Ναυπηγικά Υλικά Flashcards
Απαιτήσεις ώστε ένα υλικό να χρησιμοποιείται στη ναυπηγική
(α) υψηλός λόγος αντοχής προς βάρος (σο /ρ)
(β) δυσθραυστότητα (fracture toughness) -ικανότητα του υλικού να απορροφά
ενέργεια παραμορφούμενο πλαστικά, πριν τη θραύση
όσο μεγαλύτερη, τόσο πιο όλκιμο το υλικό (συνήθως επιθυμητό) - HS
(γ) αντοχή σε κόπωση – προοδευτική αύξηση ρωγμών για μικρές τάσεις
(δ)αντοχή σε διάβρωση και σε διάβρωση με μηχανική καταπόνηση που οδηγεί
σε ρωγμάτωση – απώλεια υλικού – ψαθυρή θραύση
(ε) άλλες ιδιότητες
….. π. χ. συγκολλητότητα, κόστος, συντήρηση, ευχέρεια διαμόρφωσης
Είδη χαλύβων
1)κοινοί (mild steels)
φερριτικοί, C 0.23% –πιοδιαδεδομένοι – Mn, Si, S, P
εξαιρετική συγκολλητότητα
2)υψηλής αντοχής (High Strength Steels)
σ ο έως 350ΜPα
προσθήκη Al, Co, V –μείωση παχών –> μείωση βάρους
3) κράματα πολύ υψηλής αντοχής (HSLA)
(Cr, Ni +θερμική κατεργασία) –ειδικές εφαρμογές
Μικροδομή χαλύβων
1)το ποσοστό του C και ο ρυθμός απόψυξης επιδρούν στη μικροδομή – καθορίζει
την αντοχή και σκληρότητα
2)κοινοί χάλυβες – περλιτική μικροδομή
3)βαφή σε νερό και επαναφορά (επαναθέρμανση) –χάλυβες υψηλής αντοχής
Μέθοδοι παρασκευής ναυπηγικών χαλύβων
- ανοικτής φλογοκαμίνου
- βασικής οξυγόνου
- ηλεκτρικής καμίνου
Ποιότητες χαλύβων μετά την αποξείδωση
1)Πλήρως καθησυχασμένος (killed steel)
Τελείως αποξειδωμένος με ομοιογενή δομή
Κατάλληλος για παχιά ελάσματα
Αποξείδωση με προσθήκη στοιχείων όπως Si, Al
2)Περιθωριακός χάλυβας (rimmed steel)
ελάχιστα αποξειδωμένος
για πάχη μέχρι 12,5 mm
δευτερεύουσες κατασκευές στη ναυπηγική
3)ημικαθησυχασμένος χάλυβας (semikilled steel)
λιγότερο αποξειδωτικό από killed
καλύτερη ποιότητα απο τον rimmed
φθηνότερος από τον killed
συνήθης ναυπηγικός χάλυβας
Μη θερμικά κατεργασμένα κράματα αλουμινίου
- Κύριες προσμίξεις Mg, Si, Mn, Fe
- σειρές 1000,3000,4000,5000
- περαιτέρω αύξηση αντοχής με cold working
- πρόκληση ενδοτράχυνσης
- σταθεροποιητική διαδικασία σε σχετικά υψηλή Τ όπου υπάρχει Mg
Θερμικά κατεργασμένα κράματα αλουμινίου
Στάδια θερμικής κατεργασίας
Η αντοχή των κραμάτων οφείλεται στην ύπαρξη στοιχείων όπως Cu, Mg, Zn, Si
1)Διαλυτοποίηση/υπερβαφή (solution heat treatment)
θερμανση με σκοπο την τοποθέτηση των στοιχείων στο στερεό διάλυμα
2)Γρήγορη βαφή (quenching)
συνήθως σε νερό
προσωρινό πάγωμα της σχηματισμένης μικροδομής άρα
εύκολη κατεργασιμότητα για ορισμένο διάστημα
3)Κατακρήμνιση συστατικών (precipitation)
διότι η κατάσταση αυτή δεν είναι σταθερή για Tπεριβάλλοντος<strong> </strong>ή ψηλότερη
4)Γήρανση (aging)
σε Tπεριβάλλοντος και προκύπτει κράμα ισχυρής αντοχής
Σειρά 5000 Αλουμινίου/κράματα 5086,5083
Al+Mg
κράματα μέσης ή υψηλής αντοχής
καλη συγκολλητοτητα
εξαιρετική αντοχή σε διάβρωση
5086
καλή συγκολλητότητα, καλή αντοχή σε διάβρση, καλή κατεργασιμότητα
εφαρμογή σε γάστρα φρακτές κατάστρωμα
5083
υψηλή αντοχή, εξαιρετική αντοχή σε διάβρωση, μέτρια κατεργασιμότητα
εφαρμογές σε κατασκευές υψηλών απαιτήσεων, hydrofoils, αμφίβια σκάφη
Σειρά 6000 Αλουμινιου/κράμα 6061
Mg2Si που επιτρέπει θερμική κατεργασία
καλή κατεργασιμότητα
καλή αντοχή σε διάβρωση
μείωση αντοχής στην περιοχή της συγκόλλησης
6061: ευρείες εφαρμογές , χρήση σε μορφοδοκούς
Αλουμινένια σκάφη
ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ
(σε σχέση με χάλυβα)
1) ελαφρότερη κατασκευή για ίδιες απαιτήσεις
2) μεγαλύτερη αντοχή σε διάβρωση
3) μεγαλύτερος χρόνος ζωής
4) ευχέρεια διαμόρφωσης (χαμηλοτερο Ε)
5)μικρότερο ολικό κόστος
(ακριβότερη ανέγερση, φθηνότερη συντήρηση)
6)ευχάριστη όψη
Αλουμινένια σκάφη
ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ
1) μικρό Ε
2) μικρή αντοