ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ(Θ)

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ(Θ) Ενότητα 5: ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Ανθυμίδης Κωνσταντίνος Διδάκτορας Μηχανολόγος Μηχανικός ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΕ 1

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Κεντρικής Μακεδονίας» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Ενότητα 5 XYΤΕΥΣΕΙΣ - ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΕΩΝ Ανθυμίδης Κωνσταντίνος Διδάκτορας Μηχανολόγος Μηχανικός 4

5 Περιεχόμενα ενότητας 1. Τα Κράματα του Χαλκού 5

6 Σκοποί ενότητας 6

7 Τα Κράματα του Χαλκού Χαλκοβηρύλλια ονομάζονται έτσι τα κράματα Χαλκού (Cu) Βηρυλλίου (Be) Το χημικό στοιχείο Βηρύλλιο (Be) είναι ένα μέταλλο με ατομικό αριθμό 4 και ατομικό βάρος 9, Το χρώμα του είναι γκρι. Έχει θερμοκρασία τήξης C και θερμοκρασία βρασμού C. Το βηρύλλιο έχει το πιο υψηλό σημείο τήξης από όλα τα ελαφρά μέταλλα. Είναι ελαφρύ στοιχείο, όπως αναφέραμε, αλλά είναι και εύθραυστο. Είναι όλκιμο υλικό, δηλαδή μπορεί εύκολα να συρματοποιηθεί. Διαθέτει άριστη θερμική αγωγιμότητα και είναι μη μαγνητικό υλικό. 7

8 Η σκληρότητά του είναι υψηλή και ισούται με 5,5 βαθμούς της κλίμακας Mohs ή βαθμούς της κλίμακας Vickers. Η κλίμακα Μος (Mohs) είναι εμπειρική και χρησιμοποιείται για την μέτρηση της σκληρότητας, κυρίως για τα ορυκτά. Στην κλίμακα αυτή κάθε ορυκτό χαράζει τα προηγούμενα και χαράζεται από τα επόμενα [για παράδειγμα το Βηρύλλιο (βαθμός κλίμακας 5,5) χαράζει την ορυκτή γύψο (CaSO4 2H2O) (βαθμός κλίμακας 2) αλλά χαράζεται από το διαμάντι, το οποίο είναι το σκληρότερο ορυκτό στον κόσμο, με βαθμό κλίμακα Μος 10]. Δημιουργός της κλίμακας Μος είναι ο Φρίντριχ Μος (Friedrich Mohs), καθηγητής ορυκτολογίας στο πανεπιστήμιο του Γκρατς της Αυστρίας. Το διαμάντι (αρχ. ελληνικά αδάμας = αήττητος, ακατανίκητος, λόγω της μεγάλης σκληρότητάς του) είναι ορυκτό με ισχυρή λάμψη και πολύ μεγάλη σκληρότητα. Έχει πολύ μεγάλη διεθνή εμπορική αξία, λόγω της λαμπρότητάς του, που το έχει κάνει τον πιο γνωστό και περιζήτητο πολύτιμο λίθο. 8

9 Ακατέργαστο διαμάντι. Κατά πάσα πιθανότητα τα πρώτα διαμάντια ανακαλύφθηκαν στην Ινδία, καθώς υπάρχουν αναφορές από τον 4ο π.χ. αιώ-να. Το εμπόριο και η διακίνηση των διαμαντιών στον υπόλοιπο κόσμο υπολογίζεται ότι ξεκίνη-σε τον 1ο π.χ. αιώνα, όταν από την Ινδία πέρασε στην Κίνα, στη συνέχεια στην Αραβία, στην Περσία και τέλος στην Ευρώπη. Η Βενετία κατά τον 13ο έως και τον 16ο αιώνα μ.χ. έγινε το σπουδαιότερο κέντρο διακίνησης διαμαντι-ών. Μέχρι τον 16ο μ.χ. αιώνα η Μπριζ ήταν το μεγαλύτερο κέντρο κατεργασίας διαμαντιών στον κόσμο. Κατά τον 16ο αιώνα, η ανακάλυψη νέας θαλάσσιας οδού από την Ινδία μέσω του Ακρωτηρίου της Καλής Ελπίδας έκανε την Λισσαβόνα κομβικό σημείο διακίνησης διαμαντιών. Στις αρχές του 18ου αιώνα, εκτός από την Αμβέρσα σημαντικό κέντρο κατεργασίας και εμπορίας διαμαντιών έγινε και το Άμστερνταμ, ενώ ξεκίνησε η ανάπτυξη και στο Λονδίνο. Μάλιστα στο Άμστερν-ταμ, το 1822, ιδρύθηκαν τα πρώτα εργοστάσια με ατμοκίνητες μηχανές κατεργασίας. Παράλληλα ανακαλύφθηκαν νέα κοιτάσματα διαμαντιών στον ποταμό Ντος Μαρίνιος της Βραζιλίας. 9

