Φυσικές & Μηχανικές Ιδιότητες

Transcript

1 Μάθημα 5 ο Ποιες είναι οι Ιδιότητες των Υλικών ; Φυσικές & Μηχανικές Ιδιότητες

2 Κατεργαστικότητα & Αναφλεξιμότητα Εφελκυσμός Θλίψη Έλεγχοι των Υλικών Φορτίσεις -1

3 ιάτμηση Στρέψη Έλεγχοι των Υλικών Φορτίσεις -2 Γιαναγίνεικατανοητόκαιναπεριγραφείπώςταυλικάπαραμορφώνονται ήσπάνε κάτω από φορτίο, με το χρόνο ή τη θερμοκρασία κ.λπ., σε συνθήκες λειτουργίας, πρέπει πρώτα να αναλυθούν οι τυποποιημένες μέθοδοι δοκιμής των μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών. οκιμή Εφελκυσμού οκιμή Θλίψης οκιμασία Κρούσης οκιμασία Κόπωσης Έλεγχος Σκληρότητας Μη καταστροφικές μέθοδοι οκιμές Υλικών

4 Κατά τη δοκιμασία αυτή, το δοκίμιο επιμηκύνεται κάτω από την επίδραση μονοαξονικής τάσης, με σταθερή ταχύτητα. οκιμή Εφελκυσμού Τάση σ είναι ο λόγος του φορτίου του δοκιμίου F προς την επιφάνεια (διατομή) του δοκιμίου Αο Παραμόρφωση ε είναι το πηλίκο της μεταβολής του μήκους του δοκιμίου l προς το αρχικό μήκος του δοκιμίου lo Ελαστική παραμόρφωση : Όταν το φορτίο απομακρύνεται, το δοκίμιο επανέρχεται στις αρχικές του διαστάσεις. Συνήθως μικρές παραμορφώσεις, εκτός από τα πλαστικά. Πλαστική παραμόρφωση : Όταν το φορτίο απομακρύνεται, το δοκίμιο δεν επανέρχεται στις αρχικές του διαστάσεις Η έννοια της Τάσης και της Παραμόρφωσης

5 Μηχανή Εφελκυσμού Rm Ομοιόμορφη Πλαστική Παραμόρφωση Όριο Εφελκυσμού (Rm) Όριο Θραύσης Εμφάνιση λαιμού Θραύση Ελαστική Παραμόρφωση Επιμήκυνση Φάσεις οκιμασίας Εφελκυσμού

6 Νόμος του Hooke Η σχέση ανάμεσα στην τάση και την επιμήκυνση, στην ελαστική περιοχή, είναι γραμμική για τα μέταλλα και τα κεραμικά και περιγράφεται ργρ από τον νόμο τουhooke Το όριο αναλογίας τάσης και παραμόρφωσης ονομάζεται σταθερά ελαστικότητας Ε ή σταθερά του Young και είναι ένα μέτρο για την ακαμψία του υλικού. Όσο μεγαλύτερο είναι το Ε τόσο πιο στιβαρό είναι ένα υλικό. Όριο Αναλογίας (Rα) Ε! Ε χάλυβα = N/mm 2 Ελαστική Περιοχή Νόμος Hooke Γενικά η αύξηση της θερμοκρασίας μειώνει το μέτρο Ελαστικότητας και άρα το θερμαινόμενο υλικό επιδέχεται ευκολότερα (με μικρότερη τάση) μεγαλύτερη παραμόρφωση. Επίδραση της θερμοκρασίας στο μέτρο Ελαστικότητας

7 Σε άβαφους χάλυβες, όπως οι χάλυβες κατασκευών (St37), παρουσιάζεται μία ελαφρά καμπυλότητα μετά το όριο αναλογίας και μετά το άνω όριο διαρροής το υλικό τεντώνεται με σταθερό φορτίο και η καμπύλη δείχνει να ταλαντεύεται γύρω από μία μέση τιμή. Η τιμή αυτή ονομάζεται Όριο Ροής Re. ιακριτό όριο διαρροής Οι βαμμένοι χάλυβες, το Αλουμίνιο και ο Χαλκός, έχουν διάγραμμα σ-ε χωρίς διακεκριμμένο όριο διαρροής. Σε αυτές τις περιπτώσεις χρησιμοποιείται ως όριο διαρροής η τάση κατά την οποία το δοκίμιο μετά την εκφόρτισή του έχει παραμένουσα επιμήκυνση 0.2%. Το όριο διαρροής αποτελεί την σημαντικότερη τιμή στα υλικά κατασκευών, μια και όταν η φόρτισή τους ξεπερνάαυτότοόριο, η κατασκευή έχει ξεπεράσει τις ανεκτές παρταμορφώσεις. Το όριο διαρροής, το όριο ελαστικότητας και το μέτρο του Young, επηρεάζονται από την αύξηση της θερμοκρασίας. Αύξηση της θερμοκρασίας μειώνει τα παραπάνω όρια. Μη διακριτό όριο διαρροής

