Επιστήμη των Υλικών Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Τμήμα Φυσικής 2017 Α. Δούβαλης
Μηχανικές ιδιότητες των στερεών (μεταλλικά στερεά) Τάση και παραμόρφωση Τάση (stress): αίτιο (δύναμη/ροπή) που προκαλεί παραμόρφωση Παραμόρφωση (strain): αποτέλεσμα (αλλαγή διαστάσεων του στερεού) (α) Εφελκυσμός (b) Θλίψη (d) Στρέψη (c) Διάτμηση
Δοκιμές εφελκυσμού και θλίψης Δοκίμιο (δείγμα) υλικού ακτίνα/ενεργό μήκος ~ 1/4 δύναμη F επιμήκυνση l Διάγραμμα (ανεξάρτητο των συνθηκών του πειράματος) τάση σ παραμόρφωση ε Διαστάσεις σ (πίεση) ε (αδιάστατο) Στο τέλος της διαδικασίας προκαλείται θραύση του δοκιμίου (καταστρεπτική μέθοδος)
Δοκιμές διάτμησης και στρέψης τ=f/a 0 γ=tan(θ) τ=f(τ) γ=f(φ) Συνδυασμός εφελκυστικών και διατμητικών τάσεων σ επίπεδο τ // επίπεδο
Ελαστικές παραμορφώσεις Συμπεριφορά τάσης-παραμόρφωσης Το Ε συνέεται με την ισχύ των δεσμών του υλικού σε ατομικό επίπεδο Ε: μέτρο ελαστικότητας (Young) E: δυσκαμψία του υλικού σε ελαστικές παραμορφώσεις Ε>> δύσκαμπτο υλικό Ελαστικές παραμορφώσεις: μη μόνιμες (επαναφορά του υλικού στην αρχική κατάσταση όταν αφαιρεθεί το φορτίο) Εφαπτόμενο μέτρο Ε για σ=σ 2 Εφελκυσμός-Θλίψη: παρόμοια συμπεριφορά σε σχετικά μικρές τάσεις. Διάτμηση: τ = G γ, G: μέτρο διάτμησης (ή στρέψης). Ελαστική περιοχή, αλλά σ-ε μη γραμμικά Τεμνόμενο μέτρο Ε μεταξύ αρχής και σ=σ 1 Ανελαστικότητα: χρονική καθυστέρηση για την επιστροφή στην αρχική κατάσταση μετά την απομάκρυνση της τάσης μεταλλικά υλικά: μικρή ορισμένα πολυμέρη: μεγαλύτερη (ιξωδοελαστική συμπεριφορά).
ε x =ε y ισοτροπικό υλικό Ελαστικές ιδιότητες λόγος Poisson σε ισοτροπικά υλικά ν θεωρητική τιμή: 0.25=1/4 μέγιστη τιμή: 0.5=1/2 Σχέση Ε, G και ν σε ισοτροπικά υλικά πολλά υλικά είναι ανισοτροπικά πολυκρυσταλλικά υλικά: η συμπεριφορά εξαρτάται από τον προσανατολισμό των κόκκων. ανόργανα κεραμικά υλικά (γυαλιά): ισοτροπικά
Μέτρα ελαστικότητας και διάτμησης
Μέτρα ελαστικότητας (συμπεριφορά με την θερμοκρασία)
Πλαστική παραμόρφωση Μόνιμη μη-επιστρεπτή διαδικασία παραμόρφωσης πέρα (για μεγαλύτερες τιμές ε) από την ελαστική παραμόρφωση. Πλαστική παραμόρφωση: διάρρηξη δεσμών σε ατομικό επίπεδο και δημιουργία νέων κατά την διαδικασία μετατόπισης των ατόμων στο στερεό. κρυσταλλικά υλικά: διαδικασία ολίσθησης άμορφα υλικά: ιξώδης ροή αντοχή διαρροής σ y Χάλυβες (κράματα Fe): φαινόμενο σημείου διαρροής φαινόμενο διαρροής άνω σημείο διαρροής όριο αναλογίας αντοχή διαρροής σ y κάτω σημείο διαρροής αντοχή διαρροής σ y Al 35 MPa Fe (steel) 1400 MPa
Αντοχή σε Εφελκυσμό εφελκυστική αντοχή (TS) σημείο θραύσης δημιουργία «λαιμού»
Ολκιμότητα Υλικά με ικανότητα μεγάλης παραμόρφωσης μέχρι την θραύση: όλκιμα Ψαθυρά: υλικά με μικρή/μηδενική ικανότητα παραμόρφωσης μέχρι την θραύση Ολκιμότητα Ποσοστό επιμήκυνσης Ποσοστό μείωσης της επιφάνειας διατομής Ψαθυρά: υλικά με EL f < 5% (0.05)
Μηχανικές ιδιότητες μετάλλων, κραμάτων, κεραμικών και πολυμερών Αντοχή διαρροής σ y Εφελκυστική αντοχή TS Ολκιμότητα
Ολκιμότητα σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας Fe (bcc)
Επανάταξη Ικανότητα των υλικών να απορροφούν ενέργεια κατά την διαδικασία φόρτισης την οποία αποδίδουν κατά την αποφόρτιση. μέτρο επανάταξης σ ε Μονάδες επανάταξης: J/m 3 (Pa)
Σκληρότητα Μέτρο της αντίστασης ενός υλικού στην τοπική (περιορισμένη σε διαστάσεις) παραμόρφωση. Τεχνικές ποσοτικής μέτρησης σκληρότητας: διεισδυτής συγκεκριμένου σχήματος πιέζεται πάνω στην επιφάνεια του υλικού υπό συγκεκριμένες συνθήκες φορτίου (δύναμης) και ρυθμού εφαρμογής. Στην συνέχεια μετριέται το αποτύπωμα του διεισδυτή στο υλικό και από το μέγεθός του υπολογίζεται η σχετική του σκληρότητα σύμφωνα σε συγκεκριμένη κλίμακα. Οι μετρήσεις σκληρότητας είναι σχετικές και όχι απόλυτες: μεγάλη προσοχή στην πιστοποιημένη διαδικασία και τα μέσα μέτρησης.
Σκληρότητες Rockwell Μέτρηση (αυτόματη) του βάθους διείσδυσης διαμαντένιου κώνου ή ατσάλινων σφαιρών διαφορετικών διαμέτρων μετά από εφαρμογή αρχικά ενός μικρού και στην συνέχεια ενός μέγιστου φορτίου. Μέθοδος Διειδυτής Όψη προφίλ Όψη επιφάνειας Μέγιστο φορτίο
Σύμβολο κλίμακας Διεισδυτής Σκληρότητες Rockwell Μέγιστο φορτίο Προετοιμασία δοκιμίων Ελάχιστο φορτίο Minor load 10 kg Μορφή δισκίων διαμέτρου ~2-5 cm Πάχος δισκίων 10 x βάθος διείσδυσης Απόσταση κέντρου αποτύπωσης 3 x διάμετρος αποτύπωσης από άλλη αποτύπωση ή άκρο δοκιμίου Επιφανειακή σκληρότητα Rockwell Εφαρμόζεται σε υλικά με σχετικά λεπτά δοκίμια (με μικρό πάχος) Ελάχιστο φορτίο Minor load 3 kg Η μέτρηση αναφέρει το βάθος διείσδυσης ακολουθούμενο από λογότυπο της μεθόδου (HR) και το σύμβολο της κλίμακας μέτρησης Rockwell (A, B, C, 15Ν, 30T, 30W κτλ) π.χ. 80 HRB ή 60 HR30W Το μέγεθος μέτρησης σε κάθε κλίμακα κυμαίνεται από 1 έως 130. Οι αξιόπιστες μετρήσεις βρίσκονται όμως μεταξύ 20 και 100, οπότε στην περίπτωση πολύ μικρών ή μεγάλων τιμών είναι καλύτερο να χρησιμοποιείται η αμέσως μικρότερη ή μεγαλύτερη κλίμακα αντίστοιχα.
Σκληρότητες Brinell (HB) Μέτρηση (με οπτικό μικροσκόπιο) των διαστάσεων του αποτυπώματος σφαίρας διαμέτρου 10 mm (ατσάλινης ή WC) μετά από εφαρμογή φορτίου P. Το φορτίο κυμαίνεται από 500 kg έως 3000 kg με βήματα των 500 kg. Η χρονική διάρκεια εφαρμογής του φορτίου κυμαίνεται από 10 s έως 30 s. Μέθοδος Διειδυτής Όψη προφίλ Όψη επιφάνειας Μέγιστο φορτίο
Σκληρότητες Vickers (HV) και Knoop (HK) Μέτρηση (με οπτικό μικροσκόπιο) των διαστάσεων του αποτυπώματος διαμαντένιων πυραμίδων μετά από εφαρμογή φορτίου P. Το φορτίο κυμαίνεται από 1 kg έως 1000 kg. Η μέθοδος Knoop χρησιμοποιείται συνήθως για κεραμικά υλικά. Οι μέθοδοι Vickers (HV) και Knoop (HK) θεωρούνται ως μέθοδοι μέτρησης μικροσκληρότητας (μικρά φορτία και διαστάσεις αποτυπωμάτων). Μέθοδος Διειδυτής Όψη προφίλ Όψη επιφάνειας Μέγιστο φορτίο
Μετατροπή σκληροτήτων (κλίμακες)
Σχέση αντοχής διαρροής και σκληρότητας στα μεταλλικά υλικά Η αντοχή διαρροής και η σκληρότητα είναι χαρακτηριστικά που υποδεικνύουν την αντίσταση των υλικών στην πλαστική παραμόρφωση Για τα περισσότερα κράματα χάλυβα