Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση «Επικαιροποίηση γνώσεων αποφοίτων Α.Ε.Ι.» ΠΕΓΑ_ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ (MIS: 478889) ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 1.1. Παραγωγή, μικροδομή και ιδιότητες νέων μεταλλικών κραμάτων Δρ. Κάρμεν ΜΕΝΤΡΕΑ, Καθηγήτρια Εφαρμογών Α.Ε.Ι. Πειραιά Τ.Τ. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Πρόγραµµατος «Εκπαίδευση και ια Βίου Μάθηση» και συγχρηµατοδοττειται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταµείο) και από εθνικούς πόρους. Οργανώνεται από το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε. του Α.Ε.Ι. Πειραιά Τ.Τ., σε συνεργασία με το Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων και το Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολόγων Μηχανικών της Α.Σ.ΠΑΙ.ΤΕ.
1.Μικροδομή μεταλλικών υλικών 1.1 Δομή του ατόμου Τα υλικά χρησιμοποιούνται εμπειρικά από αρχαιότατους χρόνους. Σήμερα εξετάζονται η δομή και οι ιδιότητές τους και ταξινομούνται με διάφορα κριτήρια, με σκοπό την επιλογή κατάλληλου υλικού για δεδομένη εφαρμογή. Το τελικό προϊόν πρέπει να ανταποκρίνεται με τον καλύτερο τρόπο σε δεδομένη εφαρμογή, να κατασκευάζεται σχετικά εύκολα και να στοιχίσει όσο είναι δυνατόν λιγότερο. Για την επίτευξη του στόχου θα πρέπει να γνωρίζονται οι βασικές ιδιότητες του επιλεγμένου υλικού. Σήμερα τεράστια ποικιλία υλικών χρησιμοποιείται σε τεράστιο πεδίο εφαρμογών. Για να είναι δυνατή η μελέτη τους, τα υλικά ταξινομούνται με διάφορα κριτήρια. Σχετικά με τη χημική τους σύσταση και τη δομή, τα στερεά υλικά περιλαμβάνουν τρεις κύριες κατηγορίες (μέταλλα, κεραμικά και πολυμερή) και τέσσερεις ειδικές τεχνολογικές ομάδες (σύνθετα υλικά, ημιαγωγοί και βιοϋλικά, προηγμένα υλικά). Η δομή των υλικών εξετάζεται μακροσκοπικά (αν η παρατήρηση είναι εφικτή με γυμνό μάτι) και μικροσκοπικά (αν χρειάζονται μεγεθυντικά όργανα). Η μικροσκοπική δομή τους σχετίζεται με την οργάνωση των εσωτερικών συστατικών τους, τα άτομα. Κάθε άτομο αποτελείται από πυρήνα (με πρωτόνια και νετρόνια), ο οποίος περιστοιχίζεται από κινούμενα ηλεκτρόνια (Σχήμα 1). Πυρήνας (πρωτόνια και νετρόνια) Ηλεκτρόνια Μέταλλο Αμέταλλο Αδρανή Αέριο Σχήμα 1: Σχηματική απεικόνιση του ατόμου Τα χημικά στοιχεία αποτελούνται από τα άτομα. Όλα τα γνωστά στοιχεία σήμερα έχουν ταξινομηθεί (βάσει του πυρήνα και της ηλεκτρονικής δομής τους) στον Περιοδικό Πίνακα (Σχήμα 2). Τα στοιχεία τοποθετούνται σε επτά οριζόντιες γραμμές κατά αυξανόμενο ατομικό αριθμό και σε στήλες κατά των ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων σθένους. Τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόμων προσδίδουν συγκεκριμένες ιδιότητες των ατόμων. Βάσει αυτών τα στοιχεία ταξινομούνται σε τρείς μεγάλες ομάδες: μέταλλα (με 1, 2 ή 3 ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα), αμέταλλα (με 5, 6 ή 7 ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα) και ευγενή αέρια (πλήρες εξωτερική στοιβάδα με 2 ή 8 ηλεκτρόνια ). Κάθε ομάδα έχει διαφορετικές ιδιότητες και μελετάται ξεχωριστά. Τα μέταλλα (κίτρινο χρώμα στο Σχ. 2) είναι ικανά να δώσουν τα ηλεκτρόνια σθένους (θετικά ιόντα), τα αμέταλλα (μπλε χρώμα στο Σχ. 2) δέχονται ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα (αρνητικά ιόντα) και τα ευγενή αέρια (πορτοκαλί χρώμα στο Σχ. 2) είναι αδρανή (δεν δίνουν και δεν 1/18
δέχονται ηλεκτρόνια σθένους). Από αυτήν την συμπεριφορά πορεύουν μια σειρά από κοινές ιδιότητες. Σχήμα 2: Περιοδικός πίνακας των χημικών στοιχείων 1.2 Μεταλλικός δεσμός Τα υλικά αποτελούνται από τεράστιο αριθμό ατόμων τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με ατομικούς δεσμούς. Τα άτομα των μετάλλων συνδέονται μεταξύ τους με μεταλλικό δεσμό (Σχήμα 3). Στο μεταλλικό δεσμό τα ηλεκτρόνια σθένους κινούνται ελευθέρα σε όλη την μάζα του μετάλλου σχηματίζοντας ένα νέφος ηλεκτρονίων, ενώ οι πυρήνες με τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια σχηματίζουν θετικά ιοντικά κέντρα. Ο μεταλλικός δεσμός προσδίδει μια σειρά από χαρακτηριστικές ιδιότητες όπως, καλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα.. Το νέφος ηλεκτρονίων συνδέει τους πυρήνες με ένα ισχυρό δεσμό χάρη του οποίου τα μέταλλα παρουσιάζουν υψηλή μηχανική αντοχή. Σχήμα 3: Σχηματική αναπαράσταση του μεταλλικού δεσμού 2/18
