24/5/2010 1

ΜΕΤΑΛΛΑ

24/5/2010 2

ΔΟΜΗ ΑΤΟΜΟΥ - ΔΕΣΜΟΙ(Κεφ. 5 σελ.87 )

• Δομή ατόμου

• Μεταλλικός δεσμός

24/5/2010 3

ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΣΤΕΡΕΩΝ( κεφ. 6 σελ.103 )

• Κρυσταλλογραφία

• Κρυσταλλοχημεία

• Περίθλαση με ακτίνες Χ ( Νόμος τουBragg , 2dημθ =ηλ )

24/5/2010 4

2dημθ = ηλ

24/5/2010 5

Κρυσταλλική Δομή των Μετάλλων

24/5/2010 6

24/5/2010 7

Τα 14 δυνατά είδη των πλεγμάτων

24/5/2010 8

24/5/2010 9

Τα 7 Κρυσταλλικά Συστήματα

24/5/2010 10

ΑΤΕΛΕΙΕΣ ΤΗΣ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΗΣ ΔΟΜΗΣ

• Ατέλειες μηδενικής διάστασης ή σημειακές ατέλειες

• Ατέλειες μιας διάστασης ή γραμμικές ατέλειες

• Ατέλειες δύο διαστάσεων ή επίπεδες ατέλειες

• Ατέλειες τριών διαστάσεων

24/5/2010 11

ΑΤΕΛΕΙΕΣ ΜΗΔΕΝΙΚΗΣ ΔΙΑΣΤΑΣΗΣ

• Οι ατέλειες μηδενικής διάστασης είναι της τάξης των ενδοατομικών αποστάσεων.

• Διακρίνονται σε πλεγματικά κενά , σε παρουσία ατόμου της μητρικής δομής σε παραπλεγματική θέση και σε παρουσία ξένου ένθετου ατόμου σε πλεγματική ή παραπλεγματική θέση.

24/5/2010 12

24/5/2010 13

ΑΤΕΛΕΙΕΣ SCHOTTKY

• Στα ιοντικά στερεά οι σημειακές ατέλειες είναι πιο πολύπλοκες γιατί θα πρέπει το φορτίο των θετικών ιόντων να ισούται με το φορτίο των αρνητικών ιόντων. Έτσι ένα θετικό πλεγματικό κενό θα πρέπει να εξισορροπείται από ένα αρνητικό πλεγματικό κενό . Το ζεύγος κατιονικού –ανιονικού κενού καλείται ατέλεια schottky .

24/5/2010 14

ΑΤΕΛΕΙΕΣ FRENKEL

• Εάν ένα θετικό κατιόν μετακινηθεί σε παραπλεγματική θέση ενός ιοντικού κρυστάλλου θα δημιουργηθεί τοπικά κατιονικό πλεγματικό κενό στη θέση του κατιόντος . Το ζεύγος κατιονικού πλεγματικού κενού – παραπλεγματικού κατιόντος καλείται ατέλεια Frenkel .

24/5/2010 15

24/5/2010 16

ΑΤΕΛΕΙΕΣ ΜΙΑΣ ΔΙΑΣΤΑΣΗΣ Η ΓΡΑΜΜΙΚΕΣ ΑΤΕΛΕΙΕΣ

• Οι ατέλειες αυτές αποτελούν διατάραξη της κρυσταλλικής δομής κατά μήκος μιας γραμμής που διαχωρίζει ένα κρυσταλλικό επίπεδο σε δύο τμήματα τέλεια , το κάθε ένα χωριστά , αλλά που παρουσιάζουν μια ατέλεια στα σημεία επαφής τους .

• Οι ατέλειες μιας διάστασης καλούνται επίσης διαταραχές και δημιουργούνται κατά τη διάρκεια της στερεοποίησης ή της πλαστικής παραμόρφωσης του υλικού .

24/5/2010 17

24/5/2010 18

• Η πυκνότητα των διαταραχών ορίζεται ως το συνολικό μήκος των διαταραχών ανά μονάδα όγκου . Σε ένα μέταλλο η πυκνότητα των διαταραχών μπορεί να κυμαίνεται από 106 cm/cm3 (δηλαδή 10 km/cm3) έως

1012 cm/cm3 .

ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΔΙΑΤΑΡΑΧΩΝ

24/5/2010 19

ΑΤΕΛΕΙΕΣ ΔΥΟ ΔΙΑΣΤΑΣΕΩΝ Η ΕΠΙΠΕΔΕΣ ΑΤΕΛΕΙΕΣ

• Τα μέταλλα σπάνια είναι μονοκρυσταλλικά , συνήθως είναι πολυκρυσταλλικά δηλαδή αποτελούνται από ένα σύνολο μικρών κρυστάλλων , τους κόκκους . Οι κόκκοι είναι τοποθετημένοι ο ένας δίπλα στον άλλο ώστε να σχηματίζεται ένα συνεχές υλικό . Οι περατωτικές επιφάνειες των κόκκων , οι οποίοι έχουν ο καθένας το δικό του προσανατολισμό , αποτελούν τις επίπεδες ατέλειες , παίζουν ρόλο συνδέσμου των κόκκων και εξασφαλίζουν τη συνάφεια μεταξύ των κόκκων .

24/5/2010 20

24/5/2010 21

24/5/2010 22

• Οι επίπεδες ατέλειες σε ένα μέταλλο είναι πάρα πολλές και επιδρούν σε όλες τις ιδιότητες του μετάλλου . Τα όρια των κόκκων είναι ζώνες ατόμων υψηλότερης ενέργειας σε σχέση με τα άτομα που είναι εντός των κόκκων . Αυτό το γεγονός της μεγαλύτερης ενέργειας των ορίων εξηγεί πολλά φαινόμενα στα μέταλλα

1) Κατά την επίδραση κατάλληλου χημικού αντιδραστηρίου σε μεταλλικό δοκίμιο τα όρια των κόκκων υφίστανται επιλεκτική διάβρωση . Το φαινόμενο αυτό έχει δυσμενείς συνέπειες σε περιπτώσεις εφαρμογών των μετάλλων , γίνεται όμως πολύτιμο εργαλείο για τη μελέτη της δομής του μετάλλου στο μικροσκόπιο .

24/5/2010 23

2) Η τήξη των μετάλλων ξεκινά από τα όρια των κόκκων τα οποία έχουν χαμηλότερο σημείο τήξεως κατά περίπου 150C σε σχέση με τους κόκκους .

3) Κατά τη στερεοποίηση του μετάλλου στα όρια των κόκκων συγκρατούνται οι μικροακαθαρσίες .

4) Μέρος της ηλεκτρικής αντίστασης πολυκρυσταλλικού μετάλλου οφείλεται στην ύπαρξη ορίων των κόκκων .

5) Τα όρια των κόκκων παίζουν σημαντικό ρόλο κατά την πλαστική παραμόρφωση των μετάλλων , επηρεάζοντας έτσι τις μηχανικές τους ιδιότητες .

24/5/2010 24

ΑΤΕΛΕΙΕΣ ΤΡΙΩΝ ΔΙΑΣΤΑΣΕΩΝ

• Στις ατέλειες τριών διαστάσεων μέρος του όγκου του μητρικού κρυστάλλου αντικαθίσταται από όγκο διαφορετικής ένωσης .

• Οι διαφορετικές αυτές ενώσεις διακρίνονται σε κατακρημνίσματα και εγκλείσματα .

• Κατακρημνίσματα είναι ενώσεις που σχηματίστηκαν από άτομα μετάλλου του μητρικού πλέγματος και από ένα άλλο στοιχείο που είναι στοιχείο κραμάτωσης .

24/5/2010 25

• Εγκλείσματα είναι “ακαθαρσίες” εντός του μετάλλου και πρόκειται συνήθως για οξείδια , θειούχες ή πυριτικές ενώσεις που προέρχονται από τη διαδικασία παραγωγής του μετάλλου , όταν αυτό βρίσκεται σε υγρή φάση .

