ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΤ’ ΕΞΑΜΗΝΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΟΥ ΤΟΜΕΑ ΕΝΟΤΗΤΑ Β: ΑΣΤΟΧΙΑ ΥΛΙΚΩΝ ΚΑΙ ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Δρ. Πανδώρα Ψυλλάκη Μάρτιος 2013 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. 2. 3. 3.1. 3.2. 4. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 5. 5.1. 5.2. 5.3. 5.4 6. 7. 8. ΕΝΟΤΗΤΑ Εισαγωγή Μεθοδολογία ανάλυσης της αστοχίας Ενόργανες πειραματικές μέθοδοι ανάλυσης αστοχίας Μη καταστρεπτικές τεχνικές 3.1.1. Ελεγχος με μαγνητικά σωματίδια 3.1.2. Ελεγχος με φθορίζοντα διεισδυτικά υγρά 3.1.3. Ραδιογραφία ακτίνων Χ ή γ 3.1.4. Ελεγχος με υπέρηχους 3.1.5. Ελεγχος με δινορεύματα Καταστρεπτικές τεχνικές χαρακτηρισμού 3.2.1. Χημική ανάλυση 3.2.2. Μικροσκοπική παρατήρηση 3.2.3. Σκληρομέτρηση 3.2.4. Δοκιμή εφελκυσμού 3.2.5. Δοκιμή κρούσης 3.2.6. Δοκιμή κάμψης Βασικές έννοιες θραυστομηχανικής Θραύση ιδανικού κρυστάλλου Ψαθυρή θραύση Θεωρία Griffith για την ψαθυρή θραύση Ολκιμη θραύση Συμπεριφορά υλικών σε διάφορες καταπονήσεις Κόπωση - Εναλλασσόμενη μηχανική φόρτιση Ερπυσμός - Στατική μηχανική φόρτιση σε υψηλές θερμοκρασίες Διάβρωση – Αστοχία λόγω δράσης χημικών παραγόντων 5.3.1. Ομοιόμορφη διάβρωση 5.3.2. Γαλβανική διάβρωση 5.3.3. Μικρογαλβανική διάβρωση 5.3.4. Διάβρωση με εσοχές (Crevice) 5.3.5. Διάβρωση με βελονισμούς (Pitting) 5.3.6. Διάβρωση υπό μηχανική τάση (stress corrosion) 5.3.7. Ψαθυροποίηση από υδρογόνο (hydrogen embrittlement) Φθορά λόγω τριβής – Επιφανειακή καταπόνηση υλικού 5.4.1. Φθορά λόγω πρόσφυσης 5.4.2. Φθορά λόγω εκτριβής 5.4.3. Παράγοντες που επηρεάζουν τη φθορά λόγω τριβής Βασικές Αρχές Επιλογής Υλικού Προβλήματα και Ασκήσεις Βιβλιογραφία Σελίδα 1 4 7 7 7 8 10 11 13 14 14 14 17 19 22 24 25 27 28 29 31 32 32 39 42 43 43 44 46 46 47 47 48 50 51 51 53 59 62 1 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο όρος «αστοχία» (failure) γενικά χρησιμοποιείται για να δηλώσει την απόκλιση του αποτελέσματος μιας πράξης/ ενέργειας από τον αρχικό στόχο που τέθηκε πριν την πραγματοποίησή της. Η απόκλιση αυτή μπορεί να οφείλεται σε:  Λανθασμένο σχεδιασμό, λόγω ασαφούς διατύπωσης του προς επίλυση θέματος ή/και μη ορθό καθορισμό των οριακών συνθηκών του προβλήματος ή/και ακατάλληλη επιλογή της μεθοδολογίας υλοποίησης.  Λανθασμένη υλοποίηση του αρχικού σχεδιασμού, δηλαδή μη τήρηση των οδηγιών ή/ και των περιορισμών που τέθηκαν κατά τον σχεδιασμό  Λανθασμένη αξιοποίηση του αποτελέσματος του προηγούμενου σταδίου, που μπορεί να αφορά είτε τη μη ασφαλή διεύρυνση των ορίων του αρχικού στόχου, είτε την εξυπηρέτηση στόχων διαφορετικών από αυτούς που αρχικά ετέθησαν. Τέλος, αστοχία μπορεί να σημειωθεί όταν οι συνθήκες λειτουργίας και περιβάλλοντος είναι ακραίες σε βαθμό τέτοιο, ώστε είτε να μην είναι δυνατή η πρόβλεψή τους, ή η πιθανότητα να συμβούν είναι πολύ μικρή και γι’αυτό δεν ελήφθησαν υπόψιν στα προγενέστερα στάδια. Οι μηχανολογικές κατασκευές αποτελούν συνήθως σύνολα επιμέρους υποομάδων (assemblies) μεμονωμένων μερών. Τα μεμονωμένα αυτά μέρη συναρμολογούνται σε υποομάδες με συγκόλληση (μεταλλουργική συνένωση υψηλών θερμοκρασιών), κόλληση (συνένωση με χρήση οργανικών ουσιών), κοχλίωση (συναρμογή με χρήση βιδών) ή ήλωση (συγκράτηση με χρήση καρφιών). Οι υποομάδες πρέπει να συνεργάζονται κατάλληλα προκειμένου να σχηματίσουν την τελική κατασκευή/ εξάρτημα που θα λειτουργήσει σε δεδομένο περιβάλλον μηχανικών φορτίσεων, που πιθανά επιβαρύνονται από την παρουσία χημικών παραγόντων ή θερμικών φορτίων, από τη συνέργεια επιφανειακών καταπονήσεων ακτινοβολίας (παράγοντας ή/ και εξαιρετικά από την επενέργεια επιβαρυντικός στην ηλεκτρομαγνητικής περίπτωση που χρησιμοποιούνται πολυμερή υλικά). Προκειμένου, λοιπόν, να εξασφαλιστεί η απρόσκοπτη λειτουργία της κατασκευής και να ελαχιστοποιηθούν οι πιθανότητες μη αναμενόμενης αστοχίας της (δηλαδή αστοχίας πριν παρέλθει ο χρόνος ζωής που δίνεται από τον κατασκευαστή, αφού καμμία κατασκευή δε μπορεί να θεωρηθεί αθάνατη), ιδιαίτερη προσοχή θα πρέπει να δίνεται σε καθένα από τα ακόλουθα στάδια (σχήμα 1.1): Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 2  Στάδιο σχεδιασμού. Σ’αυτό περιλαμβάνεται αφενός η διαστασιολόγηση της κατασκευής, ο καθορισμός δηλαδή των γεωμετρικών της χαρακτηριστικών τόσο των μεμονωμένων μερών όσο και της συνολικής κατασκευής, αφετέρου δε η επιλογή του υλικού από το οποίο θα κατασκευαστεί προκειμένου αυτό να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις του περιβάλλοντος λειτουργίας. Επίσης, στο αρχικό αυτό στάδιο καθορίζονται οι τεχνικές μορφοποίησης και κατεργασίας του υλικού των επιμέρους μερών, καθώς και οι τεχνικές συναρμογής τους. Η μελέτη σχεδιασμού συνιστά μέρος του τεχνικού φακέλλου μιας μηχανολογικής κατασκευής, ο οποίος αποτελεί αναπόσπαστο τεχνικό εγχειρίδιο που τη συνοδεύει σε όλη τη διάρκεια της ζωής της.  Στάδιο κατασκευής. Στο στάδιο αυτό οι εργασίες που περιγράφονται λεπτομερώς στη μελέτη σχεδιασμού υλοποιούνται από τον κατασκευαστή προκειμένου να διαμορφωθεί το τελικό αντικείμενο.  Στάδιο λειτουργίας. Στο στάδιο αυτό ο τελικός χρήστης της κατασκευής χρησιμοποιεί το αντικείμενο προκειμένου να επιτευχθεί ο στόχος για τον οποίο αρχικά σχεδιαστηκε και εν συνεχεία κατασκευάστηκε. Πρέπει εδώ να επισημανθεί ότι οι μηχανολογικές κατασκευές εξυπηρετούν συγκεκριμένους στόχους και λειτουργούν σε δεδομένο περιβάλλον. Προκειμένου να εξασφαλιστεί η ικανοποιητική λειτουργία τους, ο τελικός χρήστης θα πρέπει να συμμορφώνεται με τις οδηγίες χρήσης του κατασκευαστή, οι οποίες αφορούν τον τρόπο διαχείρισης και συντήρησης της κατασκευής και αποτελούν επίσης αναπόσπαστο συνοδευτικό εγχειρίδιο της κατασκευής. Είναι σαφές ότι οποιαδήποτε απόκλιση, παράβλεψη ή λανθασμένη αξιολόγηση σε κάποιο από τα στάδια αυτά μπορεί να εισάγει παράγοντες που σε χρονικό διάστημα μικρότερο από τον προβλεπόμενο χρόνο ζωής της κατασκευής θα οδηγήσουν σε αστοχία της. Για το λόγο αυτό και προκειμένου αφενός να ανιχνευθεί το πραγματικό αίτιο αστοχίας και να αρθεί εφόσον αυτό είναι εφικτό, αφετέρου δε να αποφευχθεί η επανάληψη του ίδιου σφάλματος, είναι απαραίτητη η λεπτομερής ανάλυση της μελέτης σχεδιασμού, η αναλυτική καταγραφή των βημάτων υλοποίησης, καθώς και η συστηματική τήρηση πρωτοκόλλου χρήσης και εργασιών συντήρησης της κατασκευής. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 3 Τελική Χρήση/ Περιβάλλον λειτουργίας* Σχεδιασμός Μηχανολογική σχεδίαση Μεμονωμένα εξαρτήματα Συνολική κατασκευή Επιλογή υλικού * Περιβάλλον λειτουργίας: Κατασκευή Χρήση Μορφοποίηση μερών Οδηγίες χρήσης Λίπανση Ψύξη Συντήρηση Μηχανουργική κατεργασία μερών Συναρμολόγηση/ συναρμογή μερών - Μηχανική φόρτιση Χημικοί παράγοντες Επιφανειακή καταπόνηση Θερμική Φόρτιση Ακτινοβολία Σχήμα 1.1. Διακριτά στάδια της «ζωής» μιας μηχανολογικής κατασκευής. Στις περιπτώσεις μηχανολογικών κατασκευών, η αστοχία μπορεί να αφορά (σχήμα 1.2):  Μη ικανοποιητική λειτουργία, η οποία με απλή ρύθμιση, επιδιόρθωση ή αντικατάσταση μεμονωμένου μέρους της κατασκευής μπορεί να αποκατασταθεί.  Μη ασφαλή λειτουργία, η οποία μπορεί επίσης να αντιμετωπιστεί με προσωρινή διακοπή της λειτουργίας της κατασκευής και αντικατάστασης ή επιδιόρθωσης μερών ή υποομάδων.  Παύση λειτουργίας με ταυτόχρονη καταστροφική αστοχία υλικού, η οποία είναι και η πιο επικίνδυνη, αφού τις περισσότερες φορές επέρχεται. χωρίς προειδοποίηση. Βαθμός επικινδυνότητας αστοχίας Παύση λειτουργίας Μη ασφαλής λειτουργία Μη ικανοποιητική λειτουργία Αντικατάσταση Επιδιόρθωση / Αντικατάσταση Σχήμα 1.2. Περιπτώσεις αστοχίας αυξανόμενου βαθμού επικινδυνότητας. Στη συγκεκριμένη θεματική ενότητα, θα ασχοληθούμε με τις περιπτώσεις καταστροφικής αστοχίας μεταλλικών υλικών που οδηγούν σε κερματισμό της κατασκευής, λόγω της επενέργειας μηχανικών, χημικών ή θερμικών φορτίσεων, με τη μεθοδολογία ανάλυσης για την εύρεση του αίτιου αστοχίας, καθώς και με το ζήτημα της κατάλληλης επιλογής υλικού ώστε να εξασφαλιστεί η ικανοποιητική απόδοση μιας κατασκευής και να ελαχιστοποιηθεί ο κίνδυνος αστοχίας της. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 4 2. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΤΗΣ ΑΣΤΟΧΙΑΣ Στις περισσότερες περιπτώσεις καταστροφικής αστοχίας υλικού, τα «αποτυπώματα» του κύριου αίτιου που οδήγησε σ’αυτήν μπορούν να ανιχνευθούν στα κερματισμένα τεμάχια της κατασκευής, ενώ με συστηματική ανάλυση γίνεται δυνατός ο προσδιορισμός τόσο του σταδίου λανθασμένης επιλογής (κατά το σχεδιασμό, την κατασκευή ή/ και τη χρήση), όσο και της επιβαρυντικής επίδρασης που αυτή είχε στην εξέλιξη της αστοχίας. Η γενική μεθοδολογία ανάλυσης της αστοχίας περιλαμβάνει διαδοχικά βήματα που κατά περίπτωση ακολουθούνται στο σύνολό τους ή κατά ένα μέρος τους (σχήμα 2.1):  Καταγράφονται οι συνθήκες λειτουργίας τη στιγμή της αστοχίας, προκειμένου να προσδιοριστεί πιθανή μηχανική υπερφόρτιση της κατασκευής (εκτός των προδιαγεγραμμένων ορίων ασφαλούς λειτουργίας) ή/ και μη συνήθης παρουσία χημικών παραγόντων ή θερμικών φορτίων.  Εξετάζεται το πρωτόκολλο χρήσης της κατασκευής, όπου θα πρέπει να καταγράφεται συστηματικά το ιστορικό λειτουργίας της: συχνότητα και περιγραφή εργασιών συντήρησης, λίπανσης και ψύξης, πιθανά προβλήματα κατά τη λειτουργία της, συχνότητα και χρονικό διάστημα χρήση εκτός των ορίων ασφαλούς λειτουργίας, ασυνήθεις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας και της υγρασίας του περιβάλλοντος, κλπ.  Αποτυπώνεται φωτογραφικά η κατασκευή μετά την αστοχία της και εξετάζονται οπτικά τα κερματισμένα τεμάχιά της (χωρίς να προηγηθεί καθαρισμός τους) προκειμένου να εντοπιστούν σημαντικές μεταβολές της μορφολογίας, της υφής ή/ και του χρωματισμού του αντικειμένου γύρω από την περιοχή της αστοχίας. Πολλές φορές είναι αναγκαία η χαλαρή ανασύνθεση των κερματισμένων τεμαχίων προκειμένου να αποκατασταθεί η αρχική γεωμετρία του αντικειμένου (όπως στην περίπτωση των puzzles) και να προσδιοριστεί πιθανή βίαιη απομάκρυνση μέρους του υλικού.  Εφαρμόζονται τεχνικές μη καταστροφικού ελέγχου για τον προσδιορισμό επιφανειακών ή υποεπιφανειακών ατελειών μικροδομής (πόροι, ρωγμές ή/ και εγκλείσματα), το είδος και η θέση των οποίων υποδεικνύουν σε έναν έμπειρο αναλυτή αστοχίας πιθανές πηγές έναρξης ή επιτάχυνσής της. Πρόκειται για τεχνικές που είτε εφαρμόζονται επιτοπίως με χρήση φορητών συσκευών, είτε σε Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 5 εργαστηριακό περιβάλλον με χρήση συσκευών υψηλότερης ακρίβειας και ανάλυσης. Καταγραφή συνθηκών λειτουργίας τη στιγμή αστοχίας & ιστορικό τρόπου χρήσης Οπτικός έλεγχος για εντοπισμό μακροσκοπικών περιοχών αστοχίας & αποτύπωσή τους Χρήση μη καταστρεπτικών μεθόδων για τη «χαρτογράφηση» μη ορατών ασυνεχειών (ρωγμές, πόροι) σε υποεπιφανειακές / εσωτερικές περιοχές υλικού Επιλογή χαρακτηριστικών περιοχών αστοχίας & λήψη δοκιμίων για περαιτέρω εργαστηριακή διερεύνηση Σύγκριση ευρημάτων εργαστηριακής ανάλυσης με τα αναμενόμενα από τη χρήση «πρότυπων» υλικών Υπολογιστική προσομοίωση για αναπαραγωγή των συνθηκών λειτουργίας & τον προσδιορισμό της εξέλιξης της κατανομής εσωτερικών τάσεων Σύγκριση στοιχείων του φακέλλου σχεδιασμού με αυτά του φακέλλου κατασκευής ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΤΑΔΙΟΥ «ΛΑΘΟΥΣ»: Σχεδιασμός/ Κατασκευή/ Χρήση Σχήμα 2.1. Γενική μεθοδολογία ανάλυσης αστοχίας.  