1 η ΕΝΟΤΗΤΑ ΔΟΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ (ΕΙΣΑΓΩΓΗ)

Transcript

1 ΣΧΟΛΗ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΜΠ ΤΕΧΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ 1 η ΕΝΟΤΗΤΑ ΔΟΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ (ΕΙΣΑΓΩΓΗ) Ε. Βιντζηλαίου (Συντονιστής), Ε. Βουγιούκας, Ε. Μπαδογιάννης

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες Χρήσης Creative Commons. για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 ΚΕΡΑΜΙΚΑ, ΓΥΑΛΙ ΣΥΝΘΕΤΑ ΜΕΤΑΛΛΑ, ΚΡΑΜΑΤΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ 3

4 ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ (ΓΕΝΙΚΑ) ΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΦΥΣΙΚΟΙ ΛΙΘΟΙ-ΚΟΝΙΕΣ ΚΑΙ ΚΟΝΙΑΜΑΤΑ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ ΧΑΛΥΒΑΣ ΚΑΙ ΑΛΛΑ ΜΕΤΑΛΛΑ ΞΥΛΟ ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΤΟΙΧΟΠΟΙΙΕΣ ΠΟΛΥΜΕΡΗ 4

5 ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ MATERIALS STRUCTURE

6 Δομή των υλικών Oι δεσμοί μεταξύ των ατόμων κάθε υλικού (οι δυνάμεις που συγκρατούν τα άτομα) H γεωμετρική ταξινόμηση των ατόμων (ο τρόπος τοποθέτησης τους) Oι ατέλειες που εμφανίζονται στη γεωμετρική ταξινόμηση των ατόμων 6

7 Ηλεκτραρνητικότητα (electronegativity), x, ενός στοιχείου είναι ένα εμπειρικό μέτρο της τάσης που έχει το άτομο ενός μορίου να έλκει προς το μέρος του ηλεκτρόνια Περιοδικότητα ηλεκτραρνητικότητας ΑΥΞΗΣΗ: Αριστερά προς Δεξιά/ Κάτω προς Πάνω 7

8 Φύση ατομικού δεσμού: Εξαρτάται από την διαφορά ηλεκτραρνητικότητας Δx μεταξύ των ατόμων Δx >1.7, ΙΟΝΤΙΚΟΣ ή ΕΤΕΡΟΠΟΛΙΚΟΣ ΔΕΣΜΟΣ 0< Δx <1.7, ΠΟΛΩΜΕΝΟΣ ή ΠΟΛΙΚΟΣ ΟΜΟΙΟΠΟΛΙΚΟΣ ΔΕΣΜΟΣ Δx = 0, ΚΑΘΑΡΑ ΟΜΟΙΟΠΟΛΙΚΟΣ ΔΕΣΜΟΣ 8

9 Ιοντικός Δεσμός ή Ετεροπολικός Δεσμός (ionic bond) Δυνάμεις δεσμού που οφείλονται στην (ηλεκτροστατική) αλληλεπίδραση μεταξύ θετικών και αρνητικών ιόντων. Τα ηλεκτρικά θετικά άτομα αποδίδουν ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια σε ηλεκτρικά αρνητικά άτομα δημιουργώντας έτσι ηλεκτρικά ιόντα. Κεραμικά/ Γύψος / Ασβεστίτης /Αλάτι Σχηματική απεικόνιση ιοντικού δεσμού Στην κρυσταλική τους μορφής παίρνουν τέτοιες θέσεις ώστε να ελαχιστοποιούνται απωστικές δυνάμεις μεταξύ ιόντων ίδιου προσήμου Μερικά, σε υδατικό διάλυμα κινούνται ελεύθερα και η κρυσταλλική δομή καταστρέφεται. Π.χ. NaCl 9

10 Ομοιοπολικός Δεσμός (covalent bond) Άτομα που μοιράζονται τα ηλεκτρόνια του εξωτερικού τους φλοιού με άλλα άτομα (κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων) δημιουργούν ένα ομοιοπολικό δέσμο. Έτσι, κάθε άτομο εμφανίζει στον εξωτερικό του φλοιό έναν πλήρη αριθμό ηλεκτρονίων Κυριαρχεί στις ενώσεις του Si Σχηματική απεικόνιση ομοιοπολικού δεσμού 10

11 Μεταλλικός Δεσμός (metallic bond) Μεταλλικός δεσμός είναι η ελκτική δύναμη μεταξύ του ηλεκτρονιακού νέφους και των θετικών ιόντων του μετάλλου. Συναντάται μόνο στα μέταλλα, τα οποία έχουν λίγα σχετικά ηλεκτρόνια στην εξωτερική τους στοιβάδα, σε μαγάλη απόσταση από τον πυρήνα. Λόγω του αδύνατου δεσμού με τον πυρήνα, τα ηλεκτρόνια αυτά κινούνται ελεύθερα (νέφος ηλεκτρονίων) ανάμεσα στα μεταλλικά (θετικά) ιόντα. Σχηματική απεικόνιση μεταλλικού δεσμού 11

12 Δεσμοί van der Waals Ο δεσμός van der Waals είναι σχετικά ασθενής δεσμός μεταξύ ευσταθών ατόμων με πλήρη εξωτερική στοιβάδα και οφείλεται κυρίως στην εμφάνιση πολικότητας, δηλαδή στην ιδιότητα στιγμιαίου προσανατολισμού του ηλεκτρικού φορτίου Σχηματική απεικόνιση δεσμού van der Waals 12

13 Δεσμός υδρογόνου Ο δεσμός μεταξύ ενός ατόμου Η2 ενός μορίου και ενός ισχυρά ηλεκτραρνητικά ατόμου άλλου μορίου (F,O,N) Αποτελεί ειδική περίπτωση δεσμού διπόλου διπόλου (προσανατολισμένος) Σχηματική απεικόνιση δεσμού υδρογόνου 13

14 Ατομικός δεσμός Ελκτικές και απωθητικές δυνάμεις Ελκτικές ή απωθητικές ενέργειες αλληλεπίδρασης Θέση ισορροπίας, όταν ελκτικές και απωθητικές δυνάμεις εξουδετερώνονται Δυστένεια S: Για μικρές μεταβολές του r από την τιμή r 0, η δυστένεια S είναι σταθερή Ο δεσμός είναι ελαστικός (φυσική ερμηνεία του νόμου του Hooke) (α) Ατομικός δεσμός, (β) ενέργεια δεσμού, (γ) δύναμη δεσμού 14

15 Ορθή τάση, σ Μέτρο ελαστικότητας,ε Υπολογισμός μέτρου ελαστικότητας βάσει της δυστένειας ατομικών δεσμών 15

16 Κυριότερα είδη χημικών δεσμών και χαρακτηριστικές ιδιότητες (Θ.τήξης, μετρ.ελαστ., συν. γραμ. διαστολής, Πηγή Χρυσουλάκης Γ., Παντελής Δ. Επιστήμη και τεχνολογία των μεταλλικών υλικών) 16

17 Κρυσταλλικά (μέταλλα, φυσικά ορυκτά) Οι δομικές μονάδες (άτομα, μόρια) καταλαμβάνουν αυστηρά καθορισμένες θέσεις στο χώρο, σύμφωνα με ένα γεωμετρικό υπόδειγμα που λέγεται κρυσταλλικό σύστημα. Όλα σχεδόν τα κρυσταλλικά σώματα εμφανίζονται με τη μορφή συσσωμάτων κρυστάλλων μεγέθους κλάσματος του χιλιοστού έως μερικά εκατοστά και όχι ως ενιαίοι κρύσταλλοι. Άμορφα υλικά (τσιμεντοπολτός, ξύλο, οπτόπλινθοι, πολυμερή) οι δομικές μονάδες κατέχουν τυχαίες θέσεις στη μάζα του στερεού. είναι δυνατόν να παρουσιάσει τοπική κανονικότητα (κρυσταλλική δομή), η οποία όμως δεν επεκτείνεται σε όλο το σώμα. 17