8 Καμπύλες σ-ε για διάφορα Υλικά Ολκιμότητα είναι η συνολική επιμήκυνση λόγω της πλαστικής παραμόρφωσης ιάκριση των υλικών σε συνεκτικά (ή όλκιμα) και ψαθυρά. Συνεκτικά αυτά που το στάδιο πλαστικής παραμόρφωσης είναι μακρύ (π.χ. μαλακός χάλυβας) και ψαθυρά έκείνα με μικρό στάδιο πλαστικής παραμόρφωσης (π.χ. τσιμεντοκονίαμα, χυτοσίδηρος, πέτρα, κ.λπ.). ) Ολκιμότητα - Ductility

9 Το εμβαδόν της περιοχής που βρίσκεται κάτω από την καμπύλη τάσης επιμήκυνσης, αντιπροσωπεύει το συνολικό ποσό της ενέργειας που μπορεί να απορροφηθεί από το υλικό πριν σπάσει. Το εμβαδόν αυτό αποτελεί ένα μέτρο της δυσθραυστότητας του υλικού. Όλκιμη Θραύση Ψαθυρή Θραύση υσθραυστότητα - Toughness Ποιο υλικό έχει μεγαλύτερη αντοχή ;

10 Ποιο υλικό είναι πιο δύσθραυστο ; Ποιο υλικό είναι πιο όλκιμο ;

11 Τι είναι σκληρότητα ; Η σκληρότητα είναι η ιδιότητα του υλικού να αντιστέκεται στην πλαστική παραμόρφωση, συνήθως από τη διείσδυση. Υπάρχουν τρεις κύριες τυποποιημένες μέθοδοι δοκιμής για τη σκληρότητα, που την προσδιορίζουν σε σχέση με το μέγεθος του αποτυπώματος που προξενούν αντίστοιχοι διεισδυτές. Οι μέθοδοι αυτοί είναι οι : Brinell Vickers Rockwell Η σκληρότητα ως μηχανική ιδιότητα συνδέεται και με άλλες μηχανικές ιδιότητες του υλικού: την αντοχή σε εφελκυσμό, την πλαστικότητα (επιμήκυνση κατά τη θραύση) και τη δυσθραυστότητα. Όταν αυξάνεται η σκληρότητα ενός υλικού, αυξάνεται η αντοχή του και μειώνονται η πλαστικότητα και η δυσθραυστότητά του. Άρα, ένα πολύ σκληρό υλικό είναι πολλές φορές και ψαθυρό (εύθραυστο). οκιμές Σκληρότητας Σκληρόμετρο γενικής χρήσης

12 Κατά τη δοκιμή Brinell μία σφαίρα από βαμμένο χάλυβα ή σκληρομέταλλο πιέζεται στο δοκίμιο για χρόνο 10 έως 15sec και μετράται η διάμετρος του αποτυπώματος οκιμή Brinell! Με τον έλεγχο κατά Brinell ελέγχονται μαλακά έως ημίσκληρα ηρ υλικά Τιμή Σκληρότητας Σκληρότητα Κατά Brinell 320 ΗΒ 2.5 / / 30 ιάμετρος σφαίρας [mm] ύναμη δοκιμής σε N*0.102 ιάρκεια επίδρασης [sec] Μέτρηση οκιμής Brinell