• Τέλος η ύπαρξη πόρων , δηλαδή κενών από αέρα ΄΄η ρωγμών που συνιστούν λύσεις της συνέχειας του κρυστάλλου θεωρούνται ατέλειες τριών διαστάσεων οι οποίες επηρεάζουν τη μηχανική συμπεριφορά του μετάλλου .

24/5/2010 26

ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ

• Τάση (Σ) ορίζεται ως το πηλίκο της δύναμης (F) που ασκείται σε μια επιφάνεια (A) προς την επιφάνεια αυτή (A) .

• σ = F/A

• Όταν η ασκούμενη δύναμη τείνει να επιφέρει επιμήκυνση του στερεού η τάση ονομάζεται εφελκυστική . Στην αντίθετη περίπτωση ονομάζεται θλιπτική .

24/5/2010 27

ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ• Η αντίδραση των υλικών στην εφαρμογή της

τάσης ονομάζεται παραμόρφωση .• Η εφελκυστική τάση σ που εφαρμόζεται σε έναν

από τους άξονες κύβου (dx , dy , dz) τείνει να επιφέρει μια επιμήκυνση παράλληλα στον άξονα αυτόν (u ,v ,w) . Ορίζεται αξονική παραμόρφωση ο λόγος

εx = u / dx , εy = v /dy , εz = w / dz

24/5/2010 28

Λόγος Poisson• Κατά την επιμήκυνση σε έναν άξονα ενός κύβου , ο

κύβος τείνει ταυτόχρονα να συμπιεστεί κατά τους δύο άλλους άξονες . Η πλευρική αυτή παραμόρφωση δίνεται από την ακόλουθη εξίσωση υπό την προϋπόθεση ότι οι επιφερόμενες τάσεις είναι ελαστικές .

Ο συντελεστής v ονομάζεται λόγος του Poisson , παίρνει τιμές από 0.25 έως 0.40 . Για τα περισσότερα μέταλλα οι τιμή του v είναι 0.33 .

24/5/2010 29

Νόμος του Hooke• Για τον απλό εφελκυσμό ισχύει ο γραμμικός νόμος

μεταξύ τάσης (σ) και παραμόρφωσης (ε) που είναι γνωστός ως νόμος του Hooke .

• Έτσι για τον απλό εφελκυσμό κατά τον άξονα των Χ ισχύει η σχέση : σx = E εxΌπου Ε το μέτρο ελαστικότητος σε εφελκυσμό ή μέτρο Young . H γραμμική σχέση μεταξύ τάσης και παραμόρφωσης ισχύει για την περίπτωση της ελαστικότητας . Τα μεταλλικά υλικά δείχνουν ελαστική συμπεριφορά μέσα σε πολύ στενά όρια παραμόρφωσης (έως ε =0,001 ή 0,1% )

24/5/2010 30

• Πάνω από το όριο του ε=0,001 τα μέταλλα εμφανίζουν μόνιμες μεταβολές που καλούνται πλαστικές παραμορφώσεις , δηλαδή στην περιοχή αυτή δεν ισχύει ο νόμος του Hooke .

• Η καταγραφή της παραμόρφωσης των υλικών σε σχέση με την επιβαλλόμενη τάση γίνεται με τη βοήθεια διαγραμμάτων τάσης - παραμόρφωσης .

24/5/2010 31

Διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης μετάλλου σε μονοαξονικό εφελκυσμό

σy : όριο διαρροής είναι η τάση πάνω από την οποία εμφανίζεται πλαστική παραμόρφωση

σTS : μέγιστη αντοχή σε εφελκυσμό . Είναι η μέγιστη τάση πάνω από την οποία εμφανίζεται ο λαιμός

εf : παραμόρφωση θραύσης . Είναι η παραμόρφωση που παρουσιάζεται κατά την θραύση του υλικού .

Ε : Το μέτρο ελαστικότητας

24/5/2010 32

ΔΥΣΘΡΑΥΣΤΟΤΗΤΑ• Η δυσθραυστότητα εκφράζει την ικανότητα του υλικού να

απορροφά ενέργεια πριν τη θραύση του.

• Η μέτρηση της δυσθραυστότητας γίνεται με δοκιμές κρούσης οι οποίες πραγματοποιούνται συνήθως με τη διάταξη Charpy.