18 Κρύσταλλος (ή κρυσταλλίτης ή κόκκος): Η παράπλευρη επανάληψη, προς όλες τις διευθύνσεις, των στοιχειωδών κυττάρων, έτσι ώστε γειτονικά κύτταρα να έχουν κοινές πλευρές, σχηματίζει τα κρυσταλλικά πλέγματα Kυβικό, τετραγωνικό ρομβοεδρικό, εξαγωνικό, ορθορομβικό, μονοκλινές, τρικλινές. Kρυσταλλικοί άξονες και κρυσταλλικά επίπεδα. Το είδος των κρυσταλλικών πλεγμάτων και η διεύθυνση των κρυσταλλικών αξόνων-επιπέδων, επηρεάζουν τις ιδιότητες (π.χ. μηχανικές, ηλεκτρικές, θερμικές κ.α.) των υλικών. Στοιχειώδη κύτταρα: Ρ = απλό, F = εδροκεντρωμένο, Β = χωροκεντρωμένο, C = μερικά εδροκεντρωμένο, R = απλό ρομβοεδρικό 18

19 Παράδειγμα ενός υλικού και πως το είδος και η διεύθυνση επηρεάζει τις ιδιότητες Π.χ. Χάλυβας. 19

20 Υλικά στα οποία τα άτομα και τα μόρια ταξινομημένα μέσα στην ύλη κατά μάλλον τυχαίο τρόπο Βρίσκονται σε υψηλότερη ενεργειακά κατάσταση συγκριτικά με τα κρυσταλλικά υλικά Τα άτομα συνδέονται μεταξύ τους ανά διαστήματα με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς (α) (β) Σχηματική παράσταση της δομής αμόρφων υλικών: (α) Γυαλί, (β) Πολυμερές (π.χ.εποξειδική ρητίνη) 20

21 Η δομή των πραγματικών κρυσταλλικών υλικών παρουσιάζει διάφορες ατέλειες Επηρεάζουν τις ιδιότητες των υλικών (παράδειγμα, η θεωρητική αντοχή ενός ιδανικού κρυστάλλου είναι κατά 10 3 περίπου φορές μεγαλύτερη από την αντοχή του αντίστοιχου πραγματικού σώματος) Ανάλογα με τις διαστάσεις και τη γεωμετρική τους μορφή, οι ατέλειες χαρακτηρίζονται σε: Σημειακές Γραμμικές Επιφανειακές Χωρικές 21

22 Χαρακτηριστικά τοπικό χαρακτήρα διαστάσεις της τάξης των ενδοατομικών αποστάσεων Είδη Πλεγματικά κενά Άτομο παρεμβολής Άτομο αντικατάστασης Άτομο αντικατάστασης Επηρεάζουν σε σημαντικό βαθμό τη μηχανική συμπεριφορά ορισμένων μετάλλων, όπως είναι τα κράματα μετάλλων. 22

23 Χαρακτηριστικά αναπτύσσονται μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα κατά μήκος γραμμών δημιουργούνται κατά κανόνα στο στάδιο κρυστάλλωσης της ύλης ή της πλαστικής παραμόρφωσης είναι υπεύθυνες για την ικανότητα μερικών υλικών (π.χ. μέταλλα), να διαρρέουν λόγω διατμητικών τάσεων η πυκνότητα τους (συνολικό τους μήκος ανά μονάδα όγκου) μπορεί να φτάσει τα cm/cm 2, δηλ. 1,000,000 km/cm 2, στην περίπτωση π.χ. πλαστικής παραμόρφωσης μετάλλου 23

24 Γεωμετρική παραγωγή καταναγκασμού και ολίσθηση λόγω διατμητικών τάσεων 24

25 Χαρακτηριστικά σχηματίζονται: οριακές επιφάνειες των κόκκων επιφάνειες φάσεων (περιοχές με σταθερή ατομική και χημική σύνθεση που μπορούν να ξεχωριστούν με μηχανικά μέσα) των πολυφασικών υλικών. έχουν σημαντικό ρόλο στην πλαστική παραμόρφωση των υλικών, δηλαδή παρεμποδίζουν, ως ένα βαθμό, την κίνηση των γραμμικών ατελειών 25

26 Χαρακτηριστικά μακροσκοπικά σημεία ασυνέχειας σε τρεις διαστάσεις. Τέτοιες είναι, για παράδειγμα, οι περιοχές συσσώρευσης κενών θέσεων ατόμων, οι ρωγμές κ.τ.λ. προκύπτουν κατά την παραγωγή των υλικών επηρεάζουν τη μηχανική συμπεριφορά τους μέσω της διάδοσης ρωγμών, που έχει ως αποτέλεσμα τη θραύση των υλικών. 26

27 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα Πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοιχτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση.