ΜΕΤΑΛΛΑ 1. Γενικά 2. Ιδιότητες μετάλλων 3. Έλεγχος μηχανικών ιδιοτήτων 1. ΓΕΝΙΚΑ Τα μέταλλα παράγονται, κυρίως, από τις διάφορες ενώσεις τους, οι οποίες βρίσκονται στη φύση με τη μορφή μεταλλευμάτων. Τα διάφορα μεταλλεύματα υποβάλλονται σε φρύξη μέσα σε ειδικές εγκαταστάσεις και ύστερα από κατάλληλη διεργασία λαμβάνονται τα αντίστοιχα καθαρά μέταλλα. Τα μέταλλα ενώνονται με άλλα χημικά στοιχεία και σχηματίζουν διάφορες ενώσεις, οι οποίες ονομάζονται κράματα. Τα κράματα παρουσιάζουν βελτιωμένες ιδιότητες, οι οποίες εξαρτώνται από τα υλικά και τις αναλογίες ανάμιξης. Τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα των μετάλλων είναι: η μεταλλική λάμψη υψηλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα η μεγάλη σκληρότητα οι σημαντικές μηχανικές αντοχές η πλαστικότητα η ελατότητα το όλκιμο η ικανότητά τους να λαμβάνουν οποιοδήποτε σχήμα, μετά την τήξη τους Σαν δομικά υλικά τα μέταλλα άργησαν να χρησιμοποιηθούν σε ευρεία κλίμακα. Αυτό έγινε όταν άρχισαν να κατασκευάζονται μεγαλύτερα και πιο σύνθετα έργα, οπότε έπρεπε να χρησιμοποιηθούν υλικά με βελτιωμένες ιδιότητες και μικρότερο κόστος. Τα πρώτα μεταλλικά δομικά έργα ήταν οδικές και σιδηροδρομικές γέφυρες, δοκοί και στύλοι για στέγες και ήταν κατασκευασμένα από χυτοσίδηρο. Σήμερα λόγω της αλματώδους ανάπτυξης της παρασκευής και της τεχνολογίας του σιδήρου και του χάλυβα, τα μέταλλα αυτά χρησιμοποιούνται ευρύτατα σε σημαντικά δομικά έργα, καθώς και σε πιο απλές κατασκευές. Η κατασκευή πολύ σημαντικών έργων, όπως γέφυρες με εξαιρετικά μεγάλα ανοίγματα, αίθουσες με μεγάλες διαστάσεις χωρίς υποστυλώματα κ.ά., έγινε δυνατή μόνο με τη χρησιμοποίηση αυτών των υλικών. Επίσης, ο χάλυβας μαζί με το σκυρόδεμα χρησιμοποιείται σε έργα από οπλισμένο και προεντεταμένο σκυρόδεμα. Και άλλα μέταλλα και κράματα χρησιμοποιούνται στις κατασκευές σε περιορισμένη έκταση, όπως, κυρίως ο χαλκός, ο ψευδάργυρος, ο μόλυβδος κ.ά σε μικρότερη έκταση. Τα τελευταία χρόνια έχει αρχίσει να χρησιμοποιείται αρκετά το αλουμίνιο, κυρίως στις εξωτερικές όψεις των κτιρίων, επειδή είναι ελαφρύ, με μεγάλη αντοχή και εξαιρετική ανθεκτικότητα στις καιρικές μεταβολές. 1
2. ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Οι ιδιότητες των μετάλλων διακρίνονται σε φυσικοχημικές, μηχανικές και τεχνολογικές. Οι φυσικοχημικές ιδιότητες αναφέρονται κυρίως στο ειδικό βάρος, στο σημείο τήξης, στην ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα και γενικότερα στη χημική συμπεριφορά των μετάλλων. Οι μηχανικές ιδιότητες αναφέρονται στην καταπόνηση των υλικών υπό την επίδραση διάφορων εξωτερικών δυνάμεων, όπως καταπόνηση σε θλίψη, εφελκυσμό, κρούση κ.ά. Οι τεχνολογικές ιδιότητες αναφέρονται στη συμπεριφορά των μετάλλων στις διάφορες μηχανικές και θερμικές κατεργασίες, όπως είναι η ολκιμότητα και η ελατότητα. Ολκιμότητα ονομάζεται η ικανότητα των μετάλλων να παίρνουν τη μορφή σύρματος, όταν υποβάλλονται σε εφελκυστικές τάσεις σε ειδική συσκευή. Ελατότητα ονομάζεται η ικανότητα των μετάλλων να μεταβάλλεται το σχήμα τους υπό την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων χωρίς να ρηγματώνονται. Η μεταβολή του σχήματος των μετάλλων γίνεται είτε εν ψυχρώ, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, είτε εν θερμώ, σε θερμοκρασία ερυθροπύρωσης. 3. ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Α. ΔΟΚΙΜΗ ΣΕ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟ Κατά τη δοκιμή σε εφελκυσμό, κατάλληλα δοκίμια του υλικού τοποθετούνται σε ειδικές συσκευές και καταπονούνται με εφελκυστικές τάσεις μέχρις ότου θραυστούν. Από τη συνεχή καταγραφή, ταυτοχρόνως, των επιβαλλόμενων φορτίων και των αντίστοιχων επιμηκύνσεων του δοκιμίου κατασκευάζεται το διάγραμμα τάσεων - παραμορφώσεων. Τα δοκίμια για τη δοκιμή σε εφελκυσμό έχουν συγκεκριμένη μορφή, όπως αυτή καθορίζεται από τους κανονισμούς. Είναι κυλινδρικά ή πρισματικά κατάλληλα διαμορφωμένα στα άκρα τους, ώστε τα φορτία που επικρατούν στις περιοχές επιβολής του φορτίου να μετατρέπονται σε εφελκυσμό στην κεντρική περιοχή του δοκιμίου όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Στις δοκιμές εφελκυσμού οι τάσεις και συνεπώς οι παραμορφώσεις, εξαρτώνται από τη μορφή και το μέγεθος του δοκιμίου. Για να είναι συγκρίσιμα τα αποτελέσματα των δοκιμίων, σύμφωνα με τους διεθνείς κανονισμούς, πρέπει να υπάρχει σταθερή αναλογία μεταξύ του μήκους μέτρησης, L, της διαμέτρου της κυκλικής διατομής, d, για τα κυλινδρικά δοκίμια ή του εμβαδού της διατομής, S, για τα πρισματικά δοκίμια. Το μήκος μέτρησης πρέπει να περιλαμβάνει όλη την πλαστική παραμόρφωση, η οποία δημιουργείται σ αυτό, γύρω από τη διατομή θραύσης. 2
Β. ΔΟΚΙΜΗ ΣΕ ΘΛΙΨΗ Η δοκιμή σε θλίψη γίνεται, κυρίως, σε ψαθυρά υλικά, τα οποία στις κατασκευές αναλαμβάνουν τις θλιπτικές τάσεις. Από τις κατάλληλες μετρήσεις, κατά την πειραματική διαδικασία, κατασκευάζεται το αντίστοιχο διάγραμμα τάσεων παραμορφώσεων και εξάγονται σημαντικές πληροφορίες για τις μηχανικές ιδιότητες των ψαθυρών υλικών, τα οποία παρουσιάζουν μικρές παραμορφώσεις κατά την εφελκυστική καταπόνηση. Στα ψαθυρά υλικά το όριο θραύσης και το όριο διαρροής, σχεδόν, ταυτίζονται. Η θραύση των δοκιμίων πραγματοποιείται κατά τη διεύθυνση της μέγιστης διατμηματικής τάσης. Τα όλκιμα υλικά, αντιθέτως, έχουν όριο διαρροής και δεν θραύονται. Διαρρέουν συνεχώς χωρίς ρωγμές και επιφάνειες θραύσης και αποκτούν τελικά τη μορφή λεπτόπαχου δίσκου με ενδιάμεσο στάδιο τη βαρελοειδή μορφή. Συμβατικά, λαμβάνεται ως όριο θραύσης η τάση, η οποία αντιστοιχεί στη μείωση του αρχικού ύψους του δοκιμίου κατά 30%. Για τη δοκιμή σε θλίψη χρησιμοποιούνται κατάλληλα δοκίμια, κυλινδρικά ή κυβικά, με διαστάσεις που καθορίζονται από τους αντίστοιχους διεθνείς κανονισμούς. Οι διαστάσεις των δοκιμίων είναι καθοριστικός παράγοντας για την αντοχή σε θλίψη. Αυτό οφείλεται στο φαινόμενο της τριβής στην επιφάνεια επαφής των πλακών με το δοκίμιο, οπότε η καταπόνηση δεν είναι καθαρά σε θλίψη. Μάλιστα, η αντοχή σε θλίψη μειώνεται όσο αυξάνεται το ύψος του δοκιμίου. Η αντοχή σε θλίψη κυλινδρικού δοκιμίου είναι μεγαλύτερη από την αντοχή κυβικού ή πρισματικού δοκιμίου. Γ. ΔΟΚΙΜΗ ΑΝΤΟΧΗΣ ΣΕ ΚΟΠΩΣΗ Πολλές φορές, τμήματα κατασκευών ή και ολόκληρες οι κατασκευές, όπως μηχανές εσωτερικής καύσης, κ.λ.π., καταπονούνται με φορτία, τα οποία είναι επαναλαμβανόμενα με το χρόνο και αστοχούν, χωρίς τα φορτία να υπερβούν το όριο θραύσης ή το όριο διαρροής του υλικού. Το φαινόμενο κατά το οποίο οι μηχανικές ιδιότητες ενός υλικού μεταβάλλονται και τελικά οδηγούν στην αστοχία του υλικού, υπό την επίδραση εναλλασσόμενων 3
τάσεων, ονομάζεται κόπωση. Τα φορτία και οι αντίστοιχες τάσεις που προκαλούν την κόπωση ονομάζονται φορτία και τάσεις κόπωσης. Η αντοχή ενός υλικού σε κόπωση είναι ιδιαιτέρως σημαντική, επειδή περίπου το 90% των αστοχιών που παρουσιάζονται στην πράξη οφείλονται σε τάσεις κόπωσης. Η αστοχία σε κόπωση οφείλεται κυρίως στις αναπόφευκτες μικροσκοπικές ατέλειες και στις ασυνέχειες που συσσωρεύονται στον όγκο κάθε υλικού. Αυτές αποτελούν περιοχές συγκέντρωσης τάσεων, δηλαδή μικρές περιοχές στις οποίες οι τάσεις είναι δυνατόν να ξεπερνούν το όριο διαρροής του υλικού, παρά το γεγονός ότι σε συνολικό επίπεδο οι εφαρμοζόμενες τάσεις δεν ξεπερνούν το όριο διαρροής. Στη μεταβολή των τάσεων στις μικρές αυτές περιοχές οφείλει την ύπαρξή του ο μηχανισμός δημιουργίας και επέκτασης μικρορωγμών, οι οποίες εξελίσσονται σε μακρορωγμές και ευθύνονται τελικά για τη μείωση της αντοχής του υλικού ως την τελική θραύση του. Η συνηθέστερη καταπόνηση σε κόπωση στις εργαστηριακές δοκιμές πραγματοποιείται με εφελκυστικά ή και θλιπτικά φορτία. Γίνονται όμως και δοκιμές σε κάμψη ή σε στρέψη ή σε συνδυασμό αυτών των δύο. Σε όλες τις δοκιμές σε κόπωση, θεωρείται ότι η συχνότητα δεν επηρεάζει τα αποτελέσματα των δοκιμών. Η παραδοχή αυτή ισχύει για συχνότητες μέχρι και 100 Hz. Για μεγαλύτερες συχνότητες, παρατηρείται συχνά σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας του εξεταζόμενου υλικού, η οποία επηρεάζει τις μηχανικές ιδιότητές του. Η επιφάνεια θραύσης του δοκιμίου, το οποίο υποβλήθηκε σε καμπτικές ή εφελκυστικές τάσεις κόπωσης, αποτελείται από δύο τμήματα που διακρίνονται εύκολα μεταξύ τους. Δηλαδή, διακρίνεται κατά πόσον η αστοχία του υλικού οφείλεται σε τάσεις κόπωσης ή σε υπέρβαση του ορίου θραύσης από τη μέση τάση. Η περιοχή Α της επιφάνειας θραύσης είναι λεία και συνήθως αναπτύσσονται γραμμές κόπωσης εξαιτίας της προσωρινής παύσης της καταπόνησης σε κόπωση (προσωρινή παύση λειτουργία του κινητήρα). Πρόκειται για την περιοχή θραύσης λόγω κόπωσης όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Η περιοχή Β αντιστοιχεί στη θραύση της υπόλοιπης διατομής, λόγω υπέρβασης του ορίου θραύσης. Είναι τραχεία, χονδρόκοκκη με έντονα σημάδια πλαστικής παραμόρφωσης. Η επιφάνεια θραύσης του δοκιμίου 4
Δ. ΔΟΚΙΜΗ ΣΕ ΚΡΟΥΣΗ Με τον έλεγχο της αντοχής των υλικών σε κρούση μελετάται η συμπεριφορά των υλικών, όταν σ αυτά επιβάλλονται φορτία που μεταβάλλονται πολύ γρήγορα με το χρόνο. Τα φορτία αυτά ονομάζονται κρουστικά φορτία. Κρουστικά φορτία αναπτύσσονται συχνά στις κατασκευές και ιδιαίτερα στα πατώματα. Το μέγεθος της αντοχής του υλικού σε κρούση προσδιορίζεται με ειδικά όργανα, τα κρουσίμετρα. Ο έλεγχος γίνεται σε κατάλληλα δοκίμια του εξεταζόμενου υλικού, τα οποία καταπονούνται σε κρουστική κάμψη. Η φόρτιση όσο και η ταχύτητα επιβολής