ΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ

Transcript

1 ΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 1. Γενικά 2. Φυσικές ιδιότητες 3. Μηχανικές ιδιότητες 4. Χημικές ιδιότητες 5. Τεχνολογικές ιδιότητες 1. ΓΕΝΙΚΑ Τα υλικά που χρησιμοποιούνται, για να κατασκευασθεί και τεθεί σε λειτουργία ένα τεχνικό έργο, ονομάζονται δομικά υλικά. Η σύγκριση των διαφόρων υλικών μεταξύ τους, και η εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την καταλληλότητά τους για ορισμένο έργο γίνεται με βάση τις ιδιότητες των υλικών. Ιδιότητες των υλικών είναι τα φυσικά μεγέθη, που μας περιγράφουν τη συμπεριφορά ενός υλικού σε εξωτερικές επιδράσεις. Οι ιδιότητες των δομικών υλικών διακρίνονται στις παρακάτω κατηγορίες: Φυσικές Μηχανικές Χημικές Τεχνικές ή τεχνολογικές Η σχετικά συνοπτική περιγραφή των ιδιοτήτων των δομικών υλικών αποτελεί το αντικείμενο του παρόντος κεφαλαίου. 2. ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Περιλαμβάνουν τα χαρακτηριστικά των υλικών που περιγράφουν τη συμπεριφορά του υλικού στις εξωτερικές επιδράσεις, που κατά κανόνα δεν αλλοιώνουν τη χημική τους σύσταση Πυκνότητα και πορώδες Ως φαινόμενη πυκνότητα ρ R ορίζεται ο λόγος της μάζας ενός υλικού προς τον φαινόμενο όγκο V που καταλαμβάνει. Πραγματική πυκνότητα είναι η πυκνότητα των στερεών ρ σ, που ορίζεται ως: ρ σ = m/(v-v κ ) όπου V κ, ο όγκος των κενών που περιέχει το δομικό υλικό. Ως πορώδες α ορίζεται ο λόγος του όγκου των κενών V κ προς τον συνολικό όγκο του σώματος V, ήτοι: 1

2 α = V κ / V 2.2. Απορροφητικότητα, Διαπερατότητα, Υγροσκοπικότητα Οι ιδιότητες αυτές εμφανίζονται κυρίως στα πορώδη υλικά (π.χ. οπτόπλινθοι, κεραμίδια κλπ) και εξαρτώνται από την πυκνότητα, το πορώδες και το είδος, μέγεθος και βαθμό επικοινωνία των πόρων (σχήμα 1). ανοικτοί πόροι κλειστοί πόροι Σχήμα 1: Δομή πόρων Απορροφητικότητα είναι η ιδιότητα των δομικών υλικών να απορροφούν κάποιο ρευστό χωρίς εξωτερική πίεση Στην περίπτωση που το ρευστό είναι νερό (σύνηθες η αντίστοιχη ιδιότητα καλείται υδροαπορροφητικότητα. Η ιδιότητα αυτή εκφράζεται ως: Υ = (m υ m ξ )/ m ξ όπου, m υ η μάζα μετά την εμβάπτιση του υλικού στο ρευστό m ξ ξηρή μάζα του υλικού (στους 105 ο C) Διαπερατότητα είναι η αντίσταση που προβάλλει ένα υλικό στη δίοδο ενός ρευστού από τη μάζα του υπό ορισμένη πίεση. Στην περίπτωση που το ρευστό είναι νερό η αντίστοιχη ιδιότητα καλείται υδροπερατότητα, και μετράται με τη μάζα ρευστού που διαπερνά στη μονάδα του χρόνου, υπό ατμοσφαιρική πίεση, μοναδιαία επιφάνεια μιας πλάκας του υλικού με μοναδιαίο πάχος. Για την περίπτωση υδρατμών η αντίστοιχη ιδιότητα καλείται υδρατμοπδιαπερατότητα. Ο νόμος του Darcy εκφράζει ποσοτικά τη διαπερατότητα ως ακολούθως: όπου, dq/dt ο ρυθμός ροής του ρευστού μ το ιξώδες του υγρού Δh πτώση πίεσης dq/dt = k [Δh.A/L.μ] 2

3 Α επιφάνεια δείγματος L πάχος στοιχείου Υγροσκοπικότητα είναι η ιδιότητα των δομικών υλικών να απορροφούν υγρασία από την ατμόσφαιρα, όταν η σχετική υγρασία της είναι δεδομένη και μετράται με τρόπο ανάλογο της υδροαπορροφητικότητας. Υγρασία ισορροπίας είναι η υγρασία, η οποία παραμένει στο υλικό μετά την εξισορρόπησή της με την υγρασία του περιβάλλοντος Θερμική διαστολή και συστολή Με βάση τη σχέση: Δl = α.l.δτ όπου, Δl μεταβολή της διάστασης l αρχική διάσταση α συντελεστής θερμικής διαστολής ή συστολής η μεταβολή της θερμοκρασίας ΔΤ (σε ο C) έχει σαν αποτέλεσμα τη μεταβολή των διαστάσεων δομικών στοιχείων (Δl) Θερμική αγωγιμότητα Είναι η ιδιότητα των υλικών να επιτρέπουν τη διέλευση θερμότητας μέσω της μάζας τους και περιγράφεται από το συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας λ (W/mK ή kcal/mh o C). O συντελεστής λ εκφράζει το ποσό της θερμότητας Q που διαφεύγει στη μονάδα του χρόνου μέσω επιφάνειας 1m 2 υλικού πάχους 1m, όταν η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο επιφανειών του εν λόγω υλικού είναι 1 ο C. Το συνολικό ποσό θερμότητας Q που διέρχεται μέσω σώματος επιφάνειας Α και πάχους d σε χρόνο t, για θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ των δύο επιφανειών του υλικού ΔΤ δίδεται ως: Q = λ.(δτ).α.t/d Ο συντελεστής λ μειώνεται με αύξηση του πορώδους και αυξάνεται με το ποσοστό υγρασίας που περιέχει το υλικό με αύξηση της θερμοκρασίας και συνήθως με την αύξηση των διαστάσεων. Υλικά με κλειστούς και μικρούς πόρους έχουν μικρότερο λ από εκείνα με ανοικτούς και μεγάλους πόρους (σχήμα 2). Η μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας στο Εργαστήριο γίνεται συνήθως βάσει της μεθόδου της θερμής πλάκας που περιγράφεται λεπτομερώς από το πρότυπο ΕΛΟΤ-514. Εναλλακτικά εφαρμόζεται η μέθοδος του μετρητή ροής θερμότητας (συγκριτική μέθοδος γρήγορης μέτρησης εφαρμοζόμενη κύρια σε κυψελωτά, ινώδη και κοκκώδη μονωτικά υλικά) που περιγράφεται λεπτομερώς από το πρότυπο ASTM C518. Στο σχήμα 3 δίδεται η μεταβολή του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας, λ, σε συνάρτηση με τη φαινόμενη πυκνότητα του υλικού. 3

4 Σχήμα 2: Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας συναρτήσει της διαμέτρου των πόρων Σχήμα 3: Θερμική αγωγιμότητα συναρτήσει της φαινομένης πυκνότητας 2.5. Αντοχή στη φωτιά και την πυρκαϊά Αντοχή στη φωτιά και την πυρκαϊά είναι η ικανότητα των υλικών να μην παραμορφώνονται σημαντικά και να διατηρούν σημαντικό μέρος της αντοχής 4

