Μάθημα : Υλικά [Open]

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.