Περιεχόμενα. Πρόλογος

Transcript

1

2 Περιεχόμενα v Πρόλογος Η πλήρης κατανόηση της συσχέτισης μεταξύ της δομής και των ιδιοτήτων των υλικών αποτελεί την βασική προϋπόθεση όχι μόνο της δυνατότητας επιλογής του καταλληλότερου υλικού για συγκεκριμένη εφαρμογή, αλλά και της ανάπτυξης νέων υλικών. Το βιβλίο αυτό παρουσιάζει την τριπλή συσχέτιση μεταξύ δομής, ιδιοτήτων και κατεργασιών των υλικών και αναφέρεται στα είδη των διαθέσιμων υλικών με τις ιδιότητες, την τυποποίηση και τις εφαρμογές τους. Περιλαμβάνει μεθόδους ποιοτικού ελέγχου και προσδιορισμού διαφόρων ιδιοτήτων των υλικών, τρόπους ελέγχου και επέμβασης στη δομή για απόκτηση επιθυμητών χαρακτηριστικών από τα υλικά και τέλος τις διάφορες βιομηχανικές επεξεργασίες μορφοποίησης των υλικών. Αποτελεί ένα από τα λίγα βιβλία στην ελληνική βιβλιογραφία που διαπραγματεύεται όλα τα είδη των κατασκευαστικών υλικών (μεταλλικά, πολυμερή, κεραμικά, γυαλιά, τσιμέντα και σύνθετα υλικά) και είναι αποτέλεσμα μιας μακρόχρονης προσπάθειας και εμπειρίας από τη διδασκαλία του μαθήματος «Τεχνολογία Υλικών». Σε συνδυασμό με το βιβλίο «Χημική Τεχνολογία» (Βατάλης Αργύρης, Εκδόσεις Ζήτη, 2004), που παρουσιάζει τις μεθόδους παραγωγής των κατασκευαστικών υλικών από πρώτες ύλες, αποτελεί μια πλήρη αναφορά στον κόσμο των υλικών από την διαδικασία παραγωγής τους μέχρι τη χρήση τους. Απευθύνεται σε φοιτητές Τ.Ε.Ι. και Α.Ε.Ι. και επιστήμονες ειδικότητας Μηχανολογίας, Ηλεκτρολογίας, Βιομηχανικού Σχεδιασμού, Επιστήμης και Τεχνολογίας των Υλικών, Χημικού Μηχανικού, Μεταλλειολόγου Μηχανικού, Πολιτικού Μηχανικού και άλλων ειδικοτήτων που σχετίζονται με τα κατασκευαστικά υλικά. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω τις Εκδόσεις Ζήτη για τη σημαντική συμβολή τους στην πραγματοποίηση αυτού του έργου και την επιμέλεια για την όσο το δυνατό αρτιότερη εμφάνιση του βιβλίου. Κοζάνη, Ιανουάριος 2009 Αργύρης Σωκ. Βατάλης

3 Περιεχόμενα vii Περιεχόμενα 1 Εισαγωγή 1.1 Ο κόσμος των υλικών Τύποι υλικών...2 Μεταλλικά υλικά...2 Πολυμερή...2 Κεραμικά...3 Σύνθετα υλικά...3 Ηλεκτρονικά υλικά Επιλογή των υλικών Ανταγωνισμός μεταξύ των υλικών Στοιχεία Δομής των Ατόμων και Θεωρίας των Δεσμών 2.1 Στοιχεία δομής των ατόμων Ατομικά πρότυπα Thomson και Rutherford Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Το ατομικό πρότυπο του Bohr Η αρχή της αβεβαιότητας του Ηeisenberg Η κυματική εξίσωση του Schrödinger Ατομικός αριθμός Ισότοπα Ιόντα Στοιχεία από τη θεωρία των δεσμών Εισαγωγή Θεωρία του Lewis για τον ομοιοπολικό δεσμό. Kανόνας της οκτάδας Θεωρία των μοριακών τροχιακών Ιοντικός δεσμός Μεταλλικός δεσμός Δομή των Υλικών 3.1 Εισαγωγή Κρυσταλλικά συστήματα και κρυσταλλικά πλέγματα Δομή των μετάλλων Δομή των κεραμικών Δομή των γυαλιών...44

4 viii Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών 3.5 Δομή των πολυμερών Εισαγωγή Βασικοί ορισμοί έννοιες και μόρια πολυμερών Θερμοπλαστικά και θερμοστατικά πολυμερή Ελαστομερή Κρυσταλλικότητα πολυμερών Θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης (T g ), ροής (T f ) και τήξης (Τ m ) Kρυσταλλογραφικές διευθύνσεις και επίπεδα Περίθλαση ακτίνων Χ (Χ ray Diffraction) Στερεοποίηση, Ατέλειες (ή Διαταραχές) στη Δομή και Διάχυση στα Στερεά 4.1 Στερεοποίηση των μετάλλων...73 Ο σχηματισμός σταθερών πυρήνων στο τήγμα μετάλλων...74 Ανάπτυξη κρυστάλλων σε υγρό μέταλλο και σχηματισμός δομής κόκκων Μεταλλικά στερεά διαλύματα Ατέλειες στη δομή Σημειακές ατέλειες Γραμμικές ατέλειες ή διαταραχές Διεπιφανειακές ατέλειες...85 Όρια κόκκων...85 Σφάλματα στοιβάγματος...90 Επιφάνειες διδυμιών Μικροσκοπική εξέταση Oπτική μικροσκοπία Hλεκτρονική μικροσκοπία Διάχυση στα στερεά Γενικά Μηχανισμοί διάχυσης Διάχυση σταθερής κατάστασης Διάχυση μη σταθερής κατάστασης Επίδραση της θερμοκρασίας στη διάχυση Μηχανικές Δοκιμασίες και Ιδιότητες Αστοχία των Υλικών και Πρόληψη 5.1 Τάση Παραμόρφωση Μεταλλικά υλικά Κεραμικά και γυαλιά Πολυμερή Μηχανισμοί παραμόρφωσης...123

5 Περιεχόμενα ix Πλαστική παραμόρφωση των μεταλλικών υλικών Παραμόρφωση των θερμοπλαστικών πολυμερών Σκληρότητα Δυσθραυστότητα Κόπωση Ερπυσμός Μηχανική θραύσης Μη καταστροφικές μέθοδοι ελέγχου των υλικών Ραδιογραφία ακτίνων Χ Έλεγχος με υπέρηχους Έλεγχος με δινορεύματα Έλεγχος με μαγνητικά σωματίδια Έλεγχος με διεισδυτικά υγρά Έλεγχος με εκπομπή ακουστικών κυμάτων Διαγράμματα Φάσεων σε Ισορροπία 6.1 Γενικά Κατασκευή διαγραμμάτων φάσεων Διαγράμματα φάσεων συστημάτων που τα συστατικά τους εμφανίζουν πλήρη διαλυτότητα (αναμιξιμότητα) στην υγρή και στερεή κατάσταση Ευτηκτικό διάγραμμα χωρίς σχηματισμό στερεού διαλύματος Ευτηκτικό διάγραμμα με περιορισμένη αναμιξιμότητα στη στερεή κατάσταση Ευτηκτοειδές διάγραμμα Γενικά Αλλοτροπικές μορφές του καθαρού σιδήρου και διάγραμμα φάσεων του συστήματος σιδήρου (Fe)-καρβιδίου του σιδήρου (Fe 3 C) Ευτηκτική αντίδραση Ευτηκτοειδής αντίδραση Ευτηκτοειδείς κοινοί χάλυβες Υποευτηκτοειδείς κοινοί χάλυβες Υπερευτηκτοειδείς κοινοί χάλυβες Ο κανόνας του μοχλού Μετασχηματισμοί Φάσεων 7.1 Γενικά Πυρηνοποίηση και ανάπτυξη φάσεων...191

6 x Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών 7.3 Διαγράμματα ισοθερμοκρασιακού μετασχηματισμού στα κράματα σιδήρου άνθρακα Περλιτικός μετασχηματισμός Mπαινιτικός μετασχηματισμός Μαρτενσιτικός μετασχηματισμός Διαγράμματα μετασχηματισμού συνεχούς ψύξης Ιδιότητες χαλύβων Κινητική των μετασχηματισμών φάσεων μη μεταλλικών υλικών Κρυστάλλωση των πολυμερών Μέθοδοι Αύξησης της Αντοχής των Μεταλλικών Υλικών 8.1 Εισαγωγή Αύξηση της αντοχής με ελάττωση του μεγέθους των κόκκων Αύξηση της αντοχής με δημιουργία στερεού διαλύματος Σκλήρυνση από παραμόρφωση (ενδοτράχυνση) Σκλήρυνση με κατακρήμνιση λόγω γήρανσης Αποκατάσταση και ανακρυστάλλωση μεταλλικών υλικών που έχουν υποστεί πλαστική παραμόρφωση Αποκατάσταση Ανακρυστάλλωση Aύξηση μεγέθους (ανάπτυξη) κόκκων Θερμικές Κατεργασίες Μεταλλικών Υλικών 9.1 Γενικά Θερμικές κατεργασίες χαλύβων Ανόπτηση χαλύβων Ανόπτηση κατεργασίας Ανόπτηση εξάλειψης τάσεων (αποτατική ανόπτηση) Πλήρης ανόπτηση Ανόπτηση εξομάλυνσης Ανόπτηση σφαιροποίησης Γρήγορη ψύξη (βαφή) και αναθέρμανση (επαναφορά) χαλύβων Εμβαπτότητα ή ικανότητα σκλήρυνσης Μέσα (λουτρά) βαφής και δραστικότητα αυτών Eπιφανειακές κατεργασίες χαλύβων Επιλεκτική θέρμανση της επιφάνειας Ενανθράκωση και εναζώτωση...250

