Μηχανικές ιδιότητες υάλων. Διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης (stress-stain)

Transcript

1 Μηχανικές ιδιότητες υάλων Η ψαθυρότητα των υάλων είναι μια ιδιότητα καλά γνωστή που εύκολα διαπιστώνεται σε σύγκριση με ένα μεταλλικό υλικό. Διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης (stress-stain) E (Young s modulus)= s/e (stress/strain) Stress= F/A (N/m 2 ) Strain=ΔL/L o Όταν η εφαρμοζόμενη τάση περάσει μια συγκεκριμένη τιμή (εξαρτάται απότοκάθευλικό) η παραμόρφωση που προκαλείται είναι μη αντιστρεπτή. Λέμε τότε ότι το υλικό υφίσταται πλαστική παραμόρφωση ενώ η ελάχιστη τιμή της τάσης (S y )που την προκαλεί ονομάζεται όριο διαρροής (yield strength). ΗτιμήαυτήS u είναι η μεγαλύτερη που μπορεί να χρησιμοποιηθεί κατά την διεργασία πλαστικής παραμόρφωσης όλκιμων υλικών για την σκλήρυνση τους μεσω πλαστικής παραμόρφωσης (strain hardening). Η πραγματική τιμή της τάσης θραύσης είναι μεγαλύτερη από την τιμή S B καθώς η αλλαγή της διατομής του δοκιμίου επηρεάζει την μέτρηση. (σ f είναι η πραγματική τάση θραύσης)

2 Οι ύαλοι σε σχέση με τα όλκιμα μέταλλα παρουσιάζουν μια τελείως διαφορετική συμπεριφορά υπό την επίδραση εφελκυστικής τάσης. Αυτά παραμορφώνονται ελαστικά μέχρι του σημείου όπου γίνεται η θραύση χωρίς να προηγηθεί μόνιμη παραμόρφωση S Β Β τάση Α Παραμόρφωση e Η θραύση αρχίζει σε μια διεύθυνση περίπου κάθετη προς την διεύθυνση της εφαρμοζόμενης εφελκυστικής τάσης. Για παράδειγμα σε μια κυλινδρική ράβδο που υπόκειται σε εφελκυστική τάση, η θραύση αρχίζει από ενα σημείο στην επιφάνεια και συνεχίζεται στο ίδιο επίπεδο κατά μήκοςόληςτηςτομήςήπιθανάδιακλαδώνεταιπαράγονταςμιασφήναμεημικυκλικό σχήμα Αυτός ο μηχανισμός απότομης θραύσης χωρίς να προηγηθεί πλαστική παραμόρφωση του υλικού είναι χαρακτηριστική ενός ψαθυρού υλικού, που η ύαλος είναι ένα τυπικό παράδειγμα. Επιφάνεια θραύσης υάλινου κυλίνδρου πουέσπασεμεκάμψη. Το σημείο έναρξης δείχνεται με ένα βέλος

