Wybrane materiały

MATERIAŁY POMOCNICZE DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH
Wybrane materiały w konstrukcji środków transportu
(opracowanie: dr hab. inż. Krystyna Imielińska)
1. Materiały na konstrukcję roweru
Rowery wykonywano początkowo z twardego drewna bukowego (rys.1), które jest jednym z najlżejszych materiałów
3
konstrukcyjnych (ρ=0,75 Mg/m ) jednak nie dawało ono możliwości uzyskania najbardziej funkcjonalnego kształtu
przekroju – rurki. Nowsze rowery wykonywano już z rurek różniących się średnicą wewnętrzną 2r i grubością ścianki ze
stali, stopów aluminium, magnezu, tytanu, a najnowocześniejsze z
kompozytu o osnowie epoksydowej ze
wzmocnieniem z ciągłych włókien węglowych.
Wymagania stawiane materiałom
Najważniejszym wskaźnikiem rozpatrywanym przy projektowaniu roweru jest granica plastyczności i wytrzymałość na
zginanie (rama i widelce nie mogą się odkształcić plastycznie lub pęknąć). Oczywiście sztywność (związana z
ugięciem sprężystym) też ma znaczenie, ale drugorzędne. Jeśli ma to być rower wyścigowy to jego masa musi być
minimalna. Gwarantuje to materiał o małej gęstości i przekroju poprzecznym rurki.
Najlepszy materiał na lekką, wytrzymałą belkę o przekroju rurki, obciążoną momentem zginającym można określić
1
maksymalizując wskaźnik funkcjonalności M :
2/3
M= σf /ρ
(1)
σf
- naprężenie niszczące (failure stress) przy danym sposobie
gdzie :
obciążenia elementu konstrukcyjnego – tutaj: σf=Re -granica
plastyczności dla metali, Rm- wytrzymałość na zginanie dla kompozytów
polimerowych.
Cechą pożądaną materiałów do budowy roweru jest też dobra odporność
na korozję w środowisku wodnym.
Rys. 1 Konstrukcja drewnianego roweru
Charakterystyka materiałów
Stal wysokowytrzymała Fe-0,3C-0,9Mn-0,9Cr-0,2Mo (AISI 4130-wg. ASTM) jest to stal średniowęglowa stosowana
o
0
w stanie hartowanym (855 C) i odpuszczanym (480 C), co daje granicę plastyczności około 1100 MPa. Charakteryzuje
1/2
się też bardzo dobrą plastycznością (A=16,5%) oraz odpornością na pękanie (KIC=150MP m ). Moduł sprężystości
(Young’a), miara sztywności materiału, jest w przybliżeniu taki jak dla innych stali – 200GPa. Stal ta jest też bardzo
dobrze spawalna wszystkimi metodami. Najtańsze rurki z tej stali mogą być gięte w stanie wyżarzonym i spawane
czołowo, można też otrzymywać rurki bez szwu ciągnione na zimno, a następnie poddane ulepszaniu cieplnemu.
3
Istotną zaletą stali jest jej niska cena. Wadą- stosunkowo mała odporność na korozję i duża gęstość (ρ=7,8 Mg/m ).
Bardzo drogą, ale stosowaną na cienkie rurki stalą jest stal maraging np. gatunek 250 (Fe-18Ni-8,5Co-5Mo) o bardzo
małej zwartości węgla (< 0,03%C) hartowana i utwardzana wydzieleniowo (patrz materiały w konstrukcji samolotu).
Stop aluminium Al-5,6Zn-2,5Mg-1,6Cu (ASTM 7075) – jest najpopularniejszym stopem aluminium stosowanym w
budowie rowerów. Materiał ten jest też wykorzystywany w budowie elementów kadłubów samolotów. W porównaniu ze
3
stalą jest 3-krotnie lżejszy (ρ=2,7 Mg/m ), ale też 3-krotnie mniej sztywny (E=70GPa). Stop stosowany na ramy rowerów
zalicza się do stopów do przeróbki plastycznej. Ze względu na dobrą plastyczność (A=17% przed ostateczną obróbką
cieplną) może być obrabiany plastycznie na zimno (ciągnienie na zimno rurek). Stosunkowo wysoką wytrzymałość stopu
uzyskuje się przez obróbkę cieplną utwardzania wydzieleniowego ( przesycanie i starzenie), w wyniku której z roztworu
stałego częściowo wydzielają się drobnodyspersyjne fazy MgZn 2 utrudniające zachodzenie poślizgów (odkształcenie
plastyczne) stopu, przez co podwyższa się jego granica plastyczności Re=440MPa.
Stop tytanu Ti-6Al-4V . Stopy tytanu charakteryzują się niezwykłą kombinacją właściwości: gęstością równą 2/3
3
gęstości stali, (ρ=4,5 Mg/m ), E= 115 GPa nadzwyczaj wysoką wytrzymałością (Rm powyżej 1000 MPa) przy dość
wysokiej ciągliwości (A=14%), co sprawia iż łatwo poddają się operacjom obróbki plastycznej na zimno (ciągnienie
0
rurek), wysoką temperaturą topnienia,Tt=1668 C, (odporność cieplna). Jednak jedną z największych zalet stopów tytanu
jest ich odporność na korozję w temperaturze otoczenia w powietrzu, morzu i wielu rodzajach atmosfery przemysłowej.