10 Κατά τα μέσα του 19ου αιώνα ανακαλύφθηκαν μεγάλα κοιτάσματα διαμαντιών στην Νότια Αφρική. Το πρώτο διαμάντι, 10,73 καρατίων (το καράτι είναι μονάδα μέτρησης του βάρους πολύτιμων λίθων και αντιστοιχεί σε περίπου 0,2 γραμμάρια),με την ονομασία «Εύρηκα», ανακαλύφθηκε τυχαία το 1866 στις όχθες του ποταμού Οράγγη της Νοτίου Αφρικής. Το 1869 ανακαλύφθηκε ένα ακόμα πιο μεγάλο διαμάντι, το «άστρο της Νοτίου Αφρικής» 47,75 καρατίων. Το μεγαλύτερο διαμάντι που είναι γνωστό μέχρι και σήμερα είναι ο Cullinan που βρέθηκε το 1905 στο Τράνσβααλ (Ν. Αφρική) και ζύγιζε πριν την κατεργασία του καράτια (= 612,2 g). Εννέα διαμάντια κόπηκαν από το διαμάντι Cullinan. Στις 8 Σεπτεμβρίου του 2008 ανακαλύφθηκε στο Λεσότο της Νοτίου Αφρικής ένα διαμάντι 478 καρατίων, που αποτελεί και ένα από τα μεγαλύτερα στον κόσμο. Κύριες χώρες παραγωγής διαμαντιών σήμερα είναι η Ρωσία, η Κίνα, η Ινδία, το Ζαΐρ, η Νότια Αφρική, η Βραζιλία και η Αυστραλία. Τα διαμάντια στη φυσική τους κατάσταση είναι ημιδιαφανή, διαφανή ή ακόμα και αδιαφανή και οι χρωματισμοί τους ποικίλουν: γκρίζα, μπλε, κόκκινα, κίτρινα, πράσινα ή και μαύρα. 10

11 Είναι κρυσταλλικά σώματα δηλαδή έχουν κρυσταλλική δομή. Με τον όρο κρυσταλλική δομή εννοούμε τη διάταξη των ατόμων του υλικού στο χώρο, η οποία παρουσιάζει περιοδικότητα δηλαδή επαναληψημότητα ανά τακτικά διαστήματα, προς τις τρεις διαστάσεις του χώρου. Το μικρότερο σύνολο ατόμων του υλικού το οποίο επαναλαμβανόμενο περιοδικά στο χώρο συγκροτεί τη συνολική κρυσταλλική δομή του υλικού ονομάζεται στοιχειώδης κύτταρο του υλικού. Το στοιχειώδης κύτταρο ενός υλικού μπορεί να έχει διάφορα σχήματα. Ανάλογα με το σχήμα του, ονομάζεται και το κρυσταλλικό σύστημα το οποίο σχηματίζει, επαναλαμβανόμενο περιοδικά στον τρισδιάστατο χώρο. Το διαμάντι κρυσταλλώνεται στο κυβικό σύστημα. Διάφορες μορφές της στοιχειώδους κυψελίδας στο κυβικό σύστημα. 11