1.3 Στερεοποίηση καθαρού μετάλλου Παρατηρείται η αργή απόψυξη ενός καθαρού μετάλλου από την υγρή σε στερεή κατάσταση και κατασκευάζεται η καμπύλη απόψυξης (το διάγραμμα θερμοκρασία συνάρτηση του χρόνου) όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 4. Το υλικό έχει θερμανθεί και είναι πλήρως υγρό (Σημείο Α στο Σχ.1). Κατά την αργή απόψυξη το υγρό αποβάλλει θερμότητα στο περιβάλλον με αποτέλεσμα την πτώση της θερμοκρασίας του μέχρι την έναρξη της στερεοποίησης (Γραμμή ΑΒ στο Σχ.1). Σε δεδομένη θερμοκρασία, σε τυχαίες θέσεις, στο υγρό εμφανίζονται πολύ μικρά στοιχεία στερεού, τα οποία ονομάζονται φύτρα κρυσταλλώσεων (Σημείο Β και Εικόνα α στο Σχ.4). Κατά την στερεοποίηση η θερμοκρασία του υλικού παραμένει σταθερή (Γραμμή DΕ στο Σχ.4). Τα φύτρα μεγαλώνουν και δημιουργούν συνεχείς περιοχές στερεού υλικού (δενδρίτες) μέσα στο υγρό (Εικ.b,c στο Σχ.4). Οι δενδρίτες αναπτύσσονται, συγκρούονται και δημιουργούν περιοχές στερεού υλικού (Εικ.d στο Σχ.4). Η θερμοκρασία παραμένει σταθερή μέχρι την ολοκλήρωση της στερεοποίησης (Σημείο Ε στο Σχ.4). Μετά την πλήρη στερεοποίηση η θερμοκρασία συνεχίζει να μειώνεται μέχρι το μέταλλο να φτάσει στη θερμοκρασία δωματίου. Η στερεοποίηση κάθε καθαρού μετάλλου πραγματοποιείται σε σταθερή, χαρακτηριστική θερμοκρασία και σε στερεά κατάσταση τα μέταλλά εμφανίζουν πολυκρυσταλλική δομή. Σχήμα 4: Στερεοποίηση καθαρού μετάλλου: καμπύλη απόψυξης. Αν το μέταλλο αναθερμαίνεται αργά, τα άτομα της κρυσταλλικής δομής αυξάνουν την ενέργεια τους και εκτελούν μεγαλύτερες διαδρομές γύρο από μια υποθετική θέση τους. Το φαινόμενο γίνεται αντιληπτό με την διαστολή- συστολή των μεταλλικών υλικών. 1.4.Κρυσταλλική δομή Στον μεταλλικό δεσμό τα άτομα των μετάλλων καταλαμβάνουν συγκεκριμένες θέσεις στην δομή τους δημιουργώντας ένα κρυσταλλικό πλέγμα.. Κατά συνέπεια τα μέταλλα ονομάζονται κρυσταλλικά στερεά. Τα κρυσταλλικά στερεά έχουν περιοδική διάταξη στον χώρο και αποτελούνται από στοιχειώδεις δομές (κρυσταλλίτες ή κύτταρα). Όταν οι κρύσταλλίτες τοποθετούνται ο ένας δίπλα από τον άλλο δημιουργούν κρυσταλλικά πλέγματα τα οποία αποτελούν την βασική δομή του κρυσταλλικού στερεού. Υπάρχουν 14 είδη πλεγμάτων που ανήκουν σε 7 3/18
πλεγματικά συστήματα (Εικόνα 5). Tα περισσότερα κοινά μέταλλα δημιουργούν τρεις βασικές κρυσταλλικές δομές (Εικόνα 6). Είναι ο κυβικός χωροκεντρωμένο σύστημα (Feα, Cr, Nb, V), ο κυβικός εδροκεντωμένο σύστημα (Feγ, Al, Cu, Au, Ni) και ο μεγίστης πυκνότητας εξαγωνικό (Cd, Ti, Zn, Zr). Μερικές από τις ιδιότητες των μεταλλικών υλικών εξαρτώνται από την κρυσταλλική δομή τους. Σχήμα 5: Τα κρυσταλλικά πλέγματα του Α.Bravais Σχήμα 6: Κύρια κρυσταλλικά πλέγματα: κυβικό χωροκεντρωμένο, κυβικό εδροκεντρωμένο, εξαγωνικό μέγιστης πυκνότητας. 4/18
1.5.Ατέλειες κρυσταλλικής δομής Όλα τα μεταλλικά υλικά περιέχουν ένα μεγάλο αριθμό ατελειών ( η κρυσταλλική τους δομή δεν είναι τέλεια)..οι ατέλειες επιδρούν (θετικά ή αρνητικά) στις ιδιότητες τους. Ανάλογα με τις διαστάσεις τους, οι ατέλειες, ταξινομούνται σε σημειακές, γραμμικές, επιπέδου και χώρου. Οι σημειακές ατέλειες είναι κενές θέσεις, παρεμβολή και παρεμβολή, καθαρό μέταλλο δεν υπάρχει. Πρακτικά όλα τα μέταλλα περιέχουν προσμίξεις (ξένα άτομα) από τα οποία κάποια θα δημιουργούν σημειακές ατέλειες ( σε 1m 3 μετάλλου με 99,9999% καθαρότητα υπάρχουν 10 22 εώς10 23 ξένα άτομα). Αν στην κρυσταλλική δομή ενός μετάλλου προσθέτονται νέα άτομα λαμβάνεται ένα στερεό διάλυμα. Όταν οι προσμίξεις λαμβάνουν θέσεις στα κενά του κρυσταλλικού πλέγματος το στερεό διάλυμα είναι παρεμβολής και όταν λαμβάνουν θέσεις των ατόμων μετάλλου βάσης είναι αντικατάστασης. Το στερεό διάλυμα έχει διαφοροποιημένες ιδιότητες σε σχέση με το καθαρό μέταλλο. Σχήμα 7:Ατελειες κρυσταλλικής δομής: σημειακές, γραμμικές (διαταραχές), επιπέδου( διαχωριστικά όρια κόκκων) και χώρου. Οι γραμμικές ατέλειες ή διαταραχές ορίζονται ως μια σειρά από άτομα τα οποία παρεμβάλλονται στον κρύσταλλο. Είναι πολύ συχνές (σε ανοπτημένο μέταλλο 1cm 3 περιέχει 10km μήκος διαταραχών) και μπορούν να εισαχθούν κατά την στερεοποίηση, την πλαστική παραμόρφωση η κατά την γρήγορη απόψυξη. Κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες μετακινούνται, διευκολύνοντας τις πλαστικές παραμορφώσεις των μεταλλικών υλικών (το ίδιο μέταλλο μετά από πλαστική παραμόρφωση μπορεί να εμφανίσει 10 7 km διαταραχών σε 1 cm 3 ). Κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες μετακινούνται, διευκολύνοντας τις πλαστικές παραμορφώσεις των μεταλλικών υλικών Η μετακίνηση τους επηρεάζεται άμεσα από την θερμοκρασία (διευκολύνεται από την θέρμανση και μπλοκάρεται με την ψύξη). Οι πιο συνηθισμένες διεπιφανειακές ατέλειες είναι οι εξωτερικές επιφάνειες ενός μεταλλικού αντικειμένου και τα όρια των κόκκων (ή των κρυστάλλων). Και στις δυο περιπτώσεις τα άτομα στα όρια είναι εκτός ισορροπία διότι δεν συνδέονται ομοιόμορφα με την κρυσταλλική δομή (έχουν μεγαλύτερη ελεύθερη ενέργεια). Ως 5/18
