Projektowanie Inżynierskie P a ń s t w o w a W y ż s z a S z k o ł a Z a w o d o w a w N y s i e Instytut Zarządzania Projektowanie Inżynierskie Materiały konstrukcyjne Prowadzący: dr inż. Piotr Chwastyk e-mail: piotr_chwastyk@pwsz.nysa.pl www.chwastyk.pwsz.nysa.pl

Materiały konstrukcyjne Podstawowym czynnikiem, który warunkuje możliwość powstania wyrobu jest materiał konstrukcyjny, który w czasie procesu technologicznego jest poddawany różnym zabiegom. Żaden proces konstruowania nie może przebiegać prawidłowo bez informacji o zastosowanym materiale konstrukcyjnym i jego właściwościach. Właściwy dobór materiałów konstrukcyjnych musi uwzględniać warunki: ekonomiczne – kształtowane przez stan gospodarki i zasoby surowcowe, technologiczne – zależą od poziomu przemysłu i poziomu danego zakładu, eksploatacyjne – zależą od obciążenia, temperatury, prędkości itp.

Materiały konstrukcyjne Najczęściej przez konstruktorów analizowane są następujące właściwości materiałów konstrukcyjnych: właściwości mechaniczne - sprężystość, twardość, udarność, odporność na kruche pękanie, zależność naprężenie-odkształcenie-plastyczność, właściwości reologiczne – odporność na zużycie, pełzanie, własności zmęczeniowe – wytrzymałość zmęczeniowa niskocyklowa i wysokocyklowa, wrażliwość na działanie karbu, właściwości fizyczne – rozszerzalność cieplna, przewodnictwo cieplne i elektryczne, ciepło właściwe, odporność na korozję, wrażliwość na promieniowanie, właściwości technologiczne – skrawalność, tłoczność, spawalność, lejność.

Materiały konstrukcyjne Konstruktor powinien także przy doborze materiału zdawać sobie sprawę że: wiele materiałów konstrukcyjnych wykazuje znaczną niejednorodność lub anizotropię. Powoduje to losowość zmian właściwości podczas eksploatacji i z tego powodu dobiera się je z uwzględnieniem rachunku prawdopodobieństwa, właściwości materiałów ulegają zmianom w trakcie procesu ich obróbki (mechanicznej, cieplnej, cieplno-chemicznej, plastycznej itp.), zmiana właściwości może nastąpić także podczas eksploatacji konstrukcji

Materiały konstrukcyjne Wybór materiału jest ważnym elementem w procesie konstruowania, wymaga dużej wiedzy, większej niż zawarta w katalogach. Zły dobór materiału może doprowadzić do niepowodzeń w sztuce inżynierskiej. Wymagania konstruktorów w zakresie doboru materiałów konstrukcyjnych są motorem postępu w dziedzinie metalurgii i technologii. Dlatego rozwinęła się dziedzina zajmująca się konstruowaniem materiałów. Nazywa się ona inżynieria materiałowa. Podstawowym źródłem doboru materiałów konstrukcyjnych są normy materiałowe. Uzupełnieniem informacji znajdujących się w normach są różnego rodzaju materiały i broszury wydawane przez instytuty naukowe i producentów tych materiałów.

Właściwości mechaniczne materiałów konstrukcyjnych Doraźne właściwości mechaniczne tworzyw konstrukcyjnych w określonych warunkach (np. temperatury) odgrywają najbardziej istotną rolę w procesie doboru materiałów. Do danych podstawowych tych właściwości zalicza się: zależność naprężenie-odkształcenie - (charakteryzuje je moduł Younga, który uzależnia naprężenie σ występujące w materiale od jego wydłużenia. Wartość modułu ustala się w wyniku badań próbki materiału. Jest to hipotetyczne naprężenie, które wystąpiłoby przy dwukrotnym wydłużeniu próbki materiału, przy założeniu, że jej przekrój nie ulegnie zmianie, granica plastyczności, wydłużenie, przewężenie. Dane te otrzymujemy w wyniku tzw. ścisłej próby rozciągania, której warunki przeprowadzenia określa norma. W efekcie przeprowadzania takiej próby uzyskujemy wykresy, które mogą mieć różne przebiegi.

Właściwości mechaniczne materiałów konstrukcyjnych Materiały plastyczne podczas próby rozciągania wykazują znaczne wydłużenie i przewężenie w okolicy pęknięcia. Pierwsze pęknięcia pojawiają się w środku przekroju.

Właściwości mechaniczne materiałów konstrukcyjnych

Właściwości mechaniczne materiałów konstrukcyjnych

Właściwości mechaniczne materiałów konstrukcyjnych Typowe krzywe rozciągania dla kilku typowych materiałów przedstawiono na rysunku. Należy zauważyć, że praktycznie wszystkie stale mają identyczny moduł sprężystości, niezależnie od granicy plastyczności, natomiast stopy tytanu, aluminium i magnezu mają moduły sprężystości dużo mniejsze od stali nawet przeszło czterokrotnie.

Właściwości mechaniczne materiałów konstrukcyjnych Wiele konstrukcji jest narażonych w trakcie eksploatacji na działanie wysokich temperatur. Dotyczy to w szczególności elementów silników spalinowych, turbin, urządzeń aparatury chemicznej. Działanie podwyższonej temperatury wpływa na zmianę właściwości materiałów konstrukcyjnych oraz wywołuje tzw. zjawisko pełzania. Wraz ze wzrostem temperatury właściwości mechaniczne ulegają pogorszeniu.

Właściwości mechaniczne materiałów konstrukcyjnych

Właściwości mechaniczne materiałów konstrukcyjnych Ujemne temperatury powodują natomiast wzrost wytrzymałości stali i większości materiałów konstrukcyjnych.

Właściwości mechaniczne materiałów konstrukcyjnych Odporność materiałów na długotrwałe działanie obciążeń w podwyższonych temperaturach wiąże się ze zjawiskiem pełzania. Podczas badania pełzania materiałów mierzone jest wydłużenie próbki pod wpływem stałego obciążenia w stałej temperaturze. Wyróżnia się trzy stadia pełzania: pierwsze, gdy prędkość pełzania maleje, drugie, o stałej prędkości pełzania, trzecie, gdy prędkość pełzania wzrasta. Zwykle pełzaniu towarzyszą duże odkształcenia dochodzące do kilkunastu procent, jednakże zaobserwowano też przypadki zniszczenia materiału w wyniku długotrwałego pełzania.

Właściwości mechaniczne materiałów konstrukcyjnych Analizując stopień zagrożenia elementu konstrukcyjnego pod względem pełzania, należy zwrócić uwagę na następujące czynniki: rodzaj obciążenia – obciążenie statyczne, quasi-statyczne, zmienne, warunki temperaturowe – istotne są wahania temperatury przy średniej i wysokiej temperaturze, przewidzianą trwałość konstrukcji, dopuszczalne odkształcenia, wpływ utleniania, korozji itp.

Właściwości mechaniczne materiałów konstrukcyjnych Istotnym czynnikiem charakteryzującym materiały konstrukcyjne jest udarność. Jest to odporność materiałów na pękanie wskutek gwałtownych obciążeń, które mogą być wynikiem nagłego uderzenia lub nagłej zmiany kierunku obciążenia. Udarność bada się na podstawie badań znormalizowanych próbek na młocie Charpy’ego. Zależy ona od istnienia lokalnych karbów lub niedoskonałości tworzywa tzn. wad strukturalnych, wtrąceń niemetalicznych itp. Udarność wzrasta wraz ze wzrostem temperatury odpuszczania (nagrzewanie stali zahartowanej, wygrzewanie w tej temperaturze i schłodzenie do temperatury pokojowej). Po odpuszczaniu uzyskuje się strukturę martenzytu, który zwiększa kruchość materiału. Dlatego odpuszczanie dla elementów narażony na obciążenia o charakterze udarowym powinno odbywać się w określonych temperaturach (do 200oC lub powyżej 400oC). Wraz ze wzrostem plastyczności udarność rośnie, dlatego wszystkie materiały w wyższych temperaturach wykazują większą udarność, a w niskich stają się kruche.

Właściwości mechaniczne materiałów konstrukcyjnych

Właściwości mechaniczne materiałów konstrukcyjnych Wszystkie maszyny, których elementy wykonują ruchy postępowo-zwrotne lub wirują muszą być analizowane pod względem wytrzymałości zmęczeniowej. Materiały konstrukcyjne podlegają zmęczeniu, tzn. mogą ulec uszkodzeniu pod wpływem nawet niedużych naprężeń, jeśli obciążenie jest powtarzane dostatecznie dużą liczbę razy. Badania zmęczeniowe przeprowadza się na znormalizowanych próbkach i poddaje się je obserwacjom polegającym na ustaleniu momentu pęknięcia próbki w wyniku określone liczby zmian naprężeń w ustalonym cyklu. Na podstawie tych badań otrzymuje się wykresy.

Właściwości mechaniczne materiałów konstrukcyjnych Większość materiałów wykazuje tzw. granice wytrzymałości zmęczeniowej (krzywa a na rysunku), natomiast stopy aluminium i magnezu wyraźnej granicy nie wykazują, dlatego dla tych materiałów przyjmuje się umowną granicę wytrzymałości zmęczeniowej. Na przebieg tych krzywych ma wpływ wielkość przedmiotu, gładkość powierzchni, struktura krystaliczna i stan naprężeń własnych.

Właściwości fizyczne materiałów konstrukcyjnych Do właściwości fizycznych odgrywających istotną rolę przy doborze materiałów konstrukcyjnych zaliczamy: Gęstość, Rozszerzalność cieplną, Przewodnictwo cieplne i elektryczne, Ciepło właściwe, Temperaturę topnienia.

Właściwości fizyczne materiałów konstrukcyjnych Gęstość To podstawowa cecha materiału w przypadku konstrukcji lotniczych, kosmicznych, ale także pojazdów i urządzeń dźwigowych. Materiały takie są klasyfikowane w oparciu o tzw. wytrzymałość względną czyli stosunek granicy plastyczności do gęstości. Ta wytrzymałość klasyfikuje materiały do grup lekkiej i ciężkiej.

Właściwości fizyczne materiałów konstrukcyjnych Rozszerzalność cieplna Cecha ta jest ważna przy konstrukcjach, które podlegają wahaniom temperatury oraz wykonanym z różnych materiałów. Różnice w rozszerzalności cieplnej materiałów w połączeniu z dużą ich sztywnością są przyczyną powstawania dużych naprężeń mogących doprowadzić do zniszczenia konstrukcji. Przewodnictwo cieplne i przewodnictwo elektryczne Są istotne w przypadku urządzeń energetycznych i ciepłowniczych. Temperatura topnienia Ma duże znaczenie w tych konstrukcjach, w których elementy podlegają wysokim temperaturom. Do materiałów bardzo niskotopliwych zaliczamy rtęć (-390C), sód (980C), niskotopliwych cynę (2320C), ołów (327,50C), średniotopliwych magnez (6500C), aluminium (6600C), wysokotopliwych miedź (10830C), żelazo (15390C), bardzo wysokotopliwych chrom (18320C), wolfram (34100C)

Właściwości fizyczne materiałów konstrukcyjnych Odporność na korozję i promieniowanie Ogromne straty wywołuje niszczenie metali i ich stopów w wyniku oddziaływania środowiska. Wywołuje ono chemiczne reakcje nazywane korozją. W zależności od charakteru środowiska może mieć różny przebieg. Korozja wywołana działaniem chemicznym ośrodka to korozja chemiczna, odznacza się brakiem przepływu prądu. Występuje w ciekłych nieelektrolitach, bezwodnych alkoholach, benzenie oraz w gazach. Korozja elektrochemiczna jest wynikiem zjawisk elektrochemicznych na granicy metalu z elektrolitem. Efekt korozyjny zachodzi na anodzie, katoda pozostaje bez strat. Zjawisko to wykorzystuje się do zabezpieczania przed korozją w wodzie statków i wież wiertniczych. Promieniowanie może powodować zmiany strukturalne materiałów. Przesuwanie atomów w strukturze sieci krystalicznej w wyniku promieniowania może doprowadzić do zmiany twardości materiału a w efekcie do zwiększenia jego kruchości i powstawania wewnętrznych pęknięć. W pęknięciach tych w wyniku dyfuzji zbierają się gazy, które pod wpływem temperatury i wzrostu ciśnienia rozsadzają powstałe szczeliny.

