ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΥΛΙΚΟΥ

Transcript

1 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΥΛΙΚΟΥ Τελική Χρήση/ Περιβάλλον λειτουργίας* Σχεδιασµός Μηχανολογική σχεδίαση Μεµονωµένα εξαρτήµατα Συνολική κατασκευή Επιλογή υλικού Κατασκευή Μορφοποίηση µερών Μηχανουργική κατεργασία µερών Συναρµολόγηση/ συναρµογή µερών Χρήση Οδηγίες χρήσης Λίπανση Ψύξη Συντήρηση * Περιβάλλον λειτουργίας: - Μηχανική φόρτιση - Χηµικοί παράγοντες - Επιφανειακή καταπόνηση - Θερµική Φόρτιση - Ακτινοβολία Περιοριστικοί παράγοντες: ιαστασιολογικά µεγέθη κατασκευής / Γεωµετρικά χαρακτηριστικά Συνθήκες λειτουργίας κατασκευής / Λειτουργικά χαρακτηριστικά

2 Επιλογή υλικού κατά το σχεδιασµό τηςκατασκευής Σχεδιασµός/ ανάπτυξη νέων υλικών µε µοναδικό συνδυασµό ιδιοτήτων Επιλογή υλικού από υπάρχοντα µε το βέλτιστο συνδυασµό ιδιοτήτων για τη συγκεκριµένη εφαρµογή Αξιολόγηση της ευκολίας µορφοποίησης του υλικού για τη συγκεκριµένη εφαρµογή Αξιολόγηση της οικονοµικής επιβάρυνσης (κόστους) από τη συγκεκριµένη επιλογή Μεγιστοποίηση της απόδοσης του τελικού προϊόντος

3 Εξέλιξη της χρήσης κατηγοριών υλικών για κατασκευές

4 Επιλογή υλικού για ελαφρύ κυλινδρικό άξονα που θα αναλάβει στρεπτικά φορτία Κριτήρια επιλογής υλικού: (α) Αντοχή στην ανάληψη διατµητικών τάσεων (β) Χαµηλό βάρος Εφαρµογή ροπής στρέψης (Μ t ) γωνία στρέψης (φ)

5 Κριτήριο Α: Αντοχή στην ανάληψη διατµητικών τάσεων Μ t.r ιατµητική τάση για ακτίνα (r): τ = J 4 τ = Πολική ροπή αδράνειας για π. r J = στερεό κύλινδρο (J): 2 2.Μ π. r t 3 τ f ηαντοχήσεδιάτµηση του υλικού τf 2.Μ = Ν ο συντελεστής ασφάλειας 3 N π. r t Κριτήριο Β: Χαµηλό βάρος Πυκνότητα υλικού: Ακτίνα κυλίνδρου ( r ): r V = S. L π.l.ρ π. r. L ρ = = = 2

6 τf N = π. 2.Μ t π.l.ρ 3 = 2Μ t 3 3 π.l ρ 3 ρ = (2.N.M t ).( π. L).( ) 3 2 Παράγοντας (ΙΙΙ) σχετιζότ f µενος µετουλικό Παράγοντας (Ι) σχετιζόµενος µε τα λειτουργικά χαρακτηριστικά Παράγοντας (ΙΙ) σχετιζόµενος µετα γεωµετρικά χαρακτηριστικά

7 Συµπερασµατικά: Καταλληλότερα υλικά για την κατασκευή κυλινδρικού άξονα χαµηλού βάρους που θα αναλάβει στρεπτικά φορτία είναι εκείνα για τα οποία ο παράγοντας ΙΙΙ είναι κατά το δυνατόν µικρότερος. είκτηςαπόδοσηςυλικού(ρ): P = 1 ρ = τf ρ 2/3 3 2 τf

8 Χάρτες Επιλογή Υλικών Κεραµικά Μηχανική αντοχή Σύνθετα Μέταλλα Ξύλο Πολυµερή Πυκνότητα

9 P P=10 2/3 1 τf 3 3 = = log τ log P ρ ρ f = logρ τ f Γραµµές Καθοδήγησης Σχεδιασµού Οικογένεια ευθειών σταθερής κλίσης για διάφορες τιµές δείκτη απόδοσης υλικού (P) Παράδειγµα: Για Ρ=10, οµάδες υλικών που ικανοποιούν τα κριτήρια είναι: - Ορισµένα είδη ξύλου - Ορισµένα είδη πολυµερών & συνθέτων υλικών - Βιοµηχανικά κεραµικά - Βιοµηχανικά κράµατα (Αl, Mg, Fe)

10 Λοιποί περιορισµοί της συγκεκριµένης εφαρµογής Α. υσθραυστότητα: Απορρίπτονται γυαλιά και κεραµικά Β. Αντοχή του άξονα (π.χ. 300 Μpa): Απορρίπτονται ξύλο, πολυµερή, κράµατα Mg, πλειοψηφία κραµάτων Al & Fe 300 ΜΡa Υποψήφια προς επιλογή υλικά: Ορισµένοι χάλυβες Κράµατα Ti Κράµατα Al υψηλής αντοχής Σύνθετα µε ενίσχυση ινών γυαλιού ή ανθρακονηµάτων P=10

11 Τελική επιλογή για τη συγκεκριµένη εφαρµογή Τεχνικά χαρακτηριστικά Αύξηση του δείκτη απόδοσης υλικού Ενδεικτική τιµή/ Λόγος ανάλογος της απαιτούµενης µάζας µονάδα µάζας υλικού Συνολικό κόστος υλικού Οικονοµικά δεδοµένα Αύξηση του συνολικού κόστους υλικού Καταλληλότερη τεχνικοοικονοµική επιλογή: χάλυβας 4340 µετά από βαφή & επαναφορά

12 Χάρτες Υλικών: Ανάλογοι των κρίσιµων παραµέτρων της εφαρµογής Συντελεστής γραµµικής διαστολής Μέτρο ελαστικότητας, Ε Θερµική αγωγιµότητα Μηχανική αντοχή Συντελεστής δυσθραυστότητας Συντελεστής φθοράς ολίσθησης Πυκνότητα Σκληρότητα

13 Εύρεση του δείκτη απόδοσης υλικού για ελαφριά ράβδο υψηλής αντοχής σε εφελκυσµό Κριτήριο Α: Υψηλή αντοχή σε εφελκυσµό Αντοχή σε εφελκυσµό: F σ ΤS = = S F 2 π.r Κριτήριο Β: Χαµηλό βάρος Πυκνότητα υλικού: σ F σ w = = = NS Τ ρl FLρ V S. L π. r. L ρ = = = 2 είκτηςαπόδοσηςυλικού: = ( Ν.F).L.( P = σ ρ TS ρ σ TS ) Παράγοντας σχετιζό- µενος µετουλικό

14 .Α.Υ. ελαφριάς άκαµπτης δοκού τετραγωνικής διατοµής Κριτήριο Α: Ακαµψία δοκού (β) Βέλος κάµψης: δ 3 F.l = C.E.I Σταθερά εξαρτώµενη από την κατανοµή φορτίου Κριτήριο Β: Χαµηλό βάρος F F S = = = 3 δ F.l 2 A C 1.E C 1.E.A 3 12.l 2 (α) Ακαµψία δοκού: S = F δ I 4 2 (γ) Ροπή αδράνειας τετραγωνικής διατοµής: 12 b A = = 12 Πυκνότητα υλικού:.α.υ.: = P = = = V Al. 12.S 3 ρ.l. C.l Ε E ρ = b. l ρ 2 1

15 Εύρεση του δείκτη απόδοσης υλικού για ελαφριά άκαµπτη δοκό τετραγωνικής διατοµής Κριτήριο Β: Χαµηλό βάρος Πυκνότητα υλικού: σ F σ w = = = NS Τ ρl FLρ V = = S. L π. r. L ρ = ( Ν.F).L.( σ ρ = 2 είκτηςαπόδοσηςυλικού: P = σ ρ TS TS ) Παράγοντας σχετιζό- µενος µετουλικό

16 ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΧΑΡΤΗ ΓΙΑ ΘΕΡΜΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ

17 ΥΛΙΚΟ Ε ΟΜΕΝΑ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΩΝ ΒΑΣΕΩΝ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΓΡΑΜΜΙΚΗΣ ΙΑΣΤΟΛΗΣ, α (10-6 /K) ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ, λ (W/.K) NYLON 120 0,7 Al alloys Ti alloys 9 9 Al 2 O PVC 90 0,09 SiC ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΑΣ 20 0,15 Zn alloys ΕΛΑΣΤΟΜΕΡΗ 300 0,18 Mo alloys ιαµάντι 1,2 800 Si 3 N

18 ΒΑΣΕΙΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΧΑΡΤΩΝ

19 ΒΑΣΕΙΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΧΑΡΤΩΝ

20 ΒΑΣΕΙΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΧΑΡΤΩΝ

21 Το σηµερινό µάθηµα στηρίζεται, κατά κύριο λόγο, στο αντίστοιχο κεφάλαιο του βιβλίου: Callister W.D., «Επιστήµη & Τεχνολογία των Υλικών», εκδόσεις Τσιόλας, 2004.