ΕΤΥ-349 ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ

Transcript

1 ΕΤΥ-349 ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ Χειμερινό εξάμηνο ακαδημαϊκού έτους Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογία Υλικών, Πανεπιστήμιο Κρήτης Διδάσκων: Βασίλης Παλτόγλου Γραφείο: Ε.116, κτήριο Μαθηματικών Τηλ.:

2 ΓΕΝΙΚΕΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ Επιθυμητά Προαπαιτούμενα: ΕΤΥ-101 Γενική Φυσική Ι, ΕΤΥ-122 Οργανική Χημεία, ΕΤΥ-223 Ανόργανη Χημεία, ΕΤΥ-141 Υλικά Ι, ΕΤΥ-243 Υλικά ΙΙ. Διδακτικές ώρες: 12x3 διαλέξεις Ώρες διδασκαλίας : κάθε Δευτέρα , αίθουσα: A210, κτήριο Μαθηματικών Ώρες γραφείου: κάθε Πέμπτη 15:00-17:00 Ε.116, κτήριο Μαθηματικών Τρόπος Εξέτασης και Βαθμολογίας: Προαιρετική εξέταση προόδου (30%) Υποχρεωτική τελική εξέταση (70% αν ο βαθμός της είναι μικρότερος από το βαθμό της προόδου ή 100% αν ο βαθμός της είναι καλύτερος από το βαθμό της προόδου).

3 Βιβλιογραφία: o Σημειώσεις - διαθέσιμες μετά από κάθε μάθημα στην ιστοσελίδα o o W. D. Callister, Επιστήμη και Τεχνολογία των Υλικών", Εκδόσεις Τζιολα (2008). N. E. Dowling, "Mechanical Behavior of Materials: Engineering Methods for Deformation, Fracture and Fatigue", Prentice Hall, 4th edition.

4 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Μηχανήματα, οχήματα και κατασκευές - ασφαλή, ανθεκτικά, να διαρκούν. Τα υλικά εκτίθενται σε εξωτερικά ερεθίσματα -> προκαλούν απόκριση. Ιδιότητα ενός υλικού - εκφράζει είδος και μέγεθος απόκρισης σε ερέθισμα Μηχανικές ιδιότητες - συσχετίζουν παραμόρφωση με ένα ασκούμενο φορτίο η δύναμη Θερμικές ιδιότητες περιγράφονται από θερμοχωρητικότητα, ειδική θερμική αγωγιμότητα Σχέσεις δομών - ιδιοτήτων των υλικών - Επιστήμη υλικών Σχεδίαση και τεχνολογία σχεδίασης της δομής του υλικού - Τεχνολογία υλικών

5 2.ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΑΣΤΟΧΙΑΣ

6 Fuselage failure in the air Damage by birdstrike

7 Crash-Test δυο τρένων Σιδηροδρομικές ράγες μετά από σεισμό Παραμόρφωση λόγω θερμικής διαστολής

8 Αστοχία εξέδρας εξόρυξης πετρελαίου Αστοχία ανεμογεννήτριας

9 NASA Space Shuttle Challenger disaster January 28, 1986

10 Ναυάγιο Τιτανικού 1912

11

12

13

14 3. ΑΤΟΜΙΚΗ ΔΟΜΗ 3.1 ΑΤΟΜΙΚΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΤΟΥ BOHR τροχιά ηλεκτρόνιο πυρήνας Πυρήνας πρωτόνια ( + e ) - νετρόνια (ηλεκτρικά ουδέτερα) Ηλεκτρόνια (-e) -περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε διακριτές τροχιές θέση καλά καθορισμένη e = C στοιχειώδες φορτίο Ατομικό πρότυπο του Bohr m p m n = kg m e = kg Αρχή κβαντομηχανικής - οι ενέργειες των ηλεκτρονίων είναι κβαντισμένες

15 3.2 ΠΡΟΤΥΠΟ ΤΗΣ ΚΥΜΑΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Το ηλεκτρόνιο - χαρακτηριστικά σωματιδίου και κύματος Άτομο του υδρογόνου Η θέση του ηλεκτρονίου περιγράφεται από την πιθανότητα να βρεθεί σε διάφορες περιοχές γύρο από τον πυρήνα Bohr κυματομηχανική

16 Κάθε ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο χαρακτηρίζεται με 4 κβαντικούς αριθμούς: o Κύριος κβαντικός αριθμός, n προσδιορίζει την στιβάδα, απόσταση ηλεκτρονίου- πυρήνα - K (n=1), L(n=2), M(n=3), N(n=4), O(n=5) - σχετίζεται και με το πρότυπο Bohr o Δεύτερος κβαντικός αριθμός, l προσδιορίζει την υποστιβάδα - s, p, d, f - ο αριθμός των υποστιβάδων l < n o Τρίτος κβαντικός αριθμός, m l - αριθμός καταστάσεων (states) κάθε υποστιβάδας - απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου -> οι καταστάσεις κάθε υποστιβάδας είναι ίδιες - εξωτερικό μαγνητικό πεδίο -> οι καταστάσεις κάθε υποστιβάδας διαχωρίζονται με ελαφρώς διαφορετική ενεργεία - l < m l < l o Τέταρτος κβαντικός αριθμός, m s - στροφορμή αυτοπεριστροφής (spin) - +1/2, -1/2

17 Ο αριθμός των διαθέσιμων ηλεκτρονιακών καταστάσεων n l m l Αριθμός Ανά υποστιβαδα ηλεκτρονίων Ανά στιβαδα 1 (K) 0 (s) (L) 0 (s) 1 (p) 3 (M) 0 (s) 1 (p) 2 (d) 4 (N) 0 (s) 1 (p) 2 (d) 3 (f) 0-1, 0, 1 0-1, 0, 1-2, -1, 0, 1, 2 0-1, 0, 1-2, -1, 0, 1, 2-3, -2, -1, 0 1, 2, 3 Η απαγορευτική αρχή του Pauli: κάθε ενεργειακή κατάσταση μπορεί να έχει το πολύ δυο ηλεκτρόνια, με αντίθετα spin

18 Δεν γεμίζουν όλες οι δυνατές στάθμες με ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια συμπληρώνουν τις χαμηλότερες ενεργειακές καταστάσεις με δυο ηλεκτρόνια αντίθετου spin Ηλεκτρόνια σθένους - στην εξωτερική κατειλημμένη στιβάδα (valence electron) -λαμβάνουν μέρος στους ατομικούς δεσμούς -καθορίζουν τις φυσικές και χημικές ιδιότητες Σταθερή ηλεκτρονιακή διαμόρφωση - η στιβάδα των ηλεκτρονίων σθένους είναι εντελώς συμπληρωμένη. Τα στοιχειά που είναι ικανά να δώσουν/δέχονται λίγα ηλεκτρόνια σθένους - ηλεκτροθετικά/ηλεκτροαρνητικά

19 Ο ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ Όλα τα στοιχεία έχουν ταξινομηθεί κατά αυξανόμενο ατομικό αριθμό. Τα στοιχεία που βρίσκονται σε μια δεδομένη στήλη η ομάδα έχουν την ίδια διαμόρφωση ηλεκτρονίων σθένους και ίδιες φυσικές και χημικές ιδιότητες.

20 Ο ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ Η ηλεκτροαρνητικότητα αυξάνεται από αριστερά στα δεξιά και από κάτω προς τα πάνω.

21 4. ΠΡΩΤΕΥΟΝΤΕΣ/ΚΥΡΙΟΙ ΔΕΣΜΟΙ ΜΕΤΑΞΥ ΑΤΟΜΩΝ 4.1 Μεταλλικός δεσμός ( Metallic bond ) Μέταλλα και κράματα τους - 1, 2, 3 ηλεκτρόνια σθένους (ομάδες ΙΑ, ΙΙΑ) Τα ηλεκτρόνια σθένους - δεν συνδέονται με κάποιο συγκεκριμένο άτομο - είναι σχεδόν ελεύθερα - μοιράζονται μεταξύ πολλών ατόμων - νέφος (η θάλασσα) ηλεκτρονίων Μπορεί να είναι ασθενής η ισχυρός Συνέπεια των ελεύθερων ηλεκτρονίων -> καλοί αγωγοί ηλεκτρισμού και θερμότητας Μη κατευθυντικός

