MATERJALI VALIK JA KONSTRUEERIMINE 1
Tabel: MATERJALIDE OMADUSED üüsikalised Mehaanilised Tehnoloogilised Keemilised Muud mittemeh. om.-d Majanduslikud Esteetilised Tihedus, sulamistemperatuur, kõvadus, elastsus Tugevus: voolavus- ja tugevuspiir, väsimus- ja roometugevus; plastsus, sitkus; kulumiskindlus Vormitavus: valamine, plastne vormimine, lõiketöötlemine; liitevõime: keevitatavus, liimitavus jt. Vastupanu oksüdatsioonile, korrosioonile, keskkonnamõjudele Elektrilised, magnetilised, optilised, soojuslikud Toorme ja töötlemise hind, kättesaadavus Väljanägemine, tekstuur, eriviimistlusvõimalused KONSTRUKTSIOONITUGEVUS Konstruktsioonitugevus tugevusomaduste kompleks, mis vastab enim detaili talitlusomadustele. TUGEVUS JÄIKUS TÖÖKINDLUS TÖÖIGA 2
MATERJALIDE TUGEVUSOMADUSED Tõmme-surve σ, N mm 2 max R m eh el R p0,2 Jäävpikenemine Kogupikenemine L, mm 0 ε 0,2 A A t ε, % Tugevusgrupid Staatilise tugevuse järgi (tugevusnäitajad R m, R eh, R el, R p0.2, R m /ρ) OHTLIKEKS PINGETEKS STAATILISTEL KOORMUSTEL ON: Plastsetele materjalidele voolavuspiir R p, R e (σ T ) Habrastele materjalidele tugevuspiir R m (σ B ) Lähtudes voolavuspiirist - madaltugevad (R p0.2 < 250 N/mm 2 ) - kesktugevad (250 750) - kõrgtugevad (750 1500) - ülitugevad (>1500) 3
Tabel: MATERJALIDE ERITUGEVUS R m /ρ (R e /ρ) Materjaligrupp ρ kg/m 3 R m N/mm 2 R m /ρ kuni Metallid & sulamid Malmid C-terased Legeerterased Al-sulamid Cu-sulamid Ti-sulamid Mg-sulamid 7800 7800 7800 2700 8900 4500 1750 150 800 320 1000 460 1650 150 500 230 700 300 1450 150 335 10 13 21 18 8 32 20 Plastikud PVC PE PC Klaasplast EP PC 1350 950 1050 1250 1250 10 25 20 40 35 80 30 90 80 170 8 14 Keraamika Al 2 O 3 TiO 2 3Al 2 O 3 2SiO 2 SiC (α-modif.) Si 3 N 4 3980 4240 3160 3220 3170 300 400 70 170 110 190 450 800 500 1000 10 4 6 25 22 Komposiidid Al-B (30%) Al-B (50%) Klaasplast EP EC SKM II 3-suunal. 2700 1250 80 110 30 90 80 170 4 14 35 (2000 C) 5 (3000 C) Puit Mänd Tamm 550 II 690 II 89 97 17 4
Pingekontsentratsioon σ m σ m σ max R t σ max = 2σ m t R Vääne L γ ϕ ρ R M M m M 0,3 ϕ pl 0,3 ϕ pl max ϕ M = 2R M 16M τ = = W 3 πd p 3 = (polaarvastupanumoment) πd W p 16 τ Väändel 0, 3 5
Väändepinged varda ristlõikes voolavus pinnakihis plastne tsoon τ ρ d τ max τ v τ v τ v elastne tsoon τ max = M I p M W p ρ τ = ( ρ = r) max 4 πd I p = (polaarinertsmoment) 32 Paine a b L M = L M σ p max = W 2 ab W = (vastupanumoment) 6 6
JÄIKUS Läbipaine 3 l δ = 3 E I I inertsmoment 3 võrdpindset ristlõiget (A = 31,4 cm 2 ) b 1 = a 1 b 2 = 3a 2 b 3 = 3a 3 I 1 = 82,16 cm 4 I 2 = 246,5 cm 4 I 3 = 4381 cm 4 7
Elastsusmoodul Jäikus D=Ex keha ristlõike geom. karakteristik Tõmme-surve ristlõige S Paine inertsmoment I Normaal- Nihke- Maht- σ τ ρ E=tgα G=tgα E=σ/ε G=τ/γ α ε α γ α K=tgα K=ρ/υ υ E G=3/8E K=E Elastsusmoodul Materjal E, N/mm 2 x 10 9 Teemant WC SiC Al2O3 TiC Mo & Mo-sulamid Co & Co-sulamid Ni & Ni-sulamid Terased Malmid Cu & Cu-sulamid Ti & Ti-sulamid Zn & Zn-sulamid Al & Al-sulamid Sn & Sn-sulamid Grafiit Pb & Pb-sulamid Plastikud Kumm PVC 1000 450-650 500 390 380 320-360 200-250 130-230 190-210 170-190 120-150 80-130 45-90 70-80 40-50 30 15 1-5 0,01-0,1 0,003-0,01 8
TÖÖKINDLUS Löögisitkus (KU, KV) KU KU 100 Kiulise pinna % 50 0 T T T T KHL T KHL T KHL T 50 a 55 10 R 0.25 10 2 45 b R 1.0 55 10 10 5 NB! KCU ja KU vahekord (A=80 m 2 ) (A=50 mm 2 ) 9
C, tavalisandite ja legeerivate elementide mõju löögisitkusele 60 40 T KHL C KU 0,01% C 0,1% C 0,2% C 0,4% C 20 0,6% C 0-20 o 0,01 0,03 0,05 %C -100 0 +100 +200 T, C KHL KU P norm 0,03% P -40 0 40 külmdef 0,03% P 0,12% P külmdef o 80 T KHL, C KU N toomas -60-40 -20 0 el teras N = 0 % teras N = 0,1 % N = 0,01 % o +20 T KHL, C 600 400 200 0-100 T KHL S 0,1% C 0,02 0,04 0,2% C 0,3% C 0,06 %S 50 V Si Külmhapruslävi T 50,C 0-50 -100 Cr -150-200 Mn Ni 0 2 4 6 8 Legeerivate elementide % 10
Purustustöö Madaltugev Kõrgtugev Teraste purustustöö sõltuvus temperatuurist Temperatuur A, J U 15,4 14,0 12,6 11,2 9,8 8,.4 Martensiidi sitkuse sõltuvus austeniiditera suurusest 7,0 5,6 4,2 2,8 2 3 4 5 6 7 8 Tera nr. a Jäme- ja peenteras T, C T, C b 1200 1200 1100 1100 A 1000 1000 A cm 900 900 A 3 A+T 800 800 A+ 700 700 +T 600 600 0 0,5 1,0 1,5 C% A 1 A C1 d A d P 1 2 d 11
Terasuuruse sõltuvus mikrolegeerelementidest µ 2 erriidi tera, m 140 120 100 80 60 40 20 0 Vanaadium Titaan Nioobium 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 Legeerivate elementide % Üleminek σ HABRAS PLASTNE 1 2 peen jäme I II R p konts. R p sile T KHL T T KHL -180-80 T, o C I - habras purunemine II - sitke purunemine teg σ t = m S min 12
Purunemissitkus (Kc) b K max = σ max πa a Seos K 1C ja voolavuspiiri vahel Tabel: Materjalide K 1C Materjal K 1C, N/mm 2 x m 1/2 WC TiC SiC Al 2 O 3 SiO 2 Terased - kesksüsinik - martensiitvan. (E) 6 (680) 4 (440) 3 (420) 3 (320) 0,7 (100) 54 110-175 13
TÖÖIGA Väsimus Praota detaili väsimus Praoga detaili väsimus Kõrgetsükliline σ σ v Madalatsükliline σ > σ v a b σ 1 Pingeepüür σ 2 σ 3 σ R N 1 N 10 7 2 N 3 N Terased N = 10 7 Mitterauasulamid N = 10 8 a b σ σ max 2 σ m σ max + σ = min 2 σ σ eff 1 σ a σ max σ = min 2 σ min t σ σ = σ σ = 2σ ) max R = min σ R, 1 σ max min ( σ ( R = 1) a 14