αποτέλεσμα τα άτομα της επιφάνειας των προϊόντων αναζητώντας να μειώσουν την ελεύθερη ενέργεια τους, δεσμεύονται με τα ελευθέρα άτομα από την ατμόσφαιρα (διάβρωση). Από την άλλη, η παραμόρφωση ενός πολυκρυσταλλικού μεταλλικού υλικού πραγματοποιείται πιο δύσκολα,. διότι πρέπει να υπερβεί και την ενέργεια των ατόμων στα όρια των κόκκων. Όσο πιο λεπτόκοκκο είναι το υλικό (περισσότερα όρια) τόσο η αντοχή του αυξάνεται και όσο ποιο χοντρόκοκκο είναι, τόσο η πλαστικότητα του αυξάνεται. Αν ένα μεταλλικό υλικό θερμαίνεται για αρκετό χρόνο οι πιο μεγάλοι κόκκοι αυξάνονται σε βάρος των μικρών (το φαινόμενο μεγέθυνση των κόκκων). Τα άτομα ορίων μικρότερων κόκκων μετακινούνται με διάχυση σε κανονικές θέσεις κρυσταλλικού πλέγματος μεγαλύτερων κόκκων. Η ταχύτητα διάχυσης αυξάνεται με την θερμοκρασία και το χρόνο. Οι ατέλειες χώρου είναι πολύ μεγαλύτερες σε σχέση μα τις προηγούμενες. Πόροι, ρωγμές, ξένα εγκλείσματα, ξένες φάσεις εισάγονται σε διάφορα στάδια κατεργασιών και έχουν πάντα αρνητική επίδραση στις ιδιότητες των υλικών. 2. Ιδιότητες μεταλλικών υλικών 2.1 Μηχανικές ιδιότητες Η επιλογή κάθε υλικού για συγκεκριμένη εφαρμογή πραγματοποιείται βάσει των ιδιοτήτων του οι οποίες εκφράζουν την ανταπόκριση του σε κάθε είδους εξωτερικό ερέθισμα.. Οι βασικές ιδιότητες ταξινομούνται σε μηχανικές (αντοχή, παραμόρφωση), ηλεκτρικές ((ηλεκτρική ειδική αγωγιμότητα, διηλεκτρική σταθερά), θερμικές (θερμοχωρητικότητα, ειδική θερμική αγωγιμότητα), μαγνητικές (συμπεριφορά κάτω από μαγνητικό πεδίο, βρόγχος υστέρησης), οπτικές (δείκτης διάθλασης, ανακλαστικότητα) και χημικές (χημική δραστηριότητα). Οι μηχανικές ιδιότητες περιγράφουν την ανταπόκριση του υλικού στις εξωτερικά εφαρμοζόμενες μηχανικές δυνάμεις ή φορτία. Κάθε υλικό αντιδρά στην καταπόνηση με στρέβλωση ή παραμόρφωση, προκαλώντας αλλαγή στη μορφή ή στις διαστάσεις του. Ταυτόχρονα, το υλικό αναπτύσσει εσωτερικές δυνάμεις οι οποίες αντιδρούν στην επίδραση της εφαρμοζόμενης δύναμης, γνωστές ως τάσεις. Η καταπόνηση μπορεί (το εφαρμοζόμενο φορτίο) να είναι στατική ή δυναμική και μετριέται άμεσα. Η τάση υπολογίζεται ως δύναμη που ασκείται σε συγκεκριμένη επιφάνεια. Αν η δύναμη ασκείται κάθετα στην επιφάνεια λαμβάνεται ορθή τάση (σ) και αν ασκείται εφαπτομενικά, λαμβάνεται διατμητική τάση (τ). σ[mpa]=fn[ν]/a[mm 2 ], τ=fs/a Η παραμόρφωση μπορεί να είναι ελαστική και πλαστική (Εικόνα 7). Όταν το εφαρμοζόμενο φορτίο είναι σχετικά μικρό, η καταπόνηση είναι ελαστική και το υλικό επιστρέφει στις αρχικές διαστάσεις του όταν αφαιρείται η εφαρμοζόμενη δύναμη. Όταν το εφαρμοζόμενο φορτίο υπερβαίνει ένα κρίσιμο όριο (το οποίο εξαρτάται από το υλικό) το υλικό υποβάλλεται σε μια μόνιμη αλλαγή στη μορφή ή στις διαστάσεις και εμφανίζει πλαστική παραμόρφωση. Η πλαστική παραμόρφωση ορίζεται ως: Ε[%]=Δl/l o χ100 Η πλαστική παραμόρφωση αυξάνεται με την αύξηση του εφαρμοζόμενου φορτίου μέχρις ότου τελικά αυτό σπάσει. Τα υλικά που μπορούν εύκολα να παραμορφωθούν πλαστικά θεωρούνται όλκιμα. 6/18
Σχήμα 7: (α) Ελαστική παραμόρφωση, (β) πλαστική παραμόρφωση. Η πλαστική παραμόρφωση ενός υλικού μειώνεται με το ποσοστό παραμόρφωσης και αυξάνεται με την θερμοκρασία. 2.2 Μηχανικές δοκιμές Οι μηχανικές ιδιότητες των μεταλλικών υλικών λαμβάνονται μέσα από μηχανικές δοκιμές. Οι δοκιμές θα πρέπει να είναι απλές και τα αποτελέσματα τους ερμηνεύσιμα και αξιόπιστα.. Εθνικοί οργανισμοί (ASTM, AISI, DIN, BS, ΕΛΟΤ, ISO) τις έχουν κοινοποιήσει. Η τυποποίηση αφορά την γεωμετρία των δοκιμίων και των ενδείξεων, τις συσκευές των δοκιμών, την βαθμονόμηση και τον έλεγχό τους, τις πειραματικές τεχνικές και την αξιοποίηση και παρουσίαση των αποτελεσμάτων. 2.2.1 Δοκιμή εφελκυσμού Η δοκιμή εφελκυσμού πραγματοποιείται σε μια μηχανή που υποβάλει το υπό εξέταση υλικό σε μονοαξονική καταπόνηση και προκαλεί την επιμήκυνσή του, με σταθερή ταχύτητα. Κατά τη δοκιμή καταγράφεται συνήθως το μέτρο των ίσων και αντίθετων δυνάμεων F που ασκούνται πάνω στο δοκίμιο (Σχήμα 8α) και η προκαλούμενη επιμήκυνση του δοκιμίου Δl=l-l o. Το δοκίμιο είναι ράβδος κυκλικής διατομής ή ένα έλασμα με τυποποιημένες διαστάσεις (Εικόνα 2.3β). F Ευρώπη Η.Π.Α Αγγλία l o =10d o ή l o =5d o l o = 4d o με l o = 2 in ή l o = 1/2 in l o = d o με l o = 2 in ή l o = 0.564 in (α) (β) F Σχήμα 8: α) Γεωμετρία των δοκιμίων που χρησιμοποιούνται στη δοκιμή εφελκυσμού, (β) Πίνακας με τυποποιημένες διαστάσεις κυλινδρικών δοκιμίων 7/18
Αν Α ο η αρχική διατομή του δοκιμίου και l o το αρχικό του ωφέλιμο μήκος, τότε ορίζεται: Συμβατική τάση: Συμβατική παραμόρφωση: Οι μετρήσεις αποτυπώνονται σε διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης (σ- ε) ή δύναμη- επιμήκυνση (F-Δl). Στην καμπύλη τάσης - παραμόρφωσης (Σχήμα 9) το ευθύγραμμο τμήμα ΟΑ αντιστοιχεί στην περιοχή της γραμμικής ελαστικότητας και το τμήμα ΑΕ στην περιοχή της μη γραμμικής ελαστικότητας. Στο σημείο Δ της καμπύλης αρχίζει να γίνεται αισθητή η πλαστική παραμόρφωση και αντιστοιχεί στο όριο διαρροής. Επειδή το όριο αυτό είναι δύσκολο να εντοπιστεί, συνήθως χρησιμοποιείται το συμβατικό όριο διαρροής σ p0,2% που αντιστοιχεί σε μια συμβατική παραμένουσα παραμόρφωση 0,2%. Σχήμα 9: Τυπική καμπύλη τάσης παραμόρφωσης Το τμήμα ΔΜ που αντιστοιχεί στην περιοχή της ομοιόμορφης πλαστικής παραμόρφωσης. Στην περιοχή αυτή απαιτείται αύξηση της τάσης για περαιτέρω πλαστική παραμόρφωση, και η κλίση της καμπύλης είναι αύξουσα έως μία μέγιστη τιμή της τάσης, τη μέγιστη αντοχή σε εφελκυσμό, σ TS. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται ενδοτράχυνση ή κράτυνση. Σε όλη τη διάρκεια της δοκιμής η διατομή 8/18
του δοκιμίου μειώνεται ομοιόμορφα, Όταν η τάση πλησιάζει την τιμή της μέγιστη αντοχής, σε κάποιο σημείο του δοκιμίου εμφανίζεται μια στένωση (λαιμός). Ο λαιμός αυξάνει τοπικά και ραγδαία την πλαστική παραμόρφωση μέχρι τη θραύση (αποκόλληση) του δοκιμίου (Σχήμα 10), που αντιστοιχεί στο τμήμα ΜΑ - Σχ.9). Σχήμα 10: Στάδια όλκιμης θραύσης: (α) Δημιουργία μικροκενών, (β) Συνένωση μικροκενών, (γ) Θραύση με διάτμηση άκρων και (δ) θραύση με διάρρηξη άκρων. Ελαστικότητα Στην περιοχή της γραμμικής ελαστικότητας (τμήμα ΟΑ στο Σχ.9) ισχύει ο νόμος του Hooke: όπου Ε είναι το μέτρο του Young ή μέτρο ελαστικότητας Το μέτρο ελαστικότητας μετριέται με την κλίση του τμήματος ΟΑ της Εικόνας 9 και αποδίδει τον βαθμό αντίστασης ενός υλικού στην ελαστική παραμόρφωση. Είναι φυσική ιδιότητα του υλικού και ελαττώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας όταν δεν λαμβάνει χώρα αλλαγή στην κρυσταλλική δομή του υλικού. Ως όριο αναλογίας, σ a ορίζεται η οριακή τάση πάνω από την οποία η παραμόρφωση παύει να είναι ανάλογη προς την αντίστοιχη τάση (τιμή τάσης στο σημείο Α Σχ.9). Το όριο ελαστικότητας (τάση στο σημείο Ε - Σχ.9) είναι η μέγιστη τάση στην οποία μπορεί να υποβληθεί ένα υλικό χωρίς να υποστεί μόνιμη πλαστική παραμόρφωση. Το όριο ελαστικότητας εξακολουθεί να υφίσταται ακόμα κι αν δεν υπάρχει περιοχή γραμμικής ελαστικότητας. Όριο διαρροής Το όριο διαρροής, σ y είναι η τάση, κατά την οποία αρχίζει να αυξάνεται η παραμόρφωση χωρίς να απαιτείται αύξηση της τάσης. Σε ορισμένα υλικά (πχ. χάλυβες) το φαινόμενο της διαρροής είναι φανερό και το δοκίμιο συνεχίζει να παραμορφώνεται χωρίς αύξηση του φορτίου. Έτσι εμφανίζεται το ανώτερο και το κατώτερο όριο διαρροής (σημεία Δ και Δ -Σχ.11). 9/18
σ Δ Δ Σχήμα 11 ε Σε πολλές περιπτώσεις το όριο διαρροής δεν μπορεί να εντοπιστεί εύκολα και χρησιμοποιείται το συμβατικό όριο διαρροής σ p0,2%. Μέγιστη αντοχή σε εφελκυσμό Η μέγιστη τιμή της τάσης στη συμβατική καμπύλη τάσης παραμόρφωσης ονομάζεται μέγιστη αντοχή σε εφελκυσμό ή αντοχή σε εφελκυσμό, σ TS (σημείο Μ της καμπύλης Σχ.9). Το όριο διαρροής και η μέγιστη αντοχή σε εφελκυσμό αυξάνονται σημαντικά στις χαμηλές θερμοκρασίες. Ολκιμότητα Ολκιμότητα είναι η ικανότητα του υλικού να παραμορφώνεται πλαστικά ανεξάρτητα από το μέγεθος των δυνάμεων που ασκήθηκαν για την μόνιμη παραμόρφωση. Μετριέται με την παραμένουσα επιμήκυνση μετά από την θραύση ή με τη μείωση της διατομής του δοκιμίου στο σημείο που αποκολλήθηκε. Όλκιμη και ψαθυρή θραύση Ανάλογα με το βαθμό πλαστικής παραμόρφωσης που προηγείται της αποκόλλησης, η εφελκυστική θραύση χωρίζεται στην όλκιμη και την ψαθυρή (Σχήμα 12). Στην περίπτωση της όλκιμης θραύσης η ελάττωση της διατομής στη περιοχή της αποκόλλησης είναι σημαντική ενώ στην περίπτωση της ψαθυρής είναι αμελητέα. Σχήμα 12: (α) Όλκιμη θραύση (β) Ψαθυρή θραύση Πραγματικό διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης Η μορφή του συμβατικού διαγράμματος τάσης-παραμόρφωσης δεν αποδίδει απόλυτα το φαινόμενο της ενδοτράχυνσης κράτυνσης, δηλαδή της συνεχούς σκλήρωσης του μεταλλικού σώματος όσο αυξάνεται η παραμόρφωσή του, η οποία συνοδεύεται από μείωση της διατομής του. Αυτό συμβαίνει, διότι η συμβατική τάση 10/18
και παραμόρφωση αναφέρονται σε όλη τη διάρκεια της δοκιμής, στις αρχικές διαστάσεις του δοκιμίου (Α ο η αρχική διατομή του δοκιμίου και l o το αρχικό του ωφέλιμο μήκος) και όχι στη πραγματική στιγμιαία διατομή Α i και στο στιγμιαίο ωφέλιμο μήκος l: Συμβατική τάση: σ Συμβατική παραμόρφωση: Μόνο αν ληφθούν υπόψη οι στιγμιαίες πραγματικές τιμές των τάσεων και των αντίστοιχων παραμορφώσεων γίνεται αυτό το φαινόμενο αισθητό. Η παραπάνω ιδιότητα δεν ισχύει στις συμβατικές παραμορφώσεις και γι αυτό όσο το μεταλλικό σώμα έχει μεγαλύτερη πλαστικότητα τόσο περισσότερο αποκλίνει η συμβατική καμπύλη τάσης παραμόρφωσης από την πραγματική (Σχήμα 13). Σχήμα 13: Συμβατική καμπύλη τάσης παραμόρφωσης (engineering) σε σχέση με την πραγματική καμπύλη τάσης - παραμόρφωσης (true) 2.2.2 Δοκιμή θλίψης Κατά την δοκιμή θλίψης ένα τυποποιημένο δοκίμιο καταπονείται με μία δύναμη η οποία εφαρμόζεται κάθετα στην διατομή του με τάση να μειώνει το μήκος του. Λαμβάνεται καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης. Για δοκίμιο με αρχικό μήκος μικρότερο του τριπλάσιου της αρχικής διατομής η θλίψη δεν οδηγεί σε θραύση παρά μόνο στα ψαθυρά υλικά. Για δοκίμια με μήκος μεγαλύτερο πρόκειται για λυγισμό. Στις συνήθεις εργαστηριακές δοκιμές θλίψης μεταλλικών υλικών, εάν πρόκειται για όλκιμα υλικά ορίζεται η συμβατική τάση αστοχίας σε θλίψη σ α, για ψαθυρά υλικά, η συμβατική τάση θραύσης σ θ. 2.2.3 Δοκιμή κάμψης Η καταπόνηση σε κάμψη ή σε λυγισμό εφαρμόζεται συνήθως για να προσδιοριστεί η αντοχή του υλικού σε ελατότητα (ολκιμότητα). Οι δοκιμές κάμψης διαφέρουν από τις άλλες μηχανικές καταπονήσεις διότι δεν έχουν σχεδιαστεί για να αποδίδουν ποσοτικό αποτέλεσμα. Οι περισσότερες εφαρμόζονται για την αποδοχή-απόρριψη του υλικού. Στο Σχήμα 14 παρουσιάζεται η μηχανή κάμψης και η πειραματική διάταξη για την δοκιμή κάμψης τριών σημείων. 11/18
Σχήμα 14: (α) Μηχανή δοκιμής θραύσης, (β) Πειραματική διάταξη της δοκιμής 2.2.4 Δοκιμή κρούσης Αν η καταπόνηση ασκείται δυναμικά και όχι στατικά, η αντίδραση του υλικού αλλάζει σημαντικά. Η δυσθραυστότητα εκφράζει την ικανότητα του υλικού να απορροφά ενέργεια πριν την θραύση του και επιτρέπει να εκτιμηθεί σε ποιο βαθμό ένα υλικό συμπεριφέρεται ως όλκιμο ή ως ψαθυρό. Ο συνηθέστερος πειραματικός προσδιορισμός της δυσθραυστότητας πραγματοποιείται με την διάταξη Charpy (Σχήμα 15) όπου ένα τυποποιημένο δοκίμιο καταπονείται με κρούση για θραύση. Υπολογίζεται η ενέργεια που απορροφά το υλικό για την θραύση συγκεκριμένης επιφάνειας (J/cm 2 ) Σχήμα 15: (α) Μηχανή δοκιμής κρούσης, Charpy; (β) Τυποποιημένα δοκίμια. 2.2.5 Δοκιμή κόπωσης Εάν ένα μεταλλικό υλικό υποβληθεί σε εναλλασσόμενες περιοδικές και συνεχείς καταπονήσεις, είναι δυνατόν να οδηγηθεί σε θραύση για πολύ μικρότερες τάσεις από τις προσδιορισμένες από τον εφελκυσμό. Η θραύση επέρχεται χωρίς προηγούμενη παραμόρφωση και οφείλεται στην κόπωσης του υλικού. Κατά την δοκιμή κόπωσης τα φορτία μπορεί να επιβάλλονται με εφελκυσμός και θλίψη, με κάμψη ανάκαμψη ή με στρέψη αντίστρεψη. Τα δοκίμια είναι τυποποιημένα και με την δοκιμή κατασκευάζεται η χαρακτηριστική καμπύλη τάσης σε συνάρτηση με τον 12/18
αριθμό των κύκλων που οδηγούν σε θραύση, από την οποία προσδιορίζεται η αντοχή σε κόπωση του υλικού (Σχήμα 16). Σχήμα 16: (α) Μηχανή δοκιμής κόπωσης, (β) Τυποποιημένα δοκίμια και επιβαλλόμενη εναλλασσόμενη καταπόνηση, (γ) Διάγραμμα κόπωσης. 2.2.6 Δοκιμή σκληρότητας Σκληρότητα ενός υλικού είναι η μηχανική ιδιότητα που εκφράζει την αντίσταση του υλικού στην κάθετη διείσδυση ενός ξένου σώματος (διεισδυτής) υπό την επίδραση συγκεκριμένου φορτίου. Η σκληρότητα συνδέεται άμεσα με την πλαστική παραμόρφωση του υλικού και κατά συνέπεια με τις μηχανικές του ιδιότητες. Για την μέτρηση της υπάρχουν τυποποιημένες μέθοδοι ανάλογα με το είδος του εξεταζόμενου υλικού (π.χ. χάλυβας, αλουμίνιο, κλπ.), τις συνθήκες μέτρησης, την επιθυμητή ακρίβεια του αποτελέσματος, κλπ. Μέθοδος Brinell: Στη μέθοδο Brinell ένας σφαιρικός διεισδυτής από σκληρυμένο χάλυβα ή από καρβίδιο του βολφραμίου, διαμέτρου D πιέζεται κάθετα στην λειασμένη επιφάνεια του προς εξέταση δοκιμίου, υπό την επίδραση βαθμιαία αυξανόμενης δύναμης F για συγκεκριμένο χρόνο. Μετά την απομάκρυνση του φορτίου, στην επιφάνεια του δοκιμίου έχει δημιουργηθεί ένα σφαιρικό αποτύπωμα διαμέτρου d και βάθους h (Σχήμα 17). Η σκληρότητα κατά Brinell (ΗΒ) υπολογίζεται συνάρτηση της δύναμης και της επιφάνειας του αποτυπώματος. Οι δυνάμεις και οι διάμετροι των σφαιρικών διεισδυτών είναι τυποποιημένες. d 1 Σχήμα 17: Σχηματική απεικόνιση της σκληρομέτρησης κατά Brinell και η κάτοψη του αποτυπώματος. d 2 13/18
