9. ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΩΝ. n = σ/σ επ > 1 (9.1)

Transcript

1 72 9. ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΩΝ 9.1 Η διαδικασία επιλογής υλικών Η διαδικασία επιλογής υλικών είναι ίσως το κρισιμότερο βήμα που πρέπει να κάνει ο μηχανικός προτού να προχωρήσει στην υλοποίηση μίας κατασκευής, η οποία πρέπει να λειτουργεί κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες με ένα συγκεκριμένο τρόπο και να επιδεικνύει την κατάλληλη αντοχή. Για κάθε κατασκευή υπάρχουν κάποιες συγκεκριμένες οδηγίες σχετικά με τις ιδιότητες που πρέπει να έχει, προκειμένου να είναι αξιόπιστη και λειτουργική. Αυτές οι οδηγίες είναι επίσημες και ονομάζονται πρότυπα ή προδιαγραφές. Οι προδιαγραφές εκδίδονται από οργανισμούς τυποποίησης, όπως είναι η ASTM (American Society for Testing and Materials), η BS (British Standards) και σε ορισμένες περιπτώσεις ο ΕΛΟΤ (Ελληνικός Οργανισμός Τυποποίησης). Επίσης, σε ό,τι αφορά τις προδιαγραφές, σημαντικό ρόλο παίζει ο λεγόμενος συντελεστής ασφαλείας. Ο συντελεστής ασφαλείας είναι ο λόγος της τιμής της πραγματικής ιδιότητας ενός υλικού (π.χ. μηχανική αντοχή, σ) ως προς την ελάχιστη επιτρεπόμενη τιμή της με βάση τις απαιτήσεις της κατασκευής (σ επ ) : n = σ/σ επ > 1 (9.1) Ο συντελεστής ασφαλείας είναι καθαρός αριθμός και παίρνει τιμές μεγαλύτερες της μονάδας. Η τιμή του συντελεστή ασφαλείας καθορίζεται κυρίως με κριτήριο τη σοβαρότητα της ζημιάς, που μπορεί να προκαλέσει τυχόν αστοχία της κατασκευής. Π.χ. ο συντελεστής ασφαλείας υλικού κατασκευής κρεμάστρας ρούχων είναι πολύ μικρότερος από το συντελεστή ασφαλείας του υλικού κατασκευής ενός αεριωθούμενου κινητήρα (jet) αεροπλάνου. Η λανθασμένη επιλογή υλικού μπορεί να αποβεί μοιραία και να οδηγήσει ακόμη και στην απώλεια ανθρωπίνων ζωών. Π.χ. η εξέλιξη των υλικών που χρησιμοποιεί η αυτοκινητοβιομηχανία και αεροναυπηγική είναι ραγδαία προκειμένου να αποφευχθούν πρόωρες αστοχίες και να αυξηθεί η διάρκεια ζωής τους (σύνθετα υλικά στο αμάξωμα, αντιδιαβρωτικές επικαλύψεις, επιφανειακή σκλήρυνση μετάλλων, που καταπονούνται επιφανειακά, βελτίωση ελαστικών). Η επιλογή υλικών είναι ένα σύνθετο και δύσκολο βήμα το οποίο προαπαιτεί τη γνώση των παραμέτρων σχεδιασμού του εξαρτήματος ή της κατασκευής, οι οποίες εντοπίζονται στις παρακάτω περιοχές : - Προδιαγραφές - Ιδιότητες υλικών (μηχανικές, χημικές, ηλεκτρικές) - ευτερογενείς κατεργασίες (συγκολλήσεις, κοπές, ανοπτήσεις, επικαλύψεις, κ.λπ) - Κόστος Η διαδικασία επιλογής υλικών και κατεργασιών είναι ένας από τους βασικότερους τομείς του βιομηχανικού σχεδιασμού όπως φαίνεται στο σχήμα 9.1. Η έρευνα για τη βελτίωση των ιδιοτήτων των υλικών και του κόστους παραγωγής τους είναι συνεχής, προκειμένου να κατασκευαστούν εξαρτήματα και στοιχεία μηχανών με μεγαλύτερη αξιοπιστία και διάρκεια ζωής

2 73 ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΠΡΟΙΟΝΤΩΝ ΠΡΟ ΙΑΓΡΑΦΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΜΟΤΗΣ ΚΟΣΤΟΣ ASTM BS DIN ISO AFNOR EΛΟΤ Μηχανικές αντοχή σε εφελκυσμό σκληρότητα αντοχή σε κόπωση αντοχή σε κρούση αντοχή σε ερπυσμό Χημικές αντοχή σε οξείδωση αντοχή σε διάβρωση Αντοχή σε φθορά ευτερογενείς Κατεργασίες αφαίρεση υλικού μόνιμες και μη μόνιμες συνδέσεις θερμικές κατεργασίες επιφανειακές κατεργασίες ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΩΝ Σχήμα 9.1 : Παράμετροι σχεδιασμού προϊόντος οι οποίες οδηγούν στην επιλογή υλικού κατασκευής. Λόγω του ευρέως φάσματος υλικών και αντιστοίχων παραμέτρων υλικών και δευτερογενών κατεργασιών, είναι διαδεδομένη πλέον η χρήση των ηλεκτρονικών υπολογιστών στη διαδικασία σχεδιασμού και λήψης αποφάσεων γύρω από την επιλογή υλικών και κατάλληλων κατεργασιών. 9.2 Υλικά και βιομηχανική παραγωγή Η βιομηχανική παραγωγή υλικών διακρίνεται σε πρωτογενή και δευτερογενή. Στην πρωτογενή παραγωγή ανήκουν οι πρωτογενείς κατεργασίες, που περιλαμβάνουν την επεξεργασία της πρώτης ύλης μέχρι και τη διαμόρφωση του υλικού σε συγκεκριμένες γεωμετρίες. Στη δευτερογενή παραγωγή περιλαμβάνονται όλες εκείνες οι κατεργασίες, που δίνουν στο υλικό τις τελικές του διαστάσεις και το καθιστούν ικανό να ανταποκριθεί στις συνθήκες λειτουργίας της μηχανής ή της κατασκευής στην οποία αποτελεί και βασικό εξάρτημα. Η συνολική παραγωγική διαδικασία (πρωτογενής και δευτερογενής) των υλικών φαίνεται στο σχήμα 9.2.

3 74 ΠΡΩΤΟΓΕΝΕΙΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ Α ΥΛΩΝ Αναγωγή οξειδίων Πολυμερισμός Έψηση αργίλου ΧΥΤΕΥΣΗ Μετάλλων Πλαστικών ΙΑΜΟΡΦΩΣΕΙΣ Έλαση Κονιομεταλλουργία ΕΥΤΕΡΟΓΕΝΕΙΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΑΦΑΙΡΕΣΗ ΥΛΙΚΟΥ ΣΥΝ ΕΣΕΙΣ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ Τόρνευση Φρεζάρισμα ιάτρηση Γραναζοκοπή Συγκολλήσεις τόξου Συγκολλήσεις Laser Κολλήσεις Κοχλιοσυνδέσεις Ηλώσεις κ.λπ Ανόπτηση Βαφή - επαναφορά Αμμοβολή Ενανθράκωση Εναζώτωση Επιμεταλλώσεις ΤΕΛΙΚΟ ΠΡΟΪΟΝ Σχήμα 9.2 : Πρωτογενείς και δευτερογενείς κατεργασίες παραγωγής υλικών Πρωτογενείς κατεργασίες (i) Χημική επεξεργασία των πρώτων υλών. Περιλαμβάνονται κυρίως φυσικές και χημικές διεργασίες κατά τις οποίες μετατρέπεται η πρώτη ύλη έτσι, ώστε να οδηγήσει στην παρασκευή του εκάστοτε υλικού. Π.χ. η εξαγωγή των μετάλλων από τα μεταλλεύματα, όπως είναι η αναγωγή των οξειδίων του σιδήρου σε σίδηρο στην υψικάμινο για την παραγωγή χυτοσιδήρου και χάλυβα ή η ηλεκτρολυτική αναγωγή της αλουμίνας σε αλουμίνιο. Επίσης, ο πολυμερισμός, όπως π.χ. η διαδικασία παρασκευής πολυαιθυλενίου από αιθυλένιο, αποτελεί πρωταρχική διαδικασία παραγωγής. (ii) Χύτευση. Είναι η πιο ευρείας εφαρμογής πρωτογενής κατεργασία για μεταλλικά υλικά. Κατά τη χύτευση συνήθως το μέταλλο μορφοποιείται σε πλίνθωμα (χελώνα) με τήξη σε κατάλληλο καμίνι και στη συνέχεια με απόχυση του τήγματος σε τύπο (άμμος, καλούπι). (iii) ιαμορφώσεις. Είναι όλες οι πρωτογενείς κατεργασίες, οι οποίες πραγματοποιούνται είτε εν ψυχρώ είτε εν θερμώ, κατά τις οποίες το υλικό αποκτά ένα συγκεκριμένο σχήμα μέσω πλαστικής παραμόρφωσης (ράβδοι, μπιγιέτες, ελάσματα). Επίσης, στην περιοχή των διαμορφώσεων εντάσσονται και οι μέθοδοι της κονιομεταλλουργίας, δηλαδή των διεργασιών μορφοποίησης κόνεων μετάλλων ή κεραμικών υλικών, όπως π.