• Στη διάταξη Charpy μια μάζα m σχήματος σφύρας στερεωμένη στο βραχίονα εκκρεμούς μπορεί να αιωρείται σε κάθετο επίπεδο γύρω από τον οριζόντιο άξονα Α .

24/5/2010 33

24/5/2010 34

24/5/2010 35

• Το δοκίμιο στερεωμένο σε υποστήριγμα δέχεται χτύπημα από την αιωρούμενη σφύρα όταν αυτή περάσει από τη χαμηλότερη θέση της τροχιάς της .

• Στη θέση αυτή η κινητική ενέργεια της σφύρας είναι ίση με την δυναμική ενέργεια που κατείχε η σφύρα στην υψηλότερη θέση , πριν αρχίσει να κινείται .

• Αν καλέσουμε α την αρχική γωνία που σχηματίζει ο βραχίονας ως προς τη θέση ισορροπίας και α’ τη γωνία που σχηματίζει ο βραχίονας μετά την κρούση και τη θραύση του δοκιμίου τότε η ενέργεια W που απορροφήθηκε κατά τη θραύση του δοκιμίου αποτελεί το μέτρο της δυσθραυστότητας του .

24/5/2010 36

24/5/2010 37

ΚΟΠΩΣΗ

• Τα μέταλλα αν υποβληθούν σε εναλλασσόμενες περιοδικές και συνεχείς καταπονήσεις είναι δυνατόν να οδηγηθούν σε θραύση για τιμές τάσεων κατά πολύ μικρότερες της αντοχής τους σε εφελκυσμό όταν υποβάλλονται σε στατικά φορτία , δηλαδή σε φορτία που έχουν σταθερή τιμή .

• Π.χ ένας άξονας που περιστρέφεται μετά από 108

κύκλους θραύεται μεταξύ του ενός τρίτου και του ενός τετάρτου του ορίου διαρροής του .

24/5/2010 38

24/5/2010 39

ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΚΟΠΩΣΗ

• Η θερμοκρασία

• Οι επιφανειακές ανωμαλίες•• Το είδος της κρυσταλλικής δομής (μονοκρυσταλλικό ή πολυκρυσταλλικό

υλικό )

• Ο προσανατολισμός του μονοκρυσταλλικού υλικού .

• Το μέγεθος των κόκκων του πολυκρυσταλλικού υλικού

• Η προηγούμενη κατεργασία

• Το περιβάλλον . Το διαβρωτικό περιβάλλον ευνοεί την ανάπτυξη και τη διάδοση των ρωγμών

24/5/2010 40

ΕΡΠΥΣΜΟΣ• Ερπυσμός είναι το φαινόμενο εκείνο κατά το οποίο η

παραμόρφωση ενός υλικού είναι συνάρτηση όχι μόνο των φορτίων αλλά και της θερμοκρασίας και του χρόνου επιβολής των φορτίων .

• Το φαινόμενο του ερπυσμού εμφανίζεται έντονο σε ορισμένα μέταλλα όπως π.χ ο μόλυβδος και το βολφραμιο

• Οι θερμοκρασίες από τις οποίες τα μέταλλα εμφανίζουν έντονα το φαινόμενο του ερπυσμού αρχίζουν περίπου από το 1/3 της θερμοκρασίας τήξης του μετάλλου .

24/5/2010 41

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΕΡΠΥΣΜΟΥ

Το Βολφράμιο (W) χρησιμοποιείται ως υλικό κατασκευήςτων νημάτων των λαμπτήρων . Το σημείο τήξης του βολφραμίου είναι 36800Κ . Στη θερμοκρασία περιβάλλοντος ( περίπου 3000Κ) δεν εμφανίζεται ερπυσμός . Όμως στη θερμοκρασία λειτουργίας των λαμπτήρων που είναι περίπου 20000Κ οι λαμπτήρες καίγονται λόγω ερπυσμού .

24/5/2010 42

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ ΤΟΥ ΕΡΠΥΣΜΟΥ

24/5/2010 43

ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΚΑΜΠΥΛΩΝ ΕΡΠΥΣΜΟΥ