του κρουστικού φορτίου είναι πολύ διαφορετικές στο εργαστήριο από τις αντίστοιχες στην πράξη, αφού στο εργαστήριο η διαδικασία επιβολής των φορτίων είναι χρονικά περιορισμένη και η περιοχή, η οποία παραμορφώνεται, είναι τυπικά περιορισμένη. Συνεπώς, η αντοχή του υλικού σε κρούση, η οποία προσδιορίζεται με το κρουσίμετρο, είναι ένα συγκριτικό μέγεθος που βοηθά στην κατάταξη των υλικών ως προς την αντοχή τους σε κρούση. Ο προσδιορισμός της αντοχής των υλικών σε κρούση γίνεται με δύο μεθόδους δοκιμασίας κατά Charpy και κατά Izod. Ε. ΔΟΚΙΜΗ ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑΣ Σκληρότητα ονομάζεται ο βαθμός αντίστασης που παρουσιάζει η επιφάνεια των στερεών υλικών κατά τη διάσπαση της συνέχειάς της ή κατά τη μεταβολή του σχήματός της. Ο έλεγχος της σκληρότητας των υλικών γίνεται με διάφορες μεθόδους και εξαρτάται από τη φύση του υλικού και από τις ειδικές απαιτήσεις, τις οποίες πρέπει να ικανοποιεί το υλικό. Οι συνηθέστερες μέθοδοι προσδιορισμού σκληρότητας στα μεταλλικά υλικά είναι οι μέθοδοι: Brinell Vickers Rockwell Για τον έλεγχο της σκληρότητας των μετάλλων με την επιβολή δυναμικού φορτίου στο εξεταζόμενο δοκίμιο, οι σημαντικότερες μέθοδοι είναι η μέθοδος του σκληροσκοπίου Shore, κατά Martel και κατά Herbert. Στη μέθοδο με τη χρήση του σκληροσκοπίου Shore, ως σκληρότητα ορίζεται το ύψος αναπήδησης μιας σφύρας, η οποία προσκρούει στην επιφάνεια του δοκιμίου μετά από ελεύθερη πτώση. Το ύψος αναπήδησης προσδιορίζεται από κατάλληλη κλίμακα. Όσο μεγαλύτερο είναι το ύψος αναπήδησης, τόσο σκληρότερο είναι το υλικό. Στη μέθοδο Martel ένα κινούμενο βάρος, το οποίο φέρει στην άκρη του διεισδυτή σε σχήμα πυραμίδας, προσκρούει χωρίς να αναπηδήσει στο εξεταζόμενο δοκίμιο, οπότε διεισδύει σε βάθος, h. Ως βαθμός σκληρότητας, ΗΜ, ορίζεται ο λόγος της ενέργειας, W*h, την οποία απορρόφησε το δοκίμιο κατά τη διείσδυση, ανά μονάδα όγκου διείσδυσης, V (Kg/mm 2 ). 5
Στη μέθοδο Herbert, σφαίρα από ειδικό χάλυβα, η οποία είναι στερεωμένη στο άκρο εκκρεμούς, προσκρούει στο εξεταζόμενο δοκίμιο και ο βαθμός σκληρότητας προσδιορίζεται ως συνάρτηση της κίνησης του εκκρεμούς μετά την κρούση. Η διάμετρος της σφαίρας είναι 1 mm. Επίσης, είναι δυνατόν να μετρηθεί ο χρόνος, ο οποίος διέρχεται για την ολοκλήρωση πέντε ή δέκα κύκλων του εκκρεμούς, οπότε προσδιορίζεται και η ονομαζόμενη χρονική σκληρότητα του υλικού. 6
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Α. Γ. Κορωναίος, Γ. Ι. Πουλάκος Τεχνικά Υλικά, ΕΜΠ, Αθήνα, 2006 2. Α. Μπότη, Εργαστηριακοί Έλεγχοι Τεχνολογία Υλικών, ΟΕΔΒ, Αθήνα 1991 3. Γ. Καλκάνη, Ι. Χατήρη, Χ. Σταθουλόπουλου, Εργαστήριο των δομικών υλικών, Δεύτερη έκδοση, Εκδόσεις ΙΩΝ 4. Λ. Τσικριτζής, Εργαστηριακές Ασκήσεις Ποιοτικού Ελέγχου και Τεχνολογίας Υλικών, Κοζάνη, Φεβρουάριος 2009. 5. Δ. Πατσαβούδη, Τεχνολογία Δομικών Υλικών, ΟΕΔΒ, Αθήνα 1997. 6. Α. Τριανταφύλλου, Δομικά Υλικά, Πάτρα 2005, 7 η Έκδοση. 7. Α.Δ. Παπαργύρης Μεταλλογνωσία Εργαστηριακές ασκήσεις, Εκδόσεις ΖΗΤΗ, Θεσσαλονίκη. 8. Α. Παπαργύρης, Σ. Παπαργύρη Εισαγωγή στην Επιστήμη και την Τεχνολογία Μηχανολογικών Υλικών, Εκδόσεις ΖΗΤΗ, Θεσσαλονίκη 7