczeniowej materiałów,
2)  wybrać odpowiednie gatunki stali,
3)  wyszukać odpowiednie tablice dla wybranych gatunków stali,
4)  wypisać w zeszycie potrzebne dane,
5)  zaprezentować efekty pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

przybory do pisania,

−

zeszyt,

−

tablice zawierające dane wytrzymałościowe stali,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.9.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) zdefiniować pojęcie wytrzymałości zmęczeniowej materiału?

2) zdefiniować rzeczywistą wytrzymałość zmęczeniową materiału?

3) wymienić przypadki wytrzymałości złoŜonej?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1.  Przeczytaj uwaŜnie instrukcję.
2.  Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3.  Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4.  Test zawiera 20 zadań o róŜnym stopniu trudności. Są to zadania wielokrotnego wyboru.
5.  Za kaŜdą poprawną odpowiedź moŜesz uzyskać 1 punkt.
6.  Udzielaj odpowiedzi tylko na załączonej karcie odpowiedzi. Dla kaŜdego zadania podane

są cztery moŜliwe odpowiedzi: a, b, c, d. Tylko jedna odpowiedź jest poprawna; wybierz
ją i zaznacz kratkę z odpowiadającą jej literą, znakiem X.

7. JeŜeli się pomylisz i błędnie zaznaczysz odpowiedź, otocz ją kółkiem i zaznacz

ponownie odpowiedź, którą uwaŜasz za poprawną.

8. Test zawiera zadania z poziomu podstawowego oraz zadania z poziomu

ponadpodstawowego, które mogą przysporzyć Ci trudności, gdyŜ są one na poziomie
wyŜszym niŜ pozostałe (dotyczy to pytań

od 18 do 20).

9. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
10. Kiedy udzielenie odpowiedzi będzie sprawiało Ci trudność, wtedy odłóŜ rozwiązanie

zadania na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci czas wolny.

11. Po rozwiązaniu testu sprawdź, czy zaznaczyłeś wszystkie odpowiedzi na KARCIE

ODPOWIEDZI.

12. Na rozwiązanie testu masz 45 minut.

Powodzenia!

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Nauka zajmująca się budową, własnościami i metodą badania materiałów

konstrukcyjnych to
a)  metaloznawstwo.
b)  materiałoznawstwo.
c)  metalurgia.
d)  maszynoznawstwo.

2. Materiały metaliczne charakteryzują się

a)  dobrymi własnościami mechanicznymi i technologicznymi.
b)  niską ceną.
c)  łatwością otrzymywania.
d)  prostymi sposobami obróbki.

3. O własnościach stopów decyduje

a)  wartościowość pierwiastków stopowych.
b)  gęstość pierwiastków stopowych.
c)  struktura stopu.
d)  zawartość % pierwiastków.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4. Stalami nazywamy stopy Ŝelaza z

a)  miedzią.
b)  aluminium.
c)  cynkiem.
d)  węglem.

5. NajwaŜniejsze własności mechaniczne to własności

a)  wytrzymałościowe.
b)  chemiczne.
c)  fizyczne.
d)  techniczne.

6. Stale narzędziowe stosowane są

a)  w budownictwie.
b)  do wyrobu narzędzi.
c)  w budowie maszyn i urządzeń.

na łoŜa obrabiarek.

7. Brązy cynowe to stopy

a)  miedzi z cynkiem.
b)  Ŝelaza z cyną.
c)  miedzi z cyną.
d)  cyny z aluminium.

8. Do wyrobu foli oraz powlekania kabli stosowany jest

a)  polietylen.
b)  polistyren.
c)  polichlorek winylu.
d)  poliamid.

9. Silikon stosowany jest w budowie maszyn jako materiał

a)  termoizolacyjny.
b)  konstrukcyjny.
c)  uszczelniający.
d)  do tłumienia drgań.

10. Materiały stosowane w przemyśle ceramicznym powinny charakteryzować się

a)  dobrym przewodnictwem cieplnym.
b)  dobrą Ŝaroodpornością.
c)  dobrą udarnością.
d)  małym przewodnictwem cieplnym.

11. Zjawisko korozji polega na

a)  zmianie wymiarów.
b)  niszczeniu materiałów pod wpływem obciąŜeń.
c)  niszczeniu materiałów pod wpływem eksploatacji.
d)  niszczeniu materiałów pod wpływem oddziaływania środowiska.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

12. Ochrona katodowa polega na

a)  połączeniu konstrukcji z metalem szlachetnym.
b)  połączeniu konstrukcji z metalem mniej szlachetnym.
c)  połączeni konstrukcji ze źródłem prądu stałego.
d)  naniesieniu powłok metalicznych.

13. Zdolność konstrukcji do przeciwstawiania się obciąŜeniom to

a)  udarność.
b)  wytrzymałość, sztywność, stateczność.
c)  plastyczność i spręŜystość.
d)  kruchość i pełzanie.

14. Siły wewnętrzne wywołane przez obciąŜenia to

a)  odkształcenia.
b)  dyslokacje.
c)  dylatacje
d)  napręŜenia.

15. Zmiana wymiarów i kształtu pod wpływem obciąŜenia to

a)  odkształcenie.
b)  plastyczność.
c)  pełzanie.
d)  spręŜystość.

16. Rozciąganie to rodzaj odkształcenia wywołanego przez

a)  siły prostopadłe do osi belki (pręt).
b)  dwie siły o przeciwnych zwrotach.
c)  parę sił.
d)  moment siły.

17. Rodzaj obciąŜenia przedstawiony na rysunku to obciąŜenie

a)  rozciągające.
b)  skręcające.
c)  zginające.
d)  ścinające.

18. Wytrzymałość zmęczeniowa powodowana jest

a)  długotrwałym, stałym obciąŜeniem.
b)  obciąŜeniem dynamicznym.
c)  długotrwałym, okresowo zmiennym obciąŜeniem.
d)  incydentalnym, zmiennym obciąŜeniem.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko ................................................................................................

Charakteryzowanie materiałów konstrukcyjnych oraz wykonywanie
obliczeń wytrzymałościowych

Zakreśl poprawną odpowiedź.

zadania

Odpowiedź

Punkty

Razem: