Χηµικοίδεσµοί, Μικροδοµή, Παραµόρφωση καιμηχανικές Ιδιότητες

Transcript

1 Χηµικοίδεσµοί, Μικροδοµή, Παραµόρφωση καιμηχανικές Ιδιότητες Βασισµένοστο Norman E. Dowling, Mechanical Behavior of Materials, Third Edition, Pearson Education, 2007

2 Κλίµακες µεγέθους και επιστήµες που ασχολούνται µε τη µελέτη και εφαρµογή των τεχνολογικών υλικών

3 Γενικά Χαρακτηριστικά των κυριοτέρων τύπων τεχνολογικών υλικών εσµοί Μικροδοµή Πλεονεκτήµατα Μειονεκτήµατα Μέταλλα Κράµατα Μεταλλικοί Κρυσταλλίτες (κόκκοι) Μεγάληαντοχή, ελαστικότητα, ολκιµότητα, αγωγιµότητα Θραύση, κόπωση Πολυµερή Οµοιοπολικοί και ευτερεύοντες Μακροµόρια- µακροαλυσίδες Χαµηλόκόστος, µικρόβάρος, µεγάλη ανθεκτικότητα, Μικρή αντοχή και ελαστικότητα, ερπυσµός αντέχουν στη διάβρωση Κεραµικά Γυαλιά Ιοντικοί (ετεροπολικοί) οµοιοπολικοί Κρυσταλλίτες /άµορφα Μεγάληαντοχή, ελαστικότητα, σκληρότητα, αντέχουν τις υψηλές θερµοκρασίες και τη διάβρωση Ψαθυρότητα Σύνθετα υλικά διάφοροι Μήτρα και ίνες κλπ. Μεγάληαντοχή, ελαστικότητα, µικρό βάρος Υψηλό κόστος, ιαχωρισµός σε στρώµατα (delamination)

4 Οιτρειςτύποιτωνπρωτεύοντων/κύριωνχηµικώνδεσµών: Ιοντικός (ή ετεροπολικός): ηλεκτρόνια µεταφέρονται από ένα άτοµο σε άλλο Οµοιοπολικός: ηλεκτρόνια µοιράζονται µεταξύ δύο ατόµων Μεταλλικός: ηλεκτρόνια µοiράζονται µεταξύ πολλών ατόµων δηµιουργώντας ένα νέφος ηλεκτρονίων

5 Τρισδιάστατο κρυσταλλική δοµή του NaCl που αποτελείται από δύο αλληλοεισερχόµενα εδροκεντρωµένα κρυσταλλικά πλέγµατα (FCC)

6 Κυβική κρυσταλλική δοµή του διαµαντιού (αλλοτροπική µορφή του άνθρακα). Εξαιτίας των ισχυρών και των κατευθυντικών οµοιοπολικών δεσµών, το διαµάντι έχει την υψηλότερη θερµοκρασία τήξης, την µεγαλύτερη σκληρότητα και το µεγαλύτερο µέτρο ελαστικότητας απ όλα τα γνωστά στερεά.

7 Μοριακήδοµήτουαιθυλενίου (αέριο, C 2 H 2 ) καιτοπολυµερές πολυαιθυλένιο. Ο διπλός δεσµός στο αιθυλένιο αντικαθίσταται από δύο µονούς δεσµούς στο πολυαιθυλένιο επιτρέποντας το σχηµατισµό µιας µακροαλυσίδας.

8 Παράδειγµα δευτερευόντων δεσµών: εσµοί µεταξύ υδρογόνου καιοξυγόνουσεµόριανερού (H 2 O)

9 Παράδειγµα δευτερευόντων δεσµών: εσµοί µεταξύ υδρογόνου και χλωρίου σε µακροαλυσίδες πολυβινυλιοχλωριδίου (PVC)

10 Η γενική στοιχειώδης κυψελίδα και οι στοιχειώδης κυψελίδες των τριών από τα επτά δυνατά κρυσταλλογραφικά συστήµατα. Τα υπόλοιπα τέσσερα είναι: ορθοροµβικό, ροµβοεδρικό, µονοκλινές και τρικλινές

11 4 κρυσταλλικά πλέγµατα (από τα 14 δυνατά κρυσταλλικά πλέγµατα Bravais): απλόκυβικό, χωροκεντρωµένοκυβικό, εδροκεντρωµένοκυβικό, εξαγωνικό πλέγµα µέγιστης πυκνότητας

12 υσδιάστατα σχήµατα µιας άµορφης (αριστερά) και µιας κρυσταλλικής (δεξιά) δοµής ενός πολυµερούς

13 Κρυσταλλίτες (κρυσταλλικοίκόκκοι) στηα-δοµήενόςκράµατος Ti-6Al (τιτάνιοµε 6% αλουµίνιο)

14 4 τύποι σηµειακών ατελειών σε ένα κρυσταλλικό στερεό: ατέλεια αντικατάστασης, ατέλεια πλεγµατικού κενού ή οπής, ατέλεια ενδιάµεσης θέσης (αυτοπαρεµβολή), πρόσµειξη ενδιάµεσης θέσης (ετεροπαρεµβολή). Πλεγµατικό κενό ή οπή (vacancy): Απουσία ατόµου σε πλεγµατική θέση (που έπρεπε να βρίσκεται στη θέση αυτή). Παρεµβολή (intersitial atom defect): Κατάληψη παραπλεγµατικής θέσης από κάποιο άτοµο.. ιακρίνουµε τις εξήςυποπεριπτώσεις: Αυτοπαρεµβολή (self-interstitial): Κατάληψη παραπλεγµατικής θέσης από άτοµοµητρικήςδοµής. Ετεροπαρεµβολή (impurity interstitial): Κατάληψη παραπλεγµατικής θέσης απόξένοάτοµο. Αντικατάσταση (substitutional impurity): Κατάληψηπλεγµατικήςθέσηςαπόξένοάτοµο.

15 Οι δυο βασικοί τύποι εξαρθρώσεων (εξαρµόσεις ή µετατοπίσεις ή γραµµικές ατέλειες): (α) ακµής (b) ελικοειδής

16 Όρια κόκκων µε µικρή γωνία προσανατολισµού που σχηµατίστηκαν από µια παράταξη εξαρµόσεων ακµής

17 υνάµεις µεταξύ δυο ατόµων: έλξη (θετική λόγω σύµβασης) ασκείται από σχετικά µεγάλες αποστάσεις (π.χ. Λόγω van der Waalsδυνάµεων), άπωση (αρνητικήλόγωσύµβασης) λαµβάνει υψηλές τιµές σε µικρές αποστάσεις (λόγω υπέρθεσης ηλεκτρονικών στοιβάδων) και η ολικήπουγίνεταιµηδένσεµιααπόσταση x e. σ = P A ε = x x x e e E dσ = d ε x= x = xe A dp dx x= e x e

18 Τυπικέςτιµέςµέτρουελαστικότητας ιαµάντιε 1000 GPa ΜέταλλαΕ 100 GPa ΠολυµερήΕ 3 GPa Οι τιµές βέβαια εξαρτώνται από τη θερµοκρασία

19 Θεωρητικόςυπολογισµόςορίουαντοχής (ήδιαρροής) σ = E b 10 σ 100 GPa Και ένα τυπικό µέταλλο: 10 GPa Αν βασιστούµε στη δυναµη που χρειάζεται για το σπάσιµο ενός δεσµού: Άρα για το διαµάντι: b σ b ιατµητική τάση τ = τ Μπορούµε να υπολογίσουµε µια θεωρητική τιµή ορίου διατµητικής αντοχής, αν υποθέσουµε οτί µια ολόκληρηεπιφάνειαατόµωνµετατοπίζεταιταυτόχρονασεσχέσηµιατηνγειτονική. G dτ = dγ x= 0 σ = 2τ = b b dτ = h dx Gb πh x= 0 ιατµητική παραµόρφωση γ = τ G b x h Gb = 2πh E 2 b h σ = E b 10 E 3 G τ b = 10 b 2πx sin b

20 Παρατηρήσεις Αυτοί οι θεωρητικοί υπολογισµοί του ορίου αντοχής δίνει τιµές πολύ µεγαλύτερες των πραγµατικών, τυπικά κατά ένα παράγοντα 10 µε 100. Αυτή η ασυµφωνία οφείλεται στις ατέλειες που εµφανίζονται σε όλους τους κρύσταλλους και που µειώνουν το όριο αντοχής. σ u E = 1000 E 100 Παρ ολα αυτά, πολύ λεπτά νήµατα από σχεδόν τέλειους κρύσταλλους µπορούν να παρασκευαστούν. Επιπλέον αυτοί οι κρύσταλλοι µπορούν να έχουν τέτοια κρυσταλλική δοµή ώστε οι ισχυροί χηµικοί δεσµοί να ευθυγραµµίζονται στο µήκος τους. Σ αυτές τις περιπτώσεις τα όρια αντοχής είναι πολύ µεγαλύτερα από τα συνήθη υλικά που αποτελούνται από µακροσκοπικούςατελήςκρύσταλλους. σ u = E 100 E 20

21 Πλαστική παραµόρφωση και διαρροή ιατµητική πλαστική παραµόρφωση που συµβαίνει σταδιακά µε τη κίνηση εξαρµόσεων. Σε µονοκρυστάλλους µε λίγες εξαρµόσεις παρατηρούνται διαρροές σε πολύ µικρές τάσεις G Σίδηρος, άλλα BCCµέταλλα : τ 0 = = 30 MPa 3000 G FCC, HCP µέταλλα : τ 0 = = 0.5 MPa ηλ. οι πραγµατικές είναι 300, έως φορές µικρότερες της θεωρητικής : τ b G = = 10 GPa 10 Αυτές οι πολύ µικρές τιµές της τάσης διαρροής οφείλεται στο ότι η πλαστική παραµόρφωση µεταδίδεται σταδιακά αντί για ταυτόχρονα από τό έναάτοµοστοάλλοµετηµετακίνησητων εξαρµόσεων. Αυτό είναι πολύ πιο εύκολο να συµβεί από την ταυτόχρονη µετακίνηση όλου του κρυσταλλικού επιπέδου όπως υποθέσαµε στους θεωρητικούς υπολογισµούς.

22 Ολίσθηση εξάρµοσης ακµής που µετατοπίζεται πάνω στο επίπεδο ολίσθησης και δηµιουργεί µια βαθµίδα ολίσθησης στην επιφάνεια του κρυστάλλου

23 Ολίσθηση που οφείλεται σε µετατόπιση ελικοειδούς εξάρµωσης και δηµιουργεί µια βαθµίδα ολίσθησης στην επιφάνεια του κρυστάλλου

24 Ζώνες ολίσθησης και βαθµίδες ολίσθησης που προκαλούνται στην επιφάνεια των κρυστάλλων και οφείλονται στην µετατόπιση οµάδων εξαρµώσεων από δυναµική φόρτιση AlSl 1010 χάλυβα

25 Κάποια επίπεδα και διευθύνσεις ολίσθησης σε δάφορα κρυσταλλικά πλέγµατα. Αυτό συµβαίνει στα επίπεδα µέγιστης πυκνότητας και στις διευθύνσεις µέγιστης πυκνότητας επειδή σ αυτές τις περιπτώσεις οι εξαρµώσεις µετακινούνται ευκολότερα καθώςταάτοµαέιναιπιοκοντάτοέναµετοάλλοκαιεξέχουνλιγότεροαπότα επίπεδαµέσασταοποίαβρίσκονται.

26 Όρια αντοχής για σίδηρους και χάλυβες διαφόρων τύπων. Οι χάλυβες περιέχουν κυρίωςσίδηροκαικάποιεςπροσµείξειςάλλωνστοιχείων.

27 Παρατηρήσεις για την πλαστική παραµόρφωση και διαρροή Τα άτοµα αλλάζουν θέσεις λόγω της τάσης και δεν επανέρχονται πίσω µετά την αποφόρτιση. Αυτό είναι πολύ διαφορετικό από το απλό αντιστρεπτό τέντωµα των δεσµών στην ελαστική παραµόρφωση. Όπως είδαµε στον προηγούµενο πίνακα τα δοµικά µέταλλα που πρέπει να αντέχουν υψηλά φορτία έχουν υψηλά όρια αντοχής πολύ µεγαλύτερα από αυτά των καθαρών µονοκρυσταλλικών µετάλλων που περιέχουν λίγες ατέλειες (και πάντως µικρότερα των θεωρητικών). Αυτό οφείλεται στο ότι περιέχουν εµπόδια στην ολίσθηση των εξαρµόσεων: όρια κόκκων, προσµέιξεις, παρουσία πολλών εξαρµόσεων (η µία µπλοκάρει την κίνηση της άλλης). Στουςοµοιοπολικούςκρύσταλλους (πχ. κρύσταλλοιπυριτίου, άνθρακα, βορίου, κεραµικά) η κατευθυντικότητα των δεσµών δεν ευνοεί την δηµιουργία εξαρµόσεων και συνήθως στη θερµοκρασία περιβάλλοντος τα υλικά αυτά είναι εύθραυστα (ψαθυρά) και σκληρά και δεν αστοχούν µέσω διαρροής και ολίσθησης εξαρµόσεων. Άρα δενέιναιελατάκαιόλκιµα. Απότηνάλληπάλι, ταόριααντοχήςείναι µικρότερα των θεωρητικών επειδή περίεχουν άλλου είδους ατέλειες όπως ρωγµές και πόρους. Παρ όλα αυτά κάποια µετακίνηση εξαρµόσεων παρατηρείται σε σχετικά υψηλές θερµοκρασίες (> T m /2).

28 Χρονοεξαρτηµένη παραµόρφωση: ερπυσµός και ανάκτηση Συσσώρευση παραµόρφωσης ερπυσµού µε τον χρόνο υπό σταθερό φορτίο και µερική ανάκτηση µετάτηναφαίρεσητουφορτίου.

29 Κρυσταλλικάυλικά Μικροσκοπικοί µηχανισµοί ερπυσµού: Στακρυσταλλικάστερεά (µέταλλακαικεραµικά): διάχυση των ατελειών: Αυθόρµητος σχηµατισµός ατελειών κενής θέσης/οπών ευνοείται στα όρια των κόκκων που είναι κάθετα στην εφαρµοζόµενη τάση, ενώ δεν ευνοούνται στα παράλληλα όρια στην εφαρµοζόµενη τάση. Έτσι έχουµε µια ανοµοιόµορφη κατανοµή οπών που διαχέονται από τις περιοχές υψηλής συγκέντρωσης στις περοχές χαµηλής συγκέντρωσης. Αυτό σηµαίνει οτί άτοµα µετακινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Το συνολικό αποτέλεσµα είναι η αλλαγή σχήµατος των κόκκων και άρα η µακροσκοπική παραµόρφωση ερπυσµού. Ειδικές µετακινήσεις εξαρµόσεων που µπορούν να διασχίσουν εµπόδια µε τον χρόνο Ολίσθηση των ορίων των κρυσταλλιτών Εµφάνιση κοιλοτήτων στα όρια των κόκκων ΟΕρπυσµόςγίνεταιπάραπολύσηµαντικόςστιςυψηλέςθερµοκρασίες: Τ m

30 Άµορφα υλικά Στα µη κρυσταλλικά υλικά (γυαλιά και πολυµερή): ΙξώδηςροήσεθερµοκρασίεςΤ g <Τ<Τ m, οιµοριακέςαλυσίδεςγλυστράνε µεταξύτουςµετοχρόνο σεθερµοκρασίεςτ ~Τ g, πολυπλοκότερεςµοριακέςδιεργασίεςσυµβαίνουν µεταξύ τµηµάτων των αλυσίδων και εµπόδια στην ολίσθηση των αλυσίδων εµφανίζονται. Σ αυτή την περίπτωση ένα µεγάλο µέρος της παραµόρφωσης ερπυσµού µπορεί να αποκατασταθεί σταδιακά µετά την αφαίρεση του φορτίου (αποκατάσταση) Ο ερπυσµός είναι πολύ σηµαντικό µειονέκτηµα των πολυµερών πάνω από τοτg ο C (τιµέςτηςθερµοκασίαςυαλώδουςµετάπτωσηςγιατα κοινά πολυµερή).