4 typy materiałów konstrukcyjnych

4 typy materiałów konstrukcyjnych. Różni je przede wszystkim sposób łączenia między atomami, ale
także właściwości mechaniczne i niemechaniczne.
Metale odznaczają się wysokimi wartościami modułów sprężystości. Ich właściwości mechaniczne
mogą być kształtowane (podwyższane) nie tylko przez obróbkę cieplną i mechaniczną, ale nawet już
w procesie wytapiania – przez wprowadzenie odpowiednich dodatków stopowych. Cechą
charakterystyczną metali jest ich ciągliwość, zwykle umożliwiająca ich odkształcenie, a więc
stosowanie obróbki plastycznej. Stopy, które odznaczają się wysokimi wskaźnikami
wytrzymałościowymi (np. stałe sprężynowe) cechuje mniejsza ciągliwość – mogą się odkształcać w
stopniu mniejszym niż 2%. Jednak nawet w takim przypadku metale odkształcają się plastycznie przed
pęknięciem, a ich przełom jest ciągliwy. Właśnie w ciągliwości metali w dużej mierze należy
upatrywać przyczyny ich odporności na zmęczenie. Ze wszystkich materiałów inżynierskich metale są
najmniej odporne na korozję.
Ceramika i szkło, podobnie jak metale, odznaczają się dużymi wartościami modułów sprężystości,
jednak w odróżnieniu od metali są kruche. Przejawia się to tym, że poddawanie ceramik i szkieł próbie
wydłużania prowadzi do powstania przełomu kruchego, a w przypadku ściskania – ceramiki i szkła
ulegają rozkruszaniu. Ceramiki jako materiały konstrukcyjne odznaczają się dużą sztywnością,
twardością, odpornością na ścieranie (stąd ich zastosowanie m.in. na narzędzia skrawające). Odporne
są na wysokie temperatury.
Polimery i elastomery. Moduły sprężystości polimerów mają małe wartości, w przybliżeniu
pięćdziesiąt razy mniejsze niż metali, jednakże ich wytrzymałość może być porównywalna z
metalami. W konsekwencji ugięcie sprężyste polimerów może być bardzo duże. Polimery mogą
płynąć pod wpływem stale działającego obciążenia, nawet w temperaturze pokojowej. Właściwości
polimerów zależą silnie od temperatury. Polimery nie mają użytkowej właściwości wytrzymywania w
temperaturach wyższych niż 200C. Cechują się porównywalnym z metalami stosunkiem
wytrzymałości do gęstości, są szczególnie przydatne do wykonywania wyrobów o bardzo
skomplikowanych kształtach. Można z nich wytwarzać tanie i skuteczne rozłączne połączenia
zatrzaskowe. Można je barwić. Są odporne na korozję i odznaczają się niskimi wartościami
współczynnika tarcia.
Kompozyty. Są lekkie, sztywne, ale jednocześnie wytrzymałe, mogą być też odporne na obciążenia
udarowe. Większość dostępnych obecnie w praktyce inżynierskich kompozytów jest oparta na
zastosowaniu polimerów osnowy epoksydowej lub poliestrowej, w której znajdują się wzmacniające
materiał włókno szklane, węglowe lub z Kevlaru. Ze względu na mięknięcie polimeru kompozyty z
osnową polimerową nie mogą być stosowane w temperaturach przekraczających 250C. Kompozyty
są drogie, a technologie wytwarzania kompozytów i elementów z nich wykonanych są bardzo
skomplikowane. Kompozyty nie są rozciągliwe.
Właściwości mechaniczne materiałów:
 gęstość
 współczynnik sprężystości i tłumienia
 plastyczność, wytrzymałość na rozciąganie
 twardość
 odporność na pękanie
 wytrzymałość zmęczeniowa
 odporność na pełzanie
O ile gęstość, współczynnik sprężystości, itd. Są to stałe materiałowe, to np. twardość odnosi się do
powierzchni materiału i może być porównywana w ramach jednej metody określania twardości.
Gęstość. Stosunek masy do objętości wyrażony w Mg/m³.
Sprężystość. Inaczej sztywność. Określa odporność materiału na zmianę wymiarów w obszarze
odkształceń sprężystych, tj. ustępujących po usunięciu obciążenia. Miarą sprężystości wzdłużnej jest
moduł Younga.
Granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie. Wykres krzywej rozciągania ma duże
znaczenie praktyczne do oceny właściwości mechanicznych metali i ich stopów. Metale plastyczne
mają dużą zdolność do odkształceń trwałych w jednostajnym stanie naprężenia. Tzw. Metale kruche
(niektóre stopy) niszczeją przy małych odkształceniach trwałych.
Twardość oznaczana literą H jest miarą umowną określającą odporność materiału na powstawanie
odkształceń trwałych wskutek oddziaływania na jego powierzchnię twardszego przedmiotu. Ponieważ
twardość nie jest stałą materiałową porównywanie twardości jest możliwe zasadniczo w zakresie
jednej metody. Zastrzeżenie: geometrycznie podobne odciski.
Metody wyznaczania twardości:
 metoda Brinella
 metoda Rockwella
 metoda Vicersa
Twardość jest związana z plastycznością materiału (wykorzystuje się ślad odcisku, będący skutkiem
odkształcenia plastycznego). Twardość może ulec zmianie – dotyczy to szczególnie wyrobów
gumowych. Jest to tzw. Starzenie.
Odporność na pękanie. Gdy przekroczone zostaje krytyczne naprężenie, przy którym jest
wystarczająco dużo energii na to, by wykonać pracę rozrywania materiału. Odporność na
katastroficzne zniszczenie wskutek szybko propagującego pęknięcia związana jest z tzw. Wiązkością
materiału [toughness] GC definiowaną jako energia potrzebna do utworzenia jednostki powierzchni
pęknięcia, zwanej też krytyczną szybkością uwalniania energii odkształcenia sprężystego [kJ/m²].
Wytrzymałość zmęczeniowa
ZNISZCZENIE ZMĘCZENIOWE
Elementów pozbawionych pęknięć. Brak pęknięć w stanie Elementów pękniętych. Występują
wyjściowym; pękanie kontrolowane procesem inicjacji pęknięcia w stanie wyjściowym;
pęknięcia. Przykłady: praktycznie wszystkie części maszyn o pękanie kontrolowane procesem
małych wymiarach, takie jak sworznie tłokowe, bieżnie łożysk rozwoju pęknięć. Przykłady: prawie
kulkowych, półosie, zęby przekładni, wały korbowe, wały każda
duża
konstrukcja,
w
napędowe.
szczególności konstrukcje spawane:
statki,
zbiorniki
Wysokocyklowe
zniszczenie Niskocyklowe
zniszczenie mosty,
zmęczeniowe, czyli zniszczenie zmęczeniowe, czyli zniszcz. ciśnieniowe.
zmęczeniowe poniżej granicy zmęczeniowe
powyżej
plastyczności, ponad 104 cykli granicy plastyczności; poniżej
do
zniszczenia.
Przykłady: 104 cykli do zniszczenia.
wszystkie układy obracające się Przykłady: elementy rdzeni
lub drgające, takie jak koła, atomowych,
kadłuby
półosie, elementy silników.
samolotów i rakiet, części
turbin, każda część narażona
na sporadyczne przeciążenie.
Pełzanie to proces powolnego przyrostu odkształceń trwałych pod wpływem obciążenia. Proces ten
jest zwykle silnie intensyfikowany w wysokiej temperaturze lub w materiałach o niestabilnej
strukturze chemicznej. Przyrost odkształceń w konstrukcji powoduje zmianę sił wewnętrznych w
konstrukcjach statycznie niewyznaczalnych. Zwykle dochodzi do spadku naprężeń w miejscach
poddanych najsilniejszemu pełzaniu wtedy zjawisko to jest nazywane relaksacją.
T > 0,3 – 0,4 Tm (dla metali)
T > 0,4 – 0,5 Tm (dla ceramiki)
Tm – temperatura topnienia