Podstawowe materiały inżynierskie cz.2

Autor mechanika-obrobka.pl


Napisane 2017-12-22 11:18:10


Podstawowe materiały inżynierskie cz.2

Powierzchnie elementów metalowych możemy uszlachetniać metodami inżynierii powierzchni, które zwiększają np. odporność na korozję lub odporność na zużycie.

Metale tak jak i stopy są wszechstronnie używane, na przykład srebro jest stosowane do wyrobów jubilerskich, do wytwarzania sztućców, czy też styków do przewodów elektrycznych. Dobrym przykładem stopów jest stal, którą używamy na przykład do tworzenia torów kolejowych, trakcji, czy też stosowania stali jako konstrukcji i szkieletów budynków.

pręty stalowe stosowane w kolei
Stalowe tory kolejowe

Polimery

rury z poliwynuly
Rury wykonane z polichlorku winylu (PVC)

Polimery nazywane także tworzywami sztucznymi, są to zbiory cząsteczek o bardzo dużym ciężarze cząsteczkowym, nazywane makrocząsteczkami. W makrocząsteczkach wyróżniamy mery czyli powtarzające się wielokrotnie grupy tych samych i tak samo powiązanych atomów. Są to materiały organiczne, złożone ze związków węgla oraz w skład polimerów wchodzą również dodatki barwników, katalizatorów, napełniaczy, zmiękczaczy, antyutleniaczy i innych.

budowa mera
Przykładowa budowa mera

Podział polimerów

Polimery ze względu na własności użytkowe dzielimy na plastomery czyli polimery, które charakteryzują się wydłużeniem gdzie rozerwanie zwykle nie przekracza 200%. Plastomery możemy podzielić na polimery termoplastyczne (termoplasty) i polimery utwardzane (duroplasty). Również dzielimy na elastomery czyli polimery, które charakteryzują się skłonnością do dużych odkształceń sprężystych. Przy dużym odkształceniu i po obciążeniu powracają do pierwotnej postaci lub bardzo do niej zbliżonej.

Cechy polimerów to:

  • mała gęstość
  • własności izolacyjne cieplne i elektryczne ( z wyjątkiem przewodzących prąd)
  • słabo odbijają światło i zwykle są przezroczyste

Procesy technologiczne wytworzenia polimerów:

  • polimeryzacja
  • kopolimeryzacja
  • polikondensacja
  • poliaddycja

Są bardzo szeroko stosowane. Wykorzystywane są na przykład w budownictwie, w medycynie, w tworzeniu części maszyn, w kosmetyce, jako materiał na opakowania i wielu innych branżach przemysłowych.

Materiały ceramiczne

To grupa nieorganicznych materiałów, wytwarzana w wysoko temperaturowych procesach. Pomiędzy atomami występują jonowe i kowalencyjne wiązania. Do tej grupy zaliczamy również szkła i ceramikę szklaną.

zastosowanie ceramiki Porcelanowa zastawa - zastosowanie ceramiki

Podział materiałów ceramicznych – ze względu na właściwości i sposób wytwarzania - dzielimy na:

  • ceramikę inżynierską – nazywana również ceramiką specjalną czy też ceramikę drobnoziarnistą. Jest wytwarzana w wyniku spiekania, w wysokiej temperaturze, bardzo czystych związków, takich jak tlenki, węgliki czy też azotki. W stanie stałym wykazuje postać krystaliczną bez udziału fazy szklistej oraz prawie teoretyczną gęstość.
  • cermetale – złożone są z drobnych cząsteczek krystalicznych, np. węglików równomiernie rozmieszczonych w osnowie metali lub ich stopów. Wytwarzane są metodami metalurgii proszków.
  • ceramikę porowatą – nazywana tak ze względu na udział porów w procesie wypalania w wysokiej temperaturze. Charakteryzuje się sporym udziałem fazy szklistej otaczającej składniki, utworzone z gliny, krzemionki lub kwarcu.
  • ceramikę szklaną – zwana też dewitryfikatami lub pyroceramiką. Powstaje w wyniku krystalizacji masy szklanej w sposób, umożliwiający utworzenie struktury bardzo drobnoziarnistej, bez porowatości, z pozostałością ok. 2% fazy szklistej.

narzędzia do obróbki skrawaniem
Narzędzia wykonane z materiałów ceramicznych, wykorzystywane w procesach obróbki ubytkowej

Właściwości materiałów ceramicznych:

  • twardością,
  • kruchością,
  • dużą odpornością cieplną,
  • ogniotrwałością,
  • wysoką temperaturą topnienia,
  • mała wytrzymałością na rozciąganie,
  • dużym oporem elektrycznym,
  • dużą odpornością mechaniczną.