3 Η πρώτη ζώνη που παρατηρείται από το σημείο έναρξης της θραύσης είναι ο καθρέπτης (mirror) μια λεία επιφάνεια (Σχήμα ) που η ακτίνα της r είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της 2 τάσης θραύσης S Β, R=c/ S Β όπου c~4x10 11 N 2 m -3. H επιφάνεια αρχικά είναι λεία ως καθρέπτης, καθώς η θραύση κινείται αργά. Η επιφάνεια αυτή μερικές φορές περιέχει σειρά από καμπύλες γραμμές (Wallner lines) που είναι ενδεικτικές της διεύθυνσης διάδοσης της ρωγμής. Οι γραμμές αυτές παράγονται από την αλληλεπίδραση του μετώπου της ρωγμής με ελαστικά κύματα που παράγονται από την σύγκρουση του μετώπου της ρωγμής με επιφανειακές ατέλειες. Το αποτέλεσμα είναι η τροποποίηση του επιπέδου διάδοσης της ρωγμής και η δημιουργία κάθε φορά ενός ίχνους. Η επιφάνεια αυτή μερικές φορές περιέχει σειρά από καμπύλες γραμμές (Wallner lines) που είναι ενδεικτικές της διεύθυνσης διάδοσης της ρωγμής. Οι γραμμές αυτές παράγονται από την αλληλεπίδραση του μετώπου της ρωγμής με ελαστικά κύματα που παράγονται από την σύγκρουση του μετώπου της ρωγμής με επιφανειακές ατέλειες. Το αποτέλεσμα είναι η τροποποίηση του επιπέδου διάδοσης της ρωγμής και η δημιουργία κάθε φορά ενός ίχνους. Καθώς η ταχύτητα αυξάνει προς την μέγιστη μια απλή ρωγμή αρχίζει να «θρυμματίζεται» σε μικροσκοπικό επίπεδο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια αύξηση της τραχύτητας της επιφάνειας που τελικά εμφανίζεται ματ. Η περιοχή αυτή ονομάζεται περιοχή αδιαφάνειας. (mist region). Στην περιοχή αυτή η συσσωρευμένη ελαστική ενέργεια αρχίζει να εκτονώνεται αν και συνήθως η εκτόνωση δεν είναι αρκετή με συνέπεια μια απλή ρωγμή να σπάει σε άλλες δύο.η θραύση στο σημείο αυτό έχει φθάσει στην μέγιστη ταχύτητα διάδοσης 1/2-2/3 της ταχύτητας των διαμηκών κυμάτων τάσης στο υλικό)

4 Θεωρητικήπροσέγγισητηςμέγιστηςτάσηςθραύσης Η θραύση μπορεί να θεωρηθεί η διαδικασία κατά την οποία ένα στερεό διαχωρίζεται σε δύο μέρη που ανάμεσα τους δημιουργείται μια νέα επιφάνεια η επιφάνεια θραύσης (fracture surface).οι ελκτικές δυνάμεις που δρούν κατά μήκος της διεπιφάνειας αυτής διαφέρουν ανάλογα με την διαδικασία διαχωρισμού. U=Uo[exp(-2a(x-xo))-2exp(-a(x-xo))] (δυναμικό Morse) Όπου U είναι η δυναμική ενέργεια ανά μονάδα επιφάνειας των επιφανειών θραύσης που διαχωρίζονται με μια απόσταση x. S ma x S th = Eγ/4x o Χρησιμοποιώντας την παραπάνω σχέση και τιμές γ και x o για το SiO 2 έχουμε για την θεωρητική τάση θραύσης τιμές από 1.8x10 10 έως 2.2x10 10 Nm -2 Πειραματικός προσδιορισμός της τάσης θραύσης S max =M/D, Κάμψη τριών σημείων M=Pl/4 D=(1/6) a 2 b ή D=(1/4)πr 3 Κάμψη τεσσάρων σημείων S max =M/D, M=Pd/2 Οι πειραματικές τιμές είναι συνήθως μικρότερες, π.χ. για SiO 2 ~1x10 8 Nm -2

5 Θραύση υαλοπινάκων διαφόρων ειδών μετά από ανόπτηση Annealed glass Ασφαλείας πολυστρωματικό (safety glasslaminated) Ασφαλείας θερμικά ενισχυμένο (tempered glass) Διαδικασίες Μηχανικής ενίσχυσης των υάλων Μηχανισμός της δημιουργίας θερμικών τάσεων Τα δύο ελαστικά στερεά όταν ενωθούν σε κάποια θερμοκρασία όταν ψυχθούν θα αναπτύξουν διαφορετικής μορφής τάσεις Όταν τα δύο στερεά ψυχθούν στην ίδια θερμοκρασία θα αναπτύξουν διαφορετικής μορφής τάσεις

