materiaŁy konstrukcyjne i eksploatacyjne · ciszewski b., przetakiewicz w.: „nowoczesne...
TRANSCRIPT
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.
http://krzysztof.nawrat.pl/Dr inż. Krzysztof Nawrat www.polsl.pl http://imiue.polsl.pl/ 4
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
http://krzysztof.nawrat.pl/Dr inż. Krzysztof Nawrat www.polsl.pl http://imiue.polsl.pl/ 5
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
http://krzysztof.nawrat.pl/Dr inż. Krzysztof Nawrat www.polsl.pl http://imiue.polsl.pl/
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
http://krzysztof.nawrat.pl/Dr inż. Krzysztof Nawrat www.polsl.pl http://imiue.polsl.pl/
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
http://krzysztof.nawrat.pl/Dr inż. Krzysztof Nawrat www.polsl.pl http://imiue.polsl.pl/
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
http://krzysztof.nawrat.pl/Dr inż. Krzysztof Nawrat www.polsl.pl http://imiue.polsl.pl/
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
http://krzysztof.nawrat.pl/Dr inż. Krzysztof Nawrat www.polsl.pl http://imiue.polsl.pl/
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
SUBSTYTUCJA MATERIAŁOWASUBSTYTUCJA MATERIAŁOWA
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
http://krzysztof.nawrat.pl/Dr inż. Krzysztof Nawrat www.polsl.pl http://imiue.polsl.pl/
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
SUBSTYTUCJA MATERIAŁOWASUBSTYTUCJA MATERIAŁOWA
Możliwość procesu substytucji warunkują:
• dostępność materiałów substytucyjnych
• możliwość zastosowania substytutów
http://krzysztof.nawrat.pl/Dr inż. Krzysztof Nawrat www.polsl.pl http://imiue.polsl.pl/
• możliwość zastosowania substytutów
• ekonomiczna zasadność stosowania substytucji
12
SUBSTYTUCJA MATERIAŁOWASUBSTYTUCJA MATERIAŁOWA
Obecnie wyraźnie dąży się nie tylko do
właściwego doboru materiałów,
ale ich projektowania
http://krzysztof.nawrat.pl/Dr inż. Krzysztof Nawrat www.polsl.pl http://imiue.polsl.pl/
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 --
http://krzysztof.nawrat.pl/Dr inż. Krzysztof Nawrat www.polsl.pl http://imiue.polsl.pl/
• 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 --
http://krzysztof.nawrat.pl/Dr inż. Krzysztof Nawrat www.polsl.pl http://imiue.polsl.pl/
• wiązania (atomowe) kowalencyjne
• wiązania metaliczne(te typy wiązań stanowią wyidealizowane przypadki graniczne)
15
POJĘCIA PODSTAWOWE POJĘCIA PODSTAWOWE -- siatki siatki przestrzenne kryształów elementarnychprzestrzenne kryształów elementarnych
http://krzysztof.nawrat.pl/Dr inż. Krzysztof Nawrat www.polsl.pl http://imiue.polsl.pl/ 16
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.
http://krzysztof.nawrat.pl/Dr inż. Krzysztof Nawrat www.polsl.pl http://imiue.polsl.pl/
Oznacza to, że pierwotna struktura i stan materii są
przekształcone metodami opracowanymi przez człowieka.
17
UKŁAD OKRESOWY PIERWIASTKÓWUKŁAD OKRESOWY PIERWIASTKÓW
http://krzysztof.nawrat.pl/Dr inż. Krzysztof Nawrat www.polsl.pl http://imiue.polsl.pl/ 18
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
http://krzysztof.nawrat.pl/Dr inż. Krzysztof Nawrat www.polsl.pl http://imiue.polsl.pl/
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
http://krzysztof.nawrat.pl/Dr inż. Krzysztof Nawrat www.polsl.pl http://imiue.polsl.pl/ 20
[8, str. 29]