Μέθοδος Vickers: Η μέθοδος Vickers έχει την ίδια διαδικασία σκληρομέτρησης με την μέθοδο Brinell, με διεισδυτή αδαμάντινη τετραγωνική πυραμίδα (Σχήμα 18). Η μέθοδος είναι κατάλληλη για σκληρά ή/και λεπτά υλικά.. Η σκληρότητα κατά Vickers ορίζεται ως δύναμη ανά επιφάνεια αποτυπώματος διείσδυσης. Σχήμα18: Σχηματική απεικόνιση της σκληρομέτρησης κατά Vickers και η κάτοψη του αποτυπώματος. Μέθοδος Rockwell Πρόκειται για μια μέθοδο που χρησιμοποιείται ευρύτατα στη βιομηχανία καθώς δίνει άμεσα το αποτέλεσμα.. Ο προσδιορισμός της σκληρότητας ενός υλικού βασίζεται στη μέτρηση της πλαστικής (παραμένουσας) παραμόρφωσης που προκαλείται στο υλικό από το διεισδυτή, κατά την εφαρμογή μεταβαλλόμενης δύναμης F, η οποία αυξάνεται από μια αρχική τιμή προφόρτισης (F o ) στη μέγιστη τιμή της και στη συνέχεια επιστρέφει στην αρχική τιμή της προφόρτισης. Ένα βασικό σκληρόμετρο τύπου Rockwell απεικονίζεται στην εικόνα 2.16 και η βασική αρχή της μέτρησης στην Εικόνα 2.17. Σχήμα19: Σκληρόμετρο τύπου Rockwell και σχηματική απεικόνιση της μεθόδου σκληρομέτρησης. 14/18
3. Κράματα μετάλλων 3.1 Εισαγωγή Τα τεχνικά μεταλλικά υλικά αποτελούνται από ένα η περισσότερα μεταλλικά στοιχεία (που είναι δυνατόν να περιέχουν και προσμίξεις αμέταλλων). Τα συνηθέστερα μεταλλικά στοιχεία είναι Fe, Cu, Al, Ni κ.α Τα συνηθέστερα μη μεταλλικά στοιχεία είναι τα C, N, O, και S. Σπάνια τα μέταλλα χρησιμοποιούνται καθαρά για κατασκευές. Συνήθως αποτελούνται από ένα συνδυασμό μετάλλων η μετάλλων και αμέταλλων (κράματα). Τα κράματα αποτελούνται από δυο ή περισσότερα συστατικά. τα οποία μπορεί να είναι καθαρά μέταλλα ή ενώσεις αυτών με άλλα χημικά στοιχεία.. Ο συνδυασμός αυτός δίνει συγκεκριμένες ιδιότητες στο υλικό που προκύπτει. Κατά συνέπεια οι ιδιότητες των κραμάτων εξαρτώνται από την χημική τους σύσταση. 3.2 Κράματα σιδήρου Τα σιδηρούχα κράματα έχουν ως κύριο συστατικό το σίδηρο. Παράγονται σε μεγαλύτερες ποσότητες από οποιοδήποτε άλλο μεταλλικό υλικό διότι οι ενώσεις του σιδήρου βρίσκονται άφθονα στο φλοιό της γης, παράγονται σχετικά εύκολα και οικονομικά και βρίσκουν τεράστιο πεδίο εφαρμογών. Το βασικό τους μειονέκτημα είναι η διάβρωση. Τα ποιο διαδεδομένα κράματα σιδήρου έχουν βασικό κραματικό στοιχείο τον άνθρακα (C) και διακρίνονται σε χάλυβες και χυτοσίδηροι. 3.2.1 Χάλυβες Οι χάλυβες είναι κράματα σιδήρου-άνθρακα που περιέχουν θεωρητικά από 0,2% έως 2,14%C κ.β. Είναι το πιο διαδεδομένο κατασκευαστικό υλικό μετά το σκυρόδεμα και το ξύλο. Χρησιμοποιείται παντού: από την αρχιτεκτονική και τη ναυπηγική μέχρι την κατασκευή χειρουργικών εργαλείων. Στην Ελλάδα, όλη η παραγωγή χάλυβα (περίπου 2,5 εκατ. τόνοι ετησίως ) προέρχεται από την ανάτηξη παλαιοσιδήρου και προορίζεται κυρίως για την παραγωγή χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος. 3.2.2 Ταξινόμηση χαλύβων Οι χάλυβες ταξινομούνται με διάφορά κριτήρια: Ως προς τη χημική τους σύσταση διακρίνονται σε: Κοινούς ή ανθρακούχους χάλυβες: περιέχουν σίδηρο, άνθρακα, μικρές ποσότητες μαγγανίου και πυριτίου ως προσθήκες (κάτω από 1%κ.β.) και ελάχιστες ποσότητες φωσφόρου και θείου ως ακαθαρσίες (κάτω από 0,035% κ.β.). Κραματωμένους ή ειδικούς χάλυβες: εκτός από την βασική σύσταση περιέχουν και άλλα χημικά στοιχεία. Τα συνηθέστερα στοιχεία προσθήκης είναι Ni, Mn, Cr, Si και Mo, ως κύριες προσθήκες και V, W, Cu, Ti, ΑΙ, Β, Pb, Nb, ως δευτερεύουσες προσθήκες. Σε σχέση με το βαθμό κραματοποίησης διακρίνονται σε: ελαφρά κραματωμένους (το ποσοστό των στοιχείων προσθήκης είναι μικρότερο του 2%), μετρίως κραματωμένους (το ποσοστό στοιχείων προσθήκης από 2% έως 10%) και ισχυρά κραματωμένους (το ποσοστό των στοιχείων προσθήκης είναι μεγαλύτερο του 10%). Ως προς τον προορισμό τους διακρίνονται σε: Χάλυβες διαμόρφωσης και Χάλυβες χύτευσης (χυτοχάλυβες). Ως προς τις χρήσεις τους διακρίνονται σε: Χάλυβες κατασκευών, οι οποίοι χρησιμοποιούνται σε μεταλλικές κατασκευές καθώς και στις κατασκευές στοιχείων μηχανών (στροφαλοφόρων αξόνων, διωστήρων, βαλβίδων). 15/18
Χάλυβες για κατασκευή εργαλείων (εργαλειοχάλυβες) οι οποίοι χρησιμοποιούνται για την κατασκευή εργαλείων κάθε τύπου. Ανοξείδωτους χάλυβες οι οποίοι έχουν καλή αντοχή σε διάβρωση. Πυρίμαχους χάλυβες οι οποίοι έχουν αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες. Χάλυβες για ιδικές εφαρμογές. 3.2.3 Εργαλειοχάλυβες Η εργαλειοχάλυβες έχουν συνήθως περιεκτικότητα σε άνθρακα 0,4% 1,4% κ.β. και παράγονται σε ελεγχόμενες συνθήκες για να προκύψει υψηλή ποιότητα ( με αυστηρά περιορισμένη ποσότητα ακαθαρσιών). Περιέχουν και μία ελεγχόμενη ποσότητα μαγγανίου με σκοπό να αυξηθεί την ευκολία σκλήρυνσης τους κατά την βαφή. Οι εργαλειοχάλυβες μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα με πολλά κριτήρια: Σε σχέση με την χημική σύσταση διακρίνονται ελαφρά κραματωμένοι και υψηλά κραματωμένοι εργαλειοχάλυβες. Σε σχέση με την μέθοδο κατασκευής διακρίνονται χάλυβες που παράγονται με την μέθοδο ανοικτού (απλού) φούρνου, με την βασική διαδικασία οξυγόνου, ή με την μέθοδο ηλεκτρικού φούρνου. Σε σχέση με την κατάσταση παράδοσης υλικού διακρίνονται χάλυβες από έλαση εν θερμό ή από έλαση εν ψυχρό. Σε σχέση με την μορφή του παραγόμενου προϊόντος οι χάλυβες παράγονται σε πλάκες, σε φύλλα, σε λωρίδες, σε μπιγέτες, σε σωλήνες ή σε ιδικά προφίλ. Σε σχέση με την απαιτούμενη αντοχή διακρίνονται χάλυβες υψηλού ορίου ελαστικότητας, χάλυβες υψηλού ορίου διαρροής, χάλυβες υψηλής εφελκυστικής αντοχής (όπως προσδιορίζεται από τα πρότυπα ASTM-AISI). Σε σχέση με την τελική θερμική κατεργασία διακρίνονται χάλυβες επιβελτιωμένοι, επιφανειακά σκληρυμένοι, ή που έχουν υποστεί θερμομηχανική κατεργασία. Σε σχέση με την περιγραφή ποιότητας όπως ποιότητα σφυρήλατου ή και η εμπορική ποιότητα διακρίνονται χάλυβες ποιοτικοί, χάλυβες υψηλής ποιότητας και χάλυβες ιδιαίτερα υψηλής ποιότητας. Σε σχέση με τις συνθήκες λειτουργίας διακρίνονται χάλυβες για εργαλεία που δουλεύουν εν ψυχρώ, χάλυβες για εργαλεία που δουλεύουν εν θερμώ, ταχυχάλυβες και χάλυβες για όργανα μέτρησης και ελέγχου. 3.2.4 Χυτοσίδηροι Οι χυτοσίδηροι είναι κράματα σιδήρου με άνθρακα σε περιεκτικότητα πάνω από 2,14% κ.β. Στην πράξη η περιεκτικότητα κυμαίνεται μεταξύ 3%Cκαι 4,5%C. Μπορεί να περιέχουν και άλλα κραματικά στοιχεία.. Ανάλογα με την χημική σύσταση (περιεκτικότητα σε πυρίτιο) και τον ρυθμό ψύξης προκύπτουν φαιούς και λευκούς χυτοσιδήρους. Οι φαιοί χυτοσίδηροι (1-3%Si και αργό ρυθμό ψύξης) έχουν τον άνθρακα σε μορφή γραφίτη και είναι τα ποιο φθηνά μεταλλικά υλικά.. Ανάλογα με την χημική τους σύσταση ο γραφίτης μπορεί να έχει μορφή φιλιδίων, σφαιριδίων, κονδυλωμάτων, και νιφάδων. Οι ιδιότητες τους εξαρτώνται άμεσα από την χημική σύσταση και την δομή. Γενικά έχουν εξαιρετική ρευστότητα και μικρό συντελεστή συστολής και επιτρέπουν την χύτευση αντικειμένων με περίπλοκη γεωμετρία. Παρουσιάζουν υψηλή ικανότητα απόσβεσης δονήσεων και χρησιμοποιούνται στην κατασκευή εδράνων και για βαριά τμήματα στις εργαλειομηχανές. Έχουν υψηλή αντοχή σε τριβή με μαλακά υλικά λόγω του γραφίτη το οποίο λειτουργεί σαν λιπαντικό. Με μικρή προσθήκη μαγνησίου η δημητρίου και κατάλληλη επεξεργασία αποκτά ολκιμότητα και χρησιμοποιείται για γρανάζια υψηλής αντοχής, κύλινδροι έλασης, ολκοί πιστόνια, δίσκοι συμπλέκτη, κιβώτια μετάδοσης κίνησης.. Η βασική τους μειονέκτημα είναι η ψαθυρότητα. 16/18
Οι λευκοί χυτοσίδηροι (max 1%Si και ταχύς ρυθμό ψύξης) έχουν τον άνθρακα δεσμευμένο σε σεμεντίτη. Είναι εξαιρετικά σκληροί και ψαθυροί και πρακτικά δεν επεξεργάζονται μηχανουργικά.. Χρησιμοποιούνται σαν πρώτη ύλη για την Παρασκευή ελατών χυτοσιδήρων. Οι χρήσεις τους περιορίζονται σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλή αντοχή σε τριβή με σκληρά υλικά, όπως σε κυλίνδρους κυλινδρόμυλων. 