χ. είναι η κατασκευή κοπτικών εργαλείων από καρβίδιο του βολφραμίου (WC) ευτερογενείς κατεργασίες (i) Κατεργασίες με αφαίρεση υλικού. Περιλαμβάνουν όλες εκείνες τις μηχανουργικές κατεργασίες κατά τις οποίες αφαιρείται μάζα του υλικού, προκειμένου να επιτευχθούν οι τελικές διαστάσεις του εξαρτήματος, όπως π.χ. τόρνευση, φρεζάρισμα, πλάνιση, λείανση,. Μαζική παραγωγή εξαρτημάτων συγκεκριμένης γεωμετρίας, όπως π.χ. πείρων, εδράνων, αξόνων, γίνεται σε σύγχρονες αυτόματες εργαλειομηχανές, οι οποίες είναι γνωστές ως εργαλειομηχανές με ψηφιακή καθοδήγηση (CNC). (ii) Συνδέσεις. Είναι όλες οι κατεργασίες σύνδεσης υλικών, που αποτελούν ένα μέρος μίας κατασκευής ή ένα στοιχείο μηχανής, οι οποίες επιτυγχάνονται είτε με σύντηξη, είτε με θέρμανση είτε με

4 συμπίεση των επιμέρους υλικών (π.χ. οξυγονοκόλληση, ηλεκτροσυγκόλληση, συγκόλληση με τριβή, ). Επίσης, μεταξύ των μεθόδων σύνδεσης υλικών ανήκουν οι ηλώσεις, κοχλιώσεις (μη μόνιμες συνδέσεις) και οι κολλήσεις με τη βοήθεια κόλλας. (iii) Θερμικές κατεργασίες. Είναι απαραίτητες για την απόκτηση της τελικής σκληρότητας και της αντοχής του υλικού. Έτσι, υπάρχουν οι θερμικές κατεργασίες σκλήρυνσης (βαφή-επαναφορά χαλύβων, γήρανση αλουμινίου) και οι θερμικές κατεργασίες που οδηγούν σε μείωση των εσωτερικών τάσεων ή ακόμα και της σκληρότητας του υλικού (ανόπτηση). Λεπτομερής αναφορά πάνω στις θερμικές κατεργασίες χαλύβων γίνεται στο Κεφάλαιο 5. (iv) Επιφανειακές κατεργασίες. Είναι το τελικό στάδιο επεξεργασίας του υλικού πριν από τη χρήση του ως στοιχείο κάποιας μηχανής ή κατασκευής. Αφορά κυρίως περιπτώσεις υλικών, που καταπονούνται σε τριβή ή/και λειτουργούν σε διαβρωτικό περιβάλλον. Τέτοιες κατεργασίες είναι : - Μηχανικές. Εδώ ανήκει η αμμοβολή και η σφαιροβολή. - Θερμοχημικές. Τέτοιες κατεργασίες είναι η εναζώτωση και η ενανθράκωση. - Θερμικές. Όπως είναι η φλογοβαφή και η επαγωγική βαφή, η βαφή με laser. - Επιστρώσεις. Εδώ ανήκουν οι ηλεκτρολυτικές επιστρώσεις (επιχρωμίωση, επινικέλωση), ο γαλβανισμός, η επικασσιτέρωση, οι κεραμικές επιστρώσεις (π.χ. με ψεκασμό πλάσματος, με φυσική ή χημική εναπόθεση ατμών), κλπ. - Οργανικές επικαλύψεις. Η εφαρμογή κάποιου αντιδιαβρωτικού πλαστικού χρώματος πάνω σε μεταλλικές επιφάνειες. 