Υλικά [Open] (511264 )
Ζαχαρόπουλος Νικόλαος
Η επιστήμη και μηχανική υλικών έχει ως στόχο την διερεύνηση των σχέσεων μεταξύ δομής, κατεργασίας και ιδιοτήτων των υλικών για την βελτιστοποίηση της απόδοσής τους. Στο μάθημα θα προσπαθήσουμε να κάνουμε αυτήν την σύνδεση για να εξηγήσουμε την μακροσκοπική συμπεριφορά των υλικών (π.χ., γιατί ο χάλυβας παραμορφώνεται δύσκολα ενώ το καουτσούκ εύκολα) διεισδύοντας σε διαφορετικές κλίμακες μήκους (ατομική, μεσοσκοπική) και εντοπίζοντας τα κρίσιμα χαρακτηριστικά και τις σχετικές διεργασίες. Θα εξετάσουμε τον ρόλο της δομής ή της απουσίας της στον καθορισμό των ιδιοτήτων και στην μεταβολή τους με τις συνθήκες λειτουργίας του υλικού (π.χ., γιατί μειώνεται τόσο δραματικά η ακαμψία των άμορφων πολυμερών σε κάποια κρίσιμη θερμοκρασία). Η έμφαση του μαθήματος είναι κυρίως στην μηχανική και δευτερευόντος στην θερμική συμπεριφορά. (Οι οπτικές, ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες θα μπορούσαν να συμπεριληφθούν μόνο σε εγκυκλοπαιδικό επίπεδο και παραλείπονται προς όφελος μιας ουσιαστικότερης κατανόησης των υπολοίπων.)
Συνιστώμενη βιβλιογραφία προς μελέτη:
- Εγχειρίδια του μαθήματος: Επιστήμη και τεχνολογία των υλικών, Callister
- Συμπληρωματική βιβλιογραφία: Materials: Engineering, Science, Processing and Design, Ashby, Shercliff, Cebon; The Science and Engineering of Materials, Askeland; Modern Physical Metallurgy and Materials Engineering, Smallman and Bishop; Mechanical Behavior of Materials, Hosford; Gases, Liquids and Solids and Other States of Matter, Tabor; Structures: Or Why Things Don’t Fall Down, Gordon (Advanced texts: Mechanical Behavior of Materials, Courtney; The Physics of Polymers, Strobl; Anelastic and Dielectric Effects in Polymeric Solids, McCrum; Introduction to Ceramics, Kingery, Bowen, Uhlmann)
Λιγότερα
Η επιστήμη και μηχανική υλικών έχει ως στόχο την διερεύνηση των σχέσεων μεταξύ δομής, κατεργασίας και ιδιοτήτων των υλικών για την βελτιστοποίηση της απόδοσής τους. Στο μάθημα θα προσπαθήσουμε να κάνουμε αυτήν την σύνδεση για να εξηγήσουμε την μακροσκοπική συμπεριφορά των υλικών (π.χ., γιατί ο χάλυβας παραμορφώνεται δύσκολα ενώ το καουτσούκ εύκολα) διεισδύοντας σε διαφορετικές κλίμακες μήκους (ατομική, μεσοσκοπική) και εντοπίζοντας τα κρίσιμα χαρακτηριστικά και τις σχετικές διεργασίες. Θα εξετάσουμε τον ρόλο της δομής ή της απουσίας της στον καθορισμό των ιδιοτήτων και στην μεταβολή τους με τις συνθήκες λειτουργίας του υλικού (π.χ., γιατί μειώνεται τόσο δραματικά η ακαμψία των άμορφων πολυμερών σε κάποια κρίσιμη θερμοκρασία). Η έμφαση του μαθήματος είναι κυρίως στην μηχανική και δευτερευόντος στην θερμική συμπεριφορά. (Οι οπτικές, ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες θα μπορούσαν να συμπεριληφθούν μόνο σε εγκυκλοπαιδικό επίπεδο και παραλείπονται προς όφελος μιας ουσιαστικότερης κατα