22 κεραμικά υλικά 4.2 Ιοντικός δεσμός ( Ionic bond ) ενώσεις μεταξύ μετάλλων και αμετάλλων τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται από ένα άτομο σε άλλο άτομα μέταλλων δίνουν τα ηλεκτρόνια σθένους στα άτομα αμετάλλων Όλα τα άτομα αποκτούν σταθερή διαμόρφωση Όλα τα άτομα μετατρέπονται σε ιόντα Ελκτικές δυνάμεις Coulomb τα θετικά και αρνητικά ιόντα έλκονται μεταξύ τους Μη κατευθυντικός το μέγεθος των δυνάμεων δεσμού ίδιο σε όλες τις κατευθύνσεις γύρω από το ιόν Τα ιοντικά υλικά είναι σκληρά και εύθραυστα, με μονωτικές ηλεκτρικές και θερμικές ιδιότητες

23 4.3 Ομοιοπολικός δεσμός ( Covalent bond ) τα ηλεκτρόνια μοιράζονται μεταξύ δύο ατόμων Κατευθυντικός υπάρχει μόνο στη διεύθυνση μεταξύ των ατόμων που συμμετέχουν στο μοίρασμα ηλεκτρονίου Ο αριθμός ομοιοπολικών δεσμών για ένα άτομο καθορίζεται από τον αριθμό ηλεκτρονίων σθένους Μπορεί να είναι πολύ ασθενής (βισμούθιο) η πολύ ισχυρός (διαμάντι) Πολυμερικά υλικά μακριά αλυσίδα ατόμων άνθρακα ομοιόμορφα συνδεμένα μαζί, με 2 από τους 4 διαθέσιμους δεσμούς - οι άλλοι 2 δεσμοί ομοιοπολικά συνδεμένα με άλλα άτομα

24 4.4 ΔΕΥΤΕΡΕΥΟΝΤΕΣ ΔΕΣΜΟΙ Δεσμός Van der Waals Δεσμός Υδρογόνου Δεσμος Van der Waals - μεταξύ μορίων που είναι ομοιοπολικά συνδεμένα σε μοριακές δομές - έλξη Coulomb μεταξύ θετικού και αρνητικού άκρου διπόλου - πολύ ασθενείς δεσμοί Δεσμός Υδρογόνου - Μεταξύ μορίων που έχουν υδρογόνο σαν ένα από τα συστατικά τους

25 ΕΝΕΡΓΕΙΕΣ ΔΕΣΜΩΝ & ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ ΤΗΞΗΣ Τύπος δεσμού Ουσία Ενέργεια δεσμού (kj/mol ) (ev/άτομο, ιόν, μόριο) Θερμοκρασία τήξης ( ⁰C) Μεταλλικός Hg Al Fe W Ιοντικός NaCl MgO Ομοιοπολικός Si C διαμάντι >3550 Van der Waals Ar Cl Υδρογόνου NH H2O

26 ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΥΛΙΚΩΝ Με βάση τη χημική σύσταση και την ατομική δομή: Μέταλλα - συνήθως συνδυασμοί μεταλλικών στοιχείων - μεγάλη αντοχή - παραμορφώνονται εύκολα - ευρεία χρήση στις κατασκευές Κεραμικά - ενώσεις μεταξύ μεταλλικών και μη μεταλλικών στοιχείων (οξείδια, νιτρίδια, καρβίδια) - σκληρά - πολύ εύθραυστα. Πολυμερή - περιλαμβάνουν πλαστικά και ελαστικά υλικά - πολλά από αυτά είναι οργανικές ενώσεις - έχουν πολύ μεγάλες μοριακές δομές - μπορεί να είναι εξαιρετικά εύκαμπτα. o Σύνθετα υλικά, ημιαγώγιμα υλικά, βιοϋλικά, προηγμένα υλικά ( εφαρμογές υψηλής τεχνολογίας)

27 5. ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΕΣ ΔΟΜΕΣ Κρυσταλλικό στερεό - τα άτομα σε επαναλαμβανόμενη ή περιοδική διάταξη για μεγάλες ατομικές αποστάσεις - τάξη μακράς εμβέλειας Όλα τα μέταλλα, πολλά κεραμικά κι ορισμένα πολυμερή Σημαντικές διαφορές μεταξύ κρυσταλλικών και μη κρυσταλλικών υλικών της ίδιας σύστασης Μοντέλο των ατομικών σκληρών σφαιρών - τα άτομα και ιόντα θεωρούνται ως στερεές σφαίρες με καλά καθορισμένες διαμέτρους - οι γειτονικές σφαίρες βρίσκονται σε επαφή Μοναδιαίες κυψελίδες μικρές ομάδες ατόμων που σχηματίζουν ένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο

28 5.1 ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΕΣ ΔΟΜΕΣ ΓΙΑ ΜΕΤΤΑΛΑ 5.1Α ΕΔΡΟΚΕΝΤΡΩΜΕΝΗ ΚΥΒΙΚΗ ΔΟΜΗ - FACE-CENTERED CUBIC (FCC) - Κυβική μοναδιαία κυψελίδα με 8/8+6/2 = 4 άτομα - 8 άτομα τοποθετημένα στις 8 κορυφές + 1 άτομο στο κέντρο της κάθε έδρας του κύβου -Χαλκός, Αλουμίνιο, Άργυρος, Χρυσός

29 5.1Β ΧΩΡΟΚΕΝΤΡΩΜΕΝΗ ΚΥΒΙΚΗ ΔΟΜΗ - BODY-CENTERED CUBIC (BCC) - Κυβική μοναδιαία κυψελίδα με 8/8+1 = 2 ατομα - 8 άτομα τοποθετημένα στις 8 κορυφές + 1 άτομο στο κέντρο του κύβου - Σίδηρος, Χρώμιο, Μολυβδαίνιο, Βολφράμιο

30 5.1Γ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΕΞΑΓΩΝΙΚΗ HEXAGONAL CLOSE-PACKED (HCP) - Εξαγωνική μοναδιαία κυψελίδα με? άτομα - - Κάδμιο, Κοβάλτιο, Τιτάνιο, Ψευδάργυρος

31 5.2 Κρυσταλλικές δομές για κεραμικά υλικά 5.3 Κρυσταλλικές δομές για πολυμερή Διάταξη των μορίων σε μια μοναδιαία κυψελίδα πολυαιθυλενίου SiO2 (silica)

32 Μονοκρύσταλλος - η περιοδική διευθέτηση των ατόμων εκτείνεται σε όλο το σύνολο του δείγματος χωρίς διακοπή Πολυκρυσταλλικά υλικά σύνολο πολλών μικρών κρυστάλλων η κόκκων Μη κρυσταλλικά/άμορφα υλικά υλικά που δεν κρυσταλλώνονται

33 6.1 Σημειακές ατέλειες 6. ΑΤΕΛΕΙΕΣ ΤΩΝ ΣΤΕΡΕΩΝ Οι ιδιότητες των υλικών επηρεάζονται σημαντικά από την παρουσία ατελειών - κενή θέση - κενή πλεγματική θέση η οποία κανονικά καταλαμβάνονταν από ένα άτομο που τώρα απουσιάζει - ο αριθμός των κενών θέσεων αυξάνεται με την θερμοκρασία Ν v /Ν (T Tm ) ~ 10-4 Αυτοπαρεμβολή - Άτομο του κρυστάλλου μέσα σε μια διαπλεγματική θέση Κενή θέση

34 Προσμίξεις στα στερεά, κράματα Οι μηχανικές ιδιότητες καθαρών μετάλλων υφίστανται σημαντικές διαφοροποιήσεις όταν κραματοποιούνται (όταν προστίθενται άτομα πρόσμιξης) (π.χ. το κράμα αργύρου τύπου sterling (92.5% άργυρος 7.5% χαλκός) είναι πολύ πιο σκληρό από τον καθαρό άργυρο) Υποκαταστατικά Διαπλεγματικά

35 6.2 Διαταραχές (Dislocations) - Γραμμικές ατέλειες Διαταραχή γραμμική ή μονοδιάστατη ατέλεια γύρω από την οποία τα άτομα είναι κακοευθυγραμμισμένα Διάνυσμα Burgers b Γραμμή διαταραχής ακμής

36 Ελικοειδής διαταραχή Μεικτή διαταραχή Γραμμή διαταραχής

37 Διεπιφανειακές ατέλειες - όρια τα οποία έχουν δυο διαστάσεις και κανονικά διαχωρίζουν περιοχές των υλικών που έχουν διαφορετικές κρυσταλλικές δομές ή διαφορετικούς κρυσταλλογραφικούς προσανατολισμούς - εξωτερικές επιφάνειες, διαχωριστικά όρια κόκκων, διδυμίες Διαχωριστικά όρια κόκκων Διδυμιες Επιπεδο διδυμιας

38 Ατέλειες όγκου η κύριας μάζας Πόροι Ρωγμές Ξένα εγκλείσματα