2-Zasady Doboru Materialow Inzynierskich w Budowie Maszyn i Urzadzen

03/02/2011

Wykład: 2

Zasady doboru materiałów inżynierskich maszyn i urządzeń

1

Zasady doboru materiałów konstrukcyjnych Główne czynniki decydujące o doborze materiałów do różnych zastosowań

Mnogość dostępnych obecnie materiałów stwarza konieczność ich poprawnego doboru na elementy konstrukcyjne lub funkcjonalne, narzędzia i ewentualnie inne produkty lub ich elementy.

2

1

03/02/2011

Zasady doboru materiałów konstrukcyjnych Główne czynniki decydujące o doborze materiałów do różnych zastosowań

Doboru tego należy dokonywać na podstawie wielokryterialnej optymalizacji, w tym przede wszystkim w oparciu o właściwości tych materiałów.

3

Zasady doboru materiałów konstrukcyjnych Własności materiałów jako kryteria ich doboru

Ogólne

Mechaniczne

Klasy kryteriów Zużycie

Cieplne Korozja

4

2

03/02/2011

Ogólne

Gęstość

Względny koszt

Zakres gęstości materiałów inżynierskich: - od 0,1 g/cm^3 (pianki polimerowe, korek) do 22,5 g/cm^3 (osm).

Materiały o rosnącej gęstości: 1. Polimery, drewno 2. Materiały ceramiczne 3. Metale i ich stopy.

5

Odporność na pękanie Wskaźnik zmęczeniowy

Mechaniczne

Moduł sprężystości Wytrzymałość

• Reakcja materiału na obciążanie lub odkształcanie. • Obciążenie może być stałe lub zmienne oraz działać w szerokim przedziale czasu. • Różne warunki pracy elementów konstrukcyjnych wymagają różnych badań własności mechanicznych. • • • •

Przykładowe badania: rozciąganie, skręcanie, zginanie, ścinanie. Badania statyczne – przy wolno wzrastającym obciążeniu. Badania dynamiczne – przy obciążeniu działającym gwałtownie. Badania zmęczeniowe – przy obciążeniach cyklicznych, lub - przy obciążeniu stałym i długotrwałym. 6

3

03/02/2011

Wytrzymałość Zakres wytrzymałości materiałów inżynierskich: Materiały o rosnącej wytrzymałości: 1. Polimery, drewno 2. Metale i ich stopy 3. Materiały ceramiczne.

Odporność na pękanie Odporność na kruche pękanie – miara ciągliwości. • Materiały ciągliwe: 1. Pianki polimerowe 2. Polimery 3. Drewno 4. Materiały kompozytowe 5. Stopy metali. • Materiały kruche: 1. Ceramika porowata 2. Szkło 3. Ceramika inżynierska.

7

Moduł sprężystości zależy od sztywności wiązań międzyatomowych oraz od ich gęstości na jednostkę powierzchni. • 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Moduł sprężystości Materiały o malejącym module sprężystości: Ceramika inżynierska Stopy metali Kompozyty Ceramika porowata Polimery inżynierskie Drewno Elastomery Pianki poliuretanowe Korek. 8

4

03/02/2011

Przewodność cieplna

Dyfuzyjność

Cieplne

Współczynnik rozszerzalności cieplnej

Odporność na pełzanie

Odporność na udary cieplne

Pojemność cieplna Temperatura topnienia Temperatura zeszklenia

9

Zużycie • Stabilność chemiczna, mechaniczna lub cieplna w warunkach eksploatacji. • Naprężenia kontaktowe poniżej granicy sprężystości materiału. • Przy ścieraniu twardość materiału winna być wyższa niż czynnika ścierającego. • Warunki użytkowania dostosowane do możliwości zastosowanego materiału. • • •

Zależy od warunków prowadzonego procesu. Twardość nie jest wskaźnikiem odporności na zużycie Różne rodzaje materiałów są preferowane do zastosowania w różnych sytuacjach. 10

5

03/02/2011

Wytrzymałość materiałów w różnych temperaturach

• Zakres temperatur wykorzystania materiałów inżynierskich: od –200C do 16000C. • W wysokich temperaturach – ceramika inżynierska, stopy metali. • Do około 3000C – polimery i kompozyty inżynierskie. • Do 1000C – drewno. 11

Korozja

Aktywne ośrodki chemiczne: 1. Woda napowietrzona 2. Solanka 3. Silne kwasy i zasady 4. Kwasy organiczne 5. Promieniowanie nadfioletowe.

• • • •

Materiały ceramiczne i szkła – odporność na większość ośrodków aktywnych. Istnieją odpowiednie stopy metali o bardzo dobrej odporności korozyjnej. Stale węglowe i niskostopowe – brak odporności korozyjnej. Materiały polimerowe i kompozyty wykazują zróżnicowaną odporność. 12

6

03/02/2011

Porównanie wytrzymałości i gęstości różnych materiałów Stopy metali - duża gęstość, zbudowane z ciężkich atomów o gęstym upakowaniu.

Polimery - mała gęstość, zbudowane z węgla i azotu

Materiały ceramiczne - gęstość mniejsza od metali, ponieważ zawierają lekkie atomy C, N i O. Ze względu na sposób obliczeń inżynierskich: Metale i polimery - granica plastyczności, Materiały ceramiczne – wytrzymałość na ściskanie, Elastomery – wytrzymałość na rozdarcie, Materiały kompozytowe – wytrzymałość na rozciąganie.

13

Odporność na pękanie i wytrzymałość różnych materiałów Materiały ciągliwe: pianki polimerowe, polimery, drewno, materiały kompozytowe i stopy metali.

Materiały kruche: ceramika porowata, szkła i ceramika inżynierska.

Najkorzystniejsze połączenie największej odporności na pękanie z bardzo dużą wytrzymałością wykazują stopy metali, którym nie ustępują kompozyty. Ceramika inżynierska ma 10–krotnie mniejszą ciągliwość niż stopy metali. 14

7

03/02/2011

Odporność na pękanie i gęstość różnych materiałów

Najwyższą odporność na pękanie wykazują metale i ich stopy. 15

Moduł sprężystości i gęstość różnych materiałów

Największym modułem sprężystości cechuje się ceramika inżynierska, stopy metali, kompozyty i ceramika porowata, zaś pośrednim – polimery inżynierskie i drewno a najmniejszym pianki polimerowe i korek.

Moduł sprężystości zależy od sztywności wiązań międzyatomowych oraz od ich gęstości na jednostkę powierzchni. 16

8

03/02/2011

Współczynnik tłumienia drgań i moduł sprężystości różnych materiałów

Największym modułem sprężystości cechuje się ceramika inżynierska, stopy metali, kompozyty i ceramika porowata.

Duży współczynnik tłumienia mają materiały cechujące się niższym modułem sprężystości. Do takich materiałów mogą być zaliczone polimery i drewno. 17

Typowe rodzaje zużycia materiałów inżynierskich

18

9

03/02/2011

Współczynnik zużycia materiałów stosowanych na łożyska w zależności od nośności łożysk

Stosowane na łożyska: polimery, kompozyty, stopy metali, ceramika inżynierska.

Dopuszczalna nośność łożyska jest największa w przypadku ceramiki inżynierskiej i kolejno niższa każdorazowo o rząd wielkości (10x) dla stopów metali, kompozytów i polimerów.19

Wytrzymałość różnych materiałów w podwyższonej lub obniżonej temperaturze

20

10

03/02/2011

Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej i przewodność cieplna różnych materiałów

21

Odporność różnych materiałów na oddziaływanie aktywnych ośrodków chemicznych oraz promieniowania nadfioletowego

22

11

03/02/2011

Dobór materiałów inżynierskich w stadium projektowania szczegółowego

Dobór właściwego materiału inżynierskiego wraz z odpowiednim procesem technologicznym ma kluczowe znaczenie zapewniając największą trwałość produktu przy najniższych kosztach.

100 000 możliwych i dostępnych na rynku materiałów inżynierskich 23

Możliwe są dwa podejścia do doboru kombinacji materiałów inżynierskich i procesu technologicznego danego elementu.

Materiał inżynierski

Proces technologiczny

(preferowany przez inżynierów)

(dobór w następnym ruchu odpowiednio procesu technologicznego lub materiału inżynierskiego)

24

12

03/02/2011

Ze względu na bardzo zróżnicowane warunki eksploatacji różnych produktów, jak również ich bardzo różnorodne cechy konstrukcyjne, do poprawnego doboru materiałów inżynierskich niezbędne jest zebranie wielu informacji szczegółowych.

25

26

13

03/02/2011

Sposób podejścia do zagadnień doboru materiałów inżynierskich

27

Stadia doboru materiałów inżynierskich Można wyróżnić cztery stadia w procesie doboru materiałów inżynierskich na wytypowane elementy: na podstawie własności kryterialnych określenie, czy element będzie wytwarzany ze stopów metali, materiałów polimerowych, ceramicznych lub kompozytowych, w przypadku stopów metali określenie, czy element będzie wytwarzany przez obróbkę plastyczną czy też odlewanie, a w przypadku materiałów polimerowych określenie, czy zostanie zastosowany polimer termoplastyczny lub termoutwardzalny, ograniczenie wyboru do ściśle określonej kategorii materiałów, np. w przypadku stopów metali określenie, że element będzie wytworzony ze stali konstrukcyjnej stopowej do ulepszania cieplnego, stali żarowytrzymałej lub stopu aluminium do obróbki plastycznej, a w przypadku materiałów polimerowych, że zostanie zastosowany jeden z termoplastów lub duroplastów, np. poliester lub poliwęglan,

dobór konkretnego materiału inżynierskiego z podaniem oznaczenia lub cechy. 28

14

03/02/2011

sporządzenie zestawu najistotniejszych kryteriów odtwarzających wymagania jakościowe dotyczące rozpatrywanych materiałów inżynierskich

wyznaczenie lub pobranie z odpowiednich dokumentów dopuszczalnych i pożądanych wartości stanów bezwzględnych własności (lub cech) rozpatrywanych materiałów

W metodzie analitycznego doboru materiałów konstrukcyjnych tok postępowania obejmuje

relatywizacja stanów bezwzględnych własności mierzalnych i niemierzalnych

obliczenie poziomów jakości: • średniej arytmetycznej wyróżników kryterialnych; • rozpiętości stanów względnych kryteriów • średniej zmodyfikowanej różnicowo, • wskaźników decyzyjnych jednostkowej jakości ekonomicznej, • wskaźników porównawczych jednostkowego kosztu materiałów,

29

Warianty doboru materiałów inżynierskich

Proces doboru materiałów inżynierskich zwykle dotyczy jednej z dwóch sytuacji:

doboru materiałów i procesów technologicznych dla nowych produktów lub projektów

oceny materiałów alternatywnych i możliwości wytwarzania dla istniejących produktów lub projektów

30

15

03/02/2011

Dobór materiałów inżynierskich dla nowych produktów Kolejności postępowania zdefiniować funkcje użytkowe, jakie musi spełniać produkt i opisać je wymaganymi własnościami, jak np. sztywnością, wytrzymałością i odpornością korozyjną oraz wskaźnikami ekonomicznymi, np. kosztem lub dostępnością, określić wymagania dotyczące wytwarzania podając liczbę koniecznych elementów, ich wielkość i złożoność, wymagane tolerancje wymiarowe, obróbkę wykończającą, ogólny poziom jakości i całkowitą technologiczność materiału, porównać wymagane własności i parametry z obszernymi bazami danych materiałowych, najkorzystniej komputerowymi, w celu wstępnego wytypowania kilku materiałów możliwych do zastosowania, zwykle na podstawie przeglądu jedynie kilku wyselekcjonowanych własności analizowanych materiałów o ekstremalnych wartościach 31

Dobór materiałów inżynierskich dla nowych produktów

zbadać bardziej szczegółowo wstępnie wytypowany materiał inżynierski, pochodzący z dostaw handlowych i zastosowany w danym produkcie, jego koszt, technologiczność i dostępność w postaci i wymiarach niezbędnych do zastosowania,

uzupełnić dane projektowe, ustalając najmniejszą liczbę własności opisujących dany materiał inżynierski, a w przypadku szczególnych zastosowań, jak np. techniki kosmicznej lub jądrowej, wykonać badania według rozbudowanego programu dla uzyskania danych projektowych o dużej statystycznej pewności. 32

16

03/02/2011

Dobór materiałów inżynierskich zamiennych dla istniejących produktów Kolejności postępowania scharakteryzować obecnie stosowany materiał inżynierski w danej postaci, wymagania procesu technologicznego i koszty,

określić, które z własności muszą być poprawione dla rozszerzenia funkcji użytkowych produktu, ze szczególnym uwzględnieniem przesłanek wynikających z analizy uszkodzeń,

poszukać alternatywnych materiałów inżynierskich technologicznych, wykorzystując metodę przeglądu zalet,

i

procesów

33

Dobór materiałów inżynierskich zamiennych dla istniejących produktów Kolejności postępowania zestawić krótki wykaz materiałów inżynierskich i odpowiadających im procesów technologicznych i porównać koszty wytwarzanych elementów, stosując inżynierską analizę wartości, której należy poddać każdy materiał inżynierski, każdy element i każdy proces technologiczny

rozwinąć wyniki osiągnięte w poprzednim kroku i wskazać materiał inżynierski zamienny, określając jego krytyczne własności, ze specyfikacją lub badaniem materiałów inżynierskich do szczególnych zastosowań, jak w przypadku materiałów inżynierskich dobieranych po raz pierwszy.

34

17

03/02/2011

35

Zasady doboru materiałów konstrukcyjnych Projekt

Projekt — wstępny dokument przedstawiający propozycje i zamiary wykonania przedsięwzięcia lub produktu.

36

18

03/02/2011

Zasady doboru materiałów konstrukcyjnych Projekt adaptacyjny

Projekt oryginalny

Rodzaje projektów

Projekt alternatywny 37

Projekt oryginalny

Projekt oryginalny dotyczy wyrobu, który ma funkcjonować według jakieś nowej zasady (np. długopis, płyta kompaktowa). Powstawanie nowych materiałów o unikatowych kombinacjach właściwości przyczynia się do tworzenia oryginalnych projektów. Czysty krzem  tranzystor;

Wysokiej czystości szkła  światłowody; Nowe materiały  turbiny, przemysł nuklearny itp.

38

19

03/02/2011

Projekt adaptacyjny

Projekt adaptacyjny (rozwojowy) jest projektem, w którym dąży się do istotnego poprawienia właściwości użytkowych przez stosowne przeprojektowanie działającego dotąd urządzenia. Często jest to związane z postępem w dziedzinie materiałowej. polimery zastępują metale (sprzęt AGD); kompozyty zastępują drewno (sprzęt sportowy); Ceramika konstrukcyjna zastępuje stale narzędziowe 39

Projekt alternatywny

Projekt alternatywny dotyczy zmian skali, wymiarów lub jakichś szczegółów bez zmian funkcji lub sposobu jej osiągnięcia; np. Zwiększenie pojemności kotła parowego, zbiornika ciśnieniowego lub turbiny. Niekiedy zmiana skali może wymagać zmiany materiału. Modele (balsa, polimery) zmiana skali samoloty (stopy lekkie); Duże kotły parowe (stal) zmiana skali ; Małe kotły parowe (miedź) Zabawki dziecięce (drewno, polimery) ? zmiana skali różne materiały 40

20

03/02/2011

Zasady doboru materiałów konstrukcyjnych Projektowanie

Projektowanie jest procesem iteracyjnym. Punktem wyjścia jest potrzeba rynkowa lub pomysł.

Projektowanie procesów technologicznych polega na tworzeniu kolejnych etapów przechodzenia dokumentacji konstrukcyjnej wraz przypisanym materiałem. 41

Projektowanie produktu Projektowanie konstrukcyjne

Projektowanie materiałowe

Projektowanie technologiczne

Schemat współzależności między elementami projektowania inżynierskiego produktu, tj. projektowaniem konstrukcyjnym, projektowaniem materiałowym oraz projektowaniem technologicznym 42

21

03/02/2011

Projektowanie konstrukcyjne Cel

Celem projektowania konstrukcyjnego jest opracowanie kształtu i cech geometrycznych produktu zaspokajającego ludzkie potrzeby.

43

Projektowanie materiałowe Cel

Projektowanie materiałowe ma zagwarantować wymaganą trwałość produktu lub jego elementów wytwarzanych z materiałów inżynierskich o wymaganych właściwościach fizykochemicznych i technologicznych.

44

22

03/02/2011

Projektowanie technologiczne Cel

Projektowanie technologiczne ma umożliwić nadanie wymaganych cech geometrycznych i właściwości poszczególnym elementom produktu, a także zagwarantować prawidłowe współdziałanie po zamontowaniu, przy uwzględnieniu wielkości produkcji, poziomu automatyzacji i komputerowego wspomagania, przy możliwie niskich kosztach produktu.

45

Stadia projektowania inżynierskiego

Klient

Klient

Rys. 2.3. Str.20 46

23

03/02/2011

Stadia projektowania inżynierskiego 1. Stadium opracowanie koncepcji: ogólne wyspecyfikowanie dostępnych materiałów i procesów technologicznych; 2. Stadium ogólnego projektowania inżynierskiego: określenie kształtów, przybliżoną wielkość elementów, klasę stosowanych materiałów, rodzaj procesu technologicznego (obróbka plastyczna, odlewanie). Własności materiału należy określić dość precyzyjnie. 3. Stadium szczegółowego projektowania inżynierskiego: ostateczne dobranie jednego materiału oraz najwyżej kilku wariantów procesu technologicznego. Podjęcie ostatecznych decyzji dotyczących tolerancji wymiarowych. 47

Zasady doboru materiałów konstrukcyjnych wytwarzanie

Proces przetwarzania surowców materiałowych w produkty nazywamy wytwarzaniem.

Wytwarzanie polega na wykonywaniu produktów z surowców materiałowych w różnych procesach, przy użyciu różnych maszyn i w operacjach zorganizowanych zgodnie z dobrze opracowanym planem. 48

24

03/02/2011

Zasady doboru materiałów konstrukcyjnych wytwarzanie

Proces wytwarzania musi zapewnić właściwe wykorzystanie zasobów: materiałowych, energii, kapitału i ludzi.

49

Ogólny model wytwarzania

Celem wytwarzania jest każdorazowo zaspakajanie potrzeb rynkowych klientów, zgodnie z opracowaną strategią przedsiębiorstwa lub organizacji 50 zajmującej się wytwarzaniem.

25

03/02/2011

Zależności Klient Potrzeba Przedsiębiorstwo

51

Schemat współzależności czynników związanych z wprowadzeniem produktu na rynek

Pierwsza faza projektowania produktu dotyczy wzornictwa przemysłowego 52

26

03/02/2011

W procesie wprowadzania produktów na rynek można zatem wyróżnić główne sfery:

produkcji i wytwarzania

rozwoju produktu marketingu i sprzedaży

53

54

27

03/02/2011

Cykl życia systemów wytwarzania

55

Podział, oznaczenie i właściwości konstrukcyjnych tworzyw metalicznych według obowiązujących norm

56

28

03/02/2011

normalizacja

Normalizacja, standaryzacja to działalność polegająca na analizowaniu wyrobów, usług i procesów w celu zapewnienia:

funkcjonalności i użyteczności

bezpieczeństwa użytkowania, oraz ograniczenia (zbędnej) różnorodności

zgodności (kompatybilności) i zamienności 57

Cel normalizacji  zaspokojenie potrzeb klienta, środowiska,  unikanie niepożądanych skutków ubocznych,  bezpieczeństwo użytkowania,  niezawodność.  jest zastosowanie w produkcji przemysłowej jednolitych wzorców, np. znormalizowanie niektórych wyrobów pod względem wymiarów i wykorzystywanych materiałów,  wpływają na obniżenie kosztów, umożliwiają masową produkcję, współpracę urządzeń różnych producentów i wymianę zużytych części  ułatwiają nie dokonywanie zamówień handlowych.

Wstąpienie Polski do UE wymusiło dostosowanie norm PN do norm UE, czyli PN - EN 58

29

03/02/2011

norma

NORMA to dokument powstały na zasadzie porozumienia grona ekspertów w danej dziedzinie techniki. Zawartość norm to :zasady, przepisy, wzory, ustalenia jakościowe i ilościowe.

59

Normy - rodzaje

Organizacje normalizacyjne: PKN - Polski Komitet Normalizacji, PN-logo Polskich Norm, DIN - symbol norm przemysłowych wydawanych przez Niemiecki instytut standaryzacji, CT - GOST- symbol Federacji Rosyjskiej, ISO - organizacja międzynarodowa zajmująca się normalizacją CEN - Europejski Komitet Normalizacji CENELEC - Europejski Komitet Normalizacyjny Elektrotechniki ETSI - Europejski Instytut Norm Telekomunikacyjnych.

60

30

03/02/2011

Korzyści ze stosowania norm

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

ułatwienie w komunikowaniu się i likwidowaniu barier w handlu, zwiększają bezpieczeństwo pracy i użytkowania, gwarantują odpowiednią jakość, przyczyniają się obniżenia kosztów ochrony zdrowia lub środowiska, ułatwiają eksport, sprzyjają swobodnemu przepływowi towarów i wpływają korzystnie na poziom ich cen, pozwalają na upowszechnianie postępu technicznego, sprzyjają utrwalaniu osiągnięć techniki, ułatwiają porozumiewanie się i dają gwarancję porównywalnego standardu wyrobów i usług,

61

Typy norm

Wyróżnia się następujące typy norm

 terminologiczna

 wyrobu

 podstawowa

 procesu

 badań

 usługi

62

31

03/02/2011

Zestawienie i porównanie podziału stopów żelaza według norm przed akcesją z UE i obowiązujących w UE Stal - stop żelaza z węglem (do 2,06% C) i innymi pierwiastkami wprowadzonymi w celu uzyskania żądanych własności, najczęściej mechanicznych, technologicznych, elektrycznych, magnetycznych, chemicznych i in., obrabialny plastycznie, otrzymywany w procesach stalowniczych (w konwertorach Bessemera lub Thomasa, w piecach martenowskich, tyglowych lub elektrycznych) w stanie ciekłym.

Staliwo - stal w postaci lanej w gotowych odlewach budowlanych, maszynowych lub innych. W zależności od składu chemicznego rozróżnia się staliwo: węglowe (zawierające do 2% węgla oraz inne pierwiastki pochodzące z przerobu hutniczego) i stopowe (zawierające, oprócz węgla i składników pochodzących z procesu metalurgicznego, składniki stopowe, np. chrom, nikiel, mangan, krzem - wprowadzone w celu uzyskania żądanych własności mechanicznych, technologicznych).

Żeliwo - odlewniczy stop żelaza z węglem (zawartość węgla - 24,5%), krzemem, manganem, fosforem, siarką i innymi składnikami, otrzymywany przez stopienie w żeliwiaku surówki wielkopiecowej z dodatkiem złomu żeliwnego i stalowego oraz żelazostopów. 63

Podział i oznaczenie stali przed akcesją z Unią Europejską Podział stopów żelaza według normy PN/H 84030 : • składu chemicznego • zastosowania • własności mechanicznych i fizycznych Klasyfikacja stali według składu chemicznego

-stale niestopowe (węglowe), zawartość pierwiastków poniżej Nazwa i symbol chemiczny pierwiastka

-stale stopowe. zawart. pierw. powyżej Zawartość graniczna (% wagowy)

Cyrkon (Zr), Tytan (Ti),

0,05

Niob (Nb)

0,06

Molibden, Mo

0,08

Aluminium, Al, Bizmut Bi, Kobalt Co, Selen Se, Tellur Te, Wanad V, Wolfram W

0,1

Chrom, Cr, Nikiel, Ni

0,3

Ołów,Pb, Miedź, Cu,

0,4

Krzem, Si

0,5

64

32

03/02/2011

Podział i oznaczenie stali przed akcesją z Unią Europejską ze względu na zastosowanie (rodzaje) Stale stopowe Stale niestopowe

o podwyższonej wytrzymałości konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego

konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia

konstrukcyjne do nawęglania

konstrukcyjne wyższej jakości

o podwyższonej wytrzymałości sprężynowe

konstrukcyjne węglowe o specjalnym przeznaczeniu

na łożyska toczne o specjalnym przeznaczeniu

narzędziowe

narzędziowe stopowe odporne na korozję, żaroodporne, żarowytrzymałej o specjalnych własnościach fizycznych

65

Stale niestopowe (węglowe) konstrukcyjne PN/H-84020

St (0,3,4,5,6 lub 7) S Cu zawartość miedzi stal konstrukcyjna zawart. węgla w setnych %

przeznaczone do spawania liczba porządkowa

66

33

03/02/2011

PN/H-84020 Stale niestopowe konstrukcyjne wyższej jakości

Znak tych stali składa się z liczb dwucyfrowych, które określają przybliżone średnie zawartości węgla w setnych częściach procentu (np. 10, 15, 20, 25, 30 itd). Oznaczenie stali mogły być uzupełnione nw. literami, oznaczającymi: G - stal o podwyższonej zawartości manganu, A - stal o podwyższonej czystości w zakresie fosforu i siarki, h - stal o wymaganej hartowności, H - stal o podwyż. dolnej granicy twardości w stosunku do wymaganego pasma hartowności, L - stal o obniżonej granicy twardości w stosunku do wymaganego pasma hartowności. 15A, 45G

uzupełnienie dodatkowymi literami

XX Z zawartość węgla w setnych %

67

PN/H-84020 Stale niestopowe (węglowe) narzędziowe

stale hartujące się płytko N8E

stale hartujące się płytko

stale hartujące się głęboko N8

zawartość węgla 0,75 ÷ 0,84

zawartość węgla 0,75 ÷ 0,84

Stale stopowe Wprowadzenie do stali dodatków stopowych może mieć na celu: • uzyskanie określonych własności wytrzymałościowych, • wywołanie pożądanych zmian strukturalnych, • uzyskanie specjalnych własności chemicznych lub fizycznych, • podwyższenie hartowności, • ułatwienie technologii wytwarzania i polepszenie efektów obróbki cieplnej.

Stale konstrukcyjne

Stale narzędziowe

Stale i stopy o szczególnych własnościach.

68

34

03/02/2011

Oznaczanie stali stopowych konstrukcyjnych

PN/H-84030/01

Stale stopowe konstrukcyjne oznaczane były za pomocą znaku składającego się z: cyfr i liter. Pierwsze dwie cyfry określały średnią zawartość węgla w setnych procenta. Litery oznaczają pierwiastki stopowe: G — mangan, S — krzem, H — chrom, N — nikiel,

stale o wyższych wymaganiach zawartość siarki i fosforu

15 G A

M — molibden, T - tytan, F - wanad (także V), J — aluminium

mangan zawartość węgla 0,15%

69

PN/H-84030/04 Stale stopowe konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego

stale manganowe (30G2, 45G2), krzemowo-manganowe (35SG) chromowe (30H, 40H, 45H, 50H) chromowo – manganowo - krzemowe (30HGS, 35HGS). Zastępują one w wielu przypadkach drogie stale zawierające Ni, Mo, W i V. chromowo – niklowo - molibdenowe, ewentualnie z dodatkiem wanadu lub wolframu, a także manganu i krzemu (40HNMA, 36HNM, 45HNMF, 30H2N2M, 30HGSNA, 25H2N4W)

30 H2N2M

zawartość węgla 0,15%

średnia ilość pierw. stopowych

70

35

03/02/2011

Stale do azotowania

PN/H-84030/03

Stale do azotowania znajdują duże zastosowanie na cylindry, wały, sworznie tłokowe i inne części silników spalinowych, na części turbin, armaturę do pary przegrzanej, wrzeciona zaworów, 38HMJ, 33H3MF, 25H3M . molibden chrom 2,6% zawartość węgla 0,38% Stale sprężynowe

PN/H-84032

Stale konstrukcyjne przeznaczone do wyrobu sprężyn i resorów charakteryzują się wysoką granicą sprężystości i plastyczności oraz dużą wytrzymałością na zmęczenie. Jednocześnie jednak stale te muszą mieć pewne minimalne własności plastyczne, aby w razie przekroczenia granicy sprężystości raczej nastąpiło odkształcenie, a nie pęknięcie 45S, 60SGH, 50HF Stal na łożyska toczne

PN/H-84041

Stal do wyrobu łożysk tocznych (pierścieni łożyskowych, kulek, wałeczków itp.) powinna się odznaczać wysoką twardością i odpornością na ścieranie, a także dużą wytrzymałość na ściskanie i zginanie. W tym celu stosuje się stale wysokowęglowe (ok. 1% C) z dodatkiem chromu (ok. 1,5% Cr) i ewentualnie manganu i krzemu, głównie w celu zwiększenia hartowności. ŁH15 , ŁH15SG manganu, krzem stal łożyskowa

71

zawartość chromu 1,50%

Stale narzędziowe stopowe Klasyfikacja stali narzędziowych stopowych opierała się głównie na ich zastosowaniu. W szczególności można wyróżnić następujące grupy objęte normami: -

stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno (PN/H-85023), litera

-

stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco (PN/H-85021), litera

-

stale szybkotnące (PN/H-85022), litera

N W

S

Następna litera lub kilka liter określała składniki stopowe lub grupę składników, przy czym symbolika jest tu nieco inna niż w przypadku stali konstrukcyjnych specjalnych, a mianowicie poszczególne litery oznaczały: M - mangan, S - krzem, C - chrom, N - nikiel, L - molibden, V - wanad,

narzędziowe do pracy na zimno

NWC, NW9, WCL, WWV, SW18, SK5. stopowe do pracy na gorąco

stale szybkotnące

W - wolfram, K - kobalt, B - bor, P - chrom + nikiel + wanad, Z - krzem + chrom + wolfram.

kobalt zawartość 5% 72

36

03/02/2011

Stale stopowe odporne na korozję, żaroodporne, żarowytrzymałe i o specjalnych własnościach fizycznych Stale odporne na korozję (nierdzewne i kwasoodporne) chromowe i chromowo-niklowe

PN/H-86020

martenzytyczne i austenityczne stale ferrytyczne

Stale chromowe odporne na korozję, zależnie od zawartości chromu i węgla, mogą być ferrytyczne lub martenzytyczne. OH13, 2H13, 4H13. Stale austenityczne odporne na korozję to w zasadzie stale chromowo-niklowe o niskiej zawartości węgla. 00H18N10 , 1H18N12T . Stale żaroodporne i żarowytrzymałe Stale wysokochromowe ferrytyczne części żaroodporne kotłów parowych, pojemniki do wyżarzania, szyny, kołpaki i rury do pieców przemysłowych H6S2 , H18JS

PN/H-84024 Stale austenityczne chromowo-niklowe bardziej żarowytrzymałe pracujące w wysokich temperaturach H1RN9S, H23N13

Stale zaworowe H10S2M, 50H21G9N 73

Nowe oznaczenie stali według norm europejskich Zgodnie z normami europejskimi obowiązują dwa systemy oznaczania stali:

znakowy (według PN-EN 10027-1); znak stali składa się z symboli literowych i cyfr

cyfrowy (według PN-EN 10027-2); numer stali składa się tylko z cyfr. 74

37

03/02/2011

Nowe oznaczenie stali według norm europejskich Symbole w znaku stali są tak dobrane, że wskazują na jej główne cechy

skład chemiczny), co ułatwia przybliżoną identyfikację gatunku stali.

na zastosowanie

własności mechaniczne lub fizyczne Numer stali, który można podawać zamiast znaku, jest łatwiejszy do elektronicznego przetwarzania danych, gdyż składa się tylko z pięciu cyfr. 75

Składniki symbolu głównego znaku stali przyjęto na podstawie:  zastosowania  własności mechanicznych lub fizycznych

76

38

03/02/2011

77

Klasyfikacja stali według składu chemicznego

Stale zgodnie z normą PN-EN 10020 ze względu na klasy dzielone są na: stale nierdzewne, zawierające ≥ 10,5% Cr i ≤1,2% C, stale niestopowe, w których stężenie każdego z pierwiastków jest mniejsze od wartości granicznych podanych w tablicy inne stale stopowe (nieodpowiadające definicji stali nierdzewnych), w których stężenie co najmniej jednego z pierwiastków jest równe lub większe od wartości granicznej podanej w tabeli

78

39

03/02/2011

Klasyfikacja stali niestopowych

 jakościowe,

 specjalne.

konstrukcyjne, maszynowe i na urządzenia ciśnieniowe

S i Re (min) JR E i Re (min)

do ulepszania cieplnego – C 35 E na urządzenia ciśnieniowe P i Re (min) S sprężynowe C67S setnych % zawrt. węgla do nawęglania C 15 R automatowe 11SMn30 o określonym przeznaczeniu niskowęglowe do obróbki plastycznej na zimno narzędziowe C 80 U

79

Klasyfikacja stali stopowych według jakości, własności i

zastosowania

Ze względu na klasy jakości stale stopowe dzieli się na:  stale stopowe jakościowe,  stale stopowe specjalne  stale nierdzewne

Pierwiastek chemiczny Cyrkon , Tytan Niob, Molibden, Bizmut, Selen, Tellur, Wanad Aluminium, Chrom, Kobalt, Nikiel, Wolfram Miedź, Ołów, Krzem,

Stężenie graniczne masowe, % 0,05 0,06 0,08 0,1 0,3 0,4 0,6

80

40

03/02/2011

Rodzaje stali stopowych konstrukcyjne o podwyższonej granicy plastyczności przeznaczone do obróbki plastycznej na zimno H i Re(min)LA niskostopowe stale konstrukcyjne, maszynowe i na urządzenia ciśnieniowej spawalne, z mikrododatkami S Re(min)NL konstrukcyjne trudno rdzewiejące S Re(min)JOWP konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego 30MnB5 sprężynowe 54Cr6 maszynowe do nawęglania 28Cr4 do azotowania 24CrMol3-6 łożysk tocznych X47Crl4 na narzędzia HS3-3-2

81

Grupa stali na elementy łożysk tocznych Do nawęglania Nadeutektoidalne 100CrMo7 Do hartowania powierzchniowego 56Mn4 20 Cr Mo4

Żarowytrzymałe 80MoCrV42-16

Odporne na korozję, wysokochromowe X65Crl4

PN-EN ISO 683-17 zawartość chromu, molibdenu

zawartość węgla w setnych % Stale stopowe stosowane na narzędzia  szybkotnące PN-EN ISO 4957

HS 6-5-4 (rozdzielonych kreskami), podających średnie stężenie (w %) pierwiastków w kolejności: W, Mo, V, Co.

 do pracy na gorąco PN-EN ISO 4957 32 Cr MoV12-28

 do pracy na zimno PN-EN ISO 4957 X153CrMoV12

zawartość węgla w setnych %

82

41

03/02/2011

Odlewnicze stopy żelaza

Staliwa niestopowe staliwa niestopowe konstrukcyjne stali niestopowych do pracy pod ciśnieniem

Staliwa stopowe

Żeliwa niestopowe

Żeliwa stopowe żeliwa stopowe żaroodporne i żarowytrzymałe

staliwa stopowe konstrukcyjne i maszynowe

żeliwa stopowe odporne ima korozję

staliwa stopowe narzędziowe

żeliwa stopowe do pracy w niskiej temperaturze

staliwa stopowe żaroodporne i żarowytrzymałe

żeliwa stopowe o specjalnych własnościach fizycznych

staliwa stopowe odporne ma korozję

83

Staliwa niestopowe Staliwa niestopowe (węglowe) dzieli się na dwie grupy podlegające odpowiednio odbiorowi:  na podstawie własności mechanicznych,  na podstawie własności mechanicznych oraz składu chemicznego.

230-450 W

PN-ISO 3755 W – odbiór staliwa na podstawie składu chemicznego i własności mechanicznych. minimalnej wytrzymałości na rozciąganie Rm MPa

minimalnej granicy plastyczności Re MPa Staliwa stopowe Oznaczenie staliw stopowych rozpoczyna się od litery G (według PN-EN) lub L (według dotychczasowych norm PN.

L35G

(G35MN6) setnych % zawart. C

staliwa stopowe konstrukcyjne i maszynowe

W grupie staliw stopowych konstrukcyjnych i maszynowych wyróżnia się: - w staliwa ogólnego przeznaczenia - staliwa do pracy pod ciśnieniem - do pracy w pokojowej i podwyższonej temperaturze - do pracy w niskiej temperaturze - staliwa odporne na ścieranie

84

42

03/02/2011

Żeliwa niestopowe Żeliwo zawiera ok. 2-4% węgla. W zależności od postaci, w jakiej występuje węgiel, rozróżnia się żeliwa:  szare, w których węgiel występuje w postaci grafitu,  białe, w których węgiel jest związany w cementycie,  połowiczne (pstre), w których występuje zarówno cementyt, jak i grafit Oznaczanie żeliw

PN-EN 1560

Znak żeliwa zawierający symbole składa się z liter EN-GJ, litery określającej postać grafitu lub cementytu i jeśli to konieczne następnej litery identyfikującej mikro- lub makrostrukturę. Następne części znaku (oddzielane od siebie kolejnymi łącznikami) klasyfikują żeliwo według własności lub składu chemicznego i podają ewentualne wymagania dodatkowe. Niektóre szczegóły dotyczące oznaczeń podano przy opisie poszczególnych grup żeliw. Jedno znacznie określa dany gatunek żeliwa także oznaczenie zawierające numer. Oznaczenie to zaczyna się od liter EN-J, następnie jest litera określająca strukturę (zwłaszcza postać grafitu) i czterocyfrowy numer, np. EN-JS1131. 85

Klasyfikacja żeliwa szarego niestopowego Żeliwo szare niestopowe (węglowe) można podzielić na trzy grupy: żeliwo szare zwykłe, żeliwo modyfikowane, żeliwo sferoidalne żeliwo ciągliwe

EN-GJL-150

EN-GJL-HB155 minimalnej wytrzymałości na rozciąganie w MPa

literami HB i liczbą, odpowiadającą maksymalnejwartości twardości Brinella

żeliwo szare o postaci grafitu płatkowego EN-GJS-350-22

odpowiadającymi minimalnemu wydłużeniu A w %

minimalnej wytrzymałości na rozciąganie w MPa żeliwa sferoidalne o postaci grafitu kulkowego

86

43

03/02/2011

Żeliwo ciągliwe EN-GJMW-350-4

EN–GJMB–300–6

minimalnej w literą W lub B odpowiednio dla żeliwa ciągliwego białego lub czarnego wytrzymałości na rozciąganie Rm, wyrażonej w MPa

cyfry odpowiadające minimalnemu wydłużeniu A w % minimalnej wytrzymałości na rozciąganie Rm, wyrażonej w MPa

żeliwo ciągliwe o postaci grafitu żarzenia GJM

87

Żeliwa stopowe odporne ima korozję Wyróżniamy następujące grupy żeliw odpornych na korozję:

krzemowe

wysokoniklowe sferoidalne niklowo-miedziowe

wysokochromowe

wysokoniklowe szare

Oznaczenie tych żeliw składa się z ciągu liter EN-GJCA (żeliwa austenityczne z grafitem płatkowym) lub EN-GJSA (żeliwa austenityczne z grafitem sferoidalnym) uzupełnionych pokresce znakiem zbliżonym do stali wysokostopowych (literą X, symbolami głównych dodatków stopowych oraz liczbami oznaczającymi średnie stężenie tych pierwiastków)

88

44

03/02/2011

Zestawienie oznaczeń wybranych przykładów materiałów

Oznaczenie nowe (najbardziej zbliżone) PN-EN

Oznaczenie stare PN Stal konstrukcyjna niestopowa St0S

PN/H-84020

S185

PN-EN 10025

St3SX

PN/H-84020

S235JRG1

PN-EN 10025

St3SY

PN/H-84020

S235JRG2

PN-EN 10025

St3SW

PN/H-84020

S235J0

PN-EN 10025

St4VY

PN/H-84020

S275JR

PN-EN 10025

Stal automatowa niestopowa A10X

PN/H-84026

11SMn30

PN-EN 10087

A35G2

PN/H-84026

36SMn14

PN-EN 10087

89

Aluminium

90

45

03/02/2011

Stopy Al – Si (siluminy)

91

Pierwiastki stopowe w stopach Al - Cu

92

46

03/02/2011

Stopy Al - Mg

93

Stopy Al -Li

94

47

03/02/2011

Systemy oznaczeń odlewniczych stopów aluminium

95

Systemy oznaczeń stopów aluminium przerobionych plastycznie

96

48

03/02/2011

Orientacyjny skład chemiczny gatunków miedzi

97

Stopy miedzi (zgodnie z ISO 1190-1:1982) są oznaczane z wykorzystaniem symboli pierwiastków chemicznych. średnie stężenie pierwiastków stopowych

CuZn20Al2As Stopy odlewnicze mają znak zakończony kreską i literą C (lub B, jeśli są dostarczone w postaci gąsek),

Znak stopu odlewniczego uzupełnia też oznaczenie rodzaju procesu odlewania:

GS – do form piaskowych, GM – kokilowego, GZ – odśrodkowego, GC – ciągłego GP – ciśnieniowego, 98

49

03/02/2011

Stopy miedzi (zgodnie z ISO 1190-1:1982) są oznaczane z wykorzystaniem symboli pierwiastków chemicznych.

99

100

50

03/02/2011

101

51