Przykładowe zastosowanie:

  • budownictwo – cegły, cement beton dachówka
  • przemysł samochodowy i lotniczy – elementy turbin, uszczelnienia elementy osłony termicznej promów kosmicznych
  • produkty ścierne – tarcze ścierne, płótna i papiery ścierne, dysze do piaskowania
  • wytwarzanie – narzędzia skrawające, włókna optyczne, światłowody
  • produkty ogniotrwałe – cegła, tygle, formy

Materiały kompozytowe

Materiał kompozytowy składa się z dwóch lub większej liczby różnych materiałów celowo zmieszanych i możliwych do wyodrębnienia metodami mechanicznymi. Składniki są rozłożone w kontrolowany sposób w celu nadania optymalnych własności, posiadających właściwości wyjątkowe i lepsze niż indywidualne składniki.

drewno materiał kompozytowy
Drewno jako przykład naturalnego materiału kompozytowego

Składnik ciągły kompozytu, który często występuje w większej ilości nazywany jest osnową lub matrycą. W osnowie osadzone są włókna lub ziarna (cząstki) nazywane napełniaczem, wzmocnieniem lub zbrojeniem.

Podział materiałów kompozytowych:

  • pochodzenie – naturalne lub stworzone przez człowieka
  • przeznaczenie – konstrukcyjne, szczególne własności fizyczne lub chemiczne
  • rodzaj osnowy
  • rodzaj zbrojenia

podział kompozytów
Podział kompozytów ze względu na sposób umocnienia

Rola osnowy i wzmocnienia materiałów kompozytowych

Osnowa – materiał wypełniający przestrzeń pomiędzy elementami wzmacniającymi. Spaja włókna w elemencie konstrukcji oraz przenosi obciążenia na włókna. Pełni rolę ochrony przed zanieczyszczeniem na skutek oddziaływania czynników zewnętrznych.

Zbrojenie – materiał mający za zadanie zwiększenie sztywności i wytrzymałości kompozytu. Jego zadaniem jest uzyskanie materiału o podwyższonej granicy plastyczności i wytrzymałości. Zaoszczędza również na materiale osnowy.

Metody wytwarzania kompozytów o osnowie ceramicznej:

Do tej grupy metod zalicza się prasowanie i spiekanie kompozytów zbrojonych cząsteczkami i whiskersami, techniki wykorzystujące gęstwę, formowanie przetłoczeniowe, osadzanie próżniowe metodami chemicznymi lub fizycznymi (najczęściej stosowany proces CVD) i samo rozwijającą się syntezę wysokotemperaturową.

tarcza hamulcowa - kompozyt
Tarcza hamulcowa wykonana z kompozytu o osnowie ceramicznej

Metody wytwarzania kompozytów o osnowie metalowej:

  • bezpośrednie, czyli metoda kierunkowej krystalizacji stopów eutektycznych.
  • pośrednie polegające na przygotowaniu zbrojenia, przygotowaniu osnowy i łączenia ich  z wykorzystaniem technologii odlewniczych lub obróbki plastycznej.
  • metalurgii proszków polegająca na mieszaniu proszku osnowy ze zbrojeniem, prasowaniu na zimno, spiekaniu i doprasowaniu.

Metody wytwarzania kompozytów o osnowie polimerowej:

W zależności od osnowy, stosujemy różne metody. Kompozyty o osnowie termoplastów wytworzymy metodami wtrysku i wytłaczania. Kompozyty o osnowie tworzyw termoutwardzalnych wytworzymy dwuetapowo, w pierwszej wazie wytwarza się tłoczywa, a w drugiej metodą prasowania tłocznego, przetłoczonego lub płytowego, tłoczywa przetwarza się na gotowe wyroby. Kompozyty o osnowie żywic chemoutwardzalnych wytworzymy poprzez nałożenie na powierzchnie formy warstwy rozdzielającej, warstwy licowej, tzw. żelkotu, następnie warstwy zbrojenia i osnowy.

Zastosowanie materiałów kompozytowych – kompozyty od ponad 30 lat są używane w przestrzeni kosmicznej jako elementy kratownic, wsporników, łączników, konstrukcji płyt półskorupowych, anten, parabolicznych reflektorów, satelitarnych stabilizatorów giroskopowych, pierścieniowych zawieszeń przegubowych, obwody układów elektrycznych. Znajdują zastosowanie w technice wojskowej np. klapy paliwowe, stateczniki kierunkowe. W środkach transportu wykorzystywane są głównie na elementy mechanizmu napędowego i silnika, zawieszenia oraz układu hamulcowego.

pojemniki z kompozytu
Pojemniki LPG wykonane z materiałów kompozytowych

< Powrót do porzedniej strony artykułu