materiaŁy konstrukcyjne i eksploatacyjne · ciszewski b., przetakiewicz w.: „nowoczesne...

MATERIAŁY MATERIAŁY

www.polsl.pl http://imiue.polsl.pl/

KONSTRUKCYJNE I KONSTRUKCYJNE I EKSPLOATACYJNEEKSPLOATACYJNE

dr inż. Krzysztof NAWRAT

SEMESTR ZIMOWY 2010/2011

„Tworzywo jest tym mniej różne od optymalnego, im bardziej

konstruowany wytwór jest odpowiedni ze względu na obrane kryterium”

J. Dietrych

„Odwieczne dążenie do ‘magicznego’ doboru takich materiałów, które

uwarunkowałyby minimalne tarcie i zużywanie się powierzchni, można

porównać do fanatycznego szukania przez alchemików średniowiecznych,

MOTTOMOTTO

http://krzysztof.nawrat.pl/Dr inż. Krzysztof Nawrat www.polsl.pl http://imiue.polsl.pl/

porównać do fanatycznego szukania przez alchemików średniowiecznych,

takiego ‘magicznego’ połączenia pierwiastków, które by dały złoto”

W.D. Fuller

„Gdyby element działał w idealnych warunkach, to nie byłoby trudności z

doborem tworzywa... jedynym czynnikiem byłaby odpowiednia

wytrzymałość tworzywa”

W.D. Fuller

2

WARUNKI ZALICZENIA PRZEDMIOTUWARUNKI ZALICZENIA PRZEDMIOTU

1. Opracowanie jednego tematu z przedstawionych zagadnień (prezentacja na wykładzie?).

2. Zaliczenie kolokwium (kolokwium przewiduje się na przedostatnich zajęciach – 17.12.2011).

http://krzysztof.nawrat.pl/Dr inż. Krzysztof Nawrat www.polsl.pl http://imiue.polsl.pl/ 3

przedostatnich zajęciach – 17.12.2011).

3. Zaliczenie wszystkich ćwiczeń laboratoryjnych (uczestnictwo w zajęciach, wykonanie sprawozdania wg wymagań prowadzącego oraz ustna odpowiedź.

TEMATY DO OPRACOWANIATEMATY DO OPRACOWANIAdla Ez3 dla Ez3 -- MKiEMKiE

1. Materia i jej składniki.2. Materiały techniczne naturalne i inżynierskie – porównanie ich struktury.3. Materiały techniczne naturalne i inżynierskie – porównanie własności4. Materiały techniczne naturalne i inżynierskie – porównanie zastosowania.5. Zasady doboru materiałów inżynierskich w budowie maszyn.6. Podstawy projektowania materiałowego.7. Źródła informacji o materiałach inżynierskich, ich własnościach i zastosowaniach.8. Umocnienie metali i stopów.9. Przemiany fazowe.10. Kształtowanie struktury i własności materiałów inżynierskich metodami technologicznymi. 11. Warunki pracy i mechanizmy zużycia i dekohezji materiałów inżynierskich.


11. Warunki pracy i mechanizmy zużycia i dekohezji materiałów inżynierskich.12. Stale i odlewnicze stopy żelaza.13. Metale nieżelazne i ich stopy.14. Materiały spiekane.15. Materiały ceramiczne.16. Szkła i ceramika szklana.17. Materiały polimerowe.18. Materiały kompozytowe.19. Materiały biomimetyczne, inteligentne i funkcjonalne.20. Metody badania materiałów.21. Elementy komputerowej nauki o materiałach oraz komputerowego wspomagania projektowania

materiałowego (CAMD – Computer Aided Materials Design).22. Elementy komputerowej nauki o materiałach oraz doboru materiałów (CAMS – Computer Aided Materials

Selection).23. Znaczenie materiałów inżynierskich w budowie i eksploatacji maszyn.

LABORATORIUMLABORATORIUMEz3 Ez3 –– MKiEMKiE i WMi WM

LABORATORIUM z MKiE oraz WM

dla studentów sem. 3 Energetyki - st. zaoczneMKiE

I KN A-35 Oznaczenie własności przy statycznym rozciąganiu tworzywII ML A-35 Badanie własności olejówIII GN B-09 Badanie uszczelek płaskichIV WK A-444 Metoda 0-1 doboru materiałówWM:

V KN A-35 Badanie wytrzymałości na zginanieVI GN B-09 Badanie udarnościVII MR A-35 Badanie wytrzymałości na wyboczenieVIII GN B-09 Badanie sprężyny śrubowejIX ML A-35 Badanie wytrzymałości na skręcanie