12 Συχνά οι κρύσταλλοι του διαμαντιού περιέχουν και άλλα ορυκτά, όπως γραφίτη, χλωρίτη, ζιρκόνιο, αιματίτη κ.α.. Η απουσία προσμίξεων, όπως οι παραπάνω, δίνει μεγαλύτερη αξία στο διαμάντι, τέτοια είναι τα Διαμάντια που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή κοσμημάτων: διαφανή και άχρωμα. Το ποσοστό της συνολικής παραγωγής, που καταλήγει στην κατεργασία για την κατασκευή κοσμημάτων, ανέρχεται περίπου στο 3 έως 5%. Ο βαθμός σκληρότητάς του στην κλίμακα Mohs είναι 10, δηλαδή είναι πολύ σκληρό, όμως είναι και εύ-θραυστο, δηλαδή εάν ένα διαμάντι πέσει επάνω σε μια σκληρή επιφάνεια, μπορεί να σπάσει σε μικρό-τερα κομμάτια. Λόγω της σκληρότητάς του χρησιμοποιείται σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές, για την κατασκευή εργαλείων κοπής και λείανσης άλλων σκληρών υλικών. Χαρακτηριστικά γνωστά εργαλεία είναι τα αδαμαντοτρύπανα και τα εργαλεία κοπής υαλοπι-νάκων (κοινώς τζαμοκόφτες), για εργαλεία κοπής και λείανσης κ.α.. Τα Διαμάντια πολλές φορές, ιδιαίτερα στην κοσμημα-τοποιία, συνδυάζονται με ένα άλλο πολύτιμο υλικό τον Χρυσό. Το χημικό στοιχείο Χρυσός (στα λατινικά Aurum και στα αγγλικά Gold) είναι ένα πυκνό, μαλακό, αστραφτερό, ελατό και όλκιμο στερεό μέταλλο. 12

13 Ως χημικό στοιχείο έχει ως σύμβολο το Au, ατομικό αριθμό 79 και ατομικό βάρος περίπου 196,966. Έχει θερμοκρασία τήξης 1.064,43 C και θερμοκρασία βρασμού C. Ο καθαρός Χρυσός έχει ένα έντονο κίτρινο χρώμα και ελκυστική λάμψη. Δεν οξειδώνεται. Είναι ένα από τα λιγότερο δραστικά χημικά στοιχεία που υπάρ-χουν. Γι' αυτόν το λόγο βρίσκεται αρκετά συχνά σε ελεύθερη στοιχειακή μορφή, σε σβώλους ή κόκκους ανάμεσα σε πετρώ-ματα ή σε «φλέβες». Λιγότερο συχνά βρίσκεται σε ορυκτά που περιέχουν χημικές ενώσεις του χρυσού με το Τελλούριο (Te). Ο Χρυσός διαλύεται σε αλκαλικά διαλύματα του κυανίου (CN-), ιδιότητα που χρησιμοποιείται ευρύτατα κατά την εξόρυξη του μετάλλου από τα κοιτάσματά του. 13

14 Αλκάλια ή αλκαλιμέταλλα ονομάζονται τα ακόλουθα έξι χημικά στοιχεία: Λίθιο (Li), Νάτριο (Na), Κάλιο (K), Ρουβίδιο (R),Καίσιο (Cs) και Φράγκιο(Fr). Ο Χρυσός έχει μεγάλη οικονομική αξία ως πολύτιμο μέταλλο για νομίσματα, κοσμήματα και άλλα τεχνουργήματα, εδώ και πάρα πολλά χρόνια. Υπολογίστηκε ότι, από την αρχή της γνωστής ανθρώπινης ιστορίας μέχρι και το 2009, εξορύχτηκαν συνολικά τόνοι ή περίπου m3 χρυσού. Η παγκόσμια κατανάλωση του εξορυσώμενου χρυσού είναι περίπου 50% σε κοσμήματα, 40% σε επενδυτικά αποθέματα, και λιγότερο από 10% σε βιομηχανικές και άλλες εφαρμογές. Έχει μεγάλη ελατότητα, ολκιμότητα, αντίσταση στην επίδραση των περισσοτέρων χημικών ουσιών, αλλά και μεγάλη ηλεκτρική αγωγιμότητα. Οι εφαρμογές του χρυσού περιλαμβάνουν, μεταξύ άλλων, ηλεκτρικά καλώδια, χρυσά ή επιχρυσωμένα σερβίτσια φαγητού, οδοντικά επιθέματα κ.α.. 14

