ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ. Πλαστικότητα, Διαρροή, Ολκιμότητα

Transcript

1 ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ Πλαστικότητα, Διαρροή, Ολκιμότητα

2 Διαρροή (Yielding) Αντοχή σε διαρροή (yield strength) είναι η τάση πέρα από την οποία το υλικό επιδεικνύει πλαστική συμπεριφορά η παραμόρφωση είναι μόνιμη Καθορίζεται από τις τυπικές διαδικασίες δοκιμών σε εφελκυσμό Μονάδες: MPa - MN/m 2 or psi - lb/in 2 1 MPa = psi

3 Καμπύλη τάσης Παραμόρφωσης: Μέταλλα Η αντοχή σε διαρροή (yield strength) σ y προσδιορίζεται σε απόκλιση 0.2% από την ευθεία της γραμμικής ελαστικής περιοχής Όταν παραμορφώνονται πέρα από το σ y, τα περισσότερα μέταλλα υφίστανται εργοσκλήρυνση (work harden), προκαλώντας το ανοδικό τμήμα της καμπύλης Η μέγιστη τάση ορίζεται ως αντοχή σε εφελκυσμό (tensile strength) σ ts

4 Καμπύλη τάσης Παραμόρφωσης: Πολυμερή Το σ y ορίζεται ως η τάση στην οποία η καμπύλη τάσηςπαραμόρφωσης γίνεται φανερά μη-γραμμική, τυπικά για παραμόρφωση 1% Η συμπεριφορά του πολυμερούς πέρα από το σημείο διαρροής εξαρτάται από τη θερμοκρασία σε σχέση με τη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης, T g

5 Σε ένα σύνθετο υλικό πολυμερικής μήτρας, το σ y ορίζεται καλύτερα με μια σταθερή απόκλιση από τη γραμμική ελαστική συμπεριφορά, τυπικά σε παραμόρφωση 0.5% Τα σύνθετα που περιέχουν ίνες είναι λίγο ασθενέστερα (μέχρι 30%) σε θλίψη απ ότι σε εφελκυσμό γιατί οι ίνες υφίστανται λυγισμό σε μικρή κλίμακα. Η ολκιμότητα (ductility), ε f, είναι ένα μέτρο της πλαστικής παραμόρφωσης την οποία μπορεί να αντέξει ένα υλικό. Εκφράζεται σε ποσοστό επί τις εκατό Δεν είναι ιδιότητα του υλικού γιατί εξαρτάται από τις διαστάσεις του δείγματος

6 Καμπύλη τάσης Παραμόρφωσης: Κεραμικά Τα κεραμικά και οι ύαλοι έχουν αντοχή σε διαρροή (yield strength); παρόλα αυτά, είναι τόσο υψηλή που κατά τον εφελκυσμό δεν εξαντλείται ποτέ τα υλικά πρώτα θραύονται Το όριο ελαστικότητας (elastic limit), σ el, ορίζεται από το τέλος της ελαστικής περιοχής της καμπύλης τάσης-παραμόρφωσης αυτή είναι η τιμή που χρησιμοποιείται γενικά για τη σύγκριση του μέτρου της αντοχής των κεραμικών με τα άλλα υλικά

7 Δοκιμές σκληρότητας (hardness) Οι δοκιμές εφελκυσμού και θλίψης απαιτούν ένα μεγάλο αριθμό δειγμάτων το οποίο καταστρέφεται κατά τις δοκιμές οι δοκιμές σκληρότητας απαιτούν μόνο έναν μικρό όγκο και δεν είναι καταστροφικές Σε μια δοκιμή σκληρότητας, ένα διαμάντι σε σχήμα πυραμίδας ή μια σκλυρημένη χαλύβδινη σφαίρα, πιέζεται στην επιφάνεια του υλικού αφήνοντας ένα μόνιμο αποτύπωμα Η σκληρότητα του υλικού ορίζεται από την αντίστασή του στην παραμόρφωσηδιείσδυση

8 Διάφοροι Τύποι Δοκιμών Σκληρότητας Οι πιο συνηθισμένοι είναι ο Brinell και ο Rockwell Οι μονάδες της σκληρότητας αλλάζουν ανάλογα με την κλίμακα που χρησιμοποιείται

9 Διάγραμμα Αντοχής Πυκνότητας

10 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Ένα άγνωστο μέταλλο από ένα προϊόν κάποιου ανταγωνιστή έχει τιμή σκληρότητας 50 μετά από δοκιμή Rockwell A και πυκνότητα περίπου 8800 kg/m 3. Υπολογίστε τη σκληρότητα κατά Vickers και την αντοχή του σε διαρροή. Εντοπίστε τη θέση του στο διάγραμμα αντοχής-πυκνότητας. Ποιο υλικό πιστεύεται ότι είναι; Απάντηση Από το διπλανό σχήμα, η σκληρότητα κατά Vickers είναι περίπου 510 και η αντοχή σε διαρροή είναι περίπου 1600 MPa. Πρόκειται για ένα ισχυρό μέταλλο. Στο διάγραμμα αντοχήςπυκνότητας βρίσκεται κοντά στην κορυφή των κραμάτων του νικελίου.

11 Διάγραμμα Μέτρου ελαστικότητας Αντοχής Παραμόρφωση διαρροής (Yield strain) είναι η παραμόρφωση στην οποία το υλικό παύει να είναι γραμμικά ελαστικό τα πολυμερή έχουν μεγάλη παραμόρφωση διαρροής ( ) ενώ η τιμή για τα μέταλλα είναι μικρότερη κατά ένα παράγοντα τουλάχιστον 10

12 Ιδανική Αντοχή Καμπύλη τάσης παραμόρφωσης για έναν ατομικό δεσμό Ιδανικά, η αντοχή ενός υλικού είναι η δύναμη που απαιτείται για να σπάσουν οι εσωτερικοί ατομικοί δεσμοί Ένας δεσμός σπάει αν επιμηκυνθεί πάνω από το 10% του αρχικού του μήκους επομένως η δύναμη που απαιτείται για το σπάσιμο ενός δεσμού είναι περίπου:

13 Πιο λεπτομερείς υπολογισμοί που λαμβάνουν υπόψη την καμπυλότητα της καμπύλης δύναμης-απόστασης προβλέπουν ένα λόγο ίσο με 1/15

14 Κρυσταλλικές ατέλειες Τα ελαττώματα στα μέταλλα και τα κεραμικά εμποδίζουν τα υλικά να επιτύχουν την ιδανική αντοχή Συνήθεις ατέλειες: (a) (b) (c) (d) Πλεγματικά κενά Ξένα άτομα σε θέσεις υποκατάστασης ή παρεμβολής Διαταραχές (Dislocations) Όρια κόκκων

15 Πλεγματικά κενά Το πλεγματικό κενό είναι μία κρυσταλλική θέση στην οποία λείπει ένα άτομο τα πλεγματικά κενά παίζουν ρόλο στη διάχυση, τον ερπυσμό και την πυροσυσσωμάτωση αλλά δεν επηρεάζουν την αντοχή Ξένα Άτομα Ξένο άτομο υποκατάστασης τα διαλυόμενα άτομα αντικαθιστούν αυτά του αρχικού πλέγματος Ξένο άτομο παρεμβολής τα διαλυόμενα άτομα παρεμβάλλονται ανάμεσα στα κενά των ατόμων του μητρικού πλέγματος Τα διαλυόμενα άτομα σπάνια έχουν το ίδιο μέγεθος με αυτά του μητρικού υλικού, οπότε το περιβάλλον κρυσταλλικό πλέγμα παραμορφώνεται

16 Διαταραχές Μια διαταραχή είναι μία επιπλέον στρώση ατόμων στο μισό επίπεδο του κρυστάλλου στη εικόνα, το επάνω μέρος του κρυστάλλου έχει μία επιπλέον διπλή στρώση ατόμων από το χαμηλότερο τμήμα οι διαταραχές επηρεάζουν τη δομή και κάνουν τα μέταλλα μαλακά και όλκιμα Όρια κόκκων Τα όρια των κόκκων σχηματίζονται όταν συναντώνται διαφορετικά προσανατολισμένοι κρύσταλλοι οι μεμονωμένοι κρύσταλλοι ονομάζονται κόκκοι, και οι επιφάνειες που συναντώνται είναι τα όρια κόκκων