7 Περιεχόμενα xi 10 Βιομηχανικά Μέταλλα και Κράματα 10.1 Κράματα σιδήρου Απλοί ανθρακούχοι και ελαφρώς κραματοποιημένοι χάλυβες Υψηλά κραματοποιημένοι χάλυβες Ανοξείδωτοι χάλυβες Χάλυβες εργαλείων Χυτοσίδηροι O χαλκός (Cu) και τα κράματά του Γενικές ιδιότητες του χαλκού Kατηγορίες και τυποποίηση κραμάτων του χαλκού Μη κραματοποιημένος χαλκός Κράματα χαλκού ψευδαργύρου (Zn) Μπρούντζοι κασσιτέρου (Sn) Kράματα χαλκού βηρυλλίου (Be) Kράματα χαλκού αλουμινίου (Al) Kράματα χαλκού νικελίου (Ni) Kράματα χαλκού νικελίου ψευδαργύρου Kράματα χαλκού καδμίου (Cd) Το αλουμίνιο (Al) και τα κράματά του Αλουμίνιο Κράματα του αλουμινίου Συμβολισμός κραμάτων του αλουμινίου Κράματα διαμόρφωσης Κράματα χύτευσης Το μαγνήσιο (Mg) και τα κράματά του Γενικά Συμβολισμός κραμάτων του μαγνησίου Συνήθη κράματα του μαγνησίου Κράματα μαγνησίου αργιλίου ψευδαργύρου μαγγανίου Κράματα μαγνησίου μαγγανίου Κράματα μαγνησίου ψευδαργύρου ζιρκονίου Το τιτάνιο (Τi) και τα κράματά του Εμπορικά καθαρό Ti Κράματα Τi alpha Κράματα Τi beta Κράματα Τi alpha beta Νικέλιο (Ni) και κοβάλτιο (Co) Γενικά Νικέλιο και κράμα Monel Υπερκράματα...292

8 xii Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών 10.7 Ο ψευδάργυρος (Zn) και τα κράματά του Ο μόλυβδος (Pb) και τα κράματά του Κεραμικά, γυαλιά και τσιμέντα 11.1 Εισαγωγή Κεραμικά υλικά Προϊόντα αργίλου Πυρίμαχα κεραμικά Πυρίμαχα από πυρίμαχο άργιλο που έχει προπυρωθεί (πυρίμαχα fireclay) Πυρίμαχα fireclay υψηλής περιεκτικότητας σε αλουμίνα Πυριτικά πυρίμαχα (όξινα πυρίμαχα) Πυρίμαχα μαγνησίας (βασικά πυρίμαχα) Άλλα πυρίμαχα υλικά Προηγμένα κεραμικά Οξείδιο του αλουμινίου Καρβίδιο του πυριτίου Νιτρίδιο του πυριτίου Si 3 Al 3 Ο 3 Ν 5 (sialon) Ζιρκονία (ZrO 2 ) Eφαρμογές στην ηλεκτρική και ηλεκτρονική βιομηχανία Γυαλιά Είδη γυαλιών Κεραμικά γυαλιά Τσιμέντα Γενικά Το τσιμέντο Portland Δέσιμο και σκλήρυνση Χημικές αντιδράσεις στις οποίες οφείλεται το «δέσιμο» και η σκλήρυνση του τσιμέντου Σκυρόδεμα Άσβεστος Είδη άσβεστου Σκλήρυνση της ασβέστου Τσιμέντα γύψου Πολυμερή 12.1 Θερμοπλαστικά γενικών εφαρμογών Πολυαιθυλένιο...321