9.3 Παραδείγματα περιπτώσεων επιλογής υλικών Υποκατάσταση μετάλλων με πολυμερή Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι η αντικατάσταση αλουμινίου ή χάλυβα με Nylon, που έχει υποστεί σκλήρυνση, σε εξαρτήματα αγωνιστικών μηχανών (αλυσοκινούμενοι τροχοί). Το nylon διαδόθηκε ευρέως λόγω των αντιτριβικών του ιδιοτήτων και των λιγότερων αστοχιών (φθοράς και θραύσεων) αλυσίδων μοτοσυκλετών. Η καλύτερη απόδοση του nylon σε σχέση με τα συμβατικά μεταλλικά υλικά έγκειται στο συνδυασμό καλής αντοχής και δυσθραυστότητας. Επίσης, η κατασκευή διαφόρων εξαρτημάτων από πολυμερή επιφέρει μείωση του συνολικού βάρους της κατασκευής Υποκατάσταση μετάλλων με σύνθετα υλικά Η μείωση του βάρους που προκύπτει με την αντικατάσταση μετάλλων από πολυμερή ή σύνθετα υλικά οδηγεί σε εξοικονόμηση ενέργειας. Η οικονομία στα καύσιμα και η επακόλουθη μείωση της ρύπανσης του περιβάλλοντος τίθενται ως επιτακτικές ανάγκες της κοινωνίας του Για κάθε κιλό βάρους ένα αεριωθούμενο αεροπλάνο (jet) ξοδεύει 830 λίτρα καυσίμου το χρόνο. Η αεροναυπηγική βιομηχανία έχει προχωρήσει στην αντικατάσταση πολλών συμβατικών μεταλλικών υλικών με προηγμένα σύνθετα υλικά, όπως είναι τα πολυμερή με ίνες Kevlar ή ίνες γραφίτη, μειώνοντας το βάρος πολλών αεροσκαφών (όπως Lokheed-L-1011 και Boeing 767) μέχρι και 600 κιλά Μέταλλα και πολυμερή ως υλικά για τον ανθρώπινο οργανισμό (βιοϋλικά) Τα υλικά που χρησιμοποιούνται μέσα στον ανθρώπινο οργανισμό ως εμφυτεύματα (π.χ. ορθοπεδικοί σύνδεσμοι, οδοντιατρικά πρόσθετα) πρέπει, εκτός της μηχανικής αντοχής τους και του μικρού βάρους, να χαρακτηρίζονται από βιοσυμβατότητα. ηλαδή θα πρέπει να έχουν μεγάλη αντοχή στην οξείδωση και διάβρωση και να μην υποβαθμίζονται οι μηχανικές τους ιδιότητες μέσα στα υγρά του ανθρώπινου σώματος (π.χ. αίμα). Από μεταλλικά υλικά χρησιμοποιούνται ευρέως κράματα του τιτανίου και συγκεκριμένα το Ti-4% Al-6% V, τα οποία χαρακτηρίζονται από μεγάλη μηχανική αντοχή, αντοχή σε διάβρωση και μικρή πυκνότητα. Το πολυμεθακρυλικό μεθύλιο (PMMA) είναι ένα πολυμερές, το οποίο χρησιμοποιείται και αυτό σε ορθοπεδικά εμφυτεύματα, σε συνδυασμό με μεταλλικά υλικά, λόγω της μεγάλης αντοχής στην οξείδωση, της μικρής του πυκνότητας και της μεγάλης του αντίστασης σε φθορά-τριβή. 75

5 76 Βιβλιογραφία Κ. Κονοφάγου Μεταλλογνωσία Τόμοι Ι-ΙΙΙ, Αθήνα Π. Γ. Πετρόπουλου Μεταλλουργία Εκδ. Ευγενιδείου Ιδρύματος, Αθήνα Γ. Πανταζόπουλου Τεχνολογία Υλικών Σημειώσεις για το ΙΕΚ Αθηνών, Αθήνα Γ.. Χρυσουλάκη Επιστήμη και Τεχνολογία των Μεταλλικών Υλικών. Ι. Παντελή Εκδ. Παπασωτηρίου, Αθήνα Ι. Παντελή Μη Μεταλλικά Τεχνικά Υλικά Εκδ. Παπασωτηρίου, Αθήνα Georgius Agricola De Re Metallica ed. Dover R. A. Higgins Engineering Metallurgy - Applied Physical Metallurgy 6th ed., ed. Edward Arnold, London K. Mihaly Fizikai Metallurgia MVAE, Budapest Atlas Metallographique de Microstructures Types Ed. Techn. de la Fonterie, Paris. H. Yanagida The Chemistry of Ceramics K. Koumoto ed. Wiley and Maruzen 1996 M. Miyayama Y.- M. Chiang Physical Ceramics-Principles for Ceramic Science and Engineering D. Birnie ed. Wiley 1997 W. D. Kingery J. F. Shackelford Introduction to Materials Science for Engineers 4th ed., ed. Prentice-Hall W. F. Smith Foundations of Materials Science and Engineering 2nd ed., ed. McGraw-Hill R. A. Flinn Engineering Materials and Their Applications P. K. Trojan 4th ed., ed. Wiley 1995.