Stopy te są też dobrze obrabialne przez skrawanie. Jednak w podwyższonych temperaturach łatwo wchodzą w reakcje
z innymi materiałami, stąd konieczne jest stosowanie niekonwencjonalnych metod topienia i odlewania, co znacząco
podwyższa ich koszt. Ze względu na bio-kompatybilność są stosowane jako materiały na implanty. Poza tym ze stopów
tytanu wykonuje się m.in. elementy samolotów i wyposażenia zakładów chemicznych.
Stop magnezu Mg-3Al-1Zn. Najbardziej wyróżniającą cechą stopów magnezu jest ich niewiarygodnie niska gęstość,
3
porównywalna z gęstością włókien węglowych i polimerów (ρ=1,7 Mg/m ). Magnez jest stosunkowo miękki i mało
sztywny (E= 45GPa). Ze względu na swoją budowę krystaliczną - heksagonalną magnez trudno się odkształca na
zimno, dlatego przetwórstwo stopów Mg najczęściej przeprowadza się za pomocą obróbki plastycznej na gorąco lub
odlewania. Podobnie jak w przypadku aluminium wadą stopów Mg jest niska odpornośc cieplna (temperatura topnienia
0
Tt=651 C). Stopy Mg są odporne na korozję w powietrzu ale podatne na korozję w środowisku wody morskiej. Stopy Mg
znalazły zastosowanie w elementach konstrukcji: pocisków balistycznych i elementach samolotów. Często zastępują
tworzywa sztuczne o tej samej gęstości, ale mniejszej sztywności, również ze względu na recyklingowalność (np. jako
uchwyty narzędzi ręcznych – jak nożyce do żywopłotu, w samochodach np. kierownice, ramy oparć, obudowy skrzynek
przekładniowych, obudowy laptopów, komputerów, odbiorników telewizyjnych, telefonów komórkowych.
1
Wyprowadzenie wskaźników funkcjonalności można znaleźć w : M.F. Ashby: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim.
Wskaźnik funkcjonalności jest to wskaźnik oceniający przydatność danego materiału w danej konstrukcji. Podany wzór (1) jest uproszczony, gdyż
nie bierze pod uwagę współczynnika kształtu przekroju φ, zakłada przekrój w kształcie okrągłej rurki.
Kompozyt (CFRP) o osnowie epoksydowej ze wzmocnieniem z ciągłych włókien węglowych - o ułożeniu
kolejnych warstw 0/90/ ±45 jest materiałem dość nowym, wprowadzonym do użytku w latach 70 ub. wieku. Należy do
najwytrzymalszych, a jednocześnie najlżejszych materiałów konstrukcyjnych (przy optymalnym wypełnieniu włóknami
3
węglowymi typu HM -high modulus, ok. 70%), gęstość wynosi ρ=1,7 Mg/m co daje 4-krotnie wyższą sztywność
właściwą niż stal. Wytrzymałość kompozytu węglowego jest w dużym stopniu uzależniona od metody wytwarzania i
precyzji procesu technologicznego. Przy zachowaniu optymalnych warunków (wykorzystanie jako półwyrobów
preimpregnatów, utwardzanie w autoklawie w pod próżnią i przy dodatkowym nacisku) wytrzymałość na zginanie CFRP
może wynosić 1000 MPa. Wadą tego materiału jest jego kruchość (wydłużenie do pierwszego pękania przy zginaniu
rzędu 1,5%).
Rurki z kompozytu węglowego najczęściej wykonuje się przez nawijanie na trzpieniu (który zostaje z koniec usunięty). W
innych konstrukcjach mogą być one wypełnione pianką lub aramidowym plastrem miodu, a konstrukcja ramy jest
formowana w całości. Każdy producent roweru z kompozytu węglowego stosuje swoją technologię. Oprócz wysokiej
ceny kompozytu węglowego (200-400zl/kg) o wysokiej cenie rowerów z włókna węglowego decyduje fakt
zainwestowania znacznych środków w opracowanie nowoczesnej technologii. W celu poprawy odporności na pękanie i
zwiększenia zdolności do tłumienia drgań część włókien węglowych zastępuje się włóknami aramidowymi Kevlar. W
tabeli 2 zebrano współczynniki funkcjonalności materiałów stosowanych na ramy rowerów, obliczone według zależności
(1).
Tabela 1. Współczynniki funkcjonalności i wytrzymałość materiałów stosowanych na ramy rowerów
Materiał, gęstość, ρ [Mg/m3]
σf (Re lub Rm) [MPa]
M= σf2/3/ρ
Drewno bukowe
ρ=0,75
Rm=134
45
Stal wysokowytrzymała Fe-0.35%C-1.5% Mn-0.25%Mo,
ρ=7,8
Re=1110
39
Stop aluminium (ASTM 7075 T6)Al-5,6Zn-2,5Mg-1,6Cu
ρ=2,7
Re=440
55
Stop tytanu Ti-6Al-4V
ρ=4,5
Re=900
54
Stop magnezu Mg-3Al-1Zn
ρ=1,7
Re=285
45
CFRP – kompozyt węglowy (0/90/ ±45,
ρ=1,8
Rm=550
70
2. Materiały na karoserię samochodów osobowych
Wymagania materiałowe
Wszystkie materiały stosowane na karoserie samochodów musza spełniać wymaganie odpowiedniej wytrzymałości i
sztywności, łatwości nadawania kształtu (dobrej tłoczności w przypadku materiałów metalowych i łatwości formowania w przypadku materiałów niemetalowych), ważna jest też odpowiednia odporność na uderzenia (pochłanianie energii
uderzenia przy jak najmniejszych odkształceniach lub zniszczeniach). Dopiero na dalszym miejscu umieszcza się
gęstość materiału ze względu na obniżenie zużycia paliwa. Wybór materiału na elementy karoserii samochodu
uzależniony jest też od zamożności odbiorcy i wielkości produkcji.
Charakterystyka materiałów
Stal stosuje się dziś głównie na konstrukcję nośną: (rys. 2) ze względu na dużą sztywność połączoną z plastycznością
(dobra tłoczność). W popularnych samochodach wykorzystuje się stal uspokojoną o zwartości węgla ok. 0,1% i granicy
plastyczności ok. Re =350MPa. Droższe samochody wykorzystują stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości
np. 0,15%C , 1,3% Mn, o granicy plastyczności Re = 600 MPa o wysokim stosunku Re/Rm co przy dużym wydłużeniu
rzędu A10=30% daje zwiększoną zdolność absorpcji energii uderzenia. Postęp w zakresie wykorzystania stali sprowadza
się do modyfikacji składu chemicznego stali niskostopowych co umożliwia zastosowanie mniejszych grubości blach oraz
unowocześnianiu procesu tłoczenia umożliwiającego wykonywanie całej konstrukcji nośnej w jednej operacji.
Dodatkowo stosowanie powłok antykorozyjnych (cynkowanie elektrolityczne, farby podkładowe cynkowe przed
lakierowaniem) zabezpiecza przed korozją. Zastosowanie nowocześniejszych stali umożliwia 10% oszczędności na
masie karoserii.
Rys. 2 a/ Konstrukcja ramy wykonywana ze stali, b/ elementy karoserii wykonywane z kompozytów polimerowych (SMCformowanie tłoczne m.in. na pokrywy bagażnika), RIM- wtrysk reaktywny, RRIM- wtrysk reaktywny ze wzmocnieniem
(włóknami), TPO- tworzywa termoplastyczne wzmocnione matą.
Stopy aluminium np. Al-1,1Si-0,6Mg-0,35Mn - stosowany w USA na karoserię małych samochodów sportowych.
Utwardzany wydzieleniowo daje dobrą wytrzymałość (Rm = 400 MPa) przy dobrym wydłużeniu (A=19%). Element ze
stopu Al w stanie przesyconym jest formowany, malowany, a następnie zamiast operacji starzenia następuje wypalanie
farby w temperaturze wywołującej starzenie stopu. Jest spawalny. W zastosowaniu do konstrukcji samochodu nie jest
materiałem konkurencyjnym dla stali niskowęglowej ze względu na trzykrotnie mniejszą sztywność, co powoduje że
muszą być wykorzystywane grubsze blachy, co kompensuje w większości zysk związany z małą masą. Poza tym stop
ten charakteryzuje się gorszą podatnością do tłoczenia. Zaletą stopów Al jest odporność korozyjna, dzięki czemu
elementy aluminiowe mogą być stosowane na części pracujące w trudnych warunkach środowiska, gdzie są narażone
na zdrapanie farby.
Kompozyty polimerowe o wzmocnieniu z włókien szklanych. Elementy karoserii takie jak: drzwi, dach, błotniki,
pokrywy bagażnika, zderzaki, wykonuje się dziś z lekkich, odpornych na korozję kompozytów polimerowych. Rys. 2
pokazuje, które elementy karoserii są wykonane jaką techniką. Zderzaki i błotniki z poliuretanu wzmocnionego włóknami
szklanymi metodą RRIM (formowanie wtryskowe żywicy z ciętymi włóknami szklanymi- 15%), drzwi, dach, pokrywy
bagażnika, formuje się z żywicy poliestrowej wzmocnionej matą szklaną (30%) w procesie SMC (formowanie tłoczne),
progi i nadproża szczególnie narażone na korozję formuje się z kompozytu o osnowie termoplastycznej (np. nylon) ze
specjalnych półfabrykatów, w których ciągłe włókna szklane są nasycane żywicą termoplastyczną. Dalej elementy są
poddawane prasowaniu tłocznemu TPO tak jak tłoczywa warstwowe termoutwardzalne (poliestrowe) SMC.
Elementy polimerowe są łączone z konstrukcją nośną za pomocą śrub lub klejenia.
Pomimo oczywistych zalet kompozyty polimerowe mają też wiele wad w stosunku do stali . Poza mniejszą sztywnością i
absorpcją energii uderzenia, obecnie najważniejszą ich wadą jest brak możliwości recyklingu, co powoduje, że zanim
nie zostaną opracowane tanie, recyklingowalne tworzywa stal będzie wciąż niezastąpiona.