Terase TT (kõvaduse) mõju väsimustugevusele Terase väsimustugevuse ja voolavuspiiri vaheline seos Väsimustugevuse mõjurid: pinnaomadused (pinnasiledus) pingeolukord (survepinged) K; TKT; Pl. def-n (ε ; σ -1 ) konstruktsiooni iseärasused (pingekontsentraatorid) 15
Väsimusmurdepilt Tõmme-surve Kahepoolne paine Pöörlev paine Suured nimipinged Väiksed nimipinged Tabel: Metallisulamite väsimuspiir Materjal σ v, N/mm 2 σ -1, N/mm 2 C-teras - külmtõmmatud - lõõmutatud Legeerteras Al-sulamid - deformeeritavad - valusulamid Ti-sulamid Cu-sulamid 275 475 1700 275 110 900 450 240 340 700 100 80 500 150 16
Roomavus Madalatemperatuurne T/T S < 0,5 Kõrgetemperatuurne T/T S > 0,5 Roomekõver ε D ε = f ( σ, T, t) Deformatsioon sekundaarne roome C A B 0 primaarne roome kiire roome [] ε t Kestustugevus Roomepiir σ r ( σ Π T σ ε/t σ k ( σ Γ ) ) T σ t 750 σ 1000 750 1000 σ 1,0 / Tõmbetugevuse sõltuvus koormamiskestvusest R( σ ) m B T<T<T<T 1 2 3 4 T 1 T 2 σ 1 σ 2 σ 3 T 4 T 3 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 Aeg purunemiseni t, s 17
e tõmbetugevuse sõltuvus temperatuurist R( m σb), MPa 400 300 200 Aeglane koormamine Kiire koormamine 100 200 400 600 800 1000 T, C Kuumustugevuse mõjurid: Struktuur jäme tera peen tera (üleküll.) tardlahusstruktuur dispersne tugevnemine Legeerivad elemendid Ni, Co-sulamid W, Nb-ga legeerimine Termomehaaniline töötlus Tabel: Metallide roometemperatuur W Mo Cr Ti e Co Al Materjal T S, C T r, C 3400 2600 1875 1670 1539 1495 650 1100-1500 860-1150 645-860 585-775 460-615 530-705 100-150 Potentsiaalne töötemp. (2/3 T S ), C 2160 1650 1180 1020 930 890 350 18
Tabel: Voolavuspiir, MPa 100 C 200 C 300 C 400 C 500 C X20Cr13 205 157 136 125 119 X2CrNiM18-10 515 475 440 355 - Tabel: Kestustugevus, MPa Teras R e, MPa R 1,0/1000, MPa 20 C 600 C 800 C 1000 C T lub, C X10CrSi6 295 20 - - 800 X18CrN28 280 27,5 3,7-1000 X10NiCrAlTi32-21 170 130 30 4 1100 19
MATERJALIGRUPID 20
METALLID, POLÜMEERID, KERAAMIKA, KLAAS, KOMPOSIIDID Tabel: Konstruktsioonimaterjalide põhilised füüsikalised ja mehaanilised omadused Omadus Metallid Keraamika Polümeerid Tihedus, ρ kg/m 3 x 10-3 2-6 (kesk. 8) 2-17 (kesk. 5) 1-2 T S, C Mad. kõrg. Sn232, W3400 Kõrge 4000 Madal Kõvadus Keskm. Kõrge Madal Töödeldavus Hea Halb Hea Tõmbetugevus R m, MPa 2500 400 120 Survetugevus R m c, MPa 2500 5000 350 Normaalelastsusmoodul, E GPa 40 400 150 450 0,001 3,5 Kõrgt roomekindlus Halb Suurepär. - Soojuspaisumine Kesk. kõrge Mad. kesk. v. kõrge Soojajuhtivus Kesk. Kesk. (väheneb sageli t ) v. kõrge Elektr. omadused Juhid Isolaatorid Isolaatorid Keem. püsivus Mad. kesk. Suurepär. Põhil. hea 21