5 τους, όταν υφίστανται την επίδραση φωτιάς ή πυρκαϊάς και στο συνδυασμό πυρκαϊάς και νερού πυρόσβεσης. Με βάση το ενδεχόμενο ανάφλεξης τα υλικά διακρίνονται σε: άκαυστα (κεραμικά μέταλλα) πυρανθεκτικά (ξύλο διαποτισμένο με ειδικό υγρό) καύσιμα (υλικά οργανικών ενώσεων) 2.6. Αντοχή στη γήρανση Η ικανότητα των υλικών να αντιστέκονται στην αλλοίωση των φυσικών, μηχανικών και χημικών χαρακτηριστικών τους υπό την επίδραση κλιματικών συνθηκών και περιβαλλοντικών επιδράσεων (υγρασία, ακτινοβολίες, άνεμος, θερμοκρασιακές μεταβολές, χημικές ουσίες κλπ). Εκτίμηση για τη γήρανση των υλικών προκύπτει από συνεκτίμηση περισσοτέρων της μιας ιδιοτήτων του υλικού. Με βάση τον παραπάνω ορισμό γίνεται κατανοητό ότι ο σχεδιασμός ενός υλικού είναι μια πολύπλοκη διαδικασία, διότι πρέπει να ληφθούν υπόψη και να συνδυασθούν πολλές ιδιότητες του υλικού και εξωτερικοί παράγοντες που θα επηρεάσουν το υλικό κατά τη χρήση του. Σκοπός αυτού του σχεδιασμού είναι η μακροβιότητα του υλικού. 3. ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Μηχανικές ιδιότητες ενός υλικού σώματος είναι εκείνες, που προσδιορίζουν αριθμητικά την αντίσταση στη δράση εξωτερικών δυνάμεων, που προσπαθούν να το παραμορφώσουν, δηλαδή να αλλάξουν το σχήμα του και τις διαστάσεις του. Αποτέλεσμα της δράσης αυτών των εξωτερικών δυνάμεων είναι η ανάπτυξη εσωτερικών δυνάμεων στα υλικά που ονομάζονται τάσεις. Τάση σε ένα σημείο του υλικού είναι η εσωτερική δύναμη που αναπτύσσεται στο σημείο ανά μονάδα επιφάνειας. Διακρίνονται σε: ορθές σ (δρουν κάθετα στην επιφάνεια) και διακρίνονται σε: - εφελκυστικές (εφελκυσμός) - θλιπτικές (θλίψη) διατμητικές τ (δρουν εφαπτομενικά στην επιφάνεια) Αποτέλεσμα των τάσεων που αναπτύσσονται σε ένα στοιχείο είναι η μεταβολή των διαστάσεών του, δηλαδή η ανάπτυξη παραμορφώσεων που διακρίνονται σε: ορθές παραμορφώσεις ε διατμητικές παραμορφώσεις γ Όταν οι παραμορφώσεις που αναπτύσσονται σε ένα υλικό είναι μικρές και ευρίσκονται εντός ορισμένων ορίων, τότε είναι ανάλογες με τις αντίστοιχες τάσεις (γραμμική ελαστικότητα). Για την περίπτωση των ορθών τάσεων (εφελκυσμός θλίψη), η παραπάνω αναλογία εκφράζεται από το νόμο του Ηοοke, σ = Ε. ε 5

6 όπου Ε το μέτρο ελαστικότητας (μέτρο του Young) Για την περίπτωση των διατμητικών τάσεων, η παραπάνω αναλογία εκφράζεται ως: όπου G το μέτρο διάτμησης τ = G. γ Τα μέτρα Ε και G αποτελούν χαρακτηριστικές ιδιότητες των υλικών στην περίπτωση ομοιογενών (ίδιες ιδιότητες σε κάθε σημείο) και ισότροπων (ίδιες ιδιότητες σε κάθε διεύθυνση) υλικών. Τα ανισότροπα υλικά χαρακτηρίζονται από περισσότερες από 2 ανεξάρτητες ελαστικές σταθερές Αντοχή Αντοχή ενός υλικού είναι η ικανότητά του να μεταφέρει φορτία. Η ιδιότητα αυτή εξαρτάται από: τη γεωμετρία του δομικού υλικού τον τρόπο φόρτισης το ίδιο το υλικό Το υλικό αστοχεί όταν οι τάσεις φθάσουν μερικές οριακές ή κρίσιμες τιμές, χαρακτηριστικές για κάθε υλικό και τύπο φόρτισης. Αντοχή σε εφελκυσμό, θλίψη, διάτμηση Για απλές περιπτώσεις εφελκυσμού, θλίψης και διάτμησης, η αντοχή ενός υλικού καθορίζεται συνήθως από τη μέγιστη τάση του διαγράμματος τάσεων παραμορφώσεων που αντιστοιχεί στις φορτίσεις αυτές. Στο σχήμα 4 δίδονται διαγράμματα τάσεων παραμορφώσεων για χαρακτηριστικά δομικά υλικά. Σχήμα 4: Διαγράμματα τάσεων-παραμορφώσεων 6