15 Η καθαρότητά του μετράται είτε με καράτια (24 καράτια είναι ο καθαρός χρυσός) είτε με χιλιοστά (1000 χιλιοστά ο καθαρός χρυσός). Στα κοσμή-ματα χρησιμοποιείται η ποιότητα των 14 καρα-τιών (585 χιλιοστά) και η ποιότητα 18 καρατιών (750 χιλιοστά). Κλείνουμε την αναφορά μας για το Διαμάντι και το Χρυσό και συνεχίζουμε την αναφορά μας στο Βηρύλλιο και στις υπόλοιπες ιδιότητές του πέρα από τη σκληρότητα. Σε κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης, το Βηρύλλιο αντιστέκεται στην οξείδωση όταν εκτίθεται στον αέρα. Ο όρος κανονι-κές συνθήκες (Κ.Σ.) στις φυσικές επιστήμες αναφέρε-ται συνήθως στις Κανονικές Συνθήκες Πίεσης και Θερμοκρασίας (Standard conditions for temperature and pressure, STP), οι οποίες είναι οι εξής: Θερμοκρασία: 0 C (273,15 K) και Πίεση: 1 atm. Στη φύση, βρίσκεται κυρίως υπό τη μορφή οξειδίων ή πολύπλοκων αργιλοπυριτικών ενώσεων, που φέρο-νται με το γενικό όνομα Βήρυλλος (Be3Al2(SiO3)6). Χρησιμοποιείται κυρίως ως σκληρυντής σε ορισμένα κράματα, ειδικότερα στο κράμα χαλκούβηρυλλίου που χρησιμοποιείται για την παραγωγή καλουπιών για πλαστικές ύλες. Διότι τα κράματα αυτά είναι ταυτόχρονα ελαφρά και δύσκαμπτα, αντιστέκονται στη θερμότητα και διαθέτουν μικρό συντελεστή διαστολής. 15

16 Το Βηρύλλιο ενσωματώνεται σε ορισμένα ειδικά κράματα, για παράδειγμα υλικά με μεγάλη αντίσταση στην τριβή και υλικά που χρησιμοποιούνται σε διαστημικές και αεροναυτικές εφαρμογές. Επίσης, χρησιμοποιείται ως "παράθυρο" ακτίνων Χ, για παράδειγμα το παράθυρο μιας λυχνίας ακτίνων Χ ή ενός ανιχνευτή ακτίνων Χ. Το παράθυρο απομονώνει το εσωτερικό της συσκευής από το γύρω περιβάλλον. Όταν φεύγει ένα ηλεκτρόνιο από εσωτερική στοιβάδα, τότε ένα ηλεκτρόνιο από υψηλότερη ενεργειακή στοιβάδα καλύπτει το κενό πέφτοντας στην χαμηλότερη στοιβάδα και εκπέμποντας την διαφορά ενεργείας σαν ακτίνες Χ. Η ενέργεια αυτών των ακτίνων είναι χαρακτηριστική της μετάπτωσης και κατά συνέπεια του ατόμου. 16

