ΤΛΙΚΑ ΠΑΡΟΝ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝ ΠΑΝΕΠΙΣΗΜΙΟ ΚΡΗΣΗ ΣΜΗΜΑ ΕΠΙΣΗΜΗ ΚΑΙ ΣΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΛΙΚΩΝ

Transcript

1 ΤΛΙΚΑ ΠΑΡΟΝ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝ Ι ΠΑΝΕΠΙΣΗΜΙΟ ΚΡΗΣΗ ΣΜΗΜΑ ΕΠΙΣΗΜΗ ΚΑΙ ΣΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΛΙΚΩΝ

2 Άδειεσ Χρήςησ -Σο παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται ςτην άδεια χρήςησ Creative Commons και ειδικότερα Αναφορά - Μη εμπορική Χρήςη - Όχι Παράγωγο Έργο v. 3.0 (Attribution Non Commercial Non-derivatives) - Για εκπαιδευτικό υλικό, όπωσ εικόνεσ, που υπόκειται ςε άλλου τφπου άδειασ χρήςησ, η άδεια χρήςησ αναφζρεται ρητώσ.

3 6 Μεραληθέο ηδηόηεηεο

4 Τάζε-παξακόξθσζε Ειαζηηθή ζπκπεξηθνξά Πιαζηηθή ζπκπεξηθνξά Αληνρή θαη νιθηκόηεηα Σθιεξόηεηα

5 Μεραληθή αληνρή Αληνρή ζε θάκςε Αληνρή ζε εθειθπζκό F F Αληνρή ζε ζπκπίεζε F F Αληνρή ζε δηάηκεζε F F Αληνρή ζε ζξαύζε

6 Παξακόξθωζε Ωο παξακόξθωζε (deformation) νλνκάδνπκε ηελ επηκήθπλζε αλά κνλάδα κήθνπο lo l l = o l o l Η παξακόξθσζε ε είλαη αδηάζηαην κέγεζνο

7 - Παξακόξθωζε l 0 l o l 0

8 Σάζε Ωο ηάζε (stress) νλνκάδνπκε ηελ δύλακε αλά κνλάδα επηθάλεηαο S επιθάνεια F δύναμη = F S F Η ηάζε ζ κεηξηέηαη ζε Newton/m 2 ( = 1 Pa)

9 Σάζε Εθειθπζκόο F δύναμη Θιίςε F δύναμη 0 F F 0 Η ηάζε ζ κεηξηέηαη ζπλήζσο ζε ΜPa 1 ΜPa = 10 6 N/m psi = 1 ΜPa

10 Πωο παξακνξθώλεηαη έλα πιηθό ππό ζπλερώο απμαλόκελε εθειθπζηηθή ηάζε; Ελαζηική ζςμπεπιθοπά Πλαζηική ζςμπεπιθοπά Θπαύζη παποδική, ανηιζηπέτιμη μόνιμη, μη-ανηιζηπέτιμη καηαζηποθική

11 Πωο ζπλδένληαη ε ηάζε κε ηελ παξακόξθωζε ; Ελαζηική ζςμπεπιθοπά Πλαζηική ζςμπεπιθοπά ( )? Θπαύζη ζ (ηάζη) ε (παπαμόπθυζη)

12 Ειαζηηθή ζπκπεξηθνξά Η ειαζηηθή παξακόξθσζε είλαη παξνδηθή θαη αληηζηξέςηκε! (οθείλεηαι ζε «ηένηυμα» δεζμών) ζ (ηάζη) μη-γπαμμική ελαζηική ζςμπεπιθοπά γπαμμική ελαζηική ζςμπεπιθοπά ε (παπαμόπθυζη) ηελ γξακκηθή ειαζηηθή ζπκπεξηθνξά ε ηάζε είλαη αλάινγε ηεο παξακόξθωζεο

13 Μέηξν ειαζηηθόηεηαο Σν κέηξν ειαζηηθόηεηαο Ε νξίδεηαη από ηελ θιίζε ηεο θακπύιεο ζ(ε) εθαπηόμενο μέηπο ηεμνόμενο μέηπο ζ (ηάζη) = E θ ε (παπαμόπθυζη) μέηπο ελαζηικόηηηαρ E tan κλίζη

14 Μέηξν ειαζηηθόηεηαο Τν κέηξν ειαζηηθόηεηαο Ε κεηξηέηαη ζπλήζσο ζε GPa * Τππηθέο ηηκέο Πνιπκεξή Μέηαιια Κεξακηθά ~10-3 έσο ~4 ~45 έσο ~400 ~70 έσο ~1200 E ( GPa) Τν κέηξν ειαζηηθόηεηαο Ε κεηώλεηαη θαζώο απμάλεηαη ε ζεξκνθξαζία (απμάλεηαη ζηα πνιπκεξή) * 1 GPa = 10 9 Pa