Zjazdy podstawowe

nr ćw. lab. 1300-1430

I 5-11

I 19-11

V 26-11

V 10-12

Zjazdy dodatkowe

22-10-2011 14-01-2012

Sekcja 1 Sekcja 2 Sekcja 1 Sekcja 2

10:30 – 12:00 II II 8:00 – 9:30 III

12:00 – 13:30 IX IV 9:30 – 11:00 VIII

13:30 – 15:00 IV IX 11:00 – 12:30 VII VI

12:30 – 14:00 VI VII

14:00 – 15:30 III

15:30 - 17:00 VIII

IX ML A-35 Badanie wytrzymałości na skręcanie

1. Adamczyk J., Szkaradek K.: „Materiały metalowe dla energetyki jądrowej”, Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 1992

2. Czerwiński W.: „Materiałoznawstwo”, PW Szk. Zaw., Warszawa 19743. Jastrzębski Z.D.: „Własności tworzyw konstrukcyjnych”, WNT Warszawa 19624. Kondratowicz W.: „Materiały budowlane”, skrypty Politechniki Wrocławskiej 19875. Surowiak W., Chudziński S.: „Tworzywa sztuczne w budowie maszyn”, WNT Warszawa

19716. Ashby M., Jones D.: „Materiały inżynierskie” tom I, WNT Warszawa 19957. Ashby M., Jones D.: „Materiały inżynierskie” tom II, WNT Warszawa 1996

LITERATURALITERATURA


7. Ashby M., Jones D.: „Materiały inżynierskie” tom II, WNT Warszawa 19968. Ashby M.: „Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim”, WNT Warszawa 19989. Ciszewski B., Przetakiewicz W.: „Nowoczesne materiały w technice”, Wyd. Bellona

199810.Przybyłowicz K.: „Metaloznawstwo”, WNT Warszawa 200711.Krzemień E.: „Materiałoznawstwo”, Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 200112.Kosman G., Rusin A.: „Termowytrzymałość maszyn przepływowych”, cz. II Zagadnienia

plastyczności i pełzania. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 199113.Dobrzański L.A.: „Metalowe materiały inżynierskie”, WNT Warszawa 200414.PN-EN 10027-1 Systemy oznaczania stali. Znaki stali, symbole główne. PKN grudzień

199415.PN-EN 10027-2 Systemy oznaczania stali. System cyfrowy. PKN grudzień 1994

6

Jest to zespół różnych dyscyplin nauki i techniki zajmujących się

badaniem struktury i własności oraz technologii wytwarzania i

eksploatacji materiałów.

W dziedzinie materiałowej nastąpiły zasadnicze zmiany polegające na nowym podejściu do materiałów. Według założeń

INŻYNIERIA MATERIAŁOWAINŻYNIERIA MATERIAŁOWA


polegające na nowym podejściu do materiałów. Według założeń inżynierii materiałowej mało istotny staje się podział na metale, niemetale, tworzywa ceramiczne, kompozyty itd., a istotnego znaczenia nabiera sprawa własności i przeznaczenia materiału.

7

Naczelnym zadaniem jest tworzenie podstaw teoretycznych umożliwiających projektowanie tworzyw najbardziej odpowiednich do potrzeb.

Jest to więc dyscyplina naukowa zajmująca się badaniem prawidłowości zachodzących pomiędzy różnymi strukturami

INŻYNIERIA MATERIAŁOWAINŻYNIERIA MATERIAŁOWACELECELE


prawidłowości zachodzących pomiędzy różnymi strukturami materii, a jej własnościami oraz prognozowaniem właściwości nie istniejących jeszcze tworzyw.

Na przykład wiedza o metalach do niedawna ograniczała się do wyników badań laboratoryjnych.

Nowe stopy metali powstawały najpierw w laboratoriach, a dopiero potem badano ich własności.

8

Umożliwia - tworzenie nowych materiałów o własnościach i właściwościach dostosowanych do aktualnych potrzeb (np. teflon).Ułatwia to konstruktorom podejmowanie decyzji co do pożądanych w nowych maszynach i urządzeniach tworzyw.

Znacznie poszerza wiedzę w zakresie:

INŻYNIERIA MATERIAŁOWAINŻYNIERIA MATERIAŁOWA


Znacznie poszerza wiedzę w zakresie:

• znajomości asortymentu wytwarzanych tworzyw i materiałów konstrukcyjnych

• znajomości procesów przetwarzania materiałów oraz zachodzących w nich procesów w trakcie nadawania ostatecznej postaci wytworu

• znajomości własności materiałów uzyskiwanych w wyniku różnych procesów wytwarzania materiałów (np. umacniania przez odkształcenie plastyczne)

9

SUBSTYTUCJA MATERIAŁOWASUBSTYTUCJA MATERIAŁOWA

Jest to procedura wzajemnego racjonalnego zastępowania

materiałów konwencjonalnych innymi materiałami w celu

zaspokajania takiej samej potrzeby.

Substytut - materiał stosowany zastępczo w przypadku braku materiału tradycyjnego ze względów ekonomicznych lub


materiału tradycyjnego ze względów ekonomicznych lub technicznych (tzn. dostosowania do nowej konstrukcji lub technologii).