Προσδιορίζονται οι χαρακτηριστικές περιοχές αστοχίας και εξετάζονται μικροσκοπικά οι επιφάνειες θραύσης του υλικού (θραυστογραφία/fractography). Η μορφολογία τους είναι ενδεικτική του μηχανικού φορτίου που επενέργησε στο υλικό προκαλώντας την τελική του αστοχία. Συμπληρωματικά, χρησιμοποιούνται και άλλες τεχνικές εργαστηριακού ελέγχου προκειμένου να προσδιοριστούν πιθανές αποκλίσεις του υλικού που χρησιμοποιήθηκε από τις προδιαγραφές που τέθηκαν κατά το σχεδιασμό. Οι τεχνικές αυτές απαιτούν την απομάκρυνση (θυσία) υλικού (καταστρεπτικές τεχνικές ελέγχου) και εφαρμόζονται σε τελευταίο στάδιο, αφού πρώτα έχει πλήρως καταγραφεί η εικόνα του αντικειμένου που αστόχησε και των επιφανειών θραύσης. Λόγω της σημαντικότητας των τεχνικών Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 6 ενόργανης ανάλυσης (μη καταστρεπτικού και καταστρεπτικού ελέγχου) για τη μελέτη αστοχίας, αυτές περιγράφονται αναλυτικά στο επόμενο κεφάλαιο.  Τα ευρήματα της εργαστηριακής ανάλυσης συγκρίνονται με βιβλιογραφικά δεδομένα ή/ και δεδομένα εργαστηριακής ανάλυσης αντίστοιχου «πρότυπου υλικού» και προσδιορίζονται πιθανές αποκλίσεις που αφορούν τη χημική σύσταση, τη μικροδομή ή/ και τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού της κατασκευής που αστόχησε. Τα ανωτέρω συγκρίνονται επιπλέον με τα σχετικά στοιχεία που περιέχονται στους φακέλλους σχεδιασμού και κατασκευής του αντικειμένου.  Η εξέλιξη των μηχανικών τάσεων που αναπτύσσονται στο εσωτερικό του υλικού κατά τη λειτουργία του σε περιβάλλον δεδομένων μηχανικών και θερμικών φορτίσεων είναι δυνατό να αναπαραχθεί με τη χρήση υπολογιστικών κωδίκων (ανάλυση με χρήση πεπερασμένων στοιχείων) λαμβάνοντας υπόψη τη συγκεκριμένη γεωμετρία και μικροδομή του υλικού. Μια τέτοια ανάλυση μπορεί να συνεισφέρει σημαντικές πληροφορίες για τον προσδιορισμό του χρόνου και της θέσης έναρξης της θραύσης (ρωγμάτωσης). Η συγκριτική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των ανωτέρω διαδοχικών βημάτων οδηγεί στον ασφαλή προσδιορισμό του αίτιου αστοχίας μιας μηχανολογικής κατασκευής. Τέλος, θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα όρια ασφαλούς λειτουργίας μιας κατασκευής που αναφέρθηκαν σε προηγούμενα σημεία, δεν ταυτίζονται με τα πραγματικά όρια αντοχής των υλικών. Στο στάδιο σχεδιασμού λαμβάνεται πάντοτε υπ’όψιν η πιθανότητα μηχανικών υπερφορτίσεων και γι’αυτό προβλέπεται η χρήση υλικών πολύ υψηλότερων αντοχών από αυτές που επιβάλλονται από τη συνήθη λειτουργία της (συντελεστής ασφαλείας). Αυτό επιτρέπει τη σύντομη και σπάνια υπέρβαση των προδιαγεγραμμένων ορίων λειτουργίας χωρίς βλάβη της κατασκευής. Ωστόσο, αυτή η υπέρβαση θα πρέπει εν γένει να αποφεύγεται διότι μπορεί να ενεργοποιήσει μηχανισμούς αστοχίας που θα οδηγήσουν συντομότερα σε τελική αστοχία της κατασκευής (σχήμα 2.2). Στιγμιαία απόκλιση από τα όρια ασφαλούς λειτουργίας Ενεργοποίηση μηχανισμών αστοχίας Τελική καταστροφική αστοχία εξαρτήματος Σχήμα 2.2. Επίδραση υπέρβασης ορίων ασφαλείας στην αρτιότητα της κατασκευής. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 7 3. ΕΝΟΡΓΑΝΕΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ 3.1. ΜΗ ΚΑΤΑΣΤΡΕΠΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ (NON-DESTRUCTIVE TESTING, NDT) Προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η πιθανότητα αστοχίας ενός μεταλλικού εξαρτήματος, λόγω της ύπαρξης εσωτερικών δομικών ατελειών του υλικού, όπως είναι οι πόροι ή προϋπάρχουσες υποεπιφανειακές ρωγμές, στην ενδιάμεση φάση μεταξύ της παραγωγής του τελικού προϊόντος και της χρήσης του, το εξάρτημα υποβάλεται σε σειρά ελέγχων που δεν επηρεάζουν τη γεωμετρία του ή τις ιδιότητες του υλικού. Ο στόχος αυτός επιτυγχάνεται με την εφαρμογή μη καταστρεπτικών τεχνικών που επιτρέπουν την «ενδοσκοπική» μελέτη του αντικειμένου χωρίς την παραμικρή αλλοίωση των χαρακτηριστικών του. Στη συνέχεια, αναπτύσσονται οι βασικές αρχές των κυριότερων μη καταστρεπτικών τεχνικών ελέγχου μεταλλικών υλικών και τα πεδία εφαρμογής τους. 3.1.1. Ελεγχος με μαγνητικά σωματίδια (Magnetic-Particle Inspection) Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται για την ανίχνευση ασυνεχειών (π.χ. ρωγμές, πόροι, μη μεταλλικά εγκλείσματα) σε σιδηρομαγνητικά υλικά και κυρίως σε χάλυβες. Η εφαρμογή της επιτρέπει τη διάγνωση επιφανειακών ατελειών μη ορατών με γυμνό μάτι, ή υποεπιφανειακών ατελειών που προκύπτουν συνήθως μετά από συγκολλήσεις. Σε γενικές γραμμές, ο έλεγχος με μαγνητικά σωματίδια συνίσταται στην επικάλυψη της επιφάνειας με σκόνη σιδήρου σε λεπτό διαμερισμό και την ταυτόχρονη εφαρμογή μαγνητικού πεδίου. Τα σωματίδια της σκόνης προσανατολίζονται σύμφωνα με τις μαγνητικές γραμμές του πεδίου. Επιφανειακές ατέλειες του υλικού ή υποεπιφανειακές μικρού βάθους, προκαλούν «διαρροή» των μαγνητικών γραμμών, δημιουργώντας τοπικά μαγνητικά δίπολα, τα οποία έλκουν τα μαγνητικά σωματίδια. Η δύναμη έλξης ελαττώνεται με την απόσταση της ατέλειας από την επιφάνεια, έτσι ατέλειες που βρίσκονται σε σχετικά μεγάλο βάθος δεν είναι δυνατό να ανιχνευθούν με την τεχνική αυτή. Στο σχήμα 3.1 παρουσιάζεται η βασική αρχή της τεχνικής ελέγχου με μαγνητικά σωματίδια. Στην πράξη εφαρμόζονται διάφορες παραλλαγές της τεχνικής, ανάλογα με Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά “ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 8 τον τρόπο εφαρμογής του μαγνητικού πεδίου και την τεχνική διασποράς των μαγνητικών σωματιδίων στην επιφάνεια. (α) ΔΙΑΡΡΟΗ (β) (γ) Σχήμα 3.1. Ελεγχος μεταλλικών υλικών με μαγνητικά σωματίδια. (α) Βασική αρχή της μεθόδου, (β) εντοπισμός επιφανεικής ρωγμής και (γ) ανάδειξη μικρορωγμών γύρω από την εσωτερική διάμετρο γραναζιού. 3.1.2. Ελεγχος με φθορίζοντα διεισδυτικά υγρά (Fluorescent-Penetrant Inspection) Η τεχνική εφαρμόζεται για τον εντοπισμό επιφανειακών ελαττωμάτων διαφόρων υλικών. Συνήθως χρησιμοποιείται για των έλεγχο χυτών αντικειμένων ή συγκολλημένων κατασκευών. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά “ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 9 (α) Συγκόλληση Επιφανειακό ελάττωμα (β) Σχήμα 3.2. Ελεγχος μεταλλικών υλικών με διεισδυτικά υγρά. (α) Βασική αρχή της μεθόδου και (β) ανάδειξη επιφανειακών ελαττωμάτων στη θερμικά επηρεασμένη ζώνη συγκόλλησης. Στην τεχνική αυτή εκμεταλλευόμαστε την ικανότητα υγρών υψηλής επιφανειακής τάσης να διεισδύουν σε επιφανειακά ελαττώματα (πόρους και μικρορωγμές), μέσω τριχοειδών φαινομένων. Η επιφάνεια του εξεταζόμενου αντικειμένου καλύπτεται με λεπτό στρώμα υγρού, για χρονικό διάστημα τέτοιο ώστε να ολοκληρωθεί η διείσδυσή του. Εν συνεχεία, η περίσσεια του υγρού απομακρύνεται από την επιφάνεια με έκπλυση. Σε τρίτο στάδιο, η εξεταζόμενη επιφάνεια καλύπτεται με κατάλληλη σκόνη, τον «εμφανιστή», ο οποίος ενεργώντας ως σφουγγάρι, προκαλεί εκρόφηση του υγρού που είχε διεισδύσει στην επιφανειακή ατάλεια. Το εκροφούμενο υγρό αφήνει στην επιφάνεια ίχνος διαφορετικού χρώματος από τον εμφανιστή, ο οποίος είναι κατά κανόνα λευκός, υποδεικνύοντας έτσι την ύπαρξη και την έκταση της επιφανειακής ατέλειας. Στο σχήμα 3.2, φαίνονται διαδοχικά στάδια ελέγχου με φθορίζοντα διεισδυτικά υγρά. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά “ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 10 3.1.3. Ραδιογραφία ακτίνων Χ ή γ (X-ray/ γ-ray Radiography) Η βασική αρχή της ραδιογραφίας είναι στους περισσότερους γνωστή από τις ιατρικές ακτινογραφικές εξετάσεις. Στην περίπτωση των ραδιογραφικών ελέγχων υλικών, χρησιμοποιείται πηγή ακτίνων Χ ή ακτίνων γ (ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία), οι οποίες λόγω του μικρού μήκους κύματός τους εμφανίζουν υψηλή διεισδυτική ικανότητα, ενώ ένα μικρό μόνο ποσοστό τους απορροφάται από το υλικό. Αυτό το ποσοστό εξαρτάται από την πυκνότητα του υλικού, το πάχος του και φυσικά το μήκος κύματος της χρησιμοποιούμενης ακτινοβολίας. Οι ακτίνες Χ παράγονται από τον βομβαρδισμό ενός μεταλλικού στόχου, συνήθως βολφραμίου (W), από δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ταχύτητας, που λαμβάνει χώρα στο σωλήνα ακτίνων Χ, ενώ οι ακτίνες γ εκπέμπονται είτε από φυσική ραδιενεργή πηγή, συνήθως ράδιο (Ra), είτε από τεχνητή, συνήθως 60 Co. Συγκρινόμενες μεταξύ τους, οι ακτίνες γ έχουν μεγαλύτερη διεισδυτική ικανότητα από τις ακτίνες Χ, γεγονός που τις καθιστά κατάλληλες για ραδιογραφία αντικειμένων μεγάλου πάχους, αλλά μικρότερη ευαισθησία. Υπενθυμίζεται ότι το μήκος κύματος των ακτίνων γ είναι λ < 0,1 nm, ενώ το εύρος του μήκους κύματος των ακτίνων Χ είναι 10-3 nm < λ < 10 nm. Η ακτινοβολία που προσπίπτει στην επιφάνεια του υλικού και διέρχεται από τη μάζα του ανιχνεύεται στο πίσω μέρος του ελεγχόμενου υλικού, όπου και αποτυπώνεται σε φωτοευαίσθητη επιφάνεια (σχήμα 3.3). Οι περιοχές του υλικού με τη μεγαλύτερη πυκνότητα απορροφούν μεγαλύτερο ποσοστό της ακτινοβολίας και κατά συνέπεια η εξερχόμενη ακτινοβολία στο πίσω μέρος του εξεταζόμενου υλικού σκιάζει λιγότερο το φιλμ, σε σχέση με τις περιοχές μικρότερης πυκνότητας, όπως είναι οι πόροι και οι ρωγμές. Οταν στην εξεταζόμενη μάζα υπάρχουν εγκλείσματα που είναι εν γένει μεγαλύτερης πυκνότητας, οι αντίστοιχες περιοχές τους στο φιλμ καταγράφονται ως φωτεινότερα σημεία. Ετσι, από την πυκνότητα της αποτύπωσης στο φωτογραφικό φιλμ γίνεται τελικά δυνατός ο εντοπισμός της θέσης αλλά και του είδους του ελαττώματος. Ο ραδιογραφικός έλεγχος χρησιμοποιείται ευρύτατα για τον έλεγχο των ελαττωμάτων χυτών αντικειμένων, σφυρήλατων και συγκολλημένων κατασκευών. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά “ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 11 (α) (β) Σχήμα 3.3. Ραδιογραφικός έλεγχος συγκόλλησης μεταλλικών υλικών. (α) Συνήθης διάταξη ελέγχου και (β) αποτέλεσμα ραδιογραφικού ελέγχου συγκόλλησης μεταλλικών ελασμάτων που υποδεικνύει την ύπαρξη ελαττωμάτων εκατέρωθεν της ραφής της συγκόλλησης. 3.1.4. Ελεγχος με υπέρηχους (Ultrasonic Inspection) Η τεχνική αυτή στηρίζεται στη διάδοση ακουστικών κυμάτων υπερηχητικών συχνοτήτων (>20 kHz) εντός υλικών, γνωστής ακουστικής εμπέδησης. Η τεχνική αυτή επιτρέπει τον ταχύ και αξιόπιστο εντοπισμό εσωτερικών ατελειών, όπως πόρων και εγκλεισμάτων, καθώς και ρωγμών ή αστοχιών εσωτερικών διεπιφανειών του υλικού όταν αυτές είναι κάθετες στη διεύθυνση διάδοσης των ακουστικών κυμάτων. Οι συνήθεις τεχνικές υπερήχων για τον έλεγχο μεταλλικών υλικών χρησιμοποιούν κύματα συχνοτήτων 1-5 MHz που δημιουργούνται από μια διάταξη κρυστάλλων χαλαζία, τιτανικού βαρίου ή θειϊκού λιθίου. Τα υλικά αυτά εμφανίζουν πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, όταν δηλαδή σε έναν τέτοιο κρύσταλλο εφαρμοστεί εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο, ο πιεζοκρύσταλλος διαστέλλεται κατά το πρώτο μισό της περιόδου του ρεύματος και συστέλλεται κατά το δεύτερο μισό. Η μηχανική δόνηση του υλικού, λόγω Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά “ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 12 των διαδοχικών διαστολών-συστολών, γίνεται με συχνότητα ίδια με εκείνη του ηλεκτρικού ρεύματος εκπέμποντας ηχητικό κύμα. Με τον τρόπο αυτό, μπορεί να καθοριστεί επακριβώς η συχνότητα του εκπεμπόμενου από τον πιεζοκρύσταλλο ηχητικού σήματος. Ο πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος εκπομπής υπερηχητικών κυμάτων τοποθετείται στην επιφάνεια του εξεταζόμενου υλικού και το ελαστικό υπερηχητικό κύμα που δημιουργείται διαδίδεται διαμέσου του εξεταζόμενου υλικού με ταχύτητα που εξαρτάται από την πυκνότητα και το μέτρο ελαστικότητας του τελευταίου. Με την άφιξη του κύματος στην πίσω επιφάνεια του υλικού ένα μέρος του ανακλάται προς την επιφάνεια, ενώ το υπόλοιπο συνεχίζει την πορεία του εκτός του υλικού. Με τη χρήση κατάλληλων παλμογράφων-δεκτών γίνεται καταγραφή της χρονικής εξέλιξης της πορείας είτε του ανακλώμενου είτε του διερχόμενου μέρους του υπερηχητικού κύματος. Και στις δυο περιπτώσεις, η ύπαρξη επιμήκων ασυνεχειών κάθετων στη διεύθυνση διάδοσης καταγράφεται ως μη ομαλή, πολλαπλή ανάκλαση του κύματος. Η ύπαρξη πόρων ή εγκλεισμάτων γίνεται αντιληπτή κυρίως από τη διαφοροποίηση της τιμής της ταχύτητας διάδοσης του κύματος, που όπως αναφέρθηκε εξαρτάται από την πυκνότητα και το μέτρο ελαστικότητας του υλικού. Κύριο μειονέκτημα της τεχνικής αυτής είναι η αναγκαιότητα καλής επαφής πιεζοκρυστάλλου-εξεταζόμενου υλικού. Πρόσφατες έρευνες έδειξαν ότι ακουστικά κύματα υπερηχητικών συχνοτήτων μπορούν να δημιουργηθούν από απόσταση σε υποεπιφανειακή περιοχή του ίδιου του εξεταζόμενου υλικού με τη χρήση πηγών παλμικού laser με διάρκεια παλμού της τάξης των ns. Τα επιμήκη, εγκάρσια ή επιφανειακά κύματα που δημιουργούνται σ’αυτή την περίπτωση μπορούν να καταγραφούν δίνοντας πληροφορίες για το υλικό ανάλογες αυτών των κλασσικών τεχνικών υπερήχων. Η χρήση της νέας αυτής τεχνολογίας είναι αρκετά δελεαστική για βιομηχανικές εφαρμογές, αφού η πηγή διέγερσης είναι σε απόσταση από το εξεταζόμενο αντικείμενο επιτρέποντας έτσι μετρήσεις σε θερμοκρασίες υψηλότερες αυτής του περιβάλλοντος. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά “ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 13 (α) (β) Σχήμα 3.4. Ελεγχος μεταλλικών υλικών με χρήση υπερήχων. (α) Συνήθης διάταξη ελέγχου με χρήση πιεζοκρυστάλλου και (β) χρονική καταγραφή του διαδιδόμενου ακουστικού σήματος που υποδεικνύει την ύπαρξη εσωτερικής ασυνέχειας κάθετης στη διεύθυνση διάδοσης των ακουστικών κυμάτων. 3.1.5. Ελεγχος με δινορεύματα (Eddy Current Inspection) Ο μη καταστρεπτικός έλεγχος μεταλλικών υλικών με δινορεύματα στηρίζεται στην αλληλεπίδραση μεταξύ εξωτερικού ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και ύλης. Το προς εξέταση ηλεκτρικά αγώγιμο υλικό τοποθετείται μέσα σε πηνίο (ή κοντά σ’αυτό), στο οποίο εφαρμόζεται εναλλασσόμενο ηλεκτρικό ρεύμα, δημιουργώντας έτσι στο εσωτερικό του πηνίου χρονικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. Το τελευταίο επάγει στο εσωτερικό του εξεταζόμενου υλικού ρεύμα ίδιας συχνότητας με αυτή της μεταβολής του πεδίου. Τα επαγωγικά αυτά ρεύματα δημιουργούν δευτερογενές μαγνητικό πεδίο, το οποίο αλληλεπιδρά με το αρχικό μαγνητικό πεδίο του πηνίου. Με τον τρόπο αυτό ανιχνεύονται αλλαγές στην ηλεκτρική αγωγιμότητα ή τη μαγνητική διαπερατότητα, λόγω της παρουσίας του εξεταζόμενου υλικού που έχει διαφορετική χημική σύσταση, μικροδομή και ιδιότητες. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά “ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 14 3.2. ΚΑΤΑΣΤΡΕΠΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ (DESTRUCTIVE TESTING) Σε αντίθεση με τις μη-καταστρεπτικές δοκιμές που εφαρμόζονται στο μεταλλικό εξάρτημα που αστόχησε για τη διερεύνηση ύπαρξης εσωτερικών ελαττωμάτων, ο περαιτέρω έλεγχος του αντικειμένου για τον προσδιορισμό τυχόν διαφοροποιήσεων στη χημική σύσταση, τη μικροδομή ή τις μηχανικές ιδιότητες σε σχέση με τα προβλεπόμενα από τον τεχνικό του φάκελλο, απαιτεί την καταστροφή του για τη λήψη δοκιμίων από χαρακτηριστικές περιοχές. 3.2.1. Χημική ανάλυση Η τεχνική που χρησιμοποιείται κατά κανόνα για τη χημική ανάλυση σε μελέτες αστοχίας μεταλλικών μερών είναι η φασματοσκοπία εκπομπής (emission spectroscopy), λόγω της ταχύτητας και της αξιοπιστίας της. Τα άτομα των στοιχείων του εξεταζόμενου υλικού διεγείρονται, συνήθως με τη δημιουργία πλάσματος, και στη φάση της αποδιέγερσής τους εκπέμπουν μια σειρά χαρακτηριστικών για κάθε στοιχείο ακτινοβολιών. Η παρουσία του είδους των στοιχείων (ποιοτική ανάλυση) ταυτοποιείται με την ανίχνευση των κύριων φασματικών γραμμών, ενώ η περιεκτικότητα των στοιχείων στο δείγμα (ποσοτική ανάλυση) προσδιορίζεται μετά από κατάλληλη μέτρηση της έντασής τους με τη χρήση προτυποποιημένων δειγμάτων του αντίστοιχου στοιχείου. 3.2.2. Μικροσκοπική παρατήρηση Προκειμένου να προσδιοριστούν αλλοιώσεις της αρχικής μικροδομής, καθώς και ύπαρξη μικροπόρων ή μικροεγκλεισμάτων μη ανιχνεύσιμων από τις τεχνικές μη καταστρεπτικού ελέγχου, που πιθανά να συνέβαλαν στην αστοχία του μεταλλικού εξαρτήματος, δοκίμια του τελευταίου προετοιμάζονται κατάλληλα (μεταλλογραφική προετοιμασία, (ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι)) για να μελετηθούν μικροσκοπικά. Η μικροσκοπική παρατήρηση των μεταλλικών δοκιμίων γίνεται με τη χρήση:  Οπτικών μικροσκοπίων, στα οποία η μεγεθυμένη εικόνα της μικροδομής λαμβάνεται με ανάκλαση δέσμης ακτινοβολίας στην περιοχή του ορατού. Η διακριτική ικανότητα των μικροσκοπίων αυτών είναι σχετικά περιορισμένη, επιτρέποντας την παρατήρηση σε κλίμακα ομάδας κόκκων του υλικού. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά “ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 15  Ηλεκτρονικών μικροσκοπίων, στα οποία η μεγεθυμένη εικόνα της μικροδομής λαμβάνεται με τη χρήση δέσμης ηλεκτρονίων. Τα μικροσκόπια αυτής της κατηγορίας διακρίνονται σε:  Ηλεκτρονικά Μικροσκόπια Σάρωσης (Scanning Electron Microscopes, SEM), στα οποία η προσπίπτουσα δέσμη ηλεκτρονίων σαρώνει την επιφάνεια του υλικού προκαλώντας ελαστικές και ανελαστικές συγκρούσεις με τα άτομα του εξεταζόνενου υλικού. Χρησιμοποιούνται για την παρατήρηση αγώγιμων υλικών, αλλά και μονωτικών (κεραμικά και πολυμερή) μετά από ειδική προετοιμασία της επιφάνειας. Εχουν δυνατότητα μεγέθυνσης έως και 250.000 φορές, επιτρέποντας την παρατήρηση της μικροδομής σε επίπεδο ενός κόκκου υλικού, καθώς και την τοπογραφία επιφανειών θραύσης. Με τη χρήση κατάλληλων ανιχνευτών, σε ηλεκτρονικά μικροσκόπια σάρωσης μπορεί να γίνει τοπική στοιχειακή μικροανάλυση, να βρεθεί δηλαδή η χημική σύσταση σε επιλεγμένες περιοχές του υλικού (π.χ. κατακρημνισμάτων στα όρια των κόκκων).  Ηλεκτρονικά Μικροσκόπια Διερχόμενης Δέσμης (Transmission Electron Microscopes, TEM), στα οποία η προσπίπτουσα δέσμη ηλεκτρονίων διαπερνά δείγμα του εξεταζόμενου υλικού, μετά από προσεκτική του διαμόρφωση σε «λεπτή τομή». Η εικόνα του υλικού σχηματίζεται μετά από σκέδαση των ηλεκτρονίων που ενισχύονται από αλλαγές στον κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό. Σε σύγχρονα μικροσκόπια αυτής της κατηγορίας, η δυνατότητα μεγέθυνσης εγγίζει τις 1.000.000 φορές, επιτρέποντας την παρατήρηση σε επίπεδο κρυσταλλικού πλέγματος και τον εντοπισμό ατελειών μικροδομής, όπως είναι οι διαταραχές (γραμμικές ατέλειες) ή τα σφάλματα επιστοίβασης. Με κατάλληλους ανιχνευτές είναι επίσης δυνατή η αποτύπωση της κρυσταλλικής δομής του υλικού. Στο σχήμα 3.5, παρουσιάζονται τυπικές διατάξεις των μικροσκοπίων που χρησιμοποιούνται για των εντοπισμό σφαλμάτων μικροδομής που μπορούν να οδηγήσουν σε αστοχία του υλικού, καθώς και αντίστοιχες εικόνες μικροδομής που λαμβάνονται απ’αυτά. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά “ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 7 200 μm (α) 1 μm (β) (γ) Σχήμα 3.5. Διατάξεις τεχνικών μικροσκοπίας κι αντίστοιχες εικόνες μικροδομής: (α) Οπτική μικροσκοπία, (β) Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) και (γ) Ηλεκτρονική μικροσκοπία διερχόμενης δέσμης (TEM). Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά “ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 7 3.2.3. Σκληρομέτρηση (hardness testing) Η σκληρομέτρηση αποτελεί ταχεία τεχνική που επιτρέπει να έχουμε μια πρώτη ένδειξη για τις μηχανικές ιδιότητες ενός μεταλλικού αντικειμένου, την ομοιόμορφη κατανομή των εσωτερικών τάσεων σ’αυτό, καθώς και την επιτυχία ή όχι της θερμικής του κατεργασίας. Συνήθως, η σκληρομέτρηση γίνεται σε σταθερά σκληρόμετρα εργαστηρίου που μετρούν το βάθος ή τις διαστάσεις της προβολής του αποτυπώματος που αφήνει εντυπωτής (ή διεισδυτής) σκληρού υλικού στην επιφάνεια του υλικού, μετά την επιβολή κάθετης δύναμης γνωστής τιμής. Ανάλογα με το εξεταζόμενο υλικό, το πάχος του και τις αναμενόμενες τιμές σκληρότητας, έχουν αναπτυχθεί και χρησιμοποιούνται τέσσερεις (4) τεχνικές σκληρομέτρησης σε βιομηχανική κλίμακα: Brinell, Vickers, Rockwell B και Rockwell C, τα βασικά στοιχεία των οποίων παρουσιάζονται συνοπτικά στο σχήμα (σχήμα 3.6). Εκτός από τα συνήθη σταθερά σκληρόμετρα εργαστηρίου, χρησιμοποιούνται και φορητά σκληρόμετρα για επιτόπιες μετρήσεις σε περιπτώσεις που δεν είναι δυνατή η λήψη δοκιμίου του υλικού που έχει αστοχήσει ή σε περιπτώσεις επιθεωρήσης λειτουργούντος εξαρτήματος, προκειμένου να εξασφαλιστεί ότι η χρήση του δεν έχει επιφέρει αλλαγές στη σκληρότητά του. Μαζί με την τεχνική της ρέπλικας, η χρήση φορητού σκληρόμετρου, αποτελούν τα κύρια εργαλεία περιοδικού ελέγχου της αρτιότητας μιας μηχανολογικής μεταλλικής κατασκευής. Η λειτουργία του φορητού σκληρομέτρου στηρίζεται στην «αρχή της αναπήδησης σφαίρας» σκληρού υλικού στην επιφάνεια του εξεταζόμενου αντικειμένου από δεδομένο ύψος. Η ενέργεια που μετράται μετά την αναπήδηση μετατρέπεται με ειδικό αλγόριθμο που είναι ενσωματωμένος στο όργανο, σε ενδείξεις σκληρότητας, με την προϋπόθεση ότι η ποιότητα του μεταλλικού υλικού είναι ήδη γνωστή. Προκειμένου να εκτιμηθεί η επιτυχής πραγματοποίηση επιφανειακής κατεργασίας σκλήρυνσης ή η επιφανειακή τροποποίηση επιφανειακών στρωμάτων του υλικού που προκύπτει κατά τη χρήση του, εκτελούνται δοκιμές μικροσκληρομέτρησης (κατά Vickers ή Knoop). Στηρίζονται στην ίδια αρχή με τις κλασσικές τεχνικές εργαστηριακής σκληρομέτρησης, με τη διαφορά ότι η δύναμη που ασκείται κάθετα στην εξεταζόμενη Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά “ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 8 επιφάνεια έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία αποτυπωμάτων σχετικά μικρών διαστάσεων (50-400 μm). Αυτό επιτρέπει, σε μια κάθετη τομή του υλικού, την εκτέλεση διαδοχικών μετρήσεων σε διαφορετικές αποστάσεις από την επιφάνεια ώστε να καταγραφεί η κατανομή σκληρότητας που είναι ενδεικτική του βάθους της ζώνης σκλήρυνσης ή αλλοίωσης επιφανειακού στρώματος. Στο σχήμα 3.7 παρουσιάζεται ένα τέτοιο χαρακτηριστικό διάγραμμα από την εφαρμογή της τεχνικής της μικροσκληρομέτρησης για την εύρεση του βάθους επιφανειακής κατεργασίας δυο μεταλλικών υλικών. Σχήμα 3.6. Στοιχεία των κύριων τεχνικών σκληρομέτρησης με χρήση σταθερών εργαστηριακών οργάνων. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά “ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 9                   900 800     700     600   (HV0.2)    1000 500 400 300 200 100 0 0 100 200 300 400 500  (m) Σχήμα 3.7. Διάγραμμα μεταβολής της μικροσκληρότητας συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια για δυο υλικά που έχουν υποστεί επιφανειακή σκλήρυνση. 