15 Μέηξν ειαζηηθόηεηαο Ειαζηηθή ζπκπεξηθνξά αηνκηθή θιίκαθα Μνληέιν ειαηεξίσλ Μαθξνζθνπηθή ειαζηηθή παξακόξθσζε Αιιαγή ζηηο δηαηνκηθέο απνζηάζεηο

16 Μέηξν ειαζηηθόηεηαο Δύναμη F df dr r o Κακπύιε δπλακηθήο ελέξγεηαο 0 Απόζηαζε r Ιζσςπόρ δεζμόρ Αζθενήρ δεζμόρ E df dr r o

17 Αλειαζηηθόηεηα Η αλειαζηηθόηεηα αθνξά ηελ ρξνληθή εμάξηεζε ηεο παξακόξθσζεο. (Καθςζηέπηζη ηηρ επαναθοπάρ μεηά ηην απομάκπςνζη ηηρ ηάζηρ) ειαζηηθή Κεξακηθά Μέηαιια Πολύ μικπή ημώδεο Πνιπκεξή ημσδνειαζηηθή Σημανηική (ιξυδοελαζηικόηηηα)

18 Λόγνο Poisson (λ) 1 2 lz 1 2 ly v x z y z Μέγηζηε ηηκή ν = 0.5 (για αμεηάβληηο όγκο) 1 2 lx ν ~ (Μέηαλλα) Μέηπο ελαζηικόηηηαρ E2 G(1 ) Μέηπο διάημηζηρ Λόγορ Poisson

19 Πιαζηηθή ζπκπεξηθνξά Η πιαζηηθή παξακόξθσζε είλαη κόληκε θαη κε-αληηζηξέςηκε! (οθείλεηαι ζε «ζπάζιμο» και αναδιοπγάνυζη ηυν δεζμών) Πλαζηική ζςμπεπιθοπά (ηάζη) Σημείο διαπποήρ ζ y ε y (παπαμόπθυζη)

20 Πιαζηηθή ζπκπεξηθνξά Μέηαιια y Σπάζηκν δεζκώλ θαη δεκηνπξγία λέσλ (νθείιεηαη ζε νιίζζεζε) Οιίζζεζε: θίλεζε δηαηαξαρώλ ρεκαηηθή απεηθόληζε θίλεζεο κηαο δηαηαξαρήο ζε θξπζηαιιηθό πιέγκα, πνπ νδεγεί ηειηθά ζε πιαζηηθή παξακόξθωζε User:Cdang / Wikimedia Commons / Public Domain

21 Πιαζηηθή ζπκπεξηθνξά Κεξακηθά Έρνπκε ζπρλά ζξαύζε πξηλ ηελ πιαζηηθή παξακόξθσζε Κξπζηαιιηθά Μησανιζμόρ: ολίζθηζη Δπζθνιία ζηελ νιίζζεζε δηόηη ππάξρνπλ πνιύ ιίγα ζπζηήκαηα νιίζζεζεο Με-Κξπζηαιιηθά Μησανιζμόρ: ιξώδηρ ποή Ο ξπζκόο παξακόξθσζεο είλαη αλάινγνο ηεο ηάζεο F/ A ( d/ dy) ( d/ dy) SI: Pa s = N s/m 2 CGS: (poise) P=0.1 Pa s (νεπό 1 cp = 1 mpa s)

22 Πιαζηηθή ζπκπεξηθνξά Ιμώδεο Ρνή Shear Thickening Αύμεζε ηνπ ημώδνπο θαζώο απμάλεηαη ν ξπζκόο παξακόξθσζεο Shear Thinning Μείωζε ηνπ ημώδνπο θαζώο απμάλεηαη ν ξπζκόο παξακόξθσζεο

23 Πιαζηηθή ζπκπεξηθνξά Πνιπκεξή Αιιειεπίδξαζε κεηαμύ θπιισδώλ δνκώλ θαη παξεκβαιινκέλσλ άκνξθσλ πεξηνρώλ ζ Ψαθςπό A B C Πλαζηικό ελαζηομεπέρ A B C ε Ανηίθεηα από ηα μέηαλλα έσοςμε διάδοζη ηος λαιμού

24 Αληνρή ζε εθειθπζκό ζ Εθελκςζηική ανηοσή TS εμθάνιζη λαιμού ε

25 Αληνρή ζε εθειθπζκό - Παξαδείγκαηα Σππηθέο θακπύιεο παξακόξθωζεο ηάζεο γηα κέηαιια θαη πνιπκεξή

26 ζ Πξαγκαηηθή ηάζε θαη παξακόξθωζε Μ Μ ππαγμαηική διοπθυμένη μησανική l o Ao l i Ai Μησανικά l i F A o l l o o Ππαγμαηικά T T F A i l ln i l o ε Μέσπι ηην έναπξη δημιοςπγίαρ λαιμού Σςνηελεζηήρ ενδοηπάσςνζηρ T (1 ) ln(1 ) T T K n T

27 Τπνινγηζκόο πξαγκαηηθήο ηάζεο T F A i Αλ δελ έρνπκε κεηαβνιή ηνπ όγθνπ: li Ao Ai li Ao lo lo A i 1 1 (1 ) li lo li Ai Ao 1 lo lo T F A i F (1 ) T (1 ) A o

28 Τπνινγηζκόο πξαγκαηηθήο παξακόξθωζεο Η δηαδηθαζία εθειθπζκνύ κπνξεί λα ζεωξεζεί ωο κηα ζεηξά από δηαδνρηθέο παξακνξθώζεηο: d dl l νπόηε ε ζπλνιηθή πξαγκαηηθή παξακόξθωζε ζα είλαη: li dl li T ln( ) lo l l o T ln(1 ) li lo li 1 l l o o

29 Μεηξώληαο ηελ Μεραληθή αληνρή ρεκαηηθή απεηθόληζε κηαο ηππηθήο κεραλήο κέηξεζεο κεραληθήο αληνρήο (βαξέωο ηύπνπ) Καηαζηξνθηθή κέζνδνο Μεηαιιηθό δνθίκην κεηά ην ηεζη κεραληθήο αληνρήο User:Sigmund / Wikimedia Commons / CC-BY-SA-3.0

30 Παξάγνληαο αζθαιείαο Σε καταςκευθ τα υλικά πρέπει να καταπονοφνται ςε τέτοιο βαιμό που να λειτουργοφν πάντα ςτην ελαςτική περιοχή ηάζη επγαζίαρ w F S y ηάζη διαπποήρ Ωσ παράγοντα αςφαλείασ Ν ορίζουμε τον λόγο: (ηάζη) ζ y αζθαλής περιοτή λειηοσργίας ζημείο διαπποήρ y N w 1 ζ w ηο σλικό ζτεδιάζεηαι να λειηοσργεί εδώ (παπαμόπθυζη)

31 Οιθηκόηεηα (Ductility) Μέηξν ηνπ βαζκνύ πιαζηηθήο παξακόξθωζεο έωο ηελ ζξαύζε ζ Ψαθςπό όλκιμο EL l f l l o o εξαπηάηαι από ηο μήκορ ε RA A o A o A δεν εξαπηάηαι από ηο μήκορ f Ψαθςπά όζα έσοςν παπαμόπθυζη θπαύζηρ ε < 5%

32 Επαλάηαμε (Resilience) Η ηθαλόηεηα ελόο πιηθνύ λα απνξξνθά ελέξγεηα όηαλ παξακνξθώλεηαη ζ y U r y d o (ηάζη) (παπαμόπθυζη) ε y Γπαμμική ελαζηικόηηηα 2 1 y 2 2E U r y y Μονάδερ πςκνόηηηαρ ενέπγειαρ: N N m J m m m 2 3 3

33 Δπζζξαπζηόηεηα (Toughness) Μέηξν ηεο ηθαλόηεηαο ελόο πιηθνύ λα απνξξνθά ελέξγεηα έωο ηελ ζξαύζε ζ Ψαθςπό όλκιμο U T f d o ε f Μονάδερ πςκνόηηηαρ ενέπγειαρ: ε N N m J m m m 2 3 3

34 Micro-hardness Μεραληθέο Ιδηόηεηεο θιεξόηεηα (hardness) Μέηξν ηεο αληίζηαζεο ζε ηνπηθή παξακόξθωζε Rockwell and Superficial Rockwell θιεξόκεηξν Rockwell User:MetrolIberica/ Wikimedia Commons / CC-BY-SA-3.0 Brinell Vickers Knoop

35 Rockwell & Superficial Rockwell Δηαθνξά βάζνπο δηείζδπζεο κηθξνύ θαη κεγάινπ θνξηίνπ 60 kg Rockwell 100 kg 150 kg 15kg Superficial 30 kg Rockwell 45kg Τν θύξην πιενλέθηεκα ηεο κεζόδνπ είλαη ε δπλαηόηεηα ηεο άκεζεο εθηίκεζεο ηεο ζθιεξόηεηαο ρσξίο ρξήζε ππνινγηζκώλ. Σπλήζσο ρξεζηκνπνηείηαη ζηελ κεραληθή θαη ηελ κεηαιινπξγία.