13 Κατά τη δοκιμή Vickers πιέζεται στο δοκίμιο η κορυφή μίας πυραμίδας τετραγωνικής διατομής (γωνία κορυφής 136 ) για χρόνο 10 έως 15sec και μετράται και μετρώνται τα μήκη των διαγωνίων του αποτυπώματος. Η τιμή προκύπτει ως συνάρτηση του μέσου όρου των διαγωνίων. Η τιμή της σκληρότητας δίδεται μαθηματικά από τον τύπο : HV =1,854 P/d 2 όπου P:ηη εφαρμοζόμενη μ δύναμη σε Kp και d: ο μέσος όρος των διαγωνίων (=(d1+d2)/2) του αποτυπώματος (mm) οκιμή Vickers Τιμή Σκληρότητας Σκληρότητα κατά Vickers 860 ΗV 50 /30 ύναμη δοκιμής σε N*0.102 ιάρκεια επίδρασης [sec] Με τον έλεγχο κατά Vickers ελέγχονται μαλακά και σκληρά υλικά! Μέτρηση οκιμής Vickers

14 Κατά τη δοκιμή Rockwell διεισδύει στο δοκίμιο ένας κώνος ή σφαίρα. Η διείσδυση γίνεται με σταθερή δύναμη και κατόπιν διακόπτεται. Η δοκιμή αυτή βασίζεται στη μέτρηση του βάθους του αποτυπώματος (και όχι της διαμέτρου), που προκαλεί ο διεισδυτής κατά τη διάρκεια δύο φάσεων : - της προφορτίσεως, ρ που χρησιμοποιείται μικρή δύναμη (10 Kp) και - της φορτίσεως που χρησιμοποιείται μεγαλύτερη μγ δύναμη, η οποία είναι καθορισμένη (100 ή 150 Kp). οκιμή Rockwell! και Τιμή Σκληρότητας 62 ΗRC Σκληρότητα κατά Rockwell C Με τον έλεγχο κατά Rockwell ελέγχονται μαλακά και σκληρά υλικά Για σκληρά υλικά χρησιμοποιείται ως σώμα διεισδύσεως κώνος από διαμάντι με γωνία κορυφής 120 (μέθοδος HRC). Κατά τη διάρκεια της προφορτίσεως, η εφαρμοζόμενη δύναμη είναι ίση με 10 kp καικατάτηδιάρκειατηςφορτίσεως είναι ίση με 150 kp. Η κλίμακα της σκληρότητας εκτείνεται από 20 έως 70 HRC. Εφαρμόζεται στην περίπτωση θερμικά κατεργασμένων χαλύβων και γενικότερα μετάλλων και κραμάτων μετά από κατεργασίες σκληρύνσεως (π.χ. βαμμένοι χάλυβες, επιφανειακά κατεργασμένοι χάλυβες, κράματα αλουμινίου μετά από γήρανση (ντουραλουμίνιο), κ.λπ.). Για μαλακά υλικά χρησιμοποιείται μία βαμμένη χαλύβδινη σφαίρα διαμέτρου 1.59mm (μέθοδος HRB). Η δύναμη προφορτίσεως είναι ίση με 10 kp και της φόρτισης είναι ίση με 100 kp. Η κλίμακα της ξεκινά από 35 ΗRB και φθάνει στα 100 ΗRB. Τα υλικά που μπορούν να σκληρομετρηθούν είναι κοινοί χάλυβες, ακατέργαστοι κραματωμένοι χάλυβες, κράματα χαλκού, κράματα αλουμινίου γενικά υλικά που δεν έχουν υποστεί κατεργασίες σκληρύνσεως. Μέτρηση οκιμής Rockwell

15 Ο έλεγχος της υσθραυστότητας γίνεται μέσω τυποποιημένης δοκιμής κρούσης με τη βοήθεια μηχανής εκκρεμούς σφύρας. Οι διαφορετικοί τύποι δοκιμής είναι οι παρακάτω : δοκιμή Charpy δοκιμή Izod Και οι δυο ανωτέρω τεχνικές βασίζονται στη μέτρηση του μηχανικού έργου, που χρειάζεται για τη θραύση ενός τυποποιημένων διαστάσεων δοκιμίου στο οποίο έχει γίνει κατάλληλη χαραγή σχήματος V Έλεγχος υσθραυστότητας Στην περίπτωση της δοκιμής Charpy, το δοκίμιο συγκρατείται στα δύο του άκρα ως αμφιέρειστος δοκός, ενώ στην περίπτωση της δοκιμής Izod, το δοκίμιο είναι πακτωμένο από το ένα άκρο στο άλλο (πρόβολος). To όργανο που χρησιμοποιείται ονομάζεται εκκρεμές και για τη θραύση του δοκιμίου χρησιμοποιεί μια βαριά σφύρα. Η διαφορά της δυναμικής ενέργειας μεταξύ της τελικής (ύψος h από τη θέση του δοκιμίου) και της αρχικής θέσης της σφύρας (ύψος h από τη θέση του δοκιμίου) ) δίνει και το απαιτούμενο για τη θραύση μηχανικό έργο. οκιμή Charpy