3. Materiały na kadłub i skrzydła samolotu
Producenci samolotów dążą do zwiększenia ich ładowności i zasięgu, a to jest możliwe dzięki obniżeniu masy kadłuba i
zespołu napędowego oraz zwiększeniu wydajności silnika. Poszukuje się więc nowych materiałów o zwiększonym
stosunku wytrzymałości i sztywności do gęstości: R m/ρ, E/ρ oraz materiałów zachowujących wysokie własności
wytrzymałościowe w coraz to wyższych temperaturach. W odniesieniu do kadłuba i skrzydeł samolotu gęstość materiału
jest właściwością, która ma szczególne znaczenie. Obniżenie gęstości o 1/3 ma większy wpływ na obniżenie całości
masy samolotu niż zwiększenie wytrzymałości czy sztywności.
Wymagania materiałowe
Dźwigary skrzydeł z użebrowaniem stanowią ich konstrukcję nośną, na której są umocowane płaty poszycia za pomocą
nitów. Skrzydła pracują jak zginane belki utwierdzone, przy czym górna powierzchnia jest ściskana, a dolna rozciągana.
Dolna, rozciągana musi mieć dużą wytrzymałość na rozciąganie, odporność na pękanie i zmęczenie określone
prędkością propagacji pęknięcia oraz odpowiednią sztywność, żeby zapobiec wyboczeniu.
W zależności od rodzaju obciążenia przy doborze materiałów na elementy konstrukcji skrzydeł samolotu bierze się pod
uwagę następujące wskaźniki funkcjonalności: górna powierzchnia skrzydeł (ściskanie) – naprężenie niszczące σf
odniesione do gęstości: σf/ρ ( tutaj naprężeniem niszczącym jest granica plastyczności przy ściskaniu) i wskaźnik
1/3
modułu sprężystości: E
/ρ. Dolna powierzchnia skrzydeł (rozciąganie): naprężenie niszczące σf odniesione do
gęstości: σf/ρ(tutaj naprężeniem niszczącym jest granica plastyczności przy rozciąganiu), wskaźnik modułu sprężystości
E/ ρ oraz wskaźniki odporności na pękanie i zmęczenie.
W tabeli 4 porównano dane odnośnie wytrzymałości, gęstości, sztywności i wskaźnika funkcjonalności dla różnych
materiałów stosowanych w konstrukcji kadłuba i skrzydeł samolotu.
Charakterystyka materiałów
Sklejka z drewna świerkowego. Drewno świerkowe i brzozowe było stosowane w pierwszych konstrukcjach lotniczych
(wysoki wskaźnik funkcjonalności). Jednak ze względu na niskie własności mechaniczne i anizotropię własności oraz
małą odporność na wpływ środowiska zostało zastąpione innymi materiałami.
Sklejka jest materiałem płytowym o grubości 2-20 mm sklejanym z cienkich płyt drewna (fornirów o grubości 0,3- 3mm)
przy prostopadłym ułożeniu włókien w sąsiadujących warstwach. Sklejka stosowana w lotnictwie sklejana jest klejami
syntetycznymi odpornymi na działanie wody. Sklejka stosowna jest miedzy innymi w budowie środków transportu na
rdzenie konstrukcji przekładkowych konstrukcji samochodów dostawczych, łodzi itd.
Stopy aluminium. Tradycyjne stopy Al stosowane na poszycie samolotów (rys.1a) to stopy z miedzią – durale (tzw.
o
stopy 2xxx wg norm amerykańskich np. ASTM 2024-T3 (Al-4,4Cu-1,5Mg-0,6Mn) w stanie przesyconym ok. 500 C i
starzonym samorzutnie (T3). Najbardziej rozpowszechnione i najwytrzymalsze są stopy Al-Zn-Mg-Cu (7xxx) np. ASTM
o
7075-T6 zawierający Al-5,6Zn-2,5Mg- 1,6Cu. stosowany w stanie przesyconym (ok. 500 C) i sztucznie starzonym (120o
150 C). Walcowanie blach przeprowadza się zaraz po przesyceniu, gdy materiał jest bardzo plastyczny. Starzenie
ostatecznie umacnia element. Uzyskuje własności wytrzymałościowe porównywalne ze stalą (R0,2=470) przy dużym
wydłużeniu (A=20%). Ze względu na dość słabą odporność na korozję stopy Al z Cu i Zn muszą być platerowane
3
czystym aluminium. Trzecia grupa to stopy Al – lit (8xxx) np. Al-2,5Li-1,3Cu-0,8Mg o zmniejszonej gęstości – 2,53Mg/m .
Ze względu na 3-krotnie mniejszą sztywność niż stali często stosuje się konstrukcje przekładkowe z lekkim rdzeniem
np. aluminiowego plastra miodu o okładkach z blachy aluminiowej.
0
Wadą stopów Al jest mała odporność cieplna (temperatura topnienia czystego Al - 660 C), co ogranicza maksymalną
0
temperaturę, w której mogą być stosowane. Wszystkie stopy Al gwałtownie tracą wytrzymałość powyżej 150 C. W
przypadku samolotów latających z bardzo dużą prędkością tarcie powietrza o kadłub wywołuje wzrost temperatury
szczególnie znaczący na dziobie i krawędziach natarcia skrzydeł. W samolocie Concorde (rys. 3b) temperatura na
o
0
dziobie wynosiła 128 C, a na krawędziach natarcia 105 C. Przy wymaganych 20 -30 tys. godzin lotu jest to poważny
problem.
