Transcript Notatki z wykładu 1

Projektowanie materiałów
inżynierskich
Dr inż. Krzysztof Widanka
Zakład Materiałoznawstwa I-19
201/B1
Program wykładów
Wstęp. Skład chemiczny i struktura a własności materiału: 2 godz.
Rola wykresów równowagi w projektowaniu materiałów: 1 godz.
Związki pomiędzy strukturą a własnościami materiału: 2 godz.
Mechanizmy umocnienia metali i stopów cz I: 2 godz.
Mechanizmy umocnienia metali i stopów cz II: 2 godz.
Efekty zastosowania mechanizmów umocnienia: 2 godz.
Kompozyty o osnowie metalicznej – podstawy projektowania: 2 godz.
Dobór materiałów – metody ilościowe: 2 godz.
Źródła literaturowe
O. H. Wyatt, D. Dew-Hughes: Wprowadzenie do Inżynierii Materiałowej, WNT,
Warszawa 1978,
M. F. Ashby, D. R. H. Jones: Materiały Inżynierskie t.1 i 2, WNT,1997 i 1998,
J. Adamczyk: Metaloznawstwo Teoretyczne cz. 2 – Odkształcenie plastyczne,
Umocnienie i Pękanie, Gliwice 2002,
M.F. Ashby: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim, WNT, 1995.
A. Boczkowska, J. Kapuściński, Z. Liderman, D. Witemberg-Perzyk, S.
Wojciechowski: Kompozyty, OWPW, Warszawa 2003
S.G. Roberts: Microplasticity 5 - Strengthening, notatki z wykładów, Oxford.
ASM Materials Information –ASM Handbooks online, baza materiałowa.
Historia i współczesność
Ewolucja materiałów inżynierskich na przestrzeni wieków. PE, polietylen; PMMA, polimetakrylan metylu;
PC, poliwęglan; PS, polistyren; PP, polipropylen; CFRP, kompozyt polimerowy zbrojony włóknem węglowym;
GFRP, kompozyt polimerowy zbrojony włóknem szklanym; PSZ, częściowo stabilizowane tlenki cyrkonu
Tetrahedron materiałowy
Materiały a nowe wyzwania
1930s samoloty szkolne
(treningowe)
Myśliwce z II wojny
światowej
Nowoczesne samoloty
wojskowe
Wahadłowce
Planowane pojazdy
kosmiczne np. X-33
0
500
1000
1500
Temperatura pracy poszycia [oC]
2000
Materiały a wymagania
Ogólnie o materiałach
Właściwość (wartości
przybliżone)
Metale i stopy
Ceramika inżynierska
Polimery
2 do 22 (średnia 8)
2 do 19 (średnia 4)
1 to 2
Niska (Ga = 29.78 °C)
wysoka (W = 3410 °C)
wysoka (do 4000 °C)
Twardość
Średnia
Wysoka
Niska
Obrabialność
Dobra
Słaba
Dobra
Wytrzymałość na
rozciąganie, MPa
Do 2500
Do 400
Do 140
Wytrzymałość na
ściskanie, MPa
Do 2500
Do 5000
Do 350
Moduł Younga, GPa
15 do 400
150 do 450
0.001 do 10
Od słabej do średniej
Bardzo dobra
...
Rozszerzalność cieplna
Średnia i wysoka
Niska i średnia
Bardzo
wysoka
Przewodność cieplna
Średnia i wysoka
Średnia, ale często obniża się z temperaturą
Bardzo
niska
Dobra
Generalnie słaba
...
Przewodniki
Izolatory
Izolatory
Niska i średnia
Wyborna
Dobra
Generalnie słaba
Tlenki wyborna; SiC and Si3N4 dobra
...
Gęstość, g/cm3
Temperatura topnienia
Wytrzymałość na
pełzanie
Odporność na szok
cieplny
Charakterystyka
elektryczna
Odporność chemiczna
Odporność na utlenianie
Niska
Mikrostruktura a wytrzymałość materiału
w niskiej temperaturze (otoczenia)
Wpływ mechanizmów umocnienia na własności aluminium i jego stopów
Materiał
Rm [MPa]
Rpl [MPa]
A5 [%]
Współczynnik
wzmocnienia:
Rplstopu/Rplmetalu
Czyste Al
45
17
60
1
90
34
45
2,0
110
41
35
2,4
165
152
15
8,8
300
152
35
8,8
572
503
11
29,2
Technicznie czyste Al
(min. 99% czystości)
Umocniony
roztworowo stop Al
Umocnione
odkształceniowo Al
Umocniony
dyspersyjnie stop Al
Umocniony
wydzieleniowo stop Al
Mikrostruktura a wytrzymałość materiału
w niskiej temperaturze (otoczenia)
Własności miedzi i jej stopów uzyskane po zastosowaniu różnych mechanizmów umocnienia
Materiał
Rm [MPa]
Rpl [MPa]
A5 [%]
Mechanizm umocnienia
Czysta Cu
209
33
60
Nie występuje
221
69
55
Umocnienie roztworowe
234
76
55
Umocnienie przez granice
ziarn
393
365
4
Umocnienie
odkształceniowe
324
103
62
Umocnienie roztworowe
445
193
68
Umocnienie roztworowe
676
434
3
Umocnienie roztworowe+
odkształceniowe
1310
1207
4
Umocnienie wydzieleniowe
758
414
5
Umocnienie przez
przemianę martenzytyczną
Technicznie czysta Cu,
wyżarzona z dużym ziarnem
Technicznie czysta Cu,
wyżarzona z małym ziarnem
Technicznie czysta Cu,
Odkształcona na zimno
(gniot 70%)
Mosiądz: Cu-35% Zn (w stanie
wyżarzonym)
Brąz: Cu-10% Sn (w stanie
wyżarzonym)
Mosiądz: Cu-35% Zn (po
walcowaniu na zimno)
Brąz berylowy: Cu-2%Be (w
stanie starzonym)
Brąz aluminiowy: Cu-Al (po
hartowaniu i odpuszczniu)
Mikrostruktura a wytrzymałość
materiału w wysokiej temperaturze
Mikrostruktura materiału a jego odporność na pełzanie
Szybkość pełzania zależy głównie od:

działających naprężeń,

współczynnika dyfuzji atomów,

wielkości ziarna (w niektórych przypadakch)
Zmniejszając szybkość dyfuzji atomów zwiększamy odporność na pełzanie materiału.
Jak to zrobić?:
 stosując materiały o wysokiej temperaturze topnienia,

dobierając metale i ich stopy krystalizujące w sieci A1,

uzyskując strukturę złożoną z drobnych cząstek fazy międzymetalicznej koherentnie
związanych z osnową przez przesycanie i starzenie stopów – superstopy

wybierając materiały ceramiczne (posiadające najmniejsze współczynniki dyfuzji)
Mikrostruktura a wytrzymałość
materiału w wysokiej temperaturze
Wpływ temperatury na własności mechaniczne nadstopów na bazie niklu, żelaza i kobaltu
Materiał
Rm [MPa] przy:
21C
Ni:
Inconel
600
Fe-Ni :
Incoloy
800
Co:
Haynes 25
(L-605)
540C 760C
Rpl [MPa] przy:
21C
540C 760C
A5 [%] przy:
21C
540C 760C
660
560
260
285
220
180
45
41
70
595
510
235
250
180
150
44
38
83
1005
800
455
460
250
260
64
59
12
Mikrostruktura a odporność na pękanie
w niskiej temperaturze
Mikrostruktura a odporność na pękanie
w niskiej temperaturze
K
  c1/ 2
Ic
F
gdzie:
KIc – krytyczny współczynnik intensywności naprężeń w płaskim stanie odkształcenia,
F – minimalne naprężenie powodujące rozwój pęknięcia,
c – wymiar szczeliny (wady),
 - współczynnik zależny od kształtu szczeliny (najczęściej równy jedności)
Mikrostruktura a odporność na pękanie
w niskiej temperaturze
Materiał
Metale i stopy metali
Tworzywa sztuczne i
kompozyty na
osnowie polimerowej
Ceramika inżynierska
i szkło
Czyste metale (Cu, Ni, Ag o sieci A1)
Stal niskowęglowa
18% Ni stal maraging
Stal stopowa nierdzewna Cr-Ni
Stopy Ti
Stale Cr-Mo do ulepszania cieplego
Stale średniowęglowe
Stopy Al
Żeliwa
Węgliki spiekane
Kompozyty wzmocnione włóknem
szklanym (żywica jako osnowa)
Kopolimer ABS
Polipropylen
Polietylen o wysokiej gęśtości
Polistyren
Poliwęglan
Al2O3
Si3N4
SiC
MgO
Szkło okienne
Krytyczny współczynnik
intensywności naprężeń KIc
[MPam]
100350
120140
75100
66143
35108
4478
4050
2250
620
1416
4260
34
3
2
2
12,6
35
45
3
3
0,70,8
Mikrostruktura a odporność na pękanie
w niskiej temperaturze
Jak poprawić ciągliwość materiału (pracującego w normalnej temperaturze):
W stopach metali:

Minimalizować ilość wtrąceń niemetalicznych (tlenków, siarczków itp.) poprzez udoskonalanie procesów
wytwórczych,

Zmniejszanie wielkości ziarna,

Dodawanie niklu jako dodatku stopowego do stali
Ogólny wniosek:
„Czystsze” materiały są mniej kruche niż „zanieczyszczone” w tych samych warunkach obciążenia!
W ceramice:
Dodawanie cząstek ZrO2 do innej ceramiki (np. Al2O3)
Mikrostruktura a odporność na pękanie
w wysokiej temperaturze
Typowy przebieg pękania pełzaniowego w stopach metali:

nukleacja i wzrost porów (szczelin) podczas ciągłego odkształcenia
w warunkach pełzania ustalonego

osiągniecie krytycznego udziału objętościowego porów w materiale

rozpoczęcie i rozwój pęknięcia
Ważna konkluzja!
Wszystkie zmiany w strukturze materiału prowadzące do zmniejszenia szybkości pełzania skutkują
wzrostem jego odporności na pękanie pełzaniowe.
Poważny problem w projektowaniu materiałów pracujących w wysokiej temperaturze!
Ekstrapolacja wyników uzyskanych w warunkach laboratoryjnych dla stosunkowo małych czasów trwania
prób pełzania do długich czasów pracy w warunkach rzeczywistych – powszechnie stosowany parametr
Larsona-Millera (LM)
Mikrostruktura a odporność na pękanie
w wysokiej temperaturze
Parametr Larsona -Millera
LM = T (log tf + C)
gdzie:
tf – czas do zniszczenia w wrunkach pełzania (w godzinach),
T- temperatura w Kelwinach
c- stała wyznaczana eksperymentalnie dla danego materiału
Diagram Larsona-Millera dla stopu żelaza
Mikrostruktura a odporność na pękanie
w wysokiej temperaturze
Zastosowanie parametru LM
Przykład:
Łopatki silnika odrzutowego wykonane ze stopu Astroloy (superstopu na bazie Ni) będą
pracować w temperaturze 871C przy naprężeniu 150 MPa.
1.Określić trwałość materiału łopatek (czas do zniszczenia), przyjmując że C=20
2. Oszacować maksymalną temperaturę pracy przy założeniu że łopatki mają pracować przez
ok. 1000 godzin.
Parametr LM odczytany z odpowiedniego diagramu dla naprężenia 150 MPa (dla stopu
Astroloy) wynosi 27600.
Mikrostruktura a odporność na pękanie
w wysokiej temperaturze
Wytrzymałości na pełzanie dla 1000 godzin nadstopów na bazie Ni, Fe-Ni oraz Co
Materiał
na bazie Ni:
Inconel 601
na bazie Fe-Ni:
Incoloy 800
na bazie Co:
Haynes 25 (L-605)
650C
Wytrzymałość na pełzanie [MPa] at:
760C
870C
980C
195
60
30
15
165
66
30
13
270
165
75
30
Mikrostruktura a pękanie zmęczeniowe
Pękanie zmęczeniowe można podzielić na trzy etapy:

etap I -zarodkowanie pęknięcia - zazwyczaj na powierzchni i różnego rodzaju defektach w
miejscach lokalnych odkształceń plastycznych – wspólne dla metali i polimerów,

etap II – rozwój pęknięcia,

etap III – ostateczne zniszczenie – szybki przebieg pękania.
Zmęczenie wysokocyklowe (małe cykliczne odkształcenie):
Zarodkowanie pęknięcia poprzedzone jest dużą liczbą cykli obciążenia i trwa dłużej niż rozwój
pęknięcia do rozmiaru krytycznego.
Dlatego:
Aby zwiększyć wytrzymałość zmęczeniową materiału należy zwiększyć jego odporność na
zarodkowanie pęknięć - (w wyrobach bez wad pochodzenia technologicznego)
Mikrostruktura a pękanie zmęczeniowe
Większość pęknięć zmęczeniowych zarodkuje na powierzchni zewnętrznej wyrobu – stąd utwardzanie
powierzchniowe jest skuteczną metodą podwyższania wytrzymałości zmęczeniowej (wygenerowanie
naprężeń ściskających w warstwie wierzchniej)
W stalach gównie przez:
stosowanie obróbek cieplno chemicznych:

nawęglanie,

azotowanie,

węgloazotowanie,

naborowanie.
W stopach metali nieżelaznych przez:
stosowanie zabiegów umocnienia odkształceniowego (przez zgniot) warstwy powierzchniowej
np. śrutowania, dogniatania.
Funkcja i zastosowanie ceramiki
Funkcja
Elektryczna
Magnetyczna
Optyczna
Motoryzacja
Mechaniczno-konstrukcyjna
Biomedyczna
Budownictwo
Chemiczna
Dom
Zastosowanie
Tlenki przewodzące prąd
Nadprzewodniki
Izolatory
Piezoelektryki
Wzbudniki, magnesy
Sprzęt nagraniowy
Cyrkulatory, odłączniki
Lasery
Oświetlenie
Sensory, ogniwa paliwowe
Katalizatory
Świece zapłonowe
Opony
szyby
Narzędzia tnące
Ścierniwa
Implanty
dentystyka
Budynki
Katalizatory
Dachówka, kafelki
sanitariaty
Garncarstwo
Przykłady ceramiki
In2O3 z SnO2 (ITO)
YBa2Cu3O7 (YBCO)
Porcelana
PZT
Ferryty manganowo-cynkowe
CrO2, -Fe2O3
Ferryty niklowo-cynkowe
Al2O3, YAG (granat itrowo-alu)
Al2O3, szkła
ZrO2
Kordieryt (minerał)
Al2O3
SiO2 w formie proszku
SiO2 szkło
WC-Co cermetale, SiAlON
SiC, BN, Al2O3
Hydroksyapatyt (minerał Ca)
Porcelana, Al2O3
cement, szkło
(Al2O3, ZrO2, TiO2)
Glina, korund, krzemionkowa
ceramika,szklista ceramika
Wytwarzanie a własności ceramiki
inżynierskiej
Właściwości Si3N4 wytwarzanej różnymi metodami
Proces
Rc [MPa]
Rg [MPa]
Odlewanie z gęstwy
138
69
W wyniku reakcji Si z N w
temp. 1450C
772
207
Prasowanie na gorąco
345
862
Mikrostruktura a własności ceramiki
Zmniejszenie kruchości
Wzrost odporności na kruche pęaknie (KIc) w wyniku dodania do ceramik cząstek tlenku cyrkonu ZrO2
S – spiekanie; HP – prasowanie na goraco
Mikrostruktura a własności ceramiki
Zmniejszenie kruchości
Przemiana alotropowa cząstek ZrO2 wywołana naprężeniami w bliskim sąsiedztwie pęknięcia, zmniejszająca
wielkość naprężeń rozciągających w okolicy pęknięcia w materiale.
Mikrostruktura a własności ceramiki
Ogólne uwagi:
Wytrzymałość i ciągliwość ceramiki można optymalizować poprzez zmianę ich mikrostruktury.
Wytrzymałość ceramiki zwiększa się wraz ze zmniejszaniem wielkości ziarna, z kolei
ciągliwość wymaga struktury z wydłużonym ziarnem które jest przez to dość duże.
Główny nacisk i wysiłek obecnych badań koncentruje się na znalezieniu optymalnej struktury z
wydłużonymi ziarnami, która zapewni najlepszą wytrzymałość przy jednocześnie stosunkowo
dobrej ciągliwości.
Podczas wytwarzania materiałów ceramicznych można dodać do mieszanki wyjściowej whiskersy jako fazę
wzmacniającą. Podczas spiekania i wypalania ziarna rosną w sposób ukierunkowany i tworzą struktury o
wydłużonym ziarnie. W zależności od metody wytwarzania ziarna te mogą być rozłożone bardziej lub mnie
anizotropowo (quasiisotropowo)
Mikrostruktura a własności ceramiki
Zmiana wytrzymałości na zginanie f w funkcji średnicy i stosunku długości do średnicy ziaren fazy 
ceramiki na bazie azaotku krzaemu Si3N4. Wartości f zmieniają się wraz ze strukturą.
Mikrostruktura a własności ceramiki
Wytrzymałość a temperatura
Wytrzymałość na zginanie dla typowej komercyjnej ceramiki z azotku krzemu (Si3N4) w funkcji temperatury.
Struktura a własności termoplastów
Wpływ grup bocznych – tworzenie monomerów asymetrycznych
H
H
H
R
H
R
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
R
Etylen (C2H4)
Polimer
Winyl (PP, PVC)
Winyliden (PMMA)
Efekty zastąpienia atomu wodoru innym atomem lub grupą atomów
TS[MPa]
Moduł Younga [MPa]
Wydłużenie [%]
PE (LD)
3,000
40,000
800
PP
6,000
220,000
700
PS
8,000
450,000
60
Struktura a własności termoplastów
Wpływ ułożenia asymetrycznych monomerów w cząsteczce polimeru
a)
b)
H
Cl
H
Cl
H
Cl
H
Cl
H
Cl
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
Cl
H
H
H
Cl
H
H
H
Cl
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
Cl
H
H
H
Cl
H
H
H
Cl
H
H
H
Cl
H
Cl
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
Cl
H
H
H
H
H
Cl
c)
Trzy możliwe sposoby ułożenia asymetrycznych monomerów w cząsteczce polimeru: a) izotaktyczny, b)
synodiaktyczny, c) ataktyczny
Ze wzrostem nieregularności rozmieszczenia grupy bocznej maleje gęstość i skłonność do krystalizacji.
Struktura a własności termoplastów
Kopolimery
Podobna idea jak w przypadku stopowania metali czy tworzenia kompozytów.
Połączenie kilku rodzajów monomerów daje możliwość uzyskania specjalnych wynikowych
własności.
Przykłady kopolimerów:
ABS – połączenie akronitrylu, butadienu i styrenu – bardzo dobra kombinacja o wysokiej
wytrzymałości, sztywności i ciągliwości.
DylarkTM – połączenie bezwodnika maleinowego ze styrenem – styren zapewnia ciągliwość a
bezwodnik odporność na działanie wysokich temperatur.
Struktura a własności termoplastów
a)
b)
c)
d)
Cztery typy kopolimerów: a) przemienny, b)statystyczny, c) blokowy, d)sczepiony
Struktura a własności termoplastów
Wpływ krystalizacji
Własności polietylenu o różnym stopniu krystalizacji
Własność
Niska gęstość
Średnia gęstość
Wysoka gęstość
Zakres gęstości, g/cm3
0.910-0.925
0.926-0.940
0.941-0.965
Stopień krystalizacji, %
42-53
54-63
64-80
Temperatura topnienia (Tm), °C
110-120
120-130
130-136
Twardość, Shore D
41-46
50-60
60-70
Wytrzymałość na rozciąganie, MPa
97-260
170-380
410-1240