3.2.4. Δοκιμή εφελκυσμού (tensile testing) Από τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των μεταλλικών υλικών είναι και η ικανότητα να αναλάβουν εφελκυστικά φορτία, αφού παραμορφωθούν αρχικά ελαστικά (αναστρέψιμα) και εν συνεχεία πλαστικά (μη αναστρέψιμα) ως την τελική τους θραύση. Η γνώση της συμπεριφοράς του υλικού υπό καθεστώς στατικής εφελκυστικής φόρτισης, αποτελεί βασικό στοιχείο που πρέπει να εκτιμηθεί κατά τη φάση του σχεδιασμού μιας μεταλλικής κατασκευής, προκειμένου να ελαχιστοποιηθούν οι πιθανότητες καταστροφικής αστοχίας της και περιλαμβάνεται στο φάκελλο του σχεδιασμού της. Συμπληρωματικά, η εξέταση της απόκρισης σε εφελκυσμό υλικού που έχει αστοχίσει δίνει πρόσθετες πληροφορίες σχετικά με τη συμμόρφωση της κατασκευής προς τις απαιτήσεις του σχεδιασμού, τόσο ως προς την κατάλληλη επιλογή του υλικού, όσο και ως προς τη διαστασιολογική του ανάλυση. Για το λόγο αυτό εκτελούνται δοκιμές εφελκυσμού, κατά τις οποίες καταγράφεται η εξέλιξη της ονομαστικής τάσης (επιβαλλόμενη δύναμη ανά μονάδα αρχικής διατομής του δοκιμίου) συναρτήσει της ανηγμένης παραμόρφωσης (προκαλούμενη επιμήκυνση ανά μονάδα αρχικού μήκους) του υλικού. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά “ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 10 (α) (β) Τάση Τάση σTS: αντοχή σε εφελκυσμό Παραμόρφωση Ψαθυρή θραύση σy: όριο διαρροής Παραμόρφωση Ολκιμη θραύση (γ) Σχήμα 3.8. Δοκιμή εφελκυσμού μεταλλικών υλικών: (α) Τυπική πειραματική διάταξη, (β) Δοκίμια εφελκυσμού τυποποιημένης γεωμετρίας και (γ) Καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης ψαθυρής και όλκιμης συμπεριφοράς. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά “ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 11 Στο σχήμα 3.8, παρουσιάζεται μια τυπική διάταξη μηχανής εκτέλεσης δοκιμών εφελκυσμού, η τυποποιημένη γεωμετρία των δοκιμίων εφελκυσμού, καθώς και τυπικές καμπύλες εφελκυσμού υλικού που έχει ψαθυρή (μόνο ελαστική) και όλκιμη (ελαστοπλαστική) συμπεριφορά. Στην περίπτωση της ψαθυρής συμπεριφοράς, η θραύση επέρχεται χωρίς προειδοποίηση, αφού οι παραμορφώσεις του υλικού μέχρι τη θραύση είναι αναστρέψιμες και για το λόγο αυτό η ψαθυρή συμπεριφορά είναι εξαιρετικά επικίνδυνη. Ωστόσο, στην πλειοψηφία τους τα μεταλλικά υλικά μηχανολογικών κατασκευών είναι όλκιμα, η θραύση τους δηλαδή επέρχεται μετά από αισθητή μόνιμη παραμόρφωσή τους, «προειδοποιώντας» για την επερχόμενη θραύση με τη δημιουργία λαιμού (σχήμα 3.9). Χαρακτηριστικά μεγέθη του υλικού που προσδιορίζονται με δοκιμή εφελκυσμού είναι:  Το όριο διαρροής (yield stress) (σ y ), δηλαδή η μέγιστη τάση που μπορεί να εφαρμοστεί στο υλικό προκαλώντας ελαστικές παραμορφώσεις.  Η αντοχή σε εφελκυσμό (tensile strength) m(σ TS ), δηλαδή η μέγιστη τιμή της εφαρμοζόμενης τάσης που καταγράφεται στο διάγραμμα.  Η παραμόρφωση θραύσης (ε f ), δηλαδή η παραμένουσα επιμήκυνση που μετράται στο μεταλλικό δοκίμιο μετά τη θραύση του. Σχήμα 3.9. Καμπύλες εφελκυσμού όλκιμων μεταλλικών υλικών: (α) Γραφικός προσδιορισμός χαρακτηριστικών μεγεθών και (β) Εξέλιξη της γεωμετρίας του δοκιμίου κατά τη διάρκεια της δοκιμής. Πρέπει, τέλος, να σημειωθεί ότι στις περισσότερες κατασκευές κατά το σχεδιασμό, επιδιώκεται να επιλεγεί υλικό με ιδιότητες πολύ υψηλότερες των μέγιστων απαιτήσεων Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά “ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 12 κατά τη χρήση, εισάγεται δηλαδή ένας παράγοντας που καλείται συντελεστής ασφαλείας (Ν) της κατασκευής. Για παράδειγμα, όταν πρόκειται να σχεδιαστεί ένας ανελκυστήρας και κάθε συρματόσχοινο ανάρτησης του θαλάμου υπολογίζεται ότι θα αναλάβει μέγιστη τάση 100 MPa, επιλέγεται η χρήση υλικού με τάση διαρροής Ν×100 MPa. Στο συγκεκριμένο παράδειγμα ο συντελεστής ασφαλείας είναι συνήθως 5-7. 3.2.5. Δοκιμή κρούσης (impact testing) Βασική ιδιότητα των μεταλλικών υλικών, ειδικά στην περίπτωση που κατά τη χρήση τους θα αναλάβουν κρουστικά φορτία, είναι και η δυσθραυστότητά (toughness) τους, η ενέργεια δηλαδή που απορροφάται από το υλικό προκειμένου να προκληθεί θραύση επιφάνειας δεδομένου εμβαδού. Αριθμητικά η δυσθραυστότητα μπορεί να υπολογιστεί από το εμβαδόν της καμπύλης εφελκυσμού. Τις περισσότερες φορές, ωστόσο, η δυσθραυστότητα υπολογίζεται πειραματικά με δοκιμή κρούσης. Ο συνήθης έλεγχος γίνεται με διατάξεις Charpy (διατάξεις εκκρεμούς), σε δοκίμια με εγκοπή V ή U, τυποποιημένης γεωμετρίας (σχήμα 3.10). Σε μια τέτοια διάταξη, δοκίμιο του εξεταζόμενου υλικού είναι στερεωμένο σε υποστήριγμα στην κατώτερη θέση της τροχιάς αιωρούμενης σφύρας γνωστής μάζας, η οποία αφήνεται να κινηθεί από γνωστό ύψος. Η γνωστή δυναμική ενέργεια της σφύρας στο ανώτερο σημείο της (h 0 ) μετατρέπεται ολικά σε κινητική στο κατώτερο σημείο της τροχιάς της, όπου και συγκρούεται με το δοκίμιο. Η ενέργεια που απορροφάται από το δοκίμιο προκειμένου αυτό να σπάσει υπολογίζεται από τη διαφορά της αρχικής ενέργειας του εκκρεμούς με τη δυναμική ενέργεια της σφύρας, που μετά τη θραύση, ανυψώνεται ελεύθερα ως ύψος (h), με h< h 0 . Ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχει η μεταβολή της τιμής δυσθραυστότητας ενός μετάλλου με τη θερμοκρασία. Είναι γνωστό ότι ο μηχανισμός θραύσης ενός μετάλλου εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Σε θερμοκρασίες πολύ χαμηλότερες από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος η θραύση των μετάλλων από όλκιμη γίνεται ψαθρή, λόγω αδρανοποίησης των συστημάτων ολίσθησης του μετάλλου, τα οποία του επιτρέπουν την πλαστική παραμόρφωση. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά “ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 13 (α) (β) (γ) Σχήμα 3.10. Δοκιμή κρούσηςCharpy μεταλλικών υλικών: (α) Τυπική πειραματική διάταξη, (β) Δοκίμια κρούσης τυποποιημένης γεωμετρίας και (γ) Τυπική καμπύλη μετάβασης από την όλκιμη στην ψαθυρή συμπεριφορά. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά “ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 14 Ετσι, για κάθε μεταλλικό υλικό, μπορεί να προσδιοριστεί ένα χαρακτηριστικό εύρος θερμοκρασιών, στις οποίες η συμπεριφορά του μεταβάλλεται από όλκιμη σε ψαθυρή και η καμπύλη της δυσθραυστότητας συναρτήσει της θερμοκρασίας καλείται καμπύλη μετάβασης της δυσθραυστότητας. Το φαινόμενο είναι πολύ έντονο για τα μέταλλα του κυβικού χωροκεντρωμένου συστήματος (π.χ. κοινοί χάλυβες) και λιγότερο έντονο για τα μέταλλα του κυβικού εδροκεντρωμένου συστήματος (π.χ. κράματα αλουμινίου). Προκειμένου λοιπόν να επιλεγεί ένα μεταλλικό υλικό, εκτός από τις άλλες μηχανικές του ιδιότητες, ιδιαίτερη προσοχή θα πρέπει να δοθεί στην μεταβολή της δυσθραυστότητάς του με τη θερμοκρασία ώστε να ανταποκρίνεται στις θερμοκρασίες λειτουργίας της τελικής κατασκευής. Μεταλλικό υλικό που ανταποκρίνεται άριστα για μια κατασκευή στην Αίγυπτο, μπορεί να κριθεί ακατάλληλο για την ίδια κατασκευή στην Ισλανδία. 3.2.6. Δοκιμή κάμψης (bending test) Στην περίπτωση συγκολλημένων υλικών, σημαντική ιδιότητα που θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψιν κατά το σχεδιασμό είναι η ολκιμότητα της συγκόλλησης. Η τελευταία ελέγχεται με δοκιμή σε κάμψη τριών σημείων (σχήμα 3.11). Σε μια τέτοια δοκιμή το άνω τμήμα του δοκιμίου βρίσκεται σε κατάσταση θλίψης, ενώ το κάτω σε κατάσταση εφελκυσμού. Η μέγιστη τιμή της τάσης (σ max ) στις εξωτερικές επιφάνειες ενός δοκιμίου ορθογωνικής διατομής (b.h), που υφίσταται κάμψη τριών σημείων με την εφαρμογή κάθετης δύναμης (F) που ασκείται στο ήμισυ της απόστασης στήριξης (L) δίνεται από τη σχέση:  max  2  F .L  .  3  b.h 2  Σχήμα 3.11. Δοκιμή κάμψης τριών σημείων. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά “ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 25 4. ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΘΡΑΥΣΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Η Θραυστομηχανική ή Μηχανική της θραύσης (fracture mechanics) αποτελεί ένα από τα «νεώτερα» πεδία του κλάδου της επιστήμης της Μηχανικής των Υλικών που για πρώτη φορά εισήγαγε την επίδραση της μικροδομής του υλικού στη μηχανική του συμπεριφορά. Συγκεκριμένα, επέτρεψε την ποσοτικοποίηση των σχέσεων μεταξύ των ιδιοτήτων του υλικού, της παρουσίας δομικών ατελειών στο εσωτερικό του και του μεγέθους της μηχανικής καταπόνησης που υφίσταται με τους μηχανισμούς έναρξης και διάδοσης ρωγμών σ’αυτό. Με τον όρο θραύση υποδηλώνεται ο διαχωρισμός ενός αντικειμένου σε δυο ή περισσότερα τεμάχια υπό την επίδραση στατικής ή δυναμικής μηχανικής φόρτισης τα αποτελέσματα της οποίας ενδεχομένως να επιταχύνονται από την παρουσία χημικών παραγόντων και/ ή θερμικών φορτίων. Οι συζυγείς επιφάνειες που δημιουργούνται από τη θραύση, λόγω της διάδοσης ρωγμών καλούνται επιφάνειες θραύσης. Στο σχήμα 4.1. παρουσιάζονται σχηματικά οι συνήθεις απλές μηχανικές φορτίσεις και τα αποτελέσματα που προκαλούν σε υλικό στοιχειώδους όγκου. (α) (γ) Σχήμα 4.1. Συνήθεις απλές μηχανικές φορτίσεις υλικών στοιχειώδους όγκου: (β) (δ) (α) Εφελκυσμός,συνεπαγόμενος την επιμήκυνση του υλικού, (β) Θλίψη, συνεπαγόμενη την αύξηση της διατομής του κεντρικού τμήματος του υλικού, (γ) Διάτμηση και (δ) Στρέψη. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 26 Στην απλούστερη περίπτωση μονοαξονικής μηχανικής καταπόνησης με εφαρμογή εφελκυστικής φόρτισης στο υλικό, η θραύση επέρχεται:  Αφού προηγηθεί εμφανής πλαστική παραμόρφωση (επιμήκυνση) του υλικού και τότε χαρακτηρίζεται ως όλκιμη θραύση. Η επιφάνεια θραύσης που προκύπτει έχει χαρακτηριστική κυψελοειδή ή ινώδη μορφολογία που αποτυπώνει τον τρόπο με τον οποίο επέρχεται ο τελικός αποχωρισμός (θραύση) με συνένωση μικροκενών και πλαστική παραμόρφωση σε μικροκλίμακα  Χωρίς να προηγηθεί εμφανής πλαστική παραμόρφωση του υλικού και τότε χαρακτηρίζεται ως ψαθυρή θραύση. Η προκύπτουσα επιφάνεια θραύσης αποτυπώνει την περικρυσταλλική (κατά μήκος των ορίων των κόκκων) ή ενδοκρυσταλλική (διαμέσου των κόκκων) διαδρομή της ρωγμής που οδήγησε στον τελικό αποχωρισμό των συζυγών τεμαχίων του υλικού. Στο σχήμα 4.2 παρουσιάζονται τυπικά δοκίμια εφελκυσμού μετά τη θραύση τους με όλκιμο και ψαθυρό τρόπο, καθώς και οι αντίστοιχες επιφάνειες θραύσης. ΨΑΘΥΡΗ ΘΡΑΥΣΗ Επιφάνεια θραύσης Δοκίμιο εφελκυσμού ΟΛΚΙΜΗ ΘΡΑΥΣΗ Σχήμα 4.2. Τυπικά δοκίμια και επιφάνειες θραύσης μετά από όλκιμη και ψαθυρή θραύση τους με εφαρμογή εφελκυστικών φορτίων. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 27 4.1. ΘΡΑΥΣΗ ΙΔΑΝΙΚΟΥ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟΥ ΣΤΕΡΕΟΥ Σε χαμηλή θερμοκρασία, η θραύση ιδανικού κρυσταλλικού υλικού, δηλαδή υλικού χωρίς δομικές ατέλειες, επέρχεται με ταυτόχρονη ρήξη των ατομικών δεσμών που διευθετούνται κάθετα στο σε επίπεδο θραύσης (σχήμα 4.3). Σχήμα 4.3. Ατομικό μοντέλο θραύσης ιδανικού στερεού υπό την επίδραση εφελκυστικής τάσης: (α) Δομή ισορροπίας, (β) Απομάκρυνση ατόμων υπό την επίδραση της τάσης και (γ) Θραύση του στερεού μετά από μη αναστρέψιμη απομάκρυνση των ατόμων. Το ατομικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της θεωρητικής τάσης θραύσης (σ th ) προϋποθέτει τη δυνατότητα ελαστικής έκτασης των ατομικών δεσμών υπό την επίδραση εξωτερικής εφελκυστικής τάσης πριν τη θραύση του. Για μια κρίσιμη τιμή της απόστασης μεταξύ των ατόμων (απομάκρυνση), η οποία επιτυγχάνεται όταν η εφαρμοζόμενη τάση εξισωθεί με τη θεωρητική τάση θραύσης του στερεού, επέρχεται ρήξη των ατομικών δεσμών κατά το επίπεδο θραύσης και το στερεό διαχωρίζεται. Μετά τη θραύση τα συζυγή μέρη ανακτούν την ελαστική παραμόρφωση που προηγήθηκε του διαχωρισμού τους. Εχει υπολογιστεί ότι η τιμή της θεωρητικής αντοχής ιδανικού στερεού προσεγγίζει το 10% του μέτρου ελαστικότητας του υλικού:  th  E . Ωστόσο, οι τιμές αντοχής σε 10 εφελκυσμό ενός πραγματικού στερεού είναι κατά πολύ μικρότερες της θεωρητικής τιμής αφενός διότι οι δομικές ατέλειες και οι προϋπάρχουσες μικρορωγμές των πραγματικών στερεών καταλύουν τους μηχανισμούς δημιουργίας και διάδοσης «επικίνδυνων» ρωγμών, αφετέρου δε διότι στην προσέγγιση αυτή δεν λαμβάνεται υπόψιν ο βαθμός πιθανής πλαστικής παραμόρφωσης του υλικού πριν τη θραύση του. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 28 4.2. ΨΑΘΥΡΗ ΘΡΑΥΣΗ Οπως αναφέρθηκε ήδη κατά την ψαθυρή θραύση δεν επέρχεται μακροσκοπική πλαστική παραμόρφωση του υλικού, δεν παρατηρείται δηλαδή εμφανής επιμήκυνσή του με ταυτόχρονη μείωση της διατομής στην περιοχή της θραύσης. Ωστόσο, σε μικροσκοπική κλίμακα μπορεί να παρατηρηθεί μερική τοπική πλαστική παραμόρφωση και ανάλογα με το ποσοστό της διακρίνουμε τρεις τύπους ψαθυρής θραύσης:  Ψαθυρή θραύση τύπου Ι. Η θραύση ξεκινά από προϋπάρχουσες ρωγμές ή ατέλειες, με διαστάσεις μεγαλύτερες του μεγέθους κόκκων του υλικού. Η τοπική πλαστική παραμόρφωση είναι μηδενική και πρόκειται για το χαρακτηριστικό τύπο θραύσης γυαλιών και κεραμικών σε θερμοκρασία περιβάλλοντος.  Ψαθυρή θραύση τύπου ΙΙ. Η θραύση επέρχεται μετά από πλαστική παραμόρφωση μικρής κλίμακας σε μικροσκοπικά επίπεδο και παρατηρείται σε υλικά χωρίς προϋπάρχουσες μικρορωγμές ή με ρωγμές το μήκος των οποίων είναι μικρότερο από μια κρίσιμη τιμή. Εκτός από τη διάδοση της ρωγμής ενεργοποιείται ταυτόχρονη ολίσθηση σε επίπεδα κάθετα στη διεύθυνση επιβολής της τάσης.  Ψαθυρή θραύση τύπου ΙΙΙ. Πρόκειται για οριακό τύπο ψαθυρής θραύσης αφού συνοδεύεται και από πλαστική παραμόρφωση, η οποία ωστόσο προκαλεί ελάττωση της διατομής του υλικού σε ποσοστό χαμηλότερο του 10%. Και στους τρεις τύπους ψαθυρής θραύσης, αυτή επέρχεται είτε περικρυσταλλικά με διάδοση της κύριας ρωγμής κατά μήκος των ορίων των κόκκων, είτε ενδοκρυσταλλικά με διάδοση της κύριας ρωγμής διαμέσου των κόκκων του υλικού (σχήμα 4.4). Σχήμα 4.4. Ψαθυρή θραύση τύπου Ι, λόγω επιβολής εφελκυστικής τάσης: (α) Περικρυσταλλική και (β) Ενδοκρυσταλλική διάδοση κύριας ρωγμής. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 29 4.3. ΘΕΩΡΙΑ GRIFFITH ΓΙΑ ΤΗΝ ΨΑΘΥΡΗ ΘΡΑΥΣΗ Προκειμένου να ερμηνευθούν και να ποσοτικοποιηθούν τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά την ψαθυρή θραύση, αναπτύχθηκαν διάφορες θεωρίες, από τις οποίες η ερεύτερα χρησιμοποιούμενη είναι η θερμοδυναμική θεωρία ή θεωρία Griffith ή θεωρία του έργου θραύσης. Σχήμα 4.5. Θερμοδυναμική θεώρηση διάδοσης της ρωγμής. Σύμφωνα με τη θερμοδυναμική θεωρία, η θραύση ενός στερεού (σχήμα 4.5), με την επιβολή τάσης (σ), οδηγεί σε μείωση της ολικής ελεύθερης ενέργειάς του. Οι συνιστώσες της ελεύθερης ενέργειας είναι δύο:  Η επιφανειακή ενέργεια U s για προϋπάρχουσα ρωγμή μήκους (α) ισούται με U s =4αγ, όπου γ η ειδική επιφανειακή ενέργεια του υλικού. Η διάδοση της προϋπάρχουσας αυτής ρωγμής κατά στοιχειώδες μήκος dα οδηγεί σε σχηματισμό νέας στοιχειώδους επιφάνειας με παράλληλη αύξηση της συνολικής ελεύθερης ενέργειας του συστήματος.  Η ελαστική ενέργεια U el , που απορροφάται από το υλικό γύρω από τη ρωγμή και αποδεικνύεται ότι ισούται με U el   . 2 a 2 E , όπου Ε το μέτρο ελαστικότητας του υλικού. Η διαφορά της ελεύθερης ενέργειας κατά τη διάδοση της ρωγμής (U tot ) ισούται με: U tot  U s  U el  4   . 2 2 E (4.1) Για το κρίσιμο μήκος ρωγμής (α c ) πέραν του οποίου η ρωγμή διαδίδεται αυθόρμητα οδηγώντας στην τελική θραύση του υλικού, έχουμε μεγιστοποίηση της τιμής της Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 30 ελεύθερης ενέργειας του συστήματος (dU tot /dα=0) και τότε η τάση ισούται με την τάση θραύσης του υλικού (σ F ). Από την 4.1 παίρνουμε:    2 2     d  4  E     2E  0F    d ac        c  (4.2) Η σχέση 4.2 καλείται εξίσωση Griffith και απ’αυτήν προκύπτουν δυο μεγέθη χαρακτηριστικά της αντοχής σε θραύση του υλικού:  Η δυσθραυστότητα (G c ), η ενέργεια δηλαδή που απορροφάται από το υλικό προκειμένου να επέλθει θραύση και ισούται με G c =2γ.  Ο κρίσιμος συντελεστής έντασης τάσης (Κ c ) και ισούται με Κ c =Y.σ F (πα c )1/2, όπου Υ ο αδιάστατος συντελεστής γεωμετρίας του υλικού. Στην περίπτωση ψαθυρής θραύσης τύπου ΙΙ ενός υλικού χωρίς προϋπάρχουσες ρωγμές και με μέγεθος κόκκων (d),όπου παρατηρείται επίσης τοπική πλαστική παραμόρφωση, η εξίσωση Griffith τροποποιείται ως εξής: F  2(   pl ) E d (4.3) όπου γ pl η επιφανειακή ενέργεια λόγω πλαστικής παραμόρφωσης. Για τους τρείς τύπους ψαθυρής θραύσης, οι τιμές της δυσθραυστότητας και του κρίσιμου συντελεστή έντασης τάσης δίνονται αντιστοίχως από τις σχέσεις 4.4 και 4.5, ενώ χαρακτηριστικά διαγράμματα εφελκυσμού παρουσιάζονται συγκριτικά στο σχήμα 4.6. G IIIc > G IIc > G Ic (4.4) και K IIIc > K IIc > K Ic (4.5) ε Σχήμα 4.6. Διαγράμματα τάσης-παραμόρφωσης για τους τρεις τύπους ψαθυρής θραύσης. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 31 4.4. ΟΛΚΙΜΗ ΘΡΑΥΣΗ Στην όλκιμη θραύση προηγείται σημαντική πλαστική παραμόρφωση του υλικού κοντά στην επιφάνεια θραύσης. Κατά τη διάρκεια δοκιμής εφελκυσμού, η παραμόρφωση αυτή, που λαμβάνει χώρα στην πλειοψηφία των μεταλλικών υλικών, εκδηλώνεται με τη δημιουργία «λαιμού», ενώ η ρωγμάτωση και η τελική θραύση επέρχεται με συνένωση μικροκενών (σχήμα 4.7). Στο σχήμα 4.8 παρουσιάζεται κάθετη τομή δοκιμίου εφελκυσμού μεταλλικού υλικού, ο οποίος έχει διακοπεί στο στάδιο της συνένωσης μικροκενών και είναι δυνατή η οπτικοποίηση της κύριας ρωγμής που διαδίδεται κάθετα στη διεύθυνση επιβολής της τάσης. Σχήμα 4.7. Στάδια όλκιμης θραύσης: (α) Δημιουργία μικροκενών, (β) Συνένωση μικροκενών, (γ) Τελική θραύση με διάτμηση άκρων και (δ) Τελική θραύση με διάρρηξη άκρων. Σχήμα 4.8. Δοκίμιο εφελκυσμού, όπου διακρίνεται εσωτερική ρωγμή που προήλθε από συνένωση μικροκενών. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 32 5. ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΥΛΙΚΩΝ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΚΑΤΑΠΟΝΗΣΕΙΣ Παρότι η απλή στατική εφελκυστική φόρτιση αποτελεί ένα σημαντικό παράδειγμα για την κατανόηση των θεμελιωδών μηχανισμών που λαμβάνουν χώρα κατά τη μηχανική καταπόνηση των υλικών, σε καθημερινές εφαρμογές τα προβλήματα που συναντώνται λόγω άσκησης μηχανικών φορτίων σε υλικά είναι σημαντικά πιο πολύπλοκα. Ιδιαίτερα μάλιστα όταν εκτός των μηχανικών φορτίων θα πρέπει να ληφθεί υπ΄όψιν η συνέργεια διαβρωτικών μέσων σε υψηλές θερμοκρασίες, όπου τμήματα της κατασκευής βρίσκονται σε επαφή και σε σχετική κίνηση με άλλες επιφάνειες. Λόγω της πολυπλοκότητας αυτής, στη συνέχεια θα εξεταστεί η απόκριση και οι βασικοί μηχανισμοί αστοχίας μεταλλικών υλικών σε τέσσερεις χαρακτηριστικές περιπτώσεις, στις οποίες:  Η τιμή της επιβαλλόμενης τάσης μεταβάλλεται χρονικά και αλλάζει πρόσημο κατά τη διάρκεια της λειτουργίας της κατασκευής, η οποία βρίσκεται υπό καθεστώς κόπωσης (fatigue).  Η τιμή της επιβαλλόμενης τάσης παραμένη σταθερή με το χρόνο αλλά η καταπόνηση της κατασκευής γίνεται σε σχετικά υψηλή θερμοκρασία και στο υλικό ενεργοποιούνται μηχανισμοί ερπυσμού (creep).  Η κατασκευή λειτουργεί σε περιβάλλον σχετικά υψηλής συγκέντρωσης σε χημικούς παράγοντες οι οποίοι συνεργούν στη διάβρωση (corrosion) του υλικού.  Τα κινούμενα μέρη της κατασκευής βρίσκονται σε επαφή και οι συζυγείς επιφάνειες υφίστανται φθορά λόγω τριβής (wear). 5.1. Κόπωση - Περιοδικά μεταβαλλόμενη μηχανική φόρτιση Οταν ένα μεταλλικό υλικό υποβάλλεται σε περιοδικά εναλλασσόμενες τάσεις ή παραμορφώσεις, η θραύση του επέρχεται σε τιμές τάσης πολύ χαμηλότερες της αντοχής του σε εφελκυσμό (σ TS ) ή ακόμη και του ορίου διαρροής (σ y ), χωρίς να παρουσιάσει εμφανείς ενδείξεις, χωρίς δηλαδή να μας «προειδοποιήσει» για την επερχόμενη αστοχία. Για το λόγο αυτό, η κόπωση του υλικού είναι η πιο επικίνδυνη αιτία αστοχίας καθώς επίσης και η πιο διαδεδομένη, αφού σχεδόν όλα τα μηχανολογικά εξαρτήματα λειτουργούν υπό καθεστώς μεταβαλλόμενης φόρτισης (μεταβολή των παραμέτρων ή/ και προσωρινή διακοπή της λειτουργίας, κλπ). Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 33 Τα χαρακτηριστικά μεγέθη που προσδιορίζουν το είδος μιας περιοδικά εναλλασσόμενης φόρτισης, εκτός από τις τιμές μέγιστης (σ max ) και ελάχιστης (σ min ) τάσης φόρτισης, και τη συχνότητα εναλλαγής (f) είναι:  max   min  Η μέση τιμή της τάσης:  m   Το εύρος των τάσεων:  r   max   min (5.2)  Το πλάτος της τάσης:  a   max   min (5.3)  Ο λόγος των τάσεων: R  (5.1) 2 2  min  max (5.4) Κατά σύμβαση, οι εφελκυστικές τάσεις έχουν θετικό πρόσημο και οι θλιπτικές αρνητικό. Στο σχήμα 5.1. παρουσιάζονται τρεις τύποι χρονικά μεταβαλλόμενης φόρτισης που ενδέχεται να οδηγήσουν σε αστοχία λόγω κόπωσης. Εναλλασσόμενη κυκλική φόρτιση Ασύμμετρη επαναλαμβανόμενη φόρτιση Τυχαία μεταβαλλόμενη φόρτιση Σχήμα 5.1. Χαρακτηριστικές καμπύλες χρονικής μεταβολής της επιβαλλόμενης τάσης σε καταπονήσεις κόπωσης. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 34 Η συμπεριφορά ενός υλικού σε κόπωση εκφράζεται από την καμπύλη S-N ή καμπύλη Wöhler. Πρόκειται για καμπύλη που απεικονίζει τη διάρκεια ζωής του υλικού (σε αριθμό κύκλων φόρτισης, Ν f ) για δεδομένο πλάτος επιβαλλόμενης τάσης και έχει συνήθως τη μορφή του παραδείγματος του σχήματος 5.2. Σχήμα 5.2. Καμπύλη Wöhler για χάλυβα 4140 μετά από εξομάλυνση. Σε μια τέτοια καμπύλη διακρίνονται τρεις ζώνες:  Ζώνη ολιγοκυκλικής κόπωσης. Πρόκειται για την περιοχή του διαγράμματος «υψηλών τιμών πλάτους τάσης» (~70% της σ TS ), η εναλλασσόμενη επιβολή των οποίων περιορίζει τη διάρκεια ζωής του υλικού στους 100 κύκλους.  Ζώνη κόπωσης περιορισμένης αντοχής. Πρόκειται για την περιοχή «ενδιάμεσων τιμών πλάτους τάσης», η εναλλασσόμενη επιβολή των οποίων επιφέρει θραύση του υλικού για τιμές αριθμού κύκλων: 102 < Ν f < 106. Στη ζώνη αυτή η διάρκεια ζωής του υλικού επιμηκύνεται με την ελάττωση του πλάτους της επιβαλλόμενης τάσης.  Ζώνη ασφαλείας. Πρόκειται για την περιοχή «σχετικά χαμηλών τιμών πλάτους τάσης», η εναλλασσόμενη επιβολή των οποίων αποκλείεται να επιφέρει θραύση του υλικού για απεριόριστο αριθμό κύκλων φόρτισης (Ν f > 106). Στην περίπτωση των χαλύβων και των κραμάτων τιτανίου που η ζώνη ασφαλείας διακρίνεται καθαρά στην καμπύλη S-N, ορίζεται ως όριο κόπωσης η μέγιστη τιμή πλάτους εναλλασσόμενης τάσης που δε θα οδηγήσει σε αστοχία μετά από άπειρο αριθμό κύκλων φόρτισης (σχήμα 5.3α). Στους χάλυβες το όριο κόπωσης είναι ~35-60% της σ TS . Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 35 Στην περίπτωση των κραμάτων χαλκού, αλουμινίου και μαγνησίου, θραύση λόγω κόπωσης επέρχεται ακόμη και για πολύ χαμηλές τιμές πλάτους τάσης. Για τα υλικά αυτά ορίζονται (σχήμα 5.3β):  Η αντοχή σε κόπωση ως η τιμή του πλάτους εναλλασσόμενης τάσης που δε θα οδηγήσει σε αστοχία για δεδομένο αριθμό κύκλων.  Η διάρκεια ζωής σε κόπωση ως ο αριθμός κύκλων που προκαλεί αστοχία για συγκεριμένη τιμή πλάτους τάσης. (α) (β) (γ) Σχήμα 5.3. Καμπύλες S-N: (a) Τυπικές καμπύλες για χάλυβες και κράματα τιτανίου, (β) Τυπικές καμπύλες για κράματα χαλκού, αλουμινίου και μαγνησίου, (γ) Καμπύλες σχεδιασμού για διάφορες τιμές πιθανότητας αστοχίας κράματος αλουμινίου. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 36 Δεδομένου ότι η αντοχή ενός υλικού σε κόπωση εξαρτάται από μεγάλο αριθμό παραμέτρων, οι οποίες είναι δύσκολα ελέγξιμες και αναπαραγώγιμες, τα αποτελέσματα προκαταρκτικών δοκιμών κόπωσης που θα επιτρέψουν τη χάραξη της καμπύλης S-N για ένα υλικό παρουσιάζουν μεγάλη διασπορά. Κατά το σχεδιασμό λοιπόν μιας κατασκευής λαμβάνονται υπ’όψιν οι καμπύλες βέλτιστης προσαρμογής (σχήμα 5.3γ), που αποτελούν δέσμες καμπυλών S-N για διάφορες τιμές πιθανότητας (Ρ) να επέλθει αστοχία του υλικού. Οι επιφάνειες θραύσης λόγω κόπωσης έχουν χαρακτηριστική κυματοειδή μορφολογία συνιστώμενη από αριθμό μικροραβδώσεων που αντιστοιχεί στους διαδοχικούς κύκλους επιβολής εφελκυστικών/ θλιπτικών φορτίσεων (σχήμα 5.4). Τα σημεία έναρξης της ρωγμής εύκολα ανιχνεύονται στην επιφάνεια θραύσης ως λείες περιοχές, δεδομένου ότι εκεί η θραύση επήλθε ταχύτατα κατά το αρχικό στάδιο φόρτισης. Επίσης, η χαρακτηριστική κυματοειδής μορφολογία δεν παρατηρείται σε περιπτώσεις που η τελική αστοχία συνέβη σε σύντομο χρονικό διάστημα (περιπτώσεις ολιγοκυκλικής κόπωσης). Περιοχή έναρξης ρωγμής (α) (β) Σχήμα 5.4. Χαρακτηριστικές επιφάνειες θραύσης λόγω κόπωσης. (γ) (α) Ραβδώσεις κόπωσης σε κράμα αλουμινίου (θραυστογραφία με χρήση ΤΕΜ), (β) Κυματοειδής μορφολογία σε χαλύβδινο άξονα, (γ) Απουσία κυματοειδούς μορφολογίας λόγω αστοχίας υπό καθεστώς ολιγοκυκλικής κόπωσης. Εκτός από τα ενδογενή χαρακτηριστικά του υλικού, σημαντική βαρύτητα στην απόκριση ενός εξαρτήματος σε συνθήκες κόπωσης έχουν: Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 37  Οι συνθήκες φόρτισης. Εκτός από το πλάτος της επιβαλλόμενης τάσης, η διάρκεια ζωής του υλικού επηρεάζεται και από την τιμή της μέσης τάσης. Αύξηση της σm μειώνει τη διάρκεια ζωής σε κόπωση (σχήμα 5.5α).  Η γεωμετρία του αντικειμένου και κύρια η ύπαρξη οπών και οι αλλαγές της διατομής που αποτελούν σημεία υψηλής συγκέντρωσης τάσεων. Κατά τη διαστασιολόγηση του αντικειμένου στο στάδιο του σχεδιασμού, θα πρέπει να αποφεύγεται η απότομη αλλαγή των διαστάσεων (σχήμα 5.5β).  Η επιφανειακή κατεργασία του υλικού, δεδομένου ότι η ρωγμάτωση λόγω κόπωσης ξεκινά από σημεία της επιφάνειας. Γενικά, υλικά με λειασμένη επιφάνεια εμφανίζουν υψηλότερη αντοχή σε κόπωση, όπως επίσης και υλικά με επιφανειακή κατεργασία (σφαιροβολή, ενανθρακαζώτωση) που εισάγει επιφανειακές θλιπτικές τάσεις στο αντικείμενο (σχήμα 5.5γ).  Οι εναλλαγές της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος, οι οποίες υποβάλλουν επιπροσθέτως το αντικείμενο σε θερμική κόπωση. Κυκλικές μεταβολές της θερμοκρασίας εισάγουν στο υλικό εναλλασσόμενο πεδίο εσωτερικών τάσεων, λόγω περιορισμών της ελεύθερης διαστολής-συστολής του. Το μέγεθος των εσωτερικών αυτών τάσεων που αναπτύσσονται εξαρτάται από το συντελεστή θερμικής διαστολής και το μέτρο ελαστικότητας του υλικού.  Η παρουσία διαβρωτικών παραγόντων στο περιβάλλον λειτουργίας του αντικειμένου επιταχύνει την αστοχία λόγω κόπωσης, δεδομένου ότι τα σημεία τοπικής επιφανειακής διάβρωσης αποτελούν σημεία υψηλής συγκέντρωσης τάσεων και για το λόγο αυτό σημεία ενδεχόμενης έναρξης ρωγμών. Κατά το σχεδιασμό λοιπόν, μιας κατασκευής που θα υποβληθεί σε εναλλασσόμενα μηχανικά φορτία πρέπει να λαμβάνεται υπ’οψιν η επίδραση όλων των παραμέτρων που προαναφέρθηκαν, συνυπολογίζοντας τον κατάλληλο συντελεστή ασφαλείας για την κατασκευή. Ετσι, η διάρκεια ζωής σε κόπωση (Ν f ) μπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση: Ν f = Κ l .K d .K s .N i (5.5) Οπου: Κ l συντελεστής διόρθωσης σχετικός με τις συνθήκες εξωτερικής φόρτισης, K d συντελεστής διόρθωσης σχετικός με τις διαστασιακές μεταβολές, K s συντελεστής διόρθωσης σχετικός με την κατάσταση της επιφάνειας, N i «ιδανική» διάρκεια ζωής του υλικού. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 38 Λανθασμένος σχεδιασμός (α) Ορθός σχεδιασμός (β) (γ) Σχήμα 5.5. Επίδραση παραμέτρων στην αντοχή σε κόπωση τελικού αντικειμένου: (α) Επίδραση της τιμής μέσης τάσης, (β) Συσσώρευση τάσεων λόγω εσφαλμένου σχεδιασμού, (γ) Επίδραση επιφανειακής κατεργασίας. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 39 Καμπύλες Paris 5.2. Ερπυσμός - Στατική μηχανική φόρτιση σε υψηλές θερμοκρασίες Πολλές μεταλλικές κατασκευές, όπως εναλλάκτες θερμότητας, στροβιλοκινητήρες ή αντιδραστήρες, λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες για μακρό χρονικό διάστημα. Παρότι σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και με ταυτόχρονη εφαρμογή στατικού φορτίου χαμηλής τιμής, τα μέταλλα δεν υπόκεινται σε μόνιμη παραμόρφωση, σε υψηλότερες θερμοκρασίες η εφαρμογή του ίδιου στατικού φορτίου οδηγεί σε αργή και συνεχή μόνιμη παραμόρφωσή τους, η οποία είναι γνωστή με τον όρο ερπυσμός (creep). Κατά κανόνα, ένα μεταλλικό υλικό εμφανίζει το φαινόμενο του ερπυσμού όταν η θερμοκρασία λειτουργίας του υπερβεί το ~35% της θερμοκρασίας τήξης του, ακόμη και με επιβολή μηχανικών τάσεων χαμηλότερων του ορίου διαρροής του. Χαρακτηριστικό παράδειγμα ερπυσμού είναι το «κάψιμο» του νήματος των λαμπήρων φωτισμού μετά από κάποιο χρονικό διάστημα λειτουργίας. Η μόνιμη παραμόρφωση ενός υλικού λόγω ερπυσμού δίνεται ως συνάρτηση της εφαρμοζόμενης τάσης, της θερμοκρασίας και του χρόνου: ε=f(σ, T, t). Εργαστηριακή αναπαράσταση των συνθηκών επρυσμού για τον έλεγχο της αντοχής ενός υλικού πραγματοποιείται σε πειραματικές διατάξεις όπως αυτή του σχήματος 5.6. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 40 Σχήμα 5.6. Πειραματική διάταξη ερπυσμού. Μια τυπική καμπύλη ερπυσμού μετάλλου υπό σταθερή τάση και σε δεδομένη θερμοκρασία παρουσιάζεται στο σχήμα 5.7. Καταρχήν, με την επιβολή του φορτίου παρατηρείται ακαριαία παραμόρφωση του μετάλλου, η οποία συνήθως είναι ελαστική. Στη συνέχεια, η παραμόρφωση του υλικού ως την τελική του αστοχία λαμβάνει χώρα σε τρία διαδοχικά στάδια ιδιαίτερων χαρακτηριστικών: Σχήμα 5.7. Τυπική καμπύλη ερπυσμού μετάλλου υπό σταθερή στατική τάση και θερμοκρασία.  Πρωτογενής ή μεταβατικός ερπυσμός. Στο πρώτο αυτό στάδιο, παρατηρείται συνεχής μείωση του ρυθμού παραμόρφωσης του υλικού (ταχύτητα ερπυσμού, ė c =dε/dt) με το χρόνο και αποδίδεται σε ενεργοποίηση μηχανισμών σκλήρυνσης του υλικού. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 41  Δευτερογενής ερπυσμός ή ερπυσμός σταθερής κατάστασης. Σε δεύτερο στάδιο η παραμόρφωση του υλικού μεταβάλλεται γραμμικά με το χρόνο, δηλαδή με σταθερή ταχύτητα, ως αποτέλεσμα της ισόρροπης συνέργειας ανταγωνιστικών μηχανισμών ενδοτράχυνσης και διάχυσης ατόμων. Συνήθως, αυτό το στάδιο έχει και τη μεγαλύτερη διάρκεια και αποδεικνύεται ότι η σταθερή ταχύτητα ερπυσμού δίνεται από τη σχέση: ėc= d  Q   C. exp   dt  R.T  (5.6) όπου C σταθερά σχετική με το υλικό, R η σταθερά των αερίων (8,31 J.mol-1.K-1) Q η ενέργεια ενεργοποίησης ερπυσμού του υλικού, σε J.mol-1  Τριτογενής ερπυσμός. Στο τελευταίο στάδιο ο ρυθμός ερπυσμού επιταχύνεται και επέρχεται η τελική αστοχία του υλικού, η οποία συχνά αποκαλείται και διάρρηξη. Η διάρρηξη λαμβάνει χώρα με αποκολλήσεις στα όρια των κόκκων, δημιουργία και συνένωση κενών, καθώς και σχηματισμό «λαιμού» (σχήμα 5.8), παρόμοιου με αυτόν της όλκιμης θραύσης σε εφελκυσμό. Περιοχή περικρυσταλλικής θραύσης Διεύθυνση επιβολής φορτίου Σχήμα 5.8. Πτερύγιο στροβιλοκινητήρα που έχει αστοχήσει λόγω ερπυσμού. Η επίδραση της αύξησης της θερμοκρασίας ή του επιβαλλόμενου φορτίου στην αντοχή ενός υλικού σε ερπυσμό παρουσιάζεται στο σχήμα 5.9α. Ενδεικτικά παραδείγματα αντοχής υλικών σε ερπυσμό εμφανίζονται στο σχήμα 5.9β. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 42 (α) (β) Σχήμα 5.9. (α) Επίδραση θερμοκρασίας και επιβαλλόμενου φορτίου στην αντοχή ενός υλικού σε ερπυσμό. (β) Διάγραμμα θραύσης διαφόρων κραμάτων μετά από δοκιμή ερπυσμού 1000 ωρών σε διάφορες θερμοκρασίες. 5.3. Διάβρωση – Αστοχία λόγω δράσης χημικών παραγόντων Η δράση επιβαρυντικών παραγόντων του περιβάλλοντος μπορεί να οδηγήσει σε υποβάθμιση των ιδιοτήτων του υλικού μιας κατασκευής ή και την τελική αστοχία της. Για παράδειγμα, μια μεταλλική κατασκευή ενδέχεται να υποστεί διάβρωση (corrosion) λόγω ηλεκτροχημικών δράσεων που λαμβάνουν χώρα όταν η επιφάνειά της είναι σε επαφή με ηλεκτρολύτη, ή οξείδωση όταν η επιφάνειά της έρθει σε επαφή με αέριο υψηλής θερμοκρασίας (oxidation). Αναλόγως, τα πολυμερή ενδέχεται να υποστούν φυσική αποσύνθεση, δηλαδή καταστροφή του μακρομοριακού τους πλέγματος, ατμοσφαιρική αποσύνθεση, λόγω της επίδρασης ατμοσφαιρικού οξυγόνου ή όζοντος, φωτοαποδόμηση, υπό την επίδραση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, θερμική αποσύνθεση ή/ και βιοαποδόμηση, λόγω της δράσης ενζύμων και μικροοργανισμών. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 43 Αντιθέτως, τα κεραμικά υλικά που αποτελούν στην πλειοψηφία τους ισχυρές ετεροπολικές ενώσεις μετάλλων με αμέταλλα είναι σχεδόν απρόσβλητα από τις συνήθεις χημικές δράσεις για ένα μεγάλο εύρος θερμοκρασιών. Διάκριση διαβρωτικού περιβάλλοντος Οταν δυο μεταλλικά τεμάχια διαφορετικής χημικής σύστασης είναι σε επαφή με ηλεκτρολύτη, λαμβάνουν χώρα ηλεκτροχημικές δράσεις οξείδωσης και αναγωγής που έχουν ως αποτέλεσμα τη δημιουργία γαλβανικού στοιχείου. Το ανοδικότερο μέταλλο έχει την τάση να διαλυθεί στον ηλεκτρολύτη, ενώ το καθοδικότερο είναι ουσιαστικά αδρανές. Η γαλβανική σειρά (σχήμα 5.10) αποτελεί έναν πρακτικό οδηγό για μια πρώτη εκτίμηση της τάσης διάβρωσης διαφόρων εμπορικών κραμάτων όταν αυτά βρίσκονται εκτεθειμένα σε θαλασσινό νερό. Το αυθόρμητο πραγματοποίησης μιας αντίδρασης γαλβανικού στοιχείου μπορεί να υπολογιστεί από το νόμο Nernst, ενώ ο ρυθμός διάβρωσης εξαρτάται από το ρεύμα διάβρωσης μεταξύ των δυο ηλεκτροδίων του γαλβανικού στοιχείου. Στη συνέχεια, θα περιγραφούν διάφοροι τύποι ηλεκτροχημικής διάβρωσης και οι ιδιαίτερες επιφανειακές μορφολογίες που προκαλούνται απ’αυτούς. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 44 Σχήμα 5.10. Σχετικές δραστικότητες εμπορικών μεταλλικών υλικών σε θαλασσινό νερό (γαλβανική σειρά). 5.3.1. Ομοιόμορφη διάβρωση Η εκτεθειμένη επιφάνεια προσβάλλεται ομοιόμορφα από το διαβρωτικό μέσο και το προϊόν της διάβρωσης παραμένει ως σαθρή επικάθηση καλύπτοντάς την στο σύνολό της. Χαρακτηριστικά παραδείγματα ομοιόμορφης διάβρωσης αποτελούν η εμφάνιση σκουριάς στην επιφάνεια σιδηρούχων κραμάτων και το «μαύρισμα» των ασημικών. 5.3.2. Γαλβανική διάβρωση Οπως ήδη αναφέρθηκε, αφορά τη διάβρωση κραμάτων διαφορετικής χημικής σύστασης που συνδέονται ηλεκτρικά παρουσία ηλεκτρολύτη. Το δραστικότερο μέταλλο θα διαβρωθεί, ενώ το πιο αδρανές θα προστατευθεί. Ο ρυθμός γαλβανικής διάβρωσης Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 45 εξαρτάται από το σχετικό μέγεθος των επιφανειών ανόδου/ καθόδου. Για δεδομένη καθοδική επιφάνεια, μικρότερη ανοδική θα διαβρωθεί ταχύτερα. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αυτού του τύπου είναι η καταστροφική διάβρωση κοχλίων από χάλυβα όταν χρησιμοποιούνται για τη συγκράτηση ορειχάλκινων τεμαχίων σε θαλάσσιο περιβάλλον ή η διάβρωση χαλύβδινων σωλήνων στην περιοχή της σύνδεσής τους με άλλους χάλκινους σ’εναν οικιακό θερμαντήρα νερού. Προκειμένου να αποφευχθούν τα αρνητικά αποτελέσματα της γαλβανικής διάβρωσης, τόσο στο στάδιο του σχεδιασμού όσο και στο στάδιο της κατασκευής πρέπει να λαμβάνεται πρόληψη ώστε να:  Επιλέγονται μέταλλα που βρίσκονται σε κοντινές θέσεις στη γαλβανική σειρά.  