17 17

18 Η ονομασία, ακτίνες Χ (άγνωστες), δόθηκε καθώς οι ακτίνες είχαν ξεκάθαρες ομοιότητες με το φώς αλλά δεν είχαν καμία παρόμοια ιδιότητα με αυτές της θεμελιωμένης κυματικής οπτικής, πόλωση, περίθλαση, ανάκλαση και διάθλαση. Για τη σημαντική του ανακάλυψη δόθηκε το πρώτο Νόμπελ Φυσικής το Οι ακτίνες Χ χρησιμοποιούνται και στα ΦΑΣΜΑΤΑ ΠΕΡΙΘΛΑΣΗΣ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται για τη μέτρηση των διαστάσεων των κρυσταλλικών πλεγμάτων. Οποιαδήποτε νέα φάση σχηματίζεται σε ένα κράμα είτε εμφανίζεται ως διαφορετική κρυσταλλική δομή, είτε προκαλεί μεταβολή στις διαστάσεις του πλέγματος, οπότε είναι δυνατόν να μελετηθεί με τη βοήθεια της σχετικά απλής αυτής μεθόδου. Ο τρόπος παραγωγής ακτίνων Χ είναι η πρόσκρουση ηλεκτρονίων υψηλής ενεργείας στην επιφάνεια ενός μετάλλου. Τα ηλεκτρόνια αυτά προσπίπτοντας στο στόχο διεγείρουν τα ηλεκτρόνια των εσωτερικών στοιβάδων του μετάλλου προκαλώντας την απόσπασή τους. Το «κενό» αυτό στην εσωτερική στοιβάδα του ατόμου καλύπτεται από ηλεκτρόνια υψηλότερων εξωτερικών ενεργειακά στοιβάδων. Η παραπανίσια ενεργεία, δηλαδή η ενεργειακή διαφορά των δυο στοιβάδων, ελευθερώνεται με την εκπομπή φωτονίου (ακτίνες Χ). 18

19 Το μέτρο ελαστικότητας του Βηρυλλίου (Young's modulus) ισούται με 287 GPa, ενώ η ταχύτητα με την οποία κινείται ο ήχος εντός του είναι m/s. Στον αέρα, και υπό κανονικές συνθήκες, η ταχύτητα του ήχου υπολογίζεται στα 331,5 μέτρα το δευτερόλεπτο. Το Χαλκοβηρύλλιο, όπως προσδιορίζει και η σύνθετη ονομασία του είναι κράμα Χαλκού (Cu) και Βηρυλλίου,(Be). Μια τυπική περιεκτικότητα του κράματος σε Βηρύλλιο είναι 2%, ενώ μπορεί να περιέχει προσμίξεις Νικελίου ή Κοβαλτίου. Πρόκειται για το σκληρότερο αλλά και ελαστικότερο απ όλα τα κράματα του χαλκού. Είναι όλκιμο και μπορεί εύκολα να διαμορφωθεί. Γενικά παρουσιάζει αξιοσημείωτα χαρακτηριστικά τόσο μηχανικά όσο και ηλεκτρικά που το καθιστούν κατάλληλο σε πολλές εφαρμογές. Το κυριότερο από αυτά είναι ότι τα διάφορα εργαλεία που κατασκευάζονται με αυτό το κράμα δεν παράγουν σπινθήρες και είναι αυτά που χρησιμοποιούνται σε ορυχεία, πυριτιδοποιεία και σε χώρους όπου παρατηρούνται επικίνδυνα αέρια. 19

20 Σημειώνεται ότι σε όλα τα δεξαμενόπλοια, υγραεριοφόρα ή άλλα πλοία που μεταφέρουν επικίνδυνα εκρηκτικά αέρια, καθώς και σε πλωτές εξέδρες εξόρυξης πετρελαίου, όπως και σε συναφείς εγκαταστάσεις στην ξηρά, υποχρεωτικά για λόγους ασφαλείας όλα τα εργαλεία που χρησιμοποιούνται π.χ. κλειδιά, πένσες, ξύστρες, σφυριά κ.λπ. πρέπει να είναι από Χαλκοβηρύλλιο. Άλλες εφαρμογές του Χαλκοβηρυλλίου είναι σε κατασκευές ελατηρίων, ηλεκτρικών επαφών, στην κατασκευή ψυγείων και λόγω της σκληρότητάς του ως αλεξίσφαιρο υλικό σε θωράκιση θυρών, οχημάτων κ.λπ.. 20

21 Τέλος Ενότητας 21