Stale - są stosowane głównie na elementy podwozia (odkuwki ze stali wysokiej wytrzymałości np. 0,35C-3,8Ni0
1,7Cr-0,3Mo (np. 4340 ASTM) hartowane i odpuszczane w 200 C) oraz na fragmenty konstrukcji przekładkowej w
okolicy dysz wylotowych silników (stale odporne na korozję, np. 0,07C-14Cr-6Ni-2Mo-2Cu-1Mn) ze względu na
wysokie temperatury. Wadą tych ostatnich stali jest dość mała odporność na pękanie. Wymaganie wytrzymałości rzędu
1/2
1900 MPa i KIc = 90 MPa m
mogą być spełnione jedynie przez niskowęglowe (<0,03%C) nierdzewne stale
wysokostopowe maraging, poddawane specjalnej obróbce cieplnej hartowania i starzenia, co daje strukturę miękkiego
niskowęglowego martenzytu listwowego z drobnodyspersyjnymi wydzieleniami faz np. Fe 2Ni . Przed starzeniem
struktura miękkiego martenzytu zapewnia bardzo dobrą obrabialność za pomocą obróbki plastycznej i skrawalność na
0
wymiar przed ostateczna obróbką starzenia 450-500 C. Stal maraging gatunku 175 stosowana na osie podwozia w
samolotach cywilnych charakteryzuje się granicą plastyczności R0,2= 1605-1822 MPa bliską wytrzymałości
1/2
Rm=1652-1884 MPa przy wydłużeniu 10-12 %, E= 190 GPa, KIC= 99-165 MPa m
. Jednak stale maraging są
generalnie uznawane za zbyt drogie i najczęściej jako materiał podwozia stosuje się stale o wysokiej wytrzymałości
4340 hartowane i podwójnie odpuszczane oraz dodatkowo śrutowane dla zwiększenia wytrzymałości zmęczeniowej.
W tabeli 4 porównano dane odnośnie wytrzymałości, gęstości, sztywności i wskaźnika funkcjonalności dla różnych
materiałów stosowanych w konstrukcji kadłuba i skrzydeł samolotu.
Obudowa skrzydła
Al-Zn-Mg
7075-T6
Ster wysokości (poziomy)
Ster kierunku
(pionowy) Al-Cu
(2024-T3)
Wręgi
Al Al-Zn-Mg
7075-T6
Wręgi
Krawędzie spływu
Kompozyt węglowy
Al-Zn-Mg
7075-
Powłoki kadłuba Al.-Cu
(2024-T3)
T6
Powłoki kadłuba) Al-Cu
(2024-T3)
Wspornik
gondoli silnika
Ti-6Al-4V
Al-Cu
(2024-T3
Podlużnice
Al-Zn-Mg
7075-T6
Rys.3 a/ Wykorzystanie lekkich materiałów w konstrukcji samolotu, b/ wykorzystanie kompozytów węglowych w budowie
samolotu bojowego AV-8B Advanced Harrier, c/ Rozkład temperatur w kadłubie i skrzydłach samolotu Concorde
Tabela 2. Porównanie danych odnośnie wytrzymałości, gęstości, sztywności i wskaźnika funkcjonalności
materiałów stosowanych w konstrukcji kadłuba i skrzydel samolotu
Materiał
ρ[Mg/m3]
σf (Re) [MPa],
E
σf / ρ
M=E 1/3/ρ
[GPa]
Sklejka (swierkowa)
0,42
39
9,4
93
5
Kompozyt poliestrowo szklany GFRP: 50% tkanina
jednokierunkowa 0o/45o
Kompozyt CFRP epoksydowo/ węglowy
jednokierunkowy HM 0o
Stop Al-4,4Cu-1,5Mg-0,6Mn (ASTM l2024-T3)
Stop Al-5,6Zn-2,5Mg-1,6Cu (ASTM 7075-T6)
Stop Ti Ti-6Al-4V
Ti-13V-11Cr-3Al
Stal wysokowytrzymała 0,35C-3,8Ni-1,7Cr-0,3Mo
Stal nierdzewna 0,07C-14Cr-6Ni-2Mo-2Cu-1Mn
Stal maraging 250 (Fe-18Ni-8,5Co-5Mo)
1,7
1,6
275
1280
17
192
162
800
1,5
3,6
2,77
2,8
4,43
345
470 (R0,2)
830 (R0,2)
1500 (Rm)
73
72
110
124
1,5
1,48
1,08
7,8
7,83
7,8
1670(R0,1)
1081 (R0,1)
1750 (R0,2)
200
215
190
224
0,765
0,74
różnych
Stopy tytanu
Stopy Ti w konstrukcjach kadłuba samolotu są stosowane w formie odkuwek i blach. Odkuwki stosuje się zamiast
elementów obrabianych skrawaniem ze względu na wysoka cenę materiału. Kucie zapewnia małe straty materiału.
Zaletą stopów tytanu w stosunku do stopów aluminium w zastosowaniach do konstrukcji kadłuba jest duża wartość
stosunku wytrzymałość /gęstość a drugą utrzymywanie wytrzymałości w dość wysokich temperaturach. Dlatego stopy
tytanu są przede wszystkim stosowane w budowie samolotów bojowych (udział 20% cięż. w F14). Stop
wysokowytrzymały Ti-13V-11Cr-3Al (o strukturze  metastabilnej utwardzany przesycany i starzony) jest najczęściej
stosowany. Przy wytrzymałości 1500 MPa stanowi 93% konstrukcji kadłuba samolotu bojowego YF12. Stop ogólnie
wykorzystywany w różnych zastosowaniach Ti-6Al-4V (-) jest stosowany w stanie wyżarzonym. Jego zaletą jest
możliwość spawania elektronowego (konstrukcja skrzydła z tytanu jest często spawana.