Substytutami nie są materiały lepsze dla określonej konstrukcji –nawet gdyby były tańsze, czy łatwiej dostępne.

10


Możliwa jest w dwóch wariantach:

1. substytucja wewnątrz danej grupy materiałowej:

a) zastąpienie droższego materiału tańszym

b) zastąpienie materiału o lepszych własnościach materiałem o własnościach gorszych


materiałem o własnościach gorszych

c) zastąpienie materiału deficytowego materiałem o dostatecznej podaży

2. substytucja materiału jednej grupy rodzajowej materiałem z innej grupy (np. metali przez tworzywa sztuczne).

11


Możliwość procesu substytucji warunkują:

• dostępność materiałów substytucyjnych

• możliwość zastosowania substytutów


• możliwość zastosowania substytutów

• ekonomiczna zasadność stosowania substytucji

12


Obecnie wyraźnie dąży się nie tylko do

właściwego doboru materiałów,

ale ich projektowania


ale ich projektowania

z uwzględnieniem konstrukcji

i rachunku ekonomicznego

13

Z materią związane jest również pojęcie struktury wewnętrznej(materiałowa cecha konstrukcyjna).

Rozróżnia się struktury:

• krystalograficzne

• metalograficzne

POJĘCIA PODSTAWOWEPOJĘCIA PODSTAWOWE-- materia materia --


• metalograficzne

• chemiczne

• układu złożonych cząstek chemicznych

• układu włókien (np. w drewnie lub tkaninach)

14

Wiązania chemiczne można podzielić na trzy podstawowe:

• wiązania jonowe

• wiązania (atomowe) kowalencyjne

POJĘCIA PODSTAWOWEPOJĘCIA PODSTAWOWE-- materia materia --


• wiązania (atomowe) kowalencyjne

• wiązania metaliczne(te typy wiązań stanowią wyidealizowane przypadki graniczne)

15

POJĘCIA PODSTAWOWE POJĘCIA PODSTAWOWE -- siatki siatki przestrzenne kryształów elementarnychprzestrzenne kryształów elementarnych


POJĘCIA PODSTAWOWEPOJĘCIA PODSTAWOWE-- tworzywo konstrukcyjne tworzywo konstrukcyjne --

TWORZYWO KONSTRUKCYJNE - oznacza materię odpowiadającą

racjom technicznym otrzymaną w procesie wytwórczym

nadającym tej materii odpowiednie własności i właściwości

potrzebne ze względu na określone cele techniczne, których

spełnienie zapewniają tzw. materiałowe cechy konstrukcyjne.


Oznacza to, że pierwotna struktura i stan materii są

przekształcone metodami opracowanymi przez człowieka.

17

UKŁAD OKRESOWY PIERWIASTKÓWUKŁAD OKRESOWY PIERWIASTKÓW


Metale Metale

Polimery ElastomeryPolimery Elastomery

PolimeryPolimery

10000 p.n.e. 5000 p.n.e 0 1.000 1500 1800 1900 1940 1950 1980 1990 2000 2010 2020

złoto miedźbrązy

żelazo

żeliwo

stale

stale stopowe

stopy lekkie

gumanaczenie

rup m

ate

riałó

w

szkła metalicznestopy Al-Listale dwufazowestale mikrostopowenowe nadstopy

powolny rozwój:głównie kontrolajakości i procesówtechnologicznych

klejewłókna naturalne

skóry

drewno

ROZWÓJ MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICHROZWÓJ MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH


Kompozyty

Kompozyty

Ceramika Szkło

Ceramika Szkło

Polimery ElastomeryPolimery Elastomery

10000 p.n.e. 5000 p.n.e 0 1.000 1500 1800 1900 1940 1950 1980 1990 2000 2010 2020

Lata

nadstopy

stopy:Ti, Zr itp.

PE

nylon

bakelit

guma

Wzglę

dne z

nposzczególn

ych g

r

PPPMMA

PSPC

poliestry wysoko-wytrzymałe

poliestry

epoksydy

akryliki

szkło

wyroby garncarskiekrzemień

kamień

cementportlandzki

materiały ogniotrwałe

cement

GFRPCFRP

Kelvar-FRP

o osnowiemetalicznej

o osnowie ceramicznej

poliestry wysoko-temperaturowe

szklanaceramika

ceramika inżynierska(Al O , Si N itp.)2 3 3 4

cermetale

SiO

topiona2

19

[8, str. 14]

W praktyce inżynierskiej przyjęto podział materiałów na sześć klas:

PODZIAŁ MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICHPODZIAŁ MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH


[8, str. 29]

materiaŁy konstrukcyjne i eksploatacyjne · ciszewski b., przetakiewicz w.: „nowoczesne...

Documents