ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 2016

Transcript

1 ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 2016 Κεραμικών και Πολυμερικών Υλικών Κώστας Γαλιώτης, καθηγητής Τμήμα Χημικών Μηχανικών 1

2 Εισαγωγή Όπως ήδη είδαμε, η μηχανική συμπεριφορά των υλικών αντανακλά την απόκρισή τους ή αλλιώς την παραμόρφωση τους σε σχέση με το εφαρμοζόμενο φορτίο ή δύναμη. Σημαντικές μηχανικές ιδιότητες στον σχεδιασμό κατασκευών είναι: η δυσκαμψία, η αντοχή, η ολκιμότητα η σκληρότητα και η δυσθραυστότητα. 2

3 Μέτρα ελαστικότητας και ενέργεια δεσμού Τύπος ΠαραδείγματαΕνέργεια Δεσμού/ Θερμοκρασία Δεσμού Ενώσεων kj/ mol Τήξης/ 0 C Ιονικός NaCl MgO Ομοιοπολικός Si C (διαμαντιού) 713 >3550 Hg Μεταλλικός Al Fe W Van der Ar Waals Cl Υδρογονικός NH H 2 O

4 Μηχανικές ιδιότητες μετάλλων Στους παράγοντες που πρέπει να εξετάζονται περιλαμβάνονται η φύση του εφαρμοζόμενου φόρτου και η διάρκειά του, καθώς επίσης και οι περιβαλλοντικές συνθήκες. Είναι πιθανόν το φορτίο να είναι: εφελκυστικό, θλιπτικό, διατμητικό και το μέγεθός του να παραμένει σταθερό με τον χρόνο, ή να μεταβάλλεται συνεχώς. 4

5 Όλκιμη και ψαθυρή συμπεριφορά μετάλλων 5

6 Όλκιμη και ψαθυρή συμπεριφορά α ) Όλκιμη θραύση για μαλακά μέταλλα (π.χ. Pb,Αυ ) σε RT, ήάλλα μέταλλα, πολυμερή, γυαλιά σε υψηλή θερμοκρασία. β ) Μέτριας ολκιμότητας θραύση ενός μετάλλου. γ ) Ψαθυρή θραύση κεραμικά ή μέταλλα σε χαμηλές θερμοκρασίες. 6

7 «Συμβατική» και «πραγματική» καμπύλη τάσηπαραμόρφωσης Τάση Παραμόρφωση Τάση Παραμόρφωση 7

8 Διάδοση ρωγμών στα μέταλλα (1/2) κόκκοι ρηγμάτωση διαμέσου των κόκκων Εικόνα SEM πολυκρυσταλλικής επιφάνειας θραύσης ενός δείγματος από σίδηρο*. * 8

9 Διάδοση ρωγμής στα μέταλλα (2/2) όρια κόκκων ρηγμάτωση κατά μήκος των ορίων Εικόνα SEM επιφάνειας θραύσης σε δείγμα κράματος*. * 9

10 Μέτρα ελαστικότητας και διάτμησης μετάλλων Υλικό Μέτρο Ελαστικότητας Μέτρο Διάτμησης (GPa) Λόγος Poisson (GPa) Αλουμίνιο Ορείχαλκος Χαλκός Μαγνήσιο Νικέλιο Χάλυβας Τιτάνιο Βολφράμιο Χαρακτηριστικές τιμές σε RΤ, για διάφορα μέταλλα και κράματα. 10

11 Δυσθραυστότητα (Toughness) Στην επιστήμη των υλικών και τη μεταλλουργία, με τον όρος δυσθραυστότητα εννοούμε μια παράμετρο που σχετίζεται με την ικανότητα ενός υλικού να απορροφά την ενέργεια και να παραμορφώνεται πλαστικά χωρίς να σχηματίζει ρωγμές. 11

12 Σκληρότητα (Hardness) Ο όρος σκληρότητα παρουσιάζει ένα μέτρο του πόσο ανθεκτικό είναι το υλικό μας και ποια θα είναι η μόνιμη αλλαγή σχήματος όταν εφαρμόζεται μία δύναμη συμπίεσης πάνω σε αυτό. 12

13 Κεραμικά Υλικά (1/4) Προϊόντα τα οποία θεωρούνται ως παραδοσιακά κεραμικά είναι η πορσελάνη, τα τούβλα, τα πλακάκια, και επιπλέον ύαλοι και κεραμικά υψηλών θερμοκρασιών. Τα κεραμικά υλικά αποτελούνται από τουλάχιστον δύο στοιχεία και οι κρυσταλλικές τους δομές είναι πιο σύνθετες από των μετάλλων. 13

14 Κεραμικά Υλικά (2/4) Κάποια κεραμικά σχηματίζουν κρυσταλλικές δομές και άλλα (πχ ύαλοι) είναι άμορφα. Κρυσταλλικός κριστοβαλίτης (πυριτία) Άμορφα πυριτικά παράγωγα (που περιέχουν νάτριο) 14

15 Κεραμικά Υλικά (3/4) Σε θερμοκρασία δωματίου, τόσο τα κρυσταλλικά όσο και τα μη κρυσταλλικά κεραμικά, σχεδόν πάντοτε θραύονται πριν συμβεί οποιαδήποτε πλαστική παραμόρφωση κάτω από την επίδραση ενός εφελκυστικού φορτίου. Η αστοχία τους οφείλεται συνήθως στη γρήγορη διάδοση ρωγμών, που προέρχονται από τη διαδικασία παραγωγής τους και το υψηλό πορώδες. 15

16 Κεραμικά Υλικά (4/4) Στα κεραμικά υλικά, συχνά εφαρμόζεται μια εγκάρσια δοκιμή κάμψης, κατά την οποία ένα ραβδόμορφο δοκίμιο με κυκλική ή ορθογώνια διατομή κάμπτεται μέχρι θραύσης χρησιμοποιώντας μια τεχνική φόρτισης τριών ή τεσσάρων σημείων. 16

17 Χαρακτηριστικές καμπύλες σ ε Τυπική συμπεριφορά τάσηςπαραμόρφωσης μέχρι τη θραύση δύο κεραμικών υλικών. 17

18 Μηχανικές ιδιότητες κεραμικών Η διαδικασία της ψαθυρής θραύσης συνίσταται στο σχηματισμό και τη διάδοση ρωγμών σε μια διατομή του υλικού με διεύθυνση κάθετη προς το εφαρμοζόμενο φορτίο. Η ανάπτυξη ρωγμών στα κρυσταλλικά κεραμικά συμβαίνει συνήθως δια μέσου των κόκκων και κατά μήκος συγκεκριμένων κρυσταλλογραφικών επιπέδων. 18

19 Θραύση κεραμικών υλικών Εικόνα SEM άμορφης επιφάνειας θραύσης ενός δείγματος από απατίτη. 19

20 Aντοχή σε κάμψη και μέτρο ελαστικότητας κεραμικών Αντοχή σε κάμψη Μέτρο ελαστικότητας Υλικό MPa GPa Νιτρίδιο του πυριτίου (Si 3 N 4 ) Ζιρκονία (ZrO 2 ) Καρβίδιο του πυριτίου (SiC) Οξείδιο αλουμινίου (Al 2 O 3 ) Υαλοκεραμικό (pyroceram) Μουλίτης (2Al 2 O 3 2SiO 2 ) Σπινέλιος (MgAl 2 O 4 ) Οξείδιο μαγνησίου (MgO) Τηγμένη πυριτία (SiO 2 ) Ύαλος νατρασβέστου

21 Σύνηθη πολυμερή πολυμερικές αλυσίδες Ημικρυσταλλικά Άμορφα Υγροκρυσταλλικά 21

22 Εικόνα SEM πολυμερικών αλυσίδων 22

23 Μηχανικές ιδιότητες πολυμερών (1/2) Οι ιδιότητες και η συμπεριφορά των πολυμερών υλικών επηρεάζεται από ένα σχετικά μεγάλο αριθμό χημικών και δομικών χαρακτηριστικών. Μερικέςαπότιςεπιδράσειςείναι οι παρακάτω: Ο βαθμός κρυσταλλικότητας των ημικρυσταλλικών πολυμερών στην πυκνότητα, αντοχή και ολκιμότητα. Ο βαθμός διασταυρώσεων στην ακαμψία των ελαστικών πολυμερών. Η χημεία των πολυμερών στη θερμοκρασία τήξης και υαλώδους μετάβασης. 23

24 Μηχανικές ιδιότητες πολυμερών (2/2) Τα μηχανικά χαρακτηριστικά των πολυμερών, στην πλειονότητά τους, είναι πολύ ευαίσθητα στο ρυθμό παραμόρφωσης, τη θερμοκρασία, καιτηχημικήφύσητου περιβάλλοντος. Έχουν διαπιστωθεί τρία τυπικώς διαφορετικά είδη συμπεριφοράς τάσης παραμόρφωσης στα πολυμερή υλικά: A) ψαθυρή B) όλκιμη C) ελαστομερική 24

25 Χαρακτηριστικές καμπύλες σ ε Η καμπύλη Α παρουσιάζει ένα ψαθυρό πολυμερές Η συμπεριφορά του πλαστικού υλικού στην καμπύλη Β Η παραμόρφωση που φαίνεται στην καμπύλη C είναι τελείως ελαστική 25

26 Διάδοση ρωγμής στα πολυμερή Διάδοση ρωγμής σε ένα ψαθυρό πολυμερικό υλικό. 26

27 Μηχανική συμπεριφορά ημικρυσταλλικών πολυμερών Δομή/ προσανατολισμός των μακρομοριακών αλυσίδων κατά τον εφελκυσμό ενός ημικρυσταλλικού πολυμερούς υλικού. 27

28 Χαρακτηριστικές μηχανικές ιδιότητες πολυμερών Υλικό Πολυαιθυλένιο (χαμηλής πυκνότητας) Πολυαιθυλένιο (υψηλής πυκνότητας) Ειδικό βάρος Εφελκυστικό μέτρο ελαστικότητας (GPa) Αντοχή στον εφελκυσμό (MPa) Αντοχή διαρροής (MPa) Επιμήκυνση στο σημείο θραύσης (%) , Πολυβινυλοχλωρίδιο Πολυτετραφθοροαιθυλένιο Πολυπροπυλένιο Πολυστυρόλιο Πολυμεθακρυλικός μεθυλεστέρας Φαινόλη φορμαλδεϋδη Nylon 6, Πολυεστέρας (PET) Πολυκαρβονικός εστέρας

29 Τέλος Ενότητας 29