9 Περιεχόμενα xiii Πολυβινυλοχλωρίδιο Πολυπροπυλένιο Πολυστυρόλιο Πολυακριλονιτρίλιο Συμπολυμερή στυρολίου ακρυλονιτριλίου (SAN) Συμπολυμερή ακρυλονιτριλίου βουταδιενίου στυρολίου (ABS) Πολυ(μεθακρυλικός μεθυλεστέρας) (PMMA) Φθοριωμένα πλαστικά Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE ή teflon) Πολυχλωροτριφθοροαιθυλένιο (PCTFE) Βιομηχανικά θερμοπλαστικά Πολυαμίδια (nylons) Πολυ(ανθρακικοί εστέρες) Πολυακετάλες Θερμοπλαστικοί πολυεστέρες Κράματα πολυμερών Θερμοστατικά πλαστικά Φαινολικά θερμοστατικά υλικά (φαινολικές ρητίνες) Εποξειδικές ρητίνες Ακόρεστοι πολυεστέρες Αμινοπλαστικά (αμινικές ρητίνες) Ελαστομερή Φυσικό ελαστικό Συνθετικά ελαστικά Ελαστομερή θερμοπλαστικών πολυουρεθανών (TPUE) Σύνθετα υλικά 13.1 Εισαγωγή Σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες Συνήθη σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες γυαλιού Προηγμένα σύνθετα υλικά Mέτρο ελαστικότητας, αντοχή σε εφελκυσμό και κρίσιμο μήκος ίνας Σύνθετα υλικά με συνεχείς και ευθυγραμμισμένες ίνες Σύνθετα υλικά με μη συνεχείς και ευθυγραμμισμένες ίνες Δυσθραυστότητα Σύνθετα υλικά ενισχυμένα με σωματίδια Σύνθετα υλικά ενισχυμένα με σωματίδια μικρού μεγέθους σε διασπορά Σύνθετα υλικά ενισχυμένα με σωματίδια μεγάλου μεγέθους...376

10 xiv Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών Σκυρόδεμα Στρωματικά σύνθετα υλικά Πολυστρωματικά σύνθετα υλικά Sandwich υλικά Ηλεκτρικές ιδιότητες 14.1 Εισαγωγή Μεταφορείς ηλεκτρικού φορτίου και ηλεκτρική αγωγιμότητα Μοριακές ενεργειακές στάθμες Ηλεκτρονικοί αγωγοί Κινητικότητα και μέση ταχύτητα ηλεκτρονίων στα μέταλλα Ηλεκτρική ειδική αντίσταση των μεταλλικών υλικών Ειδικές ηλεκτρικές χρήσεις μετάλλων και κραμάτων Ημιαγωγοί Ενδογενείς ημιαγωγοί Εξωγενείς ημιαγωγοί Μονωτικά (διηλεκτρικά) υλικά Γενικά Βασική θεωρία των διηλεκτρικών ιδιοτήτων των στερεών Ηλεκτρομονωτικά υλικά Κεραμικά Μίκα Αμίαντος Γυαλί Πολυμερή Υγρά μονωτικά Αέρια μονωτικά Μαγνητικές ιδιότητες 15.1 Γενικά για τα μαγνητικά υλικά Μαγνητισμός Αλληλεπίδραση μεταξύ μαγνητικών δίπολων και του μαγνητικού πεδίου Διαμαγνητική συμπεριφορά Παραμαγνητισμός Σιδηρομαγνητισμός Αντισιδηρομαγνητισμός Σιδηριμαγνητισμός...426

11 Περιεχόμενα xv 15.4 Δομή μαγνητικών περιοχών και βρόχος υστέρησης Eφαρμογή της καμπύλης μαγνήτισης έντασης μαγνητικού πεδίου Θερμοκρασία Curie Μαγνητικά υλικά Οπτικές και Θερμικές ιδιότητες 16.1 Εισαγωγή Οπτικές Ιδιότητες Διέγερση των ατόμων Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα Aπορρόφηση και Μετάδοση Διάθλαση Φωτεινότητα Θερμικές Ιδιότητες Εισαγωγή Θερμοχωρητικότητα Θερμική διαστολή Θερμική αγωγιμότητα Βιομηχανική Επεξεργασία των Υλικών 17.1 Μεταλλικά υλικά Μηχανικές κατεργασίες μορφοποίησης Σφυρηλάτηση Έλαση Διέλαση Ολκή Κοίλανση Χύτευση Χύτευση σε άμμο Χύτευση σε μήτρα με βαρύτητα Χύτευση σε μήτρα υπό πίεση Xύτευση ακριβείας Συνεχής χύτευση Φυγοκεντρική χύτευση Άλλες τεχνικές Κονιομεταλλουργία...474

12 xvi Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών Υπερπλαστική μορφοποίηση Συγκόλληση Γυαλιά και κεραμικά υλικά Κατεργασίες μορφοποίησης του γυαλιού Κατεργασίες μορφοποίησης των κρυσταλλικών κεραμικών Ξήρανση μορφοποιημένων κεραμικών Όπτηση (ψήσιμο) μορφοποιημένων κεραμικών Πoλυμερή υλικά Μορφοποίηση των πλαστικών υλικών Γενικά Μορφοποίηση με συμπίεση και με χύτευση μεταφοράς Μορφοποίηση με έκχυση Μορφοποίηση με εκβολή Μορφοποίηση με εμφύσηση Θερμομόρφωση Χύτευση Μορφοποίηση των ελαστομερών υλικών Παραγωγή ινών Παραγωγή φιλμ Βιβλιογραφία Ευρετήριο όρων...505