Kompozyty polimerowe o osnowie epoksydowej zbrojone włóknami węglowymi, szklanymi, aramidowymi
(Kevlarowymi), boru są w coraz większej ilości stosowane w budowie samolotów pasażerskich. Często wykorzystuje się
kilka rodzajów włókien w jednej konstrukcji (kompozyty hybrydowe) w celu zniwelowania wad jednego rodzaju zbrojenia.
Dla przykładu włókna węglowe są bardzo sztywne, ale kruche w przeciwieństwie do włókien aramidowych, które nadają
konstrukcjom z włókien węglowych dodatkowo dobra odporność na pękanie i uderzenie. W kadłubach aluminiowych z
kompozytów wykonuje się części układu sterującego: oprofilowanie i krawędzie
spływu sterów, lotki a także
oprofilowanie skrzydeł.
Konstrukcja kadłuba samolotu bojowego Harrier (Rys. 7b) jest wykonana prawie w całości z kompozytów zbrojonych
włóknami węglowymi, co dało oszczędność masy 150 kg. Najnowsza konstrukcja Boeinga Dreamliner ma kadłub w
całości wykonany z kompozytów polimerowych.
4. Materiały na kadłuby i nadbudówki statków
Kadłub statku jest otwartym zbiornikiem poddanym działaniu sił zginających go jak belkę. Jest on więc podatny na
wyboczenie pod wpływem naprężeń ściskających. Obciążenie wpływa na grubość blach, odległość wręgów i decyduje o
wymaganiach odnośnie modułu sprężystości materiałów. Im cieńsze blachy, większe odległości wręgów i mniejszy
moduł sprężystości materiałów tym mniejsze obciążenia może przenosić kadłub.
Wymagania materiałowe
Własności jakie bierze się pod uwagę przy wyborze materiału na konstrukcję nośną statku to wytrzymałość (granica
plastyczności) sztywność (moduł Younga), ugięcie (odkształcenie) gęstość, palność, odporność środowiskowa,
wytrzymałość, ugięcie sprężyste.
Na podstawie obliczeń wytrzymałościowych dla dwóch materiałów o module sprężystości E 1 i E2 ugięciach δ1 i δ2 oraz
1
E2 1
wytrzymałości σ1 i σ2 zachodzi zależność :  2  E1  2
która daje podstawę do porównania różnych materiałów pod względem ich funkcjonalności.
Przyjmując wskaźniki dla stali niskowęglowej (miękkiej) jako E 1, σ1, δ1 w tablicy przeliczono moduły, naprężenia i ugięcia
w kadłubie statku o tych samych wymiarach zrobionych z różnych materiałów: stali o podwyższonej wytrzymałości,
stopu aluminium, kompozytu poliestrowo/szklanego zbrojonego matą z włókien ciętych (30%), matą z włókna ciągłego
(50%) lub tkaniną węglową.
Tabela 3
Materiał
Stal miekka
Stal wysokowytrzymała
Stop Al
GFRP zbrojony matą z
włókien ciętych (30%),
GFRP zbrojony tkaniną z
włókien ciągłych (50%),
CFRP
Przelicznik modułu
Przelicznik ugięcia
Przelicznik gęstości
E1
E1
1/3 E1
1/20 E1
Przelicznik
wytrzymałości
σ1
1,2 σ1
0,6 σ1
0,5 σ1
δ1
1 δ1
1,8 δ1
10 δ1
ρ1
1 ρ1
0,35 ρ1
0,19 ρ1
Przelicznik
ciężaru
W1
0,8 W1
0,6W1
0,4W1
1/15 E1
1 σ1
15 δ1
0,2ρ1
0,2 W1
1/2 E1
2,7 σ1
5,4 δ1
0,2ρ1
0,07 W1
Ryzyko pożaru i odporność środowiskowa
Stale stosowane na kadłuby podlegają stałej korozji stąd musza mieć ochronne powłoki malarskie, a w przypadku ich
braku następuje stopniowe zmniejszanie grubości blachy. Pod linią wody korozja jest praktycznie wyeliminowana przez
ochronę katodową. Elementy nadbudówek najsilniej narażone na korozję wykonuje się dziś często z odpornego na
korozję aluminium (stop jednofazowy Al-4,5Mg-Mn), często w postaci konstrukcji przekładkowej (okładki z blachy
aluminiowej. Odporność na korozje nadaje warstewka pasywna Al 2O3 na powierzchni konstrukcji aluminiowej
Alternatywnie doskonałą odporność na korozję w połączeniu z małym ciężarem zapewniają też konstrukcje
przekładkowe z kompozytu polimerowego szklano/fenolowego. Osnowa fenolowa o gorszych wskaźnikach
wytrzymałościowych niż poliestrowa jest niepalna. Rdzeń to najczęściej pianka PVC.
Kompozyty te są właściwie
odporne na korozję (związaną z ubytkami na skutek tworzenia warstw tlenkowych), jednak w przypadku usunięcia
ochronnej warstwy farby (żekotu) na skutek absorpcji wody może dojść do degradacji materiału.
o
Granica plastyczności stali jest zależna od temperatury, spada o połowę w temperaturze 500 C, tak więc pożar na
pokładzie może powodować znaczące odkształcenia konstrukcji nośnej, chociaż prawdopodobnie nie zagraża
integralności statku. Aluminium jest bardziej narażone na pożar ze względu na znacznie niższą temperaturę topnienia,
dlatego najczęściej wykonuje się z niego jedynie konstrukcje nadbudówek, które nie przenoszą znaczących obciążeń i w
razie pożaru nawet stopienie nie jest katastroficzne. W przypadku kompozytów jest znaczące ryzyko pożaru, gdyż
osnowa poliestrowa jest palna. Zwiększenie udziału niepalnych włókien szklanych i włókna w postaci ciężkich tkanin
stanowią zaporę dla przedostawania się ognia z zewnętrznych warstw laminatu do środka.
Charakterystyka materiałów
Drewno było materiałem do budowy łodzi i statków od wieków, jednak w ostatnich czasach zostało prawie całkowicie
wycofane. Nie gwarantuje dużej sztywności stąd nadaje się jedynie na małe jednostki. Moduł E=11-13GPa Główną
wadą drewna, która spowodowała ich wycofanie na rzecz materiałów produkowanych przez człowieka jest bardzo duża
podatność na niszczenie środowiskowe. Przy ponad 18% wilgoci drewno może gnić atakowane przez różne
mikroorganizmy. Również wewnętrzna struktura drewna ulega degradacji na skutek obecności różnego rodzaju
szkodników. Środki impregnacyjne są kosztowne i konieczna jest częsta konserwacja.
Stal miękka i stale o podwyższonej wytrzymałości są obecnie najpopularniejszymi materiałami na konstrukcje kadłubów.
Stal kadłubowa zawiera 0,18-0,23%C i występuje w 4 kategoriach udarności A,B,C,D,E (w kolejności rosnącej
wytrzymałości).
Stale o podwyższonej wytrzymałości występuje w kategoriach AH, DH, EH. Te stale zawierają 0,18% C i zwiększona
ilość Mn 0,9-1,6. Odpowiednią udarność i wytrzymałość nadaje stali budowa drobnoziarnista otrzymywana dzięki
odpowiedniej obróbce plastycznej walcowania i mikrododatków takich jak aluminium, niob lub wanad.
Blachy są stosowane w stanie walcowanym, lub normalizowanym. Wymagana jest dobra spawalność stali okrętowych,
bez konieczności wstępnego nagrzewania, co ogranicza zawartość węgla (równoważnik węglowy równy C+Mn/6) w stali
do 0,41 (max 0,45% ).
Elementy kadłuba powiązane ze zbiornikami ciekłego gazu muszą być wykonywane ze stali austenitycznej 18/8 (18%Cr,
8%Ni).
Kompozyty -są lekkie, odporne na korozję (chociaż wymagają ochrony przed absorpcją wody) i dobrze tłumią drgania.
Wadą jest mała sztywność i duże ugięcia, jednak łatwość formowania całych kadłubów powiększa zakres zastosowań
tych materiałów, a wykorzystanie konstrukcji przekładkowych z lekkim rdzeniem z pianki PVC (znaczne zwiększenie
sztywności) wraz z doskonaleniem technik wytwarzania (formowanie próżniowe) umożliwia zwiększenie długości
produkowanych jednostek.
W zastosowaniach nie wymagających rygorystycznej kalkulacji kosztów (marynarka wojenna, sport wyczynowy) stosuje
się też alternatywnie włókna węglowe i aramidowe częściowo lub całkowicie zastępujące włókna szklane. Włókna
aramidowe (Kevlar) o dużej sztywności i dużej zdolności tłumienia drgań są stosowane na konstrukcje przekładkowe
grodzi i podłóg.
Obecnie największa długość produkowanych jednostkowo trałowców z kadłubami o konstrukcji przekładkowej o
hybrydowym zbrojeniu okładek (tkaniny węglowe, aramidowe i szklane naprzemiennie w osnowie żywicy winyloestrowej
z rdzeniem z pianki PVC) wynosi 105 m, jednak w planach jest budowa jednostek z kompozytów polimerowych o
długości 145m. Okres eksploatacji statków z konstrukcją kompozytowa przewiduje się na 20 lat.
5. Materiały stosowane na łopatki kompresora i turbiny w silniku turbinowym
Materiały stosowane na łopatki kompresora i turbiny w silniku turbinowym mogą służyć jako przykład materiałów do
pracy w wysokich temperaturach, od których wymaga się nie tylko wysokiej wytrzymałości ale i jej zachowywania w
dłuższych okresach eksploatacji.
Najprostszy silnik turbinowy składa się z trzech głównych elementów: sprężarki (kompresora), komory spalania i turbiny.
Na rys. 2 pokazano jednostopniowy kompresor i osiową turbinę zamocowane na tym samym wale. Temperatura
o
powietrza sprężonego w kompresorze rośnie w zależności od stopnia sprężenia (140-500 C w przypadku silnika
lotniczego). Powietrze z kompresora przechodzi do komory spalania, gdzie paliwo jest spalane w sprężonym powietrzu
o
o
wytwarzając temperaturę ok. 1000 C. Gorące gazy (ok. 900 C) napędzają turbinę i są usuwane przez dyszę wylotową.
Ponieważ teoretyczna sprawność silnika (określająca straty energii cieplnej od momentu spalenia paliwa do wylotu
gazów) jest uzależniona od różnicy temperatur w komorze spalania T1 i na wylocie z silnika T2 : T1-T2/T1 . Im wyższa
temperatura spalania tym mniejsze straty ciepła. Na rys 3 pokazano, że im wyższa temperatura spalania tym mniejsze
zużycie paliwa.
Podwyższanie temperatury spalania narzuca wymagania opracowywania nowych, żarowytrzymałych materiałów.
Wymagania materiałowe
Materiały z których robi się elementy silnika turbinowego musza spełniać zróżnicowane wymagania w zależności od
temperatury pracy, która decyduje o wytrzymałości, odporności na pełzanie, odporności korozyjnej. Największe
wymagania stawiane są materiałom na łopatki turbiny najmniejsze tarczy kompresora.
Materiały na łopatki turbin muszą wykazywać się:

odpornością na pełzanie,

Odpornością na utlenianie w wysokich temperaturach

Odpornością na uszkodzenia dynamiczne (np. zderzenie z fragmentami złamanych łopatek sprężarki)

Odporność na zmęczenie wywołane zmianami temperatury

Dużą stabilnością cieplną mikrostruktury

Możliwie najmniejszą gęstością (wpływa na obciążenie wirnika).
Wymagania te poważnie ograniczają wybór materiałów odpornych na pełzanie. Na przykład ceramika z jej wysoką
żarowytrzymałością i małą gęstością jest wyłączona z zastosowania w silnikach lotniczych, gdzie istnieją ogromne
konsekwencje nagłego uszkodzenia silnika. Cermetale nie są również korzystne ponieważ ich metaliczna osnowa
mięknie w zbyt niskich temperaturach.
Charakterystyka materiałów
Materiały stosowane obecnie w silniku turbinowym obejmują (według kolejności związanej w temperaturą pracy):
kompozyty o osnowie epoksydowej lub poliimidowej zbrojone włóknami szklanymi (na łopatki kompresora), stopy
magnezu (tylko na obudowę kompresora), stopy Al (np. Al.-2,2Cu-1,5Mg-1Fe-1Ni) (na kompresor tarczowy), stopy Ti
(np. Ti-6Al-4V), stale martenzytyczne (np. Fe-12Cr-2,5Ni-1,15Mo).
Stopy typowo wykorzystywane do budowy wirnika i łopatek turbiny to stopy niklu. Przy starcie samolotu łopatka turbiny
0
podlega naprężeniu rzędu 250 MPa i jest wymagane, aby łopatka wytrzymała je przez 30godzin w temperaturze 850 C
przy nieodwracalnym odkształceniu wywołanym pełzaniem nie większym niż 0,1%. W celu sprostania tym wymaganiom
stosuje się stopy wieloskładnikowe na bazie Ni, Fe, Co, tworzące zróżnicowane fazy wtórne takie jak Ni 3Al, Ni3Ti, MoC,
TaC. Im więcej różnorodnych wydzieleń tym dłużej hamowany jest proces wydłużania się ziarn pod wpływem naprężenia
(siła odśrodkowa) i temperatury i tym dłuższy okres, po którym pojawiają się pierwsze szczeliny pomiędzy wydłużonymi
ziarnami. Ochronna warstwa tlenków Cr2O3 na powierzchni łopatki chroni materiał przed utlenianiem.
Przykłady stopów na łopatki turbin to: Incoloy: Ni-34Fe-13Cr-6Mo-2,5Ti oraz Ni np. Nimonic Ni-15Cr-15Co-4Mo-9
(Ti+Al),stopy kobaltu, np. Co-24Cr-10Ni-7W+4Ta.
θ
Komora
spalania
Wał
napędowy
Wlot
powietrza
wirnik
turbiny
kompresor
Rys. 4 Schemat silnika turbinowego / z
jednostopniowym kompresorem i turbiną .
Rys. 5 Zużycie paliwa w kg na godzinę pracy silnika
w funkcji temperatury spalania.
Łopatki są tradycyjnie odlewane metodą wosku traconego (woskowy model łopatki jest umieszczony w paście z tlenku
aluminium, a następnie wypalany, wosk wytapia się pozostawiając dokładną formę w której może być wykonana jedna
łopatka przez zalanie ciekłym nadstopem. Ponieważ łopatki musza być wykonywane metodą jednostkową ich koszt jest
wysoki (jedna łopatka – 660 zł., całkowity koszt wirnika mającego 102 łopatki wynosi około 70 tys zł).
Stop odlewany ma budowę ziarnistą, im większe ziarno tym mniejsza podatność na pełzanie. Idealna jest struktura bez
granic ziaren. Taką budowę mają monokryształy. Można uzyskać łopatki monokrystaliczne, w której atomy ułożone są
według jednolitej orientacji krystalograficznej (są jednym wielkim kryształem pozbawionym granic ziarn. W przypadku
małych silników w urządzeniach naziemnych łopatki można też spiekać z ceramiki: tlenku Al, azotku krzemu i innych.