Właściwości technologiczne materiałów konstrukcyjnych Skrawalność Skrawalność określa łatwość obróbki mechanicznej za pomocą ostrego narzędzia. Skrawalność jest wielkością względną ustalaną w określonych warunkach (wybranej prędkości skrawania, prędkości posuwu, grubości wióra). Materiały o lepszej skrawalności cechują się mniejszymi stratami energii przy obróbce, większą trwałością narzędzi i lepszą gładkością uzyskiwanej powierzchni. Należy tę cechę uwzględniać zwłaszcza przy elementach o skomplikowanych kształtach. Stale o małej zawartości węgla cechuje zła skrawalność, która można poprawić na drodze nawęglania lub dodatków w postaci siarki i fosforu. Najlepiej skrawalne są stale o średniej zawartości węgla, zwłaszcza po wcześniejszej obróbce plastycznej. Stale stopowe ze względu na dużą twardość i hartowność są trudne do obróbki skrawaniem.

Właściwości technologiczne materiałów konstrukcyjnych Szczególne znaczenie ostatnio ma obróbka plastyczna. Charakteryzuje się dużą oszczędnością materiału, a ponadto obróbka plastyczna powoduje przemianę struktury gruboziarnistej w drobnoziarnistą i zorientowaną. Po takiej obróbce materiały mają zwiększoną wytrzymałość i ciągliwość. Ale z kolei istniej niebezpieczeństwo powstania właściwości anizotropowych (różne właściwości materiału w zależności od kierunku włókien). Dlatego obróbkę plastyczna należy przeprowadzać w zależności od kształu elementu i kierunku działania obciążeń.

Właściwości technologiczne materiałów konstrukcyjnych Spawalność Jest ważną cechą materiałów. Stale węglowe są na ogół trudno spawalne, a pewne stale stopowe mają nawet skłonność do hartowania się w strefie spawania, co prowadzi do wzrostu kruchości lub dużych naprężeń własnych. Spawalność określa się wskaźnikiem zależnych od składników stopowych. C - węgiel, Mn - mangan, Cr - chrom, V - wanad, Mo - molibden, Ni - nikiel, Cu - miedź, P-fosfor Jeżeli wskaźnik Ce jest mniejszy od 0,45 to oznacza, że stal jest łatwospawalna, jeśli jest w granicach 0,45<Ce<0,6 to jest spawalna warunkowo, a powyżej Ce>0,6 jest to stal trudnospawalna

Właściwości technologiczne materiałów konstrukcyjnych Lejność Cecha, która oznacza możliwość wykonywania odlewów o skomplikowanych kształtach, cienkich ściankach i dużych gabarytach. Istotny tutaj jest skurcz odlewniczy. Powoduje on zmianę wymiarów odlewu w czasie stygnięcia i powstawanie jam w miejscach, gdzie stygnięcie jest opóźnione w stosunku do pozostałej części odlewu. Im mniejszy skurcz odlewniczy tym lepiej. Najlepszymi materiałami na odlewy są żeliwa. Żeliwo szare charakteryzuje się skurczem odlewniczym wynoszącym 0,8 – 1,2 %, a żeliwo sferoidalne 1,3 – 1,8 %. Odlewy, zwłaszcza o dużych wymiarach podlegaja sezonowaniu lub starzeniu w celu pozbycia się naprężeń odlewniczych

Rodzaje obciążeń Obciążenia dzielimy na: stałe (statyczne, niezmienne, trwałe), których wartość i kierunek są niezmienne w ciągu dość długiego czasu (rys. a); zmienne o różnym charakterze zmienności w czasie pracy: tętniące odzerowo (rys. b), wahadłowe (rys. c), o charakterze nieustalonym (rys. d).

