MATERIAŁY POMOCNICZE DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Z PRZEDMIOTU „NAUKA O MATERIAŁACH” W ZAKRESIE DOTYCZACYM WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH MATERIAŁÓW CERAMICZNYCH DLA STUDENTÓW I ROKU WYDZIAŁU INŻYNIERII MECHANICZNEJ I ROBOTYKI Wstęp Wszystkie ciała pod wpływem przyłożonych do nich zewnętrznych sił odkształcają się. W przypadku, gdy siły są niewielkie materiał ulega stopniowemu odkształceniu - wydłużeniu lub kurczeniu, proporcjonalnemu do przyłożonej siły. Po odjęciu siły próbka odzyskuje swoje pierwotne rozmiary. Takie odkształcenie o odwracalnym charakterze nazywa się sprężystym . W zakresie niewielkich odkształceń wszystkie ciała zachowują się podobnie, z tym jednak, że wielkość odkształcenia wywołana przez dane naprężenie jest różna dla różnych ciał. Występowanie różnych rodzajów naprężeń i odkształceń powoduje, że dla określenia sprężystości ciał trzeba stosować różne stałe proporcjonalności (stałe materiałowe). W zakresie, w którym naprężenie jest wprost proporcjonalne do odkształcenia, zależność pomiędzy naprężeniami normalnymi lub ścinającymi i odpowiadającymi im odkształceniami wyraża prawo Hooka: E s e = × (1) G t g = × (2) gdzie: E - moduł sprężystości, G - moduł ścinania (lub moduł sztywności), e – odkształcenie normalne, g – odkształcenie styczne, s – naprężenie normalne, t – naprężenie styczne. Rys. I. Zależność odkształcenia od obciążenia dla różnych rodzajów ciał stałych: I — odkształcenie sprężyste, II — odkształcenie plastyczne Podczas jednoosiowego rozciągania idealnie sprężystego izotropowego ciała stałego, obok wydłużenia wzdłuż osi działania naprężeń, występuje również skurcz poprzeczny, który stanowi składową część odkształcenia ciała. Jeśli odkształcenie w kierunku działania naprężenia równe jest e, to odkształcenie w kierunku poprzecznym wyniesie - ne. Ujemny znak oznacza, że odkształcenia podłużne i poprzeczne mają przeciwny znak (wydłużenie i skurcz). Stała materiałowa v jest nazywana liczbą Poissona i podobnie jak E lub G zależy od rodzaju i struktury ciała. Istotne różnice między ciałami występują przy większych naprężeniach. Na Rys. I przedstawiono zależność odkształcenia od naprężenia dla rozmaitych ciał. Odkształcenia wielu tworzyw
(…)
…. Makroskopowe odkształcenie kryształu wywołane
jest więc zmianą odległości międzyatomowych w tym samym kierunku.
170
90
0
wiązanie kowalencyjne (diament)
-90
wiązanie jonowe (NaCl)
-170
-250
-330
-420
-500
-700
0,25
0,5
1,0
1,5
2,0
Odległość międzyatomowa r, nm
2,5
Rys. III. Modele energetyczne powstawania wiązań jonowego i kowalencyjnego
Energie i siły występujące pomiędzy atomami tworzącymi poszczególne rodzaje wiązań można
zobrazować za pomocą modeli energetycznych. Na Rys. III przedstawiono model energetyczny
powstawania wiązania jonowego i wiązania kowalencyjnego. Model energetyczny wiązania
metalicznego jest podobny do wiązania kowalencyjnego.
Charakter zmienności funkcji energii potencjalnej związany jest z rodzajem wiązań. Im mocniejsze
jest wiązanie, tym „niecka” energii potencjalnej jest głębsza…
… naładowanym „gazem
elektronowym", wiązania te nie są zlokalizowane. Inaczej jest w materiałach ceramicznych. Dzięki
wiązaniom kowalencyjnym (diament, karborund) czy kowalencyjno-jonowym (korund) ich sieć
krystaliczna stawia bardzo silny opór przemieszczającym się dyslokacjom. W przypadku
zlokalizowanych wiązań kowalencyjnych konieczne jest ich zerwanie i odtworzenie. W przypadku
wiązań jonowych poślizg…
… Co,
**)
wartości zależą od składu i rodzaju wprowadzonych do stali dodatków,
Moduł Younga
[GPa]
360-390
Odporność na
kruche pękanie
0,5
[MPa m ]
3,4-5,6
6,5-8
160-220
3,8-5
10-15
70
340-450
0,6
3-4,5
21
1000
540-610
124
69
190-210
3,4
5,5
5,3
7-28
7-8
100
350
150
0,9-1,4
Efektywna energia powierzchniowa jest w istocie efektywną energią pękania. Wystąpieniu zjawisk,
które składają się na efektywną energię pękania…
…, gdzie dekohezja występuje dopiero przy dużych
odkształceniach (krzywa OAF na Rys. I). W przypadku ciągliwych polikrystalicznych metali o strukturze
regularnej płasko centrowanej zniszczenie plastyczne jest wynikiem zmniejszenia przekroju czynnego
materiału wskutek odkształcenia plastycznego (rys. IV). Zdolność do nieulegania dekohezji wskutek
zniszczenia kruchego nazywa się też ciągliwością lub odpornością…
…
r0
r
st
P =sz =
Egr
4cr0
(6)
Z dotychczasowych rozważań wynika, że już przy niedużych obciążeniach trudno jest unikać
tworzenia się i/lub rozwijania pęknięć o wymiarze krytycznym w materiale. W związku z tym istotne
znaczenie ma pojęcie odporności na kruche pękanie (ciągliwości materiału), która jest miarą energii
pochłanianej przez materiał przy rozwijaniu się pęknięć. Im większa jest ta energia…
… drugiej fazy; g) materiały wzmacniane przez włókna drugiej
fazy; h) laminaty; i) materiały o wydłużonych ziarnach; j) nanolaminaty
Twardość
Twardość można określić jako miarę odporności materiału na odkształcenia trwałe (plastyczne)
powstające w wyniku wciskania wgłębnika. Materiały ceramiczne, takie jak korund (Al203), karborund
(SiC) i diament (C), należą do najtwardszych ciał stałych, można nimi ciąć…
... zobacz całą notatkę
Komentarze użytkowników (0)