7 Αντοχή σε κάμψη Ορίζεται ως η μέγιστη εφελκυστική τάση που υπολογίζεται σε δοκίμιο υπό κάμψη, υποθέτοντας γραμμική κατανομή των τάσεων καθ ύψος της διατομής, κατά τη στιγμή της θραύσης του δοκιμίου (σχήμα 5). 3.2.Ερπυσμός και χαλάρωση Σχήμα 5: Αντοχή σε κάμψη Ερπυσμός είναι η ιδιότητα των υλικών να εμφανίζουν συνεχή αύξηση των παραμορφώσεων με το χρόνο, ενώ οι αντίστοιχες τάσεις παραμένουν σταθερές. Στο φαινόμενο αυτό οφείλεται η αύξηση των παραμορφώσεων σε κατασκευές που καταπονούνται σε μακροχρόνια φορτία. Συνέπεια του ερπυσμού είναι η αστοχία των υλικών μετά πάροδο ορισμένου χρόνου υπό σταθερή τάση που είναι μικρότερη από την αντίστοιχη αντοχή σε βραχυχρόνια φόρτιση. Χαλάρωση είναι το αντίθετο του ερπυσμού και χαρακτηρίζει την ιδιότητα των υλικών να εμφανίζουν συνεχή μείωση των τάσεων με το χρόνο, ενώ οι αντίστοιχες παραμορφώσεις παραμένουν σταθερές. Τα παραπάνω φαινόμενα περιγράφονται στο σχήμα 6. Σχήμα 6: Φαινόμενα ερπυσμού και χαλάρωσης 7

8 3.3.Κόπωση Κόπωση ονομάζεται η καταπόνηση ενός υλικού σε εναλλασσόμενη δυναμική φόρτιση καθορισμένης συχνότητας με τάση που δεν ξεπερνά συγκεκριμένα όρια. Οι γέφυρες υποβάλλονται σε περιοδική καταπόνηση λόγω των φορτίων των οχημάτων. Το φαινόμενο απεικονίζεται στο σχήμα 7. Αντοχή ενός υλικού σε κόπωση ορίζεται συνήθως ο αριθμός Ν των κύκλων φόρτισης (δεδομένης συχνότητας) πριν την αστοχία για δεδομένες ακραίες τάσεις. Σχήμα 7: Φόρτιση υλικού σε κόπωση Η δυναμική αντοχή είναι πάντοτε μικρότερη από τη στατική αντοχή. Ισοδύναμο στατικό φορτίο είναι το φορτίο που εφαρμοζόμενο στατικά θα προκαλούσε τις ίδιες παραμορφώσεις με τη θεωρούμενη δυναμική φόρτιση. Δυναμικός συντελεστής φόρτισης ονομάζεται το πηλίκο του ισοδύναμου στατικού φορτίου προς το δυναμικό φορτίο που εφαρμόζεται. Οι επιτρεπόμενες ή ανεκτές τάσεις είναι πάντοτε μικρότερες από τη μέγιστη και καθορίζονται για λόγους ασφαλείας του υλικού και της κατασκευής. Συντελεστής ασφαλείας του υλικού είναι το πηλίκο της μέγιστης τάσης θραύσης προς την ανεκτή τάση. Ενδεικτικές τιμές δίδονται παρακάτω: Χάλυβας: 1,5-2, Ξύλο: 3-4,5, Σκυρόδεμα: 3-5, Λίθοι για λιθοδομές:20-8 κλπ 3.4.Αντοχή σε κρούση Αντοχή σε κρούση είναι η αντίσταση που προβάλλει ένα υλικό σε θραύση λόγω τοπικής κρούσης. Η μέτρηση αυτής της ιδιότητας γίνεται με τη συσκευή Charpy (σχήμα 8). Η ενέργεια που απορροφά το δοκίμιο κατά τη θραύση (σχήμα 9) διαιρούμενη με την επιφάνεια θραύσης του δοκιμίου αποτελεί ένα μέτρο σύγκρισης της αντοχής ενός υλικού σε κρούση. 8

9 Σχήμα 8: Συσκευή Charpy Σχήμα 9: Δείγμα και τρόπος φόρτισης κατά τη μέθοδο Charpy Σημειώνεται ότι καθοριστικοί παράγοντες για τα αποτελέσματα της δοκιμής είναι, η ταχύτητα κρούσης, η θερμοκρασία του δοκιμίου και το σχήμα και οι διαστάσεις της εγκοπής Δυσθραυστότητα Δυσθραυστότητα ονομάζεται η ικανότητα ενός υλικού να απορροφά ενέργεια κατά την παραμόρφωσή του μέχρι τη θραύση και ποσοτικοποιείται υπολογίζοντας το εμβαδόν της επιφάνειας που περικλείεται από την καμπύλη τάσης παραμόρφωσης (σχήμα 10). Σχήμα 10: Δυσθραυστότητα 9

10 3.6. Απόσβεση Σε ανακυκλιζόμενες φορτίσεις, κατά τη διάρκεια των κύκλων φόρτισης αποφόρτισης επαναφόρτισης το πρόσημο των τάσεων παραμορφώσεων αλλάζει και μέρος της ενέργειας χάνεται με τη μορφή θερμότητας. Η ιδιότητα αυτή καλείται απόσβεση και μετράται μέσω του συντελεστή απόσβεσης η η = D/2πU όπου, D η απώλεια ενέργειας σε ένα κύκλο φόρτισης αποφόρτισης - επαναφόρτισης U η μέγιστη ενέργεια παραμόρφωσης αν η συμπεριφορά του υλικού ήταν γραμμικά ελαστική μέχρι τη μέγιστη παραμόρφωση. Ο παραπάνω ορισμός απεικονίζεται στο σχήμα 11. Σχήμα 11: Ορισμός απόσβεσης Η απόσβεση εκφράζει την ικανότητα ενός υλικού να απορροφά ενέργεια κατά τη διάρκεια επαναλαμβανόμενης φόρτισης (σεισμός, άνεμος). Τυπικές τιμές του η είναι: σκυρόδεμα x10-2 χάλυβας 2x x ΧΗΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Χημικές ιδιότητες ενός υλικού είναι αυτές που περιγράφουν τη συμπεριφορά του σε εξωτερικές επιδράσεις, που τείνουν να αλλοιώσουν τη χημική του σύσταση και τη συμπεριφορά του στην επίδραση χημικών ουσιών. 10

11 Χημική αντοχή είναι η ιδιότητα των υλικών να αντέχουν στην επίδραση εξωτερικών χημικών παραγόντων π.χ. οξέων, αλκαλίων, διαβρωτικών αλάτων και αερίων κλπ. Η χημική διάβρωση μετράται με την ελάττωση του βάρους και πάχους του υλικού σε ορισμένο χρόνο, ήτοι: Β = ελάττωση βάρους/ (επιφάνεια.ημέρες) [=] g/(m 2.ημέρες) Π = ελάττωση πάχους / έτη [=] mm/έτη Ανάλογα με την ανθεκτικότητά τους τα υλικά χωρίζονται στις παρακάτω κατηγορίες: Πρακτικά ανθεκτικά Β < 2,4 ή Π < 0,1 Σχετικά ανθεκτικά Β = 2,4-24 ή Π = 0,1-1,0 Όχι πολύ ανθεκτικά Β = ή Π = 1-3 Μη χρησιμοποιήσιμα Β > 72 ή Π > 3 5. ΤΕΧΝΙΚΕΣ Ή ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Οι ιδιότητες αυτές αναφέρονται στην ικανότητα των υλικών να δέχονται μηχανικές κατεργασίες χωρίς να μεταβάλλονται οι άλλες ιδιότητές τους (φυσικές, μηχανικές, χημικές). Επίσης έχουν σχέση με τη δυνατότητα χειρισμού των διαφόρων υλικών κατά την εκτέλεση των εργασιών. Οι σπουδαιότερες τεχνολογικές ιδιότητες είναι: το εργάσιμο η ολκιμότητα η ελατότητα το εύχυτο το συγκολλητό 11

12 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Α. Γ. Κορωναίος, Γ. Ι. Πουλάκος Τεχνικά Υλικά, ΕΜΠ, Αθήνα, Κ. Τσακαλάκης Σημειώσεις παραδόσεων τεχνολογίας παραγωγής τσιμέντου και σκυροδέματος, ΕΜΠ, Αθήνα, Α. Μπότη, Εργαστηριακοί Έλεγχοι Τεχνολογία Υλικών, ΟΕΔΒ, Αθήνα Γ. Καλκάνη, Ι. Χατήρη, Χ. Σταθουλόπουλου, Εργαστήριο των δομικών υλικών, Δεύτερη έκδοση, Εκδόσεις ΙΩΝ 5. Λ. Τσικριτζής, Εργαστηριακές Ασκήσεις Ποιοτικού Ελέγχου και Τεχνολογίας Υλικών, Κοζάνη, Φεβρουάριος Δ. Πατσαβούδη, Τεχνολογία Δομικών Υλικών, ΟΕΔΒ, Αθήνα Α. Τριανταφύλλου, Δομικά Υλικά, Πάτρα 2005, 7 η Έκδοση. 12