Obliczenia wytrzymałościowe przeprowadzamy w przypadku: Rodzaje obciążeń Obliczenia wytrzymałościowe przeprowadzamy w przypadku: przy projektowaniu nowych konstrukcji; podczas badań kontrolnych części pracujących lub ustalenie przyczyn zniszczenia części. Obliczenia wytrzymałościowe – wykonuje się na podstawie warunku: naprężenia rzeczywiste muszą być mniejsze (lub równe) od naprężeń dopuszczalnych.

Rodzaje obciążeń Wzory wytrzymałościowe: gdzie:  - (sigma) – naprężenia rzeczywiste normalne przy rozciąganiu, ściskaniu i zginaniu, w [Pa];  - (tau) – naprężenia rzeczywiste styczne przy ścinaniu i skręcaniu, w [Pa]; p - naciski powierzchniowe, w [Pa]; F - obciążenie rozciągające, ściskające, ścinające, nacisk w [N]; S - pole powierzchni przekroju narażonego na zniszczenie lub pole powierzchni nacisku, w [m2]; M - obciążenie momentem (przy zginaniu Mg, przy skręcaniu Ms), w [N  m]; W - wskaźnik wytrzymałości przekroju (przy zginaniu Wx, przy skręcaniu Wo ), w [m3]; k - naprężenia (lub naciski) dopuszczalne, w [Pa].

Rodzaje obciążeń Poszczególnym obciążeniom przypisujemy następujące indeksy: r – rozciąganie; c – ściskanie; t – ścinanie; g – zginanie; s – skręcanie; j – obciążenia tętniące (jednostronnie zmienna); o – obciążenia wahadłowe (obustronnie zmienne). Przy obciążeniu rozciągająco – ściskającym wskaźniki r i c łączymy (krc).

Rodzaje obciążeń Przy złożonym stanie naprężeń: Przy naprężeniach normalnych. Przy naprężeniach o różnych kierunkach. Powyższy wzór oparty na hipotezie wytrzymałościowej HUBERA wymaga określenia współczynnika  (określa on stosunek naprężeń dopuszczalnych normalnych do stycznych). Obliczenia realizujemy w jednostkach układu SI. Jednostką naprężenia jest Pascal (1Pa = 1N/mm2). Stosujemy krotności (kPa, MPa).

Naprężenia dopuszczalne Rodzaje obciążeń Naprężenia dopuszczalne Naprężenia, które mogą pozostać w materiale bez obawy naruszenia warunku wytrzymałości i warunku sztywności nazywamy naprężeniami dopuszczalnymi. Wartości naprężeń dopuszczalnych ustalone są w zależności od własności materiału i charakteru obciążeń. Podstawowe własności wytrzymałościowe: minimalna wytrzymałość na rozciąganie (tzw. wytrzymałość doraźna – Rm min (materiały kruche i plastyczne); granica plastyczności – Re min (dla materiałów plastycznych). Za podstawę do ustalania naprężeń dopuszczalnych przy obciążeniach stałych przyjmujemy: Re – dla materiału plastycznego; Rm – dla materiału kruchego.

Rodzaje obciążeń W celu uzyskania określonego stopnia pewności, że dana część nie ulegnie zniszczeniu lub odkształceniu trwałemu wprowadza się współczynniki bezpieczeństwa. Naprężenia dopuszczalne wyznaczamy z wzorów: gdzie: xe – współczynnik bezpieczeństwa dla materiałów plastycznych; xm – współczynnik bezpieczeństwa dla materiałów kruchych. Materiał xe xm Stale, staliwa, żeliwo ciągliwe 2  2,3 ----- Żeliwa szare 3,5 Stopy miedzi 3  4 Stopy aluminium 3,5  4