3.3 Κράματα χαλκού Ο καθαρός χαλκός είναι μαλακός και όλκιμος. Δύσκολα επεξεργάζεται μηχανουργικά. με εργαλειομηχανές αλλά έχει απεριόριστη δυνατότητα σε ψυχρηλασία. Έχει υψηλή αντοχή σε διάβρωση από ατμοσφαιρικό αέρα, θαλάσσιο νερό και κάποια βιομηχανικά χημικά. Οι μηχανικές του ιδιότητες και η αντίσταση σε διάβρωση βελτιώνονται με κραματοποίηση. Οι ορείχαλκοι (κράματα Cu-Zn) είναι τα ποίο κοινά κράματα χαλκού και χρησιμοποιούνται στην κοσμηματοποιϊα, φωτιστικά, πυρομαχικά, σε κάλυκες φυσιγγιών, ψυγεία αυτοκινήτων, μουσικά όργανα, κουτιά ηλεκτρονικών, επαφές συσσωρευτών και νομίσματα. Ο μπρούντζος είναι κράμα χαλκού με διάφορα στοιχεία όπως κασσίτερος, αλουμίνιο, πυρίτιο και νικέλιο. Είναι ελαφρώς ισχυρότερος από τον ορείχαλκο και έχει υψηλή αντοχή σε διάβρωση. Από κράματα Cu-Sn κατασκευάζονται δίσκοι διαφορικών, διαφράγματα, ασφάλειες,ελατήρια, ράβδοι συγκόλλησης. Τα κράματα Cu-Ni χρησιμοποιούνται για συμπυκνωτές και εναλλάκτες θερμότητας, καθώς και θαλάσσιες σωληνώσεις. Από μπρούντζο με αλουμίνιο κατασκευάζονται αντιτριβικοί δακτύλιοι, γρανάζια, έδρανα, οδηγοί βαλβίδων και άγκιστρα. Τα κράματα χαλκού με βηρύλλιο (Cu με 1% εως 2,5%Be) μετά από γήρανση αποκτούν εξαιρετικό συνδυασμό ιδιοτήτων (υψηλή εφελκυστική αντοχή,σ Μ =1400ΜPa, εξαιρετικές ηλεκτρικές ιδιότητες, αντοχή σε διάβρωση, αντοχή σε φθορά από τριβή με κατάλληλη λίπανση). Κατεργάζονται με χύτευση, με διαμόρφωση εν ψυχρώ και εν θερμώ. Χρησιμοποιούνται σε τμήματα συστημάτων προσγείωσης, αντιτριβικοί δακτύλιοι, ελατήρια, χειρουργικά και οδοντιατρικά όργανα. 3.4 Κράματα αλουμινίου Το αλουμίνιο και τα κράματα του έχουν σχετικά χαμηλή πυκνότητα (2,7g/cm 3 ενώ των χαλύβων είναι 7,9g/cm 3 ),υψηλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα και αντίσταση στη διάβρωση από ατμοσφαιρικό αέρα. Μορφοποιούνται εύκολα (φύλλα αλουμινίου). Η αντοχή του αλουμινίου βελτιώνεται με ψυχρηλασία και με κραμάτωση εις βάρος της αντίστασης σε διάβρωση. Τα κύρια κράματα αλουμινίου περιέχουν χαλκό, πυρίτιο, μαγγάνιο, ψευδάργυρο και διακρίνονται σε χυτά και διαμόρφωσης. Από κράματα Al-Cu κατασκευάζονται σκεύη μεταφοράς και αποθήκευσης χημικών/τροφίμων, εναλλάκτες θερμότητας, κάτοπτρα. Από κράματα Al-Cu-Mn-Zn κατασκευάζονται σκεύη μαγειρικής, δοχεία πίεσης και σωληνώσεις. Τα νέα κράματα αλουμίνιου τα οποία περιέχουν στοιχεία χαμηλής πυκνότητας (Mg, Ti) αποτελούν νέα υλικά. Χρησιμοποιούνται στα μεταφορικά μέσα για την μείωση κατανάλωσης καυσίμων. Από κράματα Al-Mg-Cr αγωγοί καυσίμων και λαδιού αεροσκαφών, δεξαμενές καυσίμων. Από κράματα Al-Cu-Mg-Mn κατασκευάζονται δομές αεροσκαφών, τροχοί φορτηγών, προϊόντα τόρνων. Από κράματα Al-Si-Mg κατασκευάζονται τμήματα αντλιών αεροσκαφών, κιβώτια διαφορικού αυτοκινήτων. Η νέα γενιά κραμάτων με λίθιο έχει εφαρμογές στην αεροναυπηγική. Από κράματα Al-Mg-Li-Zr κατασκευάζονται δομές αεροσκαφών όπου επιβάλλεται υψηλή αντοχή σε καταπόνηση. 17/18
3.5 Κράματα τιτανίου Το τιτάνιο και τα κράματα αποτελούν νέα τεχνολογικά υλικά. Το καθαρό Ti έχει σχετικά χαμηλή πυκνότητα (1,7g/cm 3 ),υψηλό σημείο τήξης (1668 ο C) και 107GPa μέτρο ελαστικότητας. Τα κράματα τιτανίου είναι εξαιρετικά ισχυρά (μέχρι 1400MPa εφελκυστική αντοχή) ενώ είναι όλκιμα και κατεργάσιμα. Έχουν υψηλή αντοχή στη διάβρωση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος αλλά προσβάλλονται εύκολα σε υψηλές θερμοκρασίες. Παρασκευάζονται με ειδικούς μεθόδους και είναι ακριβά. Συνήθως χρησιμοποιούνται σε κατασκευές αεροσκαφών, διαστημικά οχήματα, σε πετρελαϊκές και χημικές βιομηχανίες. 3.6 Υπερκράματα Τα Υπερκράματα δημιουργήθηκαν να ανταποκρίνονται σε ειδικές εφαρμογές και συγκεντρώνουν ένα συνδυασμός εξαιρετικών ιδιοτήτων. Χρησιμοποιούνται ως τμήματα αεροστροβίλων αεροσκαφών όπου εκτίθενται, για λογικό χρονικό διάστημα, σε διάφορα οξειδωτικά περιβάλλοντα σε υψηλές θερμοκρασίες. Σύμφωνα με το μέταλλο βάσης υπάρχουν κράματα κοβαλτίου (Co), νικελίου(ni) και σιδήρου(fe) με κραματικές προσμίξεις Νβ, Μο, Τα., Cr kai Ti. Χρησιμοποιούνται και σε πυρηνικούς αντιδραστήρες. 3.7 Σύνθετα υλικά Οι νέες τεχνολογίες (όπως στην αεροδιαστημική και στις υποβρύχιες χρήσεις) απαιτούν υλικά με ασυνήθιστο συνδυασμό ιδιοτήτων τα οποία δεν μπορούν να ικανοποιηθούν από τα συμβατικά υλικά. Επιτυγχάνεται με συνδυασμός δυο η περισσότερων υλικών (μέταλλα, κεραμικά και πολυμερή) τα οποία συνεισφέρουν στις ιδιότητες. Βιβλιογραφία [1]Γ.Δ. Χρυσουλάκης, Δ.Ι. Παντελής: «Επιστήμη και Τεχνολογία των Μεταλλικών Υλικών», Εκδόσεις Παπασωτηρίου, Αθήνα (2003). [2]Κ. Μέντρεα: «Έλεγχος Ποιότητας και Τεχνολογία Μεταλλικών Υλικών», Διδακτικές Σημειώσεις, Τέταρτη Έκδοση, (2014). [3]W.D. Callister: «Επιστήμη και Τεχνολογία των Υλικών», Εκδόσεις Τζιόλα (2008). [4]Γ. Δ. Παπαδημητρίου, Γενική Μεταλλογνωσία Ι, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα, (1989). [5]D. Roylance: Mechanical properties of materials, (2008) http://web.mit.edu/course/3/3.225/ [6]Γ.Ι. Τσαμασφύρος: «Μηχανική Παραμορφώσιμων Σωμάτων Ι», Εκδόσεις Συμμετρία, (1997). 18/18