6 Θερμική ενίσχυση (Thermal tempering) 1.Θέρμανση ενός υαλοπίνακα έως το σημείο που μαλακώνει (softening point) 2.Απομάκρυνση από τον φούρνο και γρήγορη ψύξη της επιφάνειάς του ώστε να δημιουργηθεί στερεό επιφανειακό στρώμα(skin) ενώ το εσωτερικό (core) παραμένει ρευστό. Με το τρόπο αυτό δημιουργείται μια σταδιακή μεταβολή στην θερμοκρασία από την επιφάνεια στο εσωτερικό. Όταν τελικά το εσωτερικό στερεοποιηθεί εμφανίζει εφελκυστικές τάσεις, ενώ το εξωτερικό στρώμα θλιπτικές. 3.Η κατανομή των τάσεων σε συνάρτηση με το βάθος είναι περίπου παραβολική.η θλιπτική τάση στην επιφάνεια είναι περίπου διπλάσια από την εφελκυστική στο κέντρο. Το επίπεδο που η τάσεις είναι μηδέν είναι στο 1/5 από την επιφάνεια. Το μέγεθος των αναπτυσσομένων τάσεων εξαρτάται από: Α-τον συντελεστή θερμικής διαστολής α Β-την δυνατότητα να διατηρήσουμε μια βαθμίδα θερμοκρασίας μέσα στο αντικείμενο έως του σημείου που τα εσωτερικά στρώματα δεν μπορούν πλέον να ρέουν. Παραβολική κατανομή των στρωμάτων υπό τάση σε ένα θερμικά ενισχυμένο υαλοπίνακα + θλιπτική τάση -εφελκυστική τάση Το σύστημα είναι σε ισορροπία και οποιαδήποτε διαταραχή οδηγεί σε γρήγορη θραύση του υλικούστοσύνολότου.

7 Χημική Μηχανική Ενίσχυση 1. Διαδικασία Schott 2. Απομάκρυνση των αλκαλίων 3. Ιοντοανταλλαγή 1. Ένα επιφανειακό στρώμα από ύαλο με χαμηλότερο συντελεστή θερμικής διαστολής συγκολλείται στο βασικό υαλοπίνακα. Με την ψύξη το επιφανειακό στρώμα συστέλλεται λιγότερο και άρα είναι υπό θλιπτική τάση. 2. Ύαλοι με μικρό περιεχόμενο σε οξείδιο του νατρίου έχουν μικρότερο συντελεστή θερμικής διαστολής α. Παράγονται τάσεις MN m Ιοντοανταλλαγή Σύγχρονη μέθοδος χημικής μηχανικής ενίσχυσης, όπου το γυαλί τοποθετείται σε κατάλληλο λουτρό τηγμένων αλάτων ώστε να προκληθεί ιονταλλαγή στην επιφάνεια καθώς τα ιόντα αλκαλίων διαχέονται από τη επιφάνεια στο λουτρό ενώ παράλληλα άλλα κατιόντα από το τήγμα εισέρχονται στο γυαλί.υπάρχουν δύο τότε περιπτώσεις: Α. Το κατιόν στο γυαλί αντικαθίσταται με άλλο μικρότερου μεγέθους. π.χ. το Na+ (r=0.98å) από το Li + (r=0.78å) χρησιμοποιώντας ένα λουτρό τηγμένου άλατος λιθίου. Η διαδικασία πρέπει να γίνει σε θερμοκρασία υπεράνω της Τg. Το τελικό γυαλί επιφανειακά έχει χαμηλότερο συντελεστή θερμικής διαστολής και με την ψύξη η επιφάνειά του γίνεται θλιπτική. (οπως και στην διαδικασία Schott) Β. Το κατιόν στο γυαλί αντικαθίσταται με άλλο μεγαλύτερου μεγέθους. π.χ. το Na+ (r=0.98å) από το Κ + (r=1.33å) χρησιμοποιώντας ένα λουτρό τηγμένου άλατος KNO 3. Το κατιόν εισερχόμενο δημιουργεί μια διαστολή του πλέγματος επιφανειακά δημιουργώντας έτσι θλιπτικές τάσεις.