16 Κόπωση είναι η χαρακτηριστική χρονικά μεταβαλλόμενη καταπόνηση, η οποία μετά από συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία του υλικού (θραύση από κόπωση). Το όριο διαρροής είναι μέτρο της στατικής αντοχής του υλικού. Στην περίπτωση της κόπωσης, το αντίστοιχο όριο είναι κατώτερο του στατικού και αντιστοιχεί στη δυναμική αντοχή του υλικού. Συνθήκες που υποβοηθούν την κόπωση: Οι έντονες μηχανικές καταπονήσεις, αλλά και η παρουσία διαβρωτικών συνθηκών του περιβάλλοντος υποβοηθούν το φαινόμενο της κόπωσης με αποτέλεσμα την πρόωρη αστοχία πολλών υλικών. Ο ελλιπής σχεδιασμός μεταλλικών εξαρτημάτων (ύπαρξη γωνιών και γενικά εγκοπών) δημιουργεί συγκέντρωση τάσεων και μείωση της αντοχής τους σε κόπωση κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους. Η βελτίωση της αντοχής σε κόπωση επιτυγχάνεται με την εξάλειψη επιφανειακών ατελειών (υποψήφιες θέσεις έναρξης της ρωγμής) με λείανση, καθώς και με μεθόδους επιφανειακής σκλήρυνσης, όπως π.χ. με αμμοβολή - υαλοβολή, ενανθράκωση, εναζώτωση, κ.λπ.. Κόπωση Υλικών Ας θεωρηθεί μία περιοδικά (κυκλικά) επαναλαμβανόμενη καταπόνηση που απεικονίζεται στο σχήμα. Το διάγραμμα παρουσιάζει τη χρονική μεταβολή της τάσης και δείχνει ότι το υλικό καταπονείται από μία μέγιστη θετική (εφελκυστική) τάση (σ 0 ) έως μία ελάχιστη αρνητική (θλιπτική) τάση (-σ 0 ). Ο κύκλος ή περίοδος φόρτισης είναι ο χρόνος που απαιτείται για ένα πλήρη κύκλο εναλλαγής της τιμής της τάσης (από μέγιστη σε μέγιστη ή από ελάχιστη σε ελάχιστη τιμή). Μετά από περίοδο συγκεκριμένου χρονικού διαστήματος φόρτισης (ή αριθμού κύκλου φορτίσεως) το υλικό αστοχεί (σπάει). ά ΗτιμήτηςτάσηςS 0 ονομάζεται όριο κόπωσης. Το διάγραμμα (ii) του σχήματος ισχύει κυρίως για τα περισσότερα είδη χαλύβων. Ηκαμπύλη(iii) του σχήματος, η οποία ισχύει για τα μη σιδηρούχα κράματα, δείχνει ότι, για κάθε τιμή της τάσης (όσο μικρή είναι αυτή), το υλικό μετά από πεπερασμένο αριθμό κύκλων φόρτισης οδηγείται σε θραύση λόγω κόπωσης. οκιμή Κόπωσης

17 Η πλαστική παραμόρφωση (ε) ενός υλικού ως συνάρτηση της εφαρμοζόμενης τάσης (σ), του χρόνου επιβολής της τάσης (t), καθώς και της θερμοκρασίας (Τ), ονομάζεται ερπυσμός (λέξη που προέρχεται από το ρήμα έρπω ). ε = f (σ, t, T) Οι δοκιμές του ερπυσμού συνίστανται στην εφαρμογή εφελκυστικών τάσεων κάτω από υψηλές θερμοκρασίες και στην ακριβή μέτρηση της παραμόρφωσης για μεγάλες χρονικές περιόδους. Γι αυτό και ο προσδιορισμός της καμπύλης ε-t (ερπυσμού) ενός μεταλλικού υλικού θεωρείται επίπονη διαδικασία και απαιτεί όργανα μέτρησης υψηλής ακριβείας, όπως π.χ. επιμηκυνσιόμετρο, το οποίο να μην επηρεάζεται από τις μεταβολές της θερμοκρασίας. Ερπυσμός