ΕΤΥ-349 ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ€¦ · Οι...

ΕΤΥ-349ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ

ΥΛΙΚΩΝ

Χειμερινό εξάμηνο ακαδημαϊκού έτους 2017-2018

Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογία Υλικών, Πανεπιστήμιο Κρήτης

Διδάσκων: Βασίλης Παλτόγλου

email: vaspal@physics.uoc.gr

Γραφείο: Ε.116, κτήριο Μαθηματικών

Τηλ.: 2810-394288

ΓΕΝΙΚΕΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ

Επιθυμητά Προαπαιτούμενα:ΕΤΥ-101 Γενική Φυσική Ι, ΕΤΥ-122 Οργανική Χημεία, ΕΤΥ-223 Ανόργανη Χημεία, ΕΤΥ-141 Υλικά Ι, ΕΤΥ-243 Υλικά ΙΙ.

Διδακτικές ώρες: 12x3 διαλέξεις

Ώρες διδασκαλίας : κάθε Δευτέρα 17.00-20.00, αίθουσα: A210 , κτήριο Μαθηματικών

Ώρες γραφείου: κάθε Πέμπτη 15:00-17:00

Ε.116, κτήριο Μαθηματικών

Τρόπος Εξέτασης και Βαθμολογίας:

Προαιρετική εξέταση προόδου (30%)

Υποχρεωτική τελική εξέταση (70% αν ο βαθμός της είναιμικρότερος από το βαθμό της προόδου ή 100% αν ο βαθμός της είναι καλύτερος από το βαθμό της προόδου).

Βιβλιογραφία:

o Σημειώσεις - διαθέσιμες μετά από κάθε μάθημα στην ιστοσελίδα

https://www.materials.uoc.gr/el/undergrad/courses/ETY349/

o W. D. Callister, “Επιστήμη και Τεχνολογία των Υλικών", ΕκδόσειςΤζιολα (2008).

o N. E. Dowling, "Mechanical Behavior of Materials: Engineering Methods for Deformation, Fracture and Fatigue", Prentice Hall, 4thedition.

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Μηχανήματα, οχήματα και κατασκευές - ασφαλή, ανθεκτικά, να διαρκούν.

Τα υλικά εκτίθενται σε εξωτερικά ερεθίσματα -> προκαλούν απόκριση.

Ιδιότητα ενός υλικού - εκφράζει είδος και μέγεθος απόκρισης σε ερέθισμα

Μηχανικές ιδιότητες - συσχετίζουν παραμόρφωση με ένα ασκούμενο φορτίο η

δύναμη

Θερμικές ιδιότητες – περιγράφονται από θερμοχωρητικότητα, ειδική θερμική

αγωγιμότητα

Σχέσεις δομών - ιδιοτήτων των υλικών - Επιστήμη υλικών

Σχεδίαση και τεχνολογία σχεδίασης της δομής του υλικού - Τεχνολογία υλικών

2.ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΑΣΤΟΧΙΑΣ

Fuselage failure in the air

Damage by birdstrike

Crash-Test δυο τρένων

Σιδηροδρομικές ράγες μετά από σεισμό

Παραμόρφωση λόγω θερμικής διαστολής

Αστοχία εξέδρας εξόρυξης πετρελαίου

Αστοχία ανεμογεννήτριας

NASA Space Shuttle Challenger disasterJanuary 28, 1986

Ναυάγιο Τιτανικού 1912

3. ΑΤΟΜΙΚΗ ΔΟΜΗ

3.1 ΑΤΟΜΙΚΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΤΟΥ BOHR

τροχιά

ηλεκτρόνιο

πυρήνας

Ατομικό πρότυπο του Bohr

Πυρήνας – πρωτόνια ( + e )- νετρόνια (ηλεκτρικά ουδέτερα)

𝑒 = 1.60 × 10−19𝐶 – στοιχειώδες φορτίο

Αρχή κβαντομηχανικής - οι ενέργειες των ηλεκτρονίων είναι κβαντισμένες

𝑚𝑝 ≅ 𝑚𝑛 = 1.66 × 10−27𝑘𝑔 ≫ 𝑚𝑒 = 9.11 × 10−31𝑘𝑔

Ηλεκτρόνια (-e)

-περιστρέφονται γύρω από τον

πυρήνα σε διακριτές τροχιές

– θέση καλά καθορισμένη

Bohr κυματομηχανική

Άτομο του υδρογόνου

Το ηλεκτρόνιο - χαρακτηριστικά σωματιδίου και κύματος

Η θέση του ηλεκτρονίου περιγράφεται από την πιθανότητα να βρεθεί σε διάφορες περιοχές γύρο από τον πυρήνα

3.2 ΠΡΟΤΥΠΟ ΤΗΣ ΚΥΜΑΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ

Κάθε ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο χαρακτηρίζεται με 4 κβαντικούς αριθμούς:

o Κύριος κβαντικός αριθμός, n– προσδιορίζει την στιβάδα, απόσταση ηλεκτρονίου- πυρήνα- K (n=1), L(n=2), M(n=3), N(n=4), O(n=5)- σχετίζεται και με το πρότυπο Bohr

o Δεύτερος κβαντικός αριθμός, l– προσδιορίζει την υποστιβάδα- s, p, d, f - ο αριθμός των υποστιβάδων l < n

o Τρίτος κβαντικός αριθμός, 𝑚𝑙

- αριθμός καταστάσεων (states) κάθε υποστιβάδας- απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου -> οι καταστάσεις κάθε

υποστιβάδας είναι ίδιες- εξωτερικό μαγνητικό πεδίο -> οι καταστάσεις κάθε υποστιβάδαςδιαχωρίζονται με ελαφρώς διαφορετική ενεργεία

- −𝑙 < 𝑚𝑙 < 𝑙

o Τέταρτος κβαντικός αριθμός, ms

- στροφορμή αυτοπεριστροφής (spin)- +1/2, -1/2

Ο αριθμός των διαθέσιμων ηλεκτρονιακών καταστάσεων

n l ml ΑριθμόςΑνά υποστιβαδα

ηλεκτρονίωνΑνά στιβαδα

1 (K) 0 (s) 0 2 2

2 (L) 0 (s)1 (p)

0-1, 0, 1

26

8

3 (M) 0 (s)1 (p)2 (d)

0-1, 0, 1

-2, -1, 0, 1, 2

2610

18

4 (N) 0 (s)1 (p)2 (d)3 (f)

0-1, 0, 1

-2, -1, 0, 1, 2-3, -2, -1, 0 1, 2, 3

261014

32

Η απαγορευτική αρχή του Pauli: κάθε ενεργειακή κατάσταση μπορεί να έχει το πολύ δυο ηλεκτρόνια, με αντίθετα spin.

Δεν γεμίζουν όλες οι δυνατές στάθμες με ηλεκτρόνια.

Τα ηλεκτρόνια συμπληρώνουν τις χαμηλότερες ενεργειακές καταστάσεις με δυο ηλεκτρόνια αντίθετου spin

Ηλεκτρόνια σθένους - στην εξωτερική κατειλημμένη στιβάδα(valence electron) -λαμβάνουν μέρος στους ατομικούς δεσμούς

-καθορίζουν τις φυσικές και χημικές ιδιότητες

Σταθερή ηλεκτρονιακή διαμόρφωση - η στιβάδα των ηλεκτρονίων σθένουςείναι εντελώς συμπληρωμένη.

Τα στοιχειά που είναι ικανά να δώσουν/δέχονται λίγα ηλεκτρόνια σθένους -ηλεκτροθετικά/ηλεκτροαρνητικά

Ο ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ

Όλα τα στοιχεία έχουν ταξινομηθεί κατά αυξανόμενο ατομικό αριθμό.

Τα στοιχεία που βρίσκονται σε μια δεδομένη στήλη η ομάδα έχουν την ίδια διαμόρφωση ηλεκτρονίων σθένους και ίδιες φυσικές και χημικές ιδιότητες.

Ο ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ

Η ηλεκτροαρνητικότητα αυξάνεται από αριστερά στα δεξιά και από κάτω προς τα πάνω.

4. ΠΡΩΤΕΥΟΝΤΕΣ/ΚΥΡΙΟΙ ΔΕΣΜΟΙ ΜΕΤΑΞΥ ΑΤΟΜΩΝ

4.1 Μεταλλικός δεσμός ( Metallic bond )

Μέταλλα και κράματα τους - 1, 2, 3 ηλεκτρόνια σθένους (ομάδες ΙΑ, ΙΙΑ)

Τα ηλεκτρόνια σθένους - δεν συνδέονται με κάποιο συγκεκριμένο άτομο- είναι σχεδόν ελεύθερα - μοιράζονται μεταξύ πολλών ατόμων - νέφος (η θάλασσα) ηλεκτρονίων

Μπορεί να είναι ασθενής η ισχυρός

Συνέπεια των ελεύθερων ηλεκτρονίων -> καλοί αγωγοί ηλεκτρισμού και θερμότητας

Μη κατευθυντικός

κεραμικά υλικά

ενώσεις μεταξύ μετάλλων και αμετάλλων

τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται από ένα άτομο σε άλλο– άτομα μέταλλων δίνουν τα ηλεκτρόνια σθένους στα άτομα αμετάλλων

Όλα τα άτομα αποκτούν σταθερή διαμόρφωση

Όλα τα άτομα μετατρέπονται σε ιόντα

4.2 Ιοντικός δεσμός ( Ionic bond )

Ελκτικές δυνάμεις Coulomb – τα θετικά και αρνητικά ιόντα έλκονταιμεταξύ τους

Μη κατευθυντικός – το μέγεθος των δυνάμεων δεσμού ίδιο σε όλες τις κατευθύνσεις γύρω από το ιόν

Τα ιοντικά υλικά είναι σκληρά και εύθραυστα, με μονωτικές ηλεκτρικές και θερμικές ιδιότητες

τα ηλεκτρόνια μοιράζονται μεταξύ δύο ατόμων

Κατευθυντικός – υπάρχει μόνο στη διεύθυνση μεταξύ των ατόμων που συμμετέχουν στο μοίρασμα ηλεκτρονίου

Ο αριθμός ομοιοπολικών δεσμών για ένα άτομο καθορίζεται από τον αριθμό ηλεκτρονίων σθένους

4.3 Ομοιοπολικός δεσμός ( Covalent bond )

Μπορεί να είναι πολύ ασθενής (βισμούθιο) η πολύ ισχυρός (διαμάντι)

Πολυμερικά υλικά – μακριά αλυσίδα ατόμων άνθρακα ομοιόμορφα συνδεμέναμαζί, με 2 από τους 4 διαθέσιμους δεσμούς

- οι άλλοι 2 δεσμοί – ομοιοπολικά συνδεμένα με άλλα άτομα

4.4 ΔΕΥΤΕΡΕΥΟΝΤΕΣ ΔΕΣΜΟΙ

Δεσμος Van der Waals- μεταξύ μορίων που είναι ομοιοπολικά συνδεμένα σε μοριακές δομές- έλξη Coulomb μεταξύ θετικού και αρνητικού άκρου διπόλου- πολύ ασθενείς δεσμοί

Δεσμός Υδρογόνου- Μεταξύ μορίων που έχουν υδρογόνο σαν ένα από τα συστατικά τους

+ -+ -

Δεσμός Van der Waals Δεσμός Υδρογόνου

ΕΝΕΡΓΕΙΕΣ ΔΕΣΜΩΝ & ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ ΤΗΞΗΣ

Τύπος δεσμού ΟυσίαΕνέργεια δεσμού

(kJ/mol ) (eV/άτομο, ιόν, μόριο)

Θερμοκρασία τήξης ( ⁰C)

Μεταλλικός Hg 68 0.7 -39

Al 324 3.4 660

Fe 406 4.2 1538

W 849 8.8 3410

Ιοντικός NaCl 640 6.6 801

MgO 1000 10.4 2800

Ομοιοπολικός Si 450 4.7 1410

Cδιαμάντι

713 7.4 >3550

Van der Waals Ar 7.7 0.08 -189

Cl2 31 0.32 -101

Υδρογόνου NH3 35 0.36 -78

H2O 51 0.52 0

ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΥΛΙΚΩΝ

Με βάση τη χημική σύσταση και την ατομική δομή:

Μέταλλα - συνήθως συνδυασμοί μεταλλικών στοιχείων

- μεγάλη αντοχή

- παραμορφώνονται εύκολα

- ευρεία χρήση στις κατασκευές

Κεραμικά - ενώσεις μεταξύ μεταλλικών και μη μεταλλικών στοιχείων

(οξείδια, νιτρίδια, καρβίδια)

- σκληρά

- πολύ εύθραυστα.

Πολυμερή - περιλαμβάνουν πλαστικά και ελαστικά υλικά

- πολλά από αυτά είναι οργανικές ενώσεις

- έχουν πολύ μεγάλες μοριακές δομές

- μπορεί να είναι εξαιρετικά εύκαμπτα.

o Σύνθετα υλικά, ημιαγώγιμα υλικά, βιοϋλικά, προηγμένα υλικά ( εφαρμογές υψηλής τεχνολογίας)

5. ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΕΣ ΔΟΜΕΣ

Κρυσταλλικό στερεό - τα άτομα σε επαναλαμβανόμενη ή περιοδική διάταξη για

μεγάλες ατομικές αποστάσεις - τάξη μακράς εμβέλειας

Όλα τα μέταλλα, πολλά κεραμικά κι ορισμένα πολυμερή

Σημαντικές διαφορές μεταξύ κρυσταλλικών και μη κρυσταλλικών υλικών της ίδιας σύστασης

Μοντέλο των ατομικών σκληρών σφαιρών

- τα άτομα και ιόντα θεωρούνται ως στερεές σφαίρες με καλά

καθορισμένες διαμέτρους

- οι γειτονικές σφαίρες βρίσκονται σε επαφή

Μοναδιαίες κυψελίδες – μικρές ομάδες ατόμων που σχηματίζουν ένα

επαναλαμβανόμενο μοτίβο

5.1 ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΕΣ ΔΟΜΕΣ ΓΙΑ ΜΕΤΤΑΛΑ

5.1Α ΕΔΡΟΚΕΝΤΡΩΜΕΝΗ ΚΥΒΙΚΗ ΔΟΜΗ - FACE-CENTERED CUBIC (FCC)

- Κυβική μοναδιαία κυψελίδα με 8/8+6/2 = 4 άτομα

- 8 άτομα τοποθετημένα στις 8 κορυφές + 1 άτομο στο κέντρο της κάθε έδρας του κύβου

-Χαλκός, Αλουμίνιο, Άργυρος, Χρυσός

5.1Β ΧΩΡΟΚΕΝΤΡΩΜΕΝΗ ΚΥΒΙΚΗ ΔΟΜΗ - BODY-CENTERED CUBIC (BCC)

- Κυβική μοναδιαία κυψελίδα με 8/8+1 = 2 ατομα

- 8 άτομα τοποθετημένα στις 8 κορυφές + 1 άτομο στο κέντρο του κύβου

- Σίδηρος, Χρώμιο, Μολυβδαίνιο, Βολφράμιο

5.1Γ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΕΞΑΓΩΝΙΚΗ

HEXAGONAL CLOSE-PACKED (HCP)

- Εξαγωνική μοναδιαία κυψελίδα με ? άτομα

-

- Κάδμιο, Κοβάλτιο, Τιτάνιο, Ψευδάργυρος

5.2 Κρυσταλλικές δομέςγια κεραμικά υλικά

5.3 Κρυσταλλικές δομές για πολυμερή

Διάταξη των μορίων σε μια μοναδιαία κυψελίδα πολυαιθυλενίου

SiO2

(silica)

Μονοκρύσταλλος - η περιοδική διευθέτηση των ατόμων εκτείνεται σε όλο

το σύνολο του δείγματος χωρίς διακοπή

Μη κρυσταλλικά/άμορφα υλικά υλικά που δεν κρυσταλλώνονται

Πολυκρυσταλλικά υλικά σύνολο πολλών μικρών κρυστάλλων η κόκκων

6. ΑΤΕΛΕΙΕΣ ΤΩΝ ΣΤΕΡΕΩΝ

6.1 Σημειακές ατέλειες

- κενή θέση - κενή πλεγματική θέση η οποία κανονικά καταλαμβάνονταν από ένα άτομο που τώρα απουσιάζει

- ο αριθμός των κενών θέσεων αυξάνεται με την θερμοκρασία

Αυτοπαρεμβολή

Κενή θέση

Νv /Ν (T ≈Tm ) ~ 10-4

Οι ιδιότητες των υλικών επηρεάζονται σημαντικά από την παρουσία ατελειών

- Άτομο του κρυστάλλου μέσα σε μιαδιαπλεγματική θέση

Προσμίξεις στα στερεά, κράματα

Υποκαταστατικά Διαπλεγματικά

Οι μηχανικές ιδιότητες καθαρών μετάλλων υφίστανται σημαντικές διαφοροποιήσεις όταν κραματοποιούνται (όταν προστίθενται άτομα πρόσμιξης)

(π.χ. το κράμα αργύρου τύπου sterling (92.5% άργυρος – 7.5% χαλκός) είναι πολύ πιο σκληρό από τον καθαρό άργυρο)

6.2 Διαταραχές (Dislocations) - Γραμμικές ατέλειες

Γραμμή διαταραχής ακμής

Διάνυσμα Burgersb

Διαταραχή – γραμμική ή μονοδιάστατη ατέλεια γύρω από την οποία τα άτομα είναι κακοευθυγραμμισμένα

Ελικοειδής διαταραχή Μεικτή διαταραχή

Γραμμήδιαταραχής

Διεπιφανειακές ατέλειες

Διδυμιες

Επιπεδο διδυμιας

- όρια τα οποία έχουν δυο διαστάσεις και κανονικά διαχωρίζουν περιοχές των υλικών που έχουν διαφορετικές κρυσταλλικές δομές ή διαφορετικούς κρυσταλλογραφικούς προσανατολισμούς

- εξωτερικές επιφάνειες, διαχωριστικά όρια κόκκων , διδυμίες

Διαχωριστικά όρια κόκκων

Ατέλειες όγκου η κύριας μάζας

Πόροι Ρωγμές

Ξένα εγκλείσματα