Χρησιμοποιείται η μεγαλύτερη δυνατή ανοδική επιφάνεια.  Μονώνονται ηλεκτρικά ανόμοια μέταλλα, εφόσον η χρήση τους επιβάλλεται από τους άλλους περιορισμούς της κατασκευής.  Χρησιμοποιείται τρίτο μέταλλο, ανοδικότερο των δυο άλλων, προκειμένου να διαβρωθεί αυτό κι όχι τα υλικά της βασικής κατασκευής. 5.3.3. Μικρογαλβανική διάβρωση Παρατηρείται σε περιπτώσεις πολυφασικών κραμάτων, η επιφάνεια των οποίων είναι σε επαφή με ηλεκτρολύτη και η μια φάση του κράματος είναι κατά πολύ δραστικότερη της άλλης. Χαρακτηριστικά παραδείγματα μικρογαλβανικής διάβρωσης (σχήμα 5. 11) αποτελούν:  Η ενδοκρυσταλλική διάβρωση των κόκκων του περλίτη στο χάλυβα, οι οποίοι αποτελούνται από διαδοχικές στρώσεις φερρίτη και σεμεντίτη. Ο πρώτος είναι δραστικότερος και αποτελεί τη διαλυόμενη (διαβρωνόμενη) άνοδο, ενώ ο δεύτερος είναι παθητικότερος και αποτελεί την κάθοδο.  Η περικρυσταλλική διάβρωση των ωστενιτικών ανοξείδωτων χαλύβων. Οι χάλυβες αυτοί περιέχουν υψηλό ποσοστό χρωμίου, το οποίο έχει την τάση να οδηγήσει σε κατακρήμνιση καρβιδίων (Cr 23 C 6 ) στα όρια των κόκκων του υλικού. Τα καρβίδια είναι παθητικότερα του ωστενίτη, έτσι παρουσία ηλεκτρολύτη ο ωστενίτης στην περιοχή των ορίων των κόκκων διαβρώνεται σχηματίζοντας ένα στρώμα οξειδίου στην επιφάνεια του μετάλλου. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 46 (α) (β) Σχήμα 5.11. Μικρογαλβανική διάβρωση σε πολυφασικά κράματα: (α) Ενδοκρυσταλλική διάβρωση κόκκων περλίτη, (β) Περικρυσταλλική διάβρωση ανοξείδωτων ωστενιτικών χαλύβων. Η μικρογαλβανική διάβρωση αποτελεί από τα σημαντικότερα προβλήματα της συγκόλλησης ανοξείδωτων χαλύβων με τήξη (σχήμα 5.12) και αντιμετωπίζεται με:  Θερμική κατεργασία του υλικού μετά τη συγκόλληση για διαλυτοποίηση των καρβιδίων.  Χρησιμοποίηση χάλυβα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα (< 0,03%), ώστε να ελαχιστοποιηθούν τα κατακρημνίσματα καρβιδίων στα όρια των κόκκων.  Χρησιμοποίηση χάλυβα που περιέχει Ti ή Nb, μέταλλα περισσότερο καρβιδιογόνα από το Cr, ώστε να μη σχηματιστούν καρβίδια του χρωμίου αλλά αυτό να παραμείνει σε στερεό διάλυμα. Περικρυσταλλική διάβρωση Συγκόλληση Σχήμα 5.12. Περικρυσταλλική διάβρωση συγκόλλησης στα όρια της θερμικά επηρεασμένης ζώνης. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 47 5.3.4. Διάβρωση με εσοχές (Crevice) Σε περιπτώσεις που η γεωμετρία της επιφάνειας το επιτρέπει, δημιουργούνται τοπικά μικροδιαφοροποιήσεις στη συγκέντρωση ιόντων ή διαλυτών αερίων του ηλεκτρολύτη κι έτσι μέταλλο που είναι σε επαφή με το υγρό χαμηλότερης συγκέντρωσης διαβρώνεται. Διάβρωση τέτοιου τύπου παρατηρείται σε σχισμές ή εσοχές ή κάτω από εναποθέσεις προϊόντων διάβρωσης, όπου μπορεί να εισχωρήσει ο ηλεκτρολύτης και να παραμείνει στάσιμος (σχήμα 5.13). Σχήμα 5.13. Μεταλλική πλάκα βυθισμένη σε θαλασσινό νερό παρουσιάζει ενδείξεις έντονης διάβρωσης στις περιοχές όπου είχαν τοποθετηθεί ροδέλλες. 5.3.5. Διάβρωση με βελονισμούς (Pitting) Πρόκειται για σημειακή διάβρωση των οριζόντιων επιφανειών μετάλλων με σχηματισμό μικρών κοιλοτήτων και οπών (σχήμα 5.14) μεγάλου βάθους των οποίων τα σημεία έναρξης τοποθετούνται σε αρχικές επιφανειακές ανωμαλίες του υλικού. Γενικά, λειασμένες επιφάνειες υλικού έχουν καλύτερη συμπεριφορά σε διάβρωση με βελονισμούς. Σχήμα 5.14. Βελονισμός πλάκας ανοξείδωτου χάλυβα 304 από όξινο χλωριούχο διάλυμα. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 48 5.3.6. Διάβρωση υπό μηχανική τάση (stress corrosion) Μέταλλα τα οποία είναι απρόσβλητα από κάποιο χημικό παράγοντα, υπό την ταυτόχρονη επίδραση μηχανικού φορτίου μπορεί να οδηγηθούν σε μικρορωγμάτωση και τελική καταστροφική αστοχία. Το φορτίο αυτό μπορεί να είναι εξωτερικά επιβαλλόμενο (σχήμα 5.15 α) ή να οφείλεται σε εσωτερικές παραμένουσες τάσεις του υλικού (σχήμα 5.15 α, β). (α) (β) (γ) Σχήμα 5.15. Διάβρωση υπό μηχανική τάση: (α) Περικρυσταλλική ρωγμάτωση ορείχαλκου, (β) Διάβρωση σωλήνα στα σημεία αλλαγής της κατεύθυνσής του λόγω εσωτερικών τάσεων που αναπτύχθηκαν κατά την κάμψη του, (γ) Διάβρωση των ενεργειακά αναβαθμισμένων ορίων των κόκκων. 5.3.7. Ψαθυροποίηση από υδρογόνο (hydrogen embrittlement) Ιδιαίτερη αναφορά πρέπει να γίνει στο φαινόμενο ψαθυροποίησης μεταλλικών υλικών λόγω της διάχυσης ατομικού υδρογόνου σε θέσεις παρεμβολής στο κρυσταλλικό πλέγμα, όπου και πολύ μικρές συγκεντρώσεις του είναι ικανές να οδηγήσουν σε σημαντική υποβάθμιση της ολκιμότητας του μετάλλου και να προκαλέσουν τη ρωγμάτωσή του. Πηγές ατομικού υδρογόνου είναι: τα διαλύματα χημικού καθαρισμού της επιφάνειας (pickling), τα διαλύματα ηλεκτρολυτικής εναπόθεσης, ατμόσφαιρα υπέρθερμων ατμών, κλπ. Η ψαθυροποίηση από υδρογόνο προσβάλλει ιδιαίτερα τους χάλυβες και, όπως είναι κατανοητό, το φαινόμενο είναι πιο έντονο όταν έχει προηγηθεί μηχανική κατεργασία του μετάλλου με εισαγωγή εσωτερικών τάσεων. Η πιθανότητα ψαθυροποίησης από υδρογόνο μειώνεται με θέρμανση του υλικού, οπότε το υδρογόνο απομακρύνεται (εκροφάται) διαμέσου της επιφάνειάς του. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 49 5.4. Φθορά λόγω τριβής – Επιφανειακή καταπόνηση υλικού Στην πλειοψηφία τους, οι βιομηχανικές κατασκευές περιλαμβάνουν κινούμενα τμήματα που βρίσκονται σε σημειακή ή επιφανειακή επαφή. Η σχετική κίνηση των εφαπτόμενων επιφανειών οδηγεί σε φθορά τους μέσω τριβολογικών μηχανισμών χημικής ή μηχανικής φύσεως ή συνδυασμού τους. Οι δυο εφαπτόμενες επιφάνειες (συζυγείς επιφάνειες), το περιβάλλον στο οποίο βρίσκονται (θερμοκρασία, υγρασία, χημικοί παράγοντες), καθώς και τα προϊόντα της φθοράς, όταν δεν απομακρύνονται, αποτελούν το τριβοσύστημα (σχήμα 5.16). Σχήμα 5.16. Συστατικά μέρη ενός τριβοσυστήματος. Κοιτώντας γύρω μας μπορούμε να αναγνωρίσουμε ποικίλλα τριβοσυστήματα: οι δίσκοι των φρένων των αυτοκινήτων, το νερό και οι ορειχάλκινοι σωλήνες στους οποίους ρέει, ακόμη και οι πεζοί που περπατούν στο οδόστρωμα φθείροντας τις σόλες των παπουτσιών ή γλυστρώντας σε βρεγμένα πεζοδρόμια. Κατά τη σχετική κίνηση των συζυγών επιφανειών παρατηρείται φθορά τους (απομάκρυνση υλικού), η οποία είναι εντονότερη στο τριβικά ασθενέστερο υλικό. Σε αντίθεση με τις μηχανολογικές κατασκευές, στις οποίες προσπαθούμε να περιορίσουμε (π.χ. με λίπανση) τις δυνάμεις τριβής στη διεπιφάνεια και το ποσοστό φθοράς των υλικών διότι εισάγάγουν επιπλέον παράγοντες αστοχίας, υπάρχουν τριβοσυστήματα στα οποία η φθορά της μιας επιφάνειας είναι το ζητούμενο:  Μεταλλογραφική προετοιμασία δοκιμίων με λείανση και στίλβωση προκειμένου να εξομαλυνθεί το ανάγλυφο της επιφάνειάς τους. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 50  Γραφή με μολύβι ή κιμωλία των οποίων τα προϊόντα τριβής δίνουν το επιδιωκόμενο αποτέλεσμα: γραπτό κείμενο σε χαρτί ή πίνακα. Με τον όρο φθορά υπονοείται τόσο ο μηχανισμός σταδιακής απομάκρυνσης υλικού, όσο και το μέτρο προσδιορισμού της (ποσότητα φθοράς). Η μέτρηση της ποσότητας φθοράς ενός στοιχείου κάποιου τριβοσυστήματος εκφράζεται συνήθως ως:  Μείωση μιας διάστασής του (γραμμική φθορά)  Μείωση του όγκου του (όγκος φθοράς)  Μείωση της μάζας του (μάζα φθοράς) Πρέπει να τονιστεί ότι επιφανειακή καταπόνηση του υλικού λόγω φαινομένων τριβής οδηγεί πάντοτε σε μεταβολή των διαστάσεων ή της μάζας του και γι’αυτό στο στάδιο του σχεδιασμού θα πρέπει να ληφθεί υπόψιν προκειμένου να επιβραδυνθεί, αν όχι να εκμηδενιστεί, η πιθανότητα αστοχίας της κατασκευής. Εκτός από την ποσότητα φθοράς, δυο σημαντικά μεγέθη για την εκτίμηση των επιπτώσεων της καταπόνησης στην κατασκευή είναι:  Ο ρυθμός φθοράς, δηλαδή η ποσότητα φθοράς (απομακρυνόμενου υλικού) στη μονάδα του χρόνου.  Ο συντελεστής φθοράς, ο οποίος εκφράζει την ποσότητα της φθοράς (συνήθως του όγκου) ανά μονάδα κάθετα επιβαλλόμενου φορτίου και ανά μονάδα μήκους σχετικής κίνησης των συζυγών επιφανειών. Εχουν προταθεί διάφορα κριτήρια για την ταξινόμηση των μηχανισμών φθοράς των υλικών λόγω τριβής. Για τους σκοπούς του συγκεκριμένου προγράμματος στη συνέχεια θα αναπτυχθεί η ταξινόμηση των μηχανισμών φθοράς βάσει του μηχανισμού που επιφέρει την απομάκρυνση του υλικού (σχήμα 5.17). Σχήμα 5.17. Μηχανισμοί φθοράς υλικών. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 51 5.4.1. Φθορά λόγω πρόσφυσης Πρόκειται για μηχανισμό που παρατηρείται όταν οι εξοχές της μιας επιφάνειας εμπλέκονται με τις εξοχές της συζυγούς της και η φθορά του υλικού επέρχεται με θραύση των επιφανειακών αυτών ανωμαλιών. Αναλυτικά, η φθορά λόγω πρόσφυσης δυό επιφανειών οι οποίες βρίσκονται σε επαφή και σχετική κίνηση, με την ταυτόχρονη επενέργεια εξωτερικού κάθετου φορτίου λαμβάνει χώρα σε τρία διαδοχικά στάδια, τα οποία επαναλαμβάνονται κατά τη διάρκεια της κίνησης (σχήμα 5.18): 1ο στάδιο Διάρκεια κίνησης 2ο στάδιο 3ο στάδιο Σχήμα 5.18. Στάδια φθοράς λόγω τριβής μέσω μηχανισμών πρόσφυσης.  Σε πρώτο στάδιο, μεταξύ των εξοχών του ανάγλυφου των συζυγών επιφανειών που βρίσκονται σε επαφή αναπτύσσονται δεσμοί σε ατομική κλίμακα, λόγω της επενέργειας της κάθετης στη διεπιφάνεια συνιστώσας του μηχανικού φορτίου.  Σε δεύτερο στάδιο, οι δεσμοί που αναπτύχθηκαν αρχικά θραύονται, λόγω της επενέργειας της συνιστώσας του μηχανικού φορτίου που προκαλεί τη σχετική κίνηση των δυο επιφανειών.  Σε τρίτο στάδιο, τμήματα των εξοχών των δυο επιφανειών αποκόπτονται και παραμένοντας στη διεπιφάνεια προκαλούν επιπρόσθετη φθορά του υλικού. Τα αρνητικά αποτελέσματα της φθοράς λόγω τριβής με μηχανισμούς πρόσφυσης ελαχιστοποιούνται στην περίπτωση που τα υλικά των συζυγών επιφανειών παρουσιάζουν αυξημένη μηχανική αντοχή, ολκιμότητα και δυσθραυστότητα. Μείωση του ποσού φθοράς λόγω πρόσφυσης επιτυγχάνεται λοιπόν, καταρχήν με κατάλληλη επιλογή υλικών Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 52 και ορθή διαστασιολόγηση, λείανση των επιφανειών που βρίσκονται σε επαφή, λίπανση της διεπιφάνειας ή/ και επιφανειακή ενίσχυση με δημιουργία επικαλύψεων καλύτερης αντιτριβικής συμπεριφοράς απ’αυτήν του μετάλλου βάσης της κατασκευής. 5.4.2. Φθορά λόγω εκτριβής Ο μηχανισμός αυτός ενεργοποιείται όταν μια επιφάνεια βρίσκεται σε επαφή με σκληρά σωματίδια τα οποία αποτελούν είτε το ανταγωνιστικό υλικό, είτε προκύπτουν ως προϊόντα φθοράς των δυο επιφανειών (σχήμα 5.19). Ο τύπος αυτός φθοράς συναντάται συχνά σε πτερύγια κινητήρων, κοπτικά άκρα, κλπ, όταν σκληρή και τραχεία επιφάνεια κινείται σε επαφή με άλλη μικρότερης σκληρότητας ή πιο όλκιμη, οπότε στη δεύτερη δημιουργούνται αύλακες άροσης. Καλή συμπεριφορά σε φθορά λόγω εκτριβής παρουσιάζουν υλικά υψηλής σκληρότητας και δυσθραυστότητας. Σχήμα 5.19. Φθορά λόγω τριβής μέσω μηχανισμών εκτριβής. 5.4.3. Παράγοντες που επηρεάζουν τη φθορά λόγω τριβής Αξίζει να επισημανθεί ότι η φθορά λόγω τριβής, όπως άλλωστε και ο συντελεστής τριβής, δεν χαρακτηρίζουν ένα υλικό, αλλά ένα τριβοσύστημα. Θα πρέπει δηλαδή οι τιμές τους να δίνονται πάντοτε αναφορικά με την ποιότητα της συζυγούς επιφάνειας (ανταγωνιστικό υλικό), και τις συνθήκες λειτουργίας: θερμοκρασία, υγρασία, λίπανση, ενώ επίσης όπως έγινε κατανοητό από την προηγούμενη προσέγγιση των μηχανισμών σημαντικό ρόλο παίζει και το ανάγλυφο των επιφανειών που βρίσκονται σε επαφή. Η ποιότητα του χημικού περιβάλλοντος λειτουργίας τροποποιεί μερικώς τους μηχανισμούς φθοράς εισάγοντας, πιθανά, επιπλέον οξειδωτικές δράσεις οι οποίες επιταχύνουν την αστοχία λόγω φθοράς (τριβοχημικές αντιδράσεις). Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 53 Στο σχήμα 5.20 παρουσιάζεται η επιφάνεια ενός εργαλειοχάλυβα, ο οποίος έχει υποστεί επιφανειακή κατεργασία ενανθρακαζώτωσης προκειμένου να αυξηθεί η αντοχή του σε τριβικά φορτία και σε φορτία κόπωσης. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα δοκιμασίας σε τριβή ολίσθησης επαναλαμβανόμενων κύκλων (οπότε και ενεργοποιείται επιπλέον μηχανισμός επιφανειακής κόπωσης), με την εφαρμογή σημειακού κάθετου φορτίου 150 Ν και χρησιμοποιώντας ως ανταγωνιστικό υλικό αλούμινα (σκληρό κεραμικό υλικό), στην επιφάνεια του εξεταζόμενου υλικού αναγνωρίζονται ίχνη διαφόρων μηχανισμών αστοχίας της επιφάνειας:  Το κεντρικό τμήμα της επιφάνειας επαφής καλύπτεται από στρώμα οξειδωμένου υλικού (τριβοχημική δράση), ενώ παρατηρούνται επίσης και ενδείξεις αποφλοίωσης (φθορά λόγω εκτριβής).  Στα ακραία τμήματα της επιφάνειας επαφής παρατηρείται εκτεταμένη ρωγμάτωση (επιφανειακή κόπωση), καθώς επίσης περιοχές άροσης (που αποτυπώνουν τη διεύθυνση ολίσθησης) και χαλαρής συνοχής που υποδηλώνουν απομάκρυνση υλικού με μηχανισμό πρόσφυσης. Οξείδωση σε περιοχή έντονης πλαστικής παραμόρφωσης Γ Α Α: ίχνη αποφλοίωσης Γ: γραμμές ολίσθησης Β Β: εκτεταμένη ρωγμάτωση Δ Δ: περιοχή επιφάνειας χαλαρής συνοχής Σχήμα 5.20. Μικροσκοπική εξέταση επιφάνειας ενανθρακαζωτωμένου εργαλειοχάλυβα μετά από επιφανειακή του καταπόνηση σε τριβή ολίσθησης. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 53 6. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΥΛΙΚΟΥ Στο στάδιο του σχεδιασμού ο μηχανικός/ σχεδιαστής καθορίζει τις απαιτήσεις της κατασκευής ως προς τις ιδιότητες που πρέπει να επιδεικνύει το υλικό ώστε να εξασφαλιστεί η ικανοποιητική της λειτουργία. Η επιλογή είναι πολλές φορές δύσκολη αφενός λόγω της πληθώρας των υλικών που διατίθενται (σχήμα 6.1) και αφετέρου διότι πολλά υλικά διαφορετικών ομάδων μπορεί να εξυπηρετούν εξίσου καλά τα βασικά κριτήρια που τίθενται από την τελική χρήση της κατασκευής. Σχήμα 6.1. Χρονολογική εξέλιξη της χρήσης υλικών. Προκειμένου, λοιπόν, ο μηχανικός να επιτύχει μεγιστοποίηση της απόδοσης του τελικού προϊόντος στη φάση καθορισμού του υλικού μιας κατασκευής προβαίνει συνήθως σε μια σειρά ενεργειών:  Επιλέγει μεταξύ των ήδη προσφερόμενων λύσεων, το υλικό εκείνο που παρουσιάζει το βέλτιστο συνδυασμό ιδιοτήτων για τη συγκεκριμένη εφαρμογή.  Σχεδιάζει και αναπτύσσει, σε περίπτωση ειδικών εφαρμογών εξαιρετικών απαιτήσεων, νέα υλικά με μοναδικό συνδυασμό ιδιοτήτων.  Αξιολογεί την “ευκολία” μορφοποίησης του υλικού για τη συγκεκριμένη εφαρμογή.  Αξιολογεί την οικονομική επιβάρυνση (το κόστος) από τη συγκεκριμένη επιλογή υλικού και της τεχνικής μορφοποίησής του. Στη συνέχεια θα αναπτυχθεί η μεθοδολογία που ακολουθείται προκειμένου να επιλεγεί το υλικό μιας κατασκευής από ομάδες υλικών γνωστών ιδιοτήτων. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 54 Εστω ότι επιδιώκεται η κατασκευή συμπαγούς κυλινδρικού άξονα ακτίνας (r) και μήκους (L), κατά το δυνατόν χαμηλού βάρους και υψηλής αντοχής σε στρέψη (σχήμα 6.2). Σχήμα 6.2. Συμπαγής κυλινδρικός άξονας που δέχεται στρεπτική φόρτιση. 1o Κριτήριο επιλογής υλικού: Αντοχή σε ανάληψη στεπτικών φορτίων Η εφαρμογή ροπής στρέψης (M t ) επιφέρει γωνία στρέψης (φ) και διατμητική τάση (τ) ίση προς: τ Μ t .r J (6.1) Με (J) εκφράζεται η πολική ροπή αδράνειας που εξαρτάται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του αντικειμένου και για στερεό κύλινδρο δίνεται από τη σχέση: J π.r 4 2 (6.2) Από την (6.1) και (6.2) προσδιορίζεται η διατμητική τάση και λαμβάνοντας υπόψιν το συντελεστή ασφάλειας της κατασκευής (Ν), η απαιτούμενη αντοχή σε στρέψη (τ f ) του υλικού θα είναι: τ 2.Μ t  .r 3  τ f 2.Μ t  N  .r 3 (6.3) 2o Κριτήριο επιλογής υλικού: Χαμηλό βάρος Λαμβάνοντας υπόψιν την πυκνότητα του υλικού (ρ) και τη μάζα του κυλίνδρου, η ακτίνα (r) του εκφράζεται από τη σχέση: ρ m m m m   r 2 π.L.ρ V S .L π.r .L (6.4) Με συνδυασμό των σχέσεων (6.3) και (6.4) που εκφράζουν τα δυο κύρια κριτήρια επιλογής του υλικού θα έχουμε: Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 55 τf  N 2.Μ t  m   π.   π.L.ρ  3 π.L3ρ 3 m3  2Μ t (6.5) Από την (6.5), η μάζα του κυλίνδρου μπορεί να εκφραστεί ως γινόμενο τριών ανεξάρτητων συναρτήσεων κάθε μια από τις οποίες αφορά διαφορετικά χαρακτηριστικά της κατασκευής (σχήμα 6.3). m  3 (2.N.M t ) 2 .(3 π .L).( ρ 3 τf 2 ) Παράγοντας (ΙΙΙ) σχετιζόμενος με το υλικό Παράγοντας (Ι) σχετιζόμενος με τα λειτουργικά χαρακτηριστικά Παράγοντας (ΙΙ) σχετιζόμενος με τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά Σχήμα 6.3. Μάζα συμπαγούς κυλίνδρου που θα αναλάβει στρεπτικά φορτία, ως συνάρτηση των λειτουργικών και γεωμετρικών χαρακτηριστικών της κατασκευής, καθώς και των εγγενών χαρακτηριστικών του υλικού. Για δεδομένες απαιτήσεις λειτουργίας και γεωμετρίας της κατασκευής, το βάρος της εξαρτάται μόνο από τα εγγενή χαρακτηριστικά του υλικού και η ελαχιστοποίησή του απαιτεί την ελαχιστοποίηση του παράγοντα ΙΙΙ, η αντίστροφη ποσότητα του οποίου ορίζει το δείκτη απόδοσης υλικού (Ρ), που για το συγκεκριμένο παράδειγμα είναι: τ f2/3  ρ 1 ρ P 3 τf (6.6) 2 Η αξιοποίηση του δείκτη απόδοση υλικού γίνεται με χρήση διαγραμμάτων που είναι γνωστά με τον όρο χάρτες υλικών. Πρόκειται για διαγράμματα, στους λογαριθμικούς άξονες των οποίων είναι τοποθετημένα μεγέθη που σχετίζονται με εγγενή χαρακτηριστικά των υλικών (δυσθραυστότητα-πυκνότητα, συντελεστής φθοράς ολίσθησης-σκληρότητα, μέτρο ελαστικότητας-μηχανική αντοχή, συντελεστής γραμμικής διαστολής-θερμική αγωγιμότητα, κλπ), και τα οποία περιέχουν νησίδες υλικών Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 56 παρόμοιων ιδιοτήτων. Πρόκειται ουσιαστικά για σχηματοποιημένες βάσεις δεδομένων επιλεγμένων ιδιοτήτων υλικών, που υποβοηθούν την επιλογή υλικού μέσα από πληθώρα λύσεων που συμμορφώνονται εξίσου καλά στους αρχικούς περιορισμούς του προβλήματος (σχήμα 6.4). Σχήμα 6.4. Χάρτες συσχέτισης εγγενών χαρακτηριστικών υλικών: (α) δυσθραυστότητα-πυκνότητα, (β) μέτρο ελαστικότητας-μηχανική αντοχή συντελεστής, (γ) θερμική αγωγιμότητα-συντελεστής θερμικής διάχυσης, (δ) συντελεστής γραμμικής διαστολής-θερμική αγωγιμότητα, Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 57 Επανερχόμενοι στο αρχικό παράδειγμα επιλογής υλικού για την κατασκευή συμπαγούς κυλίνδρου που θα αναλάβει στρεπτικά φορτία και από τη σχέση που δίνει το δείκτη απόδοσης υλικού αν λογαρισθμήσουμε τα δυο μέλη της σχέσης (6.6) θα έχουμε: log τ f  3 3 log ρ  log P 2 2 (6.7) Στο αντίστοιχο χάρτη υλικών αντοχής σε στρέψη-πυκνότητας (σχήμα 6.5), η σχέση 6.7 παριστά μια οικογένεια παράλληλων ευθειών με κλίση 3/2 που όλες ικανοποιούν τους περιορισμούς του αρχικού προβλήματος για διαφορετικές τιμές του δείκτη απόδοσης. Οι παράλληλες αυτές καλούνται γραμμές καθοδήγησης σχεδιασμού και όλα τα υλικά που βρίσκονται πάνω σε μια τέτοια γραμμή ικανοποιούν εξίσου καλά το ζητούμενο. Γραμμές καθοδήγησης σχεδιασμού Σχήμα 6.5. Χάρτης υλικών αντοχής σε στρέψη-πυκνότητας. Υλικά που βρίσκονται πάνω από μια συγκεκριμένη γραμμή καθοδήγησης έχουν υψηλότερους δείκτες απόδοσης από αυτά που βρίσκονται χαμηλότερα. Αφού οριστεί λοιπόν από το σχεδιαστή ο επιθυμητός δείκτης απόδοσης υλικού μπορούν τελικά από το χάρτη υλικού να συγκεκριμενοποιηθούν τα υποψήφια υλικά για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Εστω ότι επιλέχθηκε δείκτης απόδοσης (Ρ) 10, από το σχήμα 6.5 προσδιορίζονται τα υλικά που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη συγκεκριμένη κατασκευή: Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 58  Ορισμένα είδη ξύλου  Ορισμένα είδη πολυμερών & συνθέτων υλικών  Βιομηχανικά κεραμικά  Βιομηχανικά κράματα (Αl, Mg, Fe) Για την τελική επιλογή ο μηχανικός, εκτός από τα κύρια κριτήρια, είναι υποχρεωμένος να λάβει υπόψιν του και άλλα κριτήρια, τα οποία ως προφανή δεν περιελήφθησαν στην αρχική διατύπωση του προβλήματος:  Ο άξονας θα πρέπει να είναι δύσθραυστος, έτσι απορρίπτονται τα γυαλιά και τα κεραμικά  Η ελάχιστη αντοχή του άξονα θα πρέπει να είναι για παράδειγμα 300 MPα, έτσι απορρίπτονται το ξύλο, τα πολυμερή, τα κράματα Mg και η πλειοψηφία κραμάτων Al & Fe Λαμβάνοντας υπόψιν τους επιπρόσθετους αυτούς περιορισμούς, η ενδιαφέρουσα περιοχή του χάρτη υλικών περιορίζεται στο σκιασμένο τμήμα του σχήματος 6.6, το οποίο περιλαμβάνει ορισμένους χάλυβες, κράματα Ti, κράματα Al υψηλής αντοχής και σύνθετα με ενίσχυση ινών γυαλιού ή ανθρακονημάτων Σχήμα 6.6. Το σκιασμένο τμήμα του χάρτη περιέχει τις νησίδες υλικών που υπακούουν τόσο στος κύριους όσο και τους δευτερεύοντες περιορισμούς της κατασκευής.. Τέλος, όπως είναι ευνόητο η επιλογή θα γίνει με οικονομικά κριτήρια αφού για καθένα από τα υποψήφια υλικά υπολογιστεί τόσο το κόστος αγοράς της πρώτης ύλης, όσο και το κόστος μορφοποίησης του κάθε υλικού για τη συγκεκριμένης εφαρμογή. Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη 59 8. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. «ASM: Metals Handbook», American Society for Metals, 1999. 2. Ashby M.F., «Materials Selection in Mechanical Design», Butterworth-Heinemann, 1999. 3. Askeland D.R., «The Science and Enineering of Materials», Stanley Thornes Ltd, 1996 (3rd ed.). 4. Broberg K.B., «Cracks and Fracture», Academic Press, 1999. 5. Callister W.D., «Επιστήμη & Τεχνολογία των Υλικών», Τσιόλας, 2004. 6. Courtney T.H., «Mechanical Behaviour of Materials», McGraw-Hill, 1990. 7. Dorlot J.-M., Baïlon J.-P. et Masounave J., «Des Matériaux», Eds. de l’Ecole Polytechnique de Montréal, 1986 (2ème édition). 8. Dowling N.E., «Mechanical Behaviour of Materials: Engineering methods for deformation, fracture & fatigue», Prentice Hall Europe, 1993. 9. Farag M.M., «Materials Selection for Engineering Design», Prentice Hall, 1997. 10. Fontana M.G., «Corrosion Engineering”, McGraw-Hill, 1997 (3rd ed.). 11. François D., Pineau A. et Zaoui A., «Elasticitté et Plasticité», Ed. Hermès, 1992. 12. Hutchings I.M., «Tribology-Friction & wear of engineering materials», Edward Arnold, 1992 (1rd ed.). 13. Jones D.R.H., «Materials Failure Analysis», Pergamon Press, 1993. 14. Shackelford J.F., «Introduction to Materials Science for Engineers», McMillan Publishing Company, 1985. 15. Smith W.F., «Foundations of Materials Science and Engineering», McGraw-Hill, 1993. 16. Stein K. (μετάφραση Μακρής Π.), «Ανάλυση Μηχανολογικών Καταστροφών», Παπασωτηρίου, 1993. 17. Vernon J., «Introduction to Engineering Materials», Palgrave McMillan, 2003 (4th ed.). 18. Zum Gahr K.-H., «Microstructure & wear of materials», Elsevier, 1987. 19. Παντελής Δ., «Μη Μεταλλικά Τεχνικά Υλικά», Παπασωτηρίου, 1995 (1η έκδοση). 20. Χρυσουλάκης Γ. & Παντελής Δ., «Επιστήμη & Τεχνολογία των Μεταλλικών Υλικών», Παπασωτηρίου, 1996 (1η έκδοση). Τμήμα Μηχανολογίας, ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ Πειραιά «ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ: Β. Επιλογή και Αστοχία Υλικών» 6ο εξάμηνο (2012-2013) Δρ. Π. Ψυλλάκη