Η επιστήμη και μηχανική υλικών έχει ως στόχο την διερεύνηση των σχέσεων μεταξύ δομής, κατεργασίας και ιδιοτήτων των υλικών για την βελτιστοποίηση της απόδοσής τους. Στο μάθημα θα προσπαθήσουμε να κάνουμε αυτήν την σύνδεση για να εξηγήσουμε την μακροσκοπική συμπεριφορά των υλικών (π.χ., γιατί ο χάλυβας παραμορφώνεται δύσκολα ενώ το καουτσούκ εύκολα) διεισδύοντας σε διαφορετικές κλίμακες μήκους (ατομική, μεσοσκοπική) και εντοπίζοντας τα κρίσιμα χαρακτηριστικά και τις σχετικές διεργασίες. Θα εξετάσουμε τον ρόλο της δομής ή της απουσίας της στον καθορισμό των ιδιοτήτων και στην μεταβολή τους με τις συνθήκες λειτουργίας του υλικού (π.χ., γιατί μειώνεται τόσο δραματικά η ακαμψία των άμορφων πολυμερών σε κάποια κρίσιμη θερμοκρασία). Η έμφαση του μαθήματος είναι κυρίως στην μηχανική και δευτερευόντος στην θερμική συμπεριφορά. (Οι οπτικές, ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες θα μπορούσαν να συμπεριληφθούν μόνο σε εγκυκλοπαιδικό επίπεδο και παραλείπονται προς όφελος μιας ουσιαστικότερης κατα
Η επιστήμη των υλικών διατρέχει τις κλίμακες μήκους για να εξηγήσει την συμπεριφορά των υλικών υπό διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας ώστε ο σχεδιαστής να επιλέξει σωστά για δεδομένη εφαρμογή και να αποφευχθούν καταστροφές μικρής ή μεγαλύτερης κλίμακας - η κατανόηση του ελέγχου της συμπεριφοράς μέσα από την δομή και τις συνθήκες λειτουργίας οδηγεί σε αποδοτικότερο σχεδιασμό.
Λέξεις κλειδιά: επιλογή υλικών, τάση, παραμόρφωση, λόγος Poisson
Όλα τα υλικά παρουσιάζουν γραμμικά ελαστική συμπεριφορά για πολύ μικρές παραμορφώσεις (< 0.1%). Η αντίσταση του υλικού στην ελαστική παραμόρφωση (η ακαμψία του) εκφράζεται μέσω του μέτρου ελαστικότητας. Η γραμμική ελαστικότητα περιγράφεται από το νόμο του Hooke, την σχέση αναλογίας τάσης - παραμόρφωσης. Αυτή η σχέση μπορεί να ερμηνευτεί (προσεγγιστικά, ως προς την τάξη μεγέθους) από ένα απλό μοντέλο όπου το υλικό, αποτελούμενο από σωματίδια συνδεδεμένα με ελατήρια - δεσμούς, παραμορφώνεται εξαιτίας της έκτασης των ελατηρίων.
Λέξεις κλειδιά: μεταλλικοί, ιοντικοί, ομοιοπολικοί και δεσμοί van der Waals, διατομική ενέργεια, διατομική απόσταση ισορροπίας, ακαμψία δεσμού, μέτρο του Young
Το είδος του διατομικού δεσμού σε συνδυασμό με το σχετικό μέγεθος των ατόμων ή ιόντων που συνιστούν το υλικό καθορίζουν τον τρόπο με τον οποίο αυτά διατάσσονται στον χώρο. Οι δομές που προκύπτουν όταν τα άτομα καταλαμβάνουν θέσεις σε περιοδικό πλέγμα είναι κρυσταλλικές και περιγράφονται με δείκτες κρυσταλλογραφικών διευθύνσεων και κρυσταλλογραφικών επιπέδων. Όταν απουσιάζει τάξη μακράς εμβέλειας, οι δομές είναι άμορφες (γυαλιά).
Σε ένα γραμμικά ελαστικό στερεό, μια σύνθετη εντατική κατάσταση μπορεί να αναλυθεί γραμμικά στις επιμέρους απλές: το αποτέλεσμα της σύνθετης κατάστασης είναι το άθροισμα των αποτελεσμάτων των απλών καταστάσεων. Τα σύνθετα υλικά παρουσιάζουν, γενικά, ανισοτροπία: οι ελαστικές τους ιδιότητες εξαρτώνται από τον σχετικό προσανατολισμό της φάσης ενίσχυσης και της διεύθυνσης του φορτίου.
Λέξεις κλειδιά: γραμμική ελαστικότητα, σύνθετα, εντατική κατάσταση ίσης παραμόρφωσης, εντατική κατάσταση ίσης τάσης
Για πολύ μικρές παραμορφώσεις διαπιστώνεται ίδια συμπεριφορά σε εφελκυσμό και θλίψη (εντούτοις, αυτή μπορεί να αποκλίνει από την γραμμικότητα) - στην πλαστική παραμόρφωση, για να δούμε την ομοιότητα μεταξύ των δύο απλών εντατικών καταστάσεων θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε τα πραγματικά μεγέθη τάσης - παραμόρφωσης.
Στους μεταλλικούς και κεραμικούς κρυστάλλους η πλαστική παραμόρφωση διευκολύνεται από την κίνηση διαταραχών: γραμμικές ατέλειες στο πλέγμα που το παραμορφώνουν τοπικά ελαστικά και κινούνται εξαιτίας διατμητικών τάσεων πάνω σε κρυσταλλογραφικά επίπεδα. Διαταραχές προϋπάρχουν στο υλικό (δημιουργούνται κατά την στερεοποίηση), προκύπτουν όμως συνεχώς κατά την πλαστική παραμόρφωση και προκαλούν εργοσκλήρυνση.
Η πλαστική συμπεριφορά των άμορφων υλικών (γυαλιών), στα οποία η απουσία κρυσταλλικής δομής αποκλείει ατέλειες πλέγματος, χαρακτηρίζεται από το ιξώδες τους. Ειδική αναφορά γίνεται στα πολυμερή και στον τρόπο που επιδρά ο χρόνος και η θερμοκρασία στην εκδήλωση πλαστικότητας.
Λέξεις κλειδιά: ομοιογενής ροή, ζώνες διάτμησης, crazing, ψυχρή έλαση, τροπική χαλάρωση, ζώνη διεργασιών, ελεύθερος όγκος
Η ιδιαιτερότητα των πολυμερών είναι τα τεράστια μόρια (μακρομόρια ή πολυμερικές αλυσίδες) που τα συγκροτούν - η συμπεριφορά τους κυμαίνεται από αυτήν ενός πραγματικού στερεού έως ενός ιξώδους υγρού και επηρεάζεται έντονα από την θερμοκρασία και τον χρόνο. Η μηχανική συμπεριφορά των ελαστομερών μοιάζει περισσότερο με αυτήν ενός αερίου σε συμπίεση - τα τμήματα μεταξύ των δεσμών διασταύρωσης συμπεριφέρονται ως εντροπικά ελατήρια.
Λέξεις κλειδιά: ελαστικό στερεό, ιξωδελαστικό στερεό, ιξωδελαστικό υγρό, ιξώδες υγρό, θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης, εντροπικό ελατήριο
Η διάδοση ρωγμής στο υλικό απαιτεί ένα ελάχιστο ποσό ενέργειας - η δημιουργία μιας ζώνης διεργασιών στην κορυφή της ρωγμής απορροφά ενέργεια και καθυστερεί την διάδοση της ρωγμής.
Όλκιμα, κυρίως, υλικά που υφίστανται κυκλική εναλλαγή φορτίων αστοχούν για τάσεις πολύ μικρότερες από την κρίσιμη τάση για διάδοση ρωγμής. Κατά την κόπωση τα μέταλλα σκληραίνουν ή υφίστανται τροπική χαλάρωση - στα πολυμερή μπορεί να παρατηρηθεί μείωση της αντοχής.
Μέταλλα και κεραμικά σε υψηλές θερμοκρασίες καθώς και πολυμερή σε συνήθεις θερμοκρασίες έρπουν: παραμορφώνονται μόνιμα σε τάσεις μικρότερες του ορίου διαρροής συναρτήσει του χρόνου. Η θερμική ενέργεια θα πρέπει να είναι αρκετή ώστε να ενεργοποιεί την διάχυση στο υλικό.
Ανοικτό Ακαδ. Μάθημα
Αρ. Επισκέψεων : 16082
Αρ. Προβολών : 101501