36 Brinell Μέηξεζε απνηππώκαηνο ζθαηξηθήο αθίδαο θαη ππνινγηζκόο κέζσ ζρέζεο Απνηύπωκα κέηξεζεο Brinell User:IGW/ Wikimedia Commons / CC-BY-SA-3.0 Μεζνδνινγία: Η ζθαηξηθή αθίδα πηέδεηαη πάλσ ζην δείγκα κε ειεγρόκελε δύλακε. Τν θνξηίν παξακέλεη γηα πεξίπνπ sec. HB 2P D D D d 2 2 ( ) Μεηά από απηό ηνλ ρξόλν ε αθίδα απνκαθξύλεηαη αθήλνληαο έλα θπθιηθό απνηύπσκα ζην δείγκα. Η δηάκεηξνο d ηνπ απνηππώκαηνο κεηξηέηαη νπηηθά (κε κηθξνζθόπην). Πιενλεθηήκαηα: Καιύπηεη όιε ηελ πεξηνρή ζθιεξνηήησλ Μεηνλεθηήκαηα: είλαη αξγή, ρξεηάδεηαη κηθξνζθόπην

37 Vickers microhardness Μέηξεζε απνηππώκαηνο δηακαληέληαο ππξακίδαο θαη ππνινγηζκόο κέζσ ζρέζεο HV P 2 d Μεζνδνινγία: Η αθίδα πηέδεηαη πάλσ ζην δείγκα κε ειεγρόκελε δύλακε (<20 N). Τν θνξηίν παξακέλεη γηα πεξίπνπ sec. Μεηά από απηό ηνλ ρξόλν ε αθίδα απνκαθξύλεηαη αθήλνληαο έλα ξνκβνεηδέο απνηύπσκα ζην δείγκα. Δηακαληέληα ππξακίδα R. Tanaka/ Wikimedia Commons / CC-BY-3.0 Απνηύπωκα κέηξεζεο Vickers Dennis M. Clarke/ Wikimedia Commons / CC-BY-SA-3.0 Η δηάκεηξνο l ηνπ απνηππώκαηνο κεηξηέηαη νπηηθά (κε κηθξνζθόπην). Πιενλεθηήκαηα: Ιδαληθή γηα κηθξά ή ιεπηά δείγκαηα. Μεηνλεθηήκαηα: είλαη αξγή, ρξεηάδεηαη κηθξνζθόπην

38 Knoop microhardness Μέηξεζε απνηππώκαηνο δηακαληέληαο ππξακίδαο θαη ππνινγηζκόο κέζσ ζρέζεο Μεζνδνινγία: Η αθίδα πηέδεηαη πάλσ ζην δείγκα κε ειεγρόκελε δύλακε (<10 N). Τν θνξηίν παξακέλεη γηα πεξίπνπ sec. HK Απνηύπωκα κέηξεζεο Κnoop (Al 2 O 3 ) User: His Manliness / Wikimedia Commons / CC-BY P 2 l Μεηά από απηό ηνλ ρξόλν ε αθίδα απνκαθξύλεηαη αθήλνληαο έλα ξνκβνεηδέο απνηύπσκα ζην δείγκα. Η δηάκεηξνο l ηνπ απνηππώκαηνο κεηξηέηαη νπηηθά (κε κηθξνζθόπην). Πιενλεθηήκαηα: Ιδαληθή γηα ςαζπξά πιηθά (~ κηζή δηείζδπζε από ηελ Vickers) Μεηνλεθηήκαηα: είλαη αξγή, ρξεηάδεηαη κηθξνζθόπην

39 - θιεξόηεηα Σππηθέο πεξηνρέο ηηκώλ ζθιεξόηεηαο γηα δηάθνξεο θαηεγνξίεο πιηθώλ

40 - θιεξόηεηα ύγθξηζε ηηκώλ ζθιεξόηεηαο από δηάθνξεο κεζόδνπο User: Materialscientist/Wikipedia/ CC-BY-SA_3.0

41 - θιεξόηεηα Στθν περίπτωςθ των μετάλλων θ τιμι τθσ ςκλθρότθτασ ςχετίηεται γραμμικά με τθν αντοχι ςτον εφελκυςμό! Μετρώντασ ςκληρότητα (εφκολθ, «μθ-καταςτροφικι» μζτρθςθ) μποροφμε να εκτιμιςουμε τθν τιμι τθσ αντοχήσ ςτον εφελκυςμό (TS) (δφςκολθ, καταςτροφικι μζτρθςθ) ( TS) 3.45 ( HB) πζρέηηζε κεηαμύ ζθιεξόηεηαο (HB) θαη αληνρήο ζηνλ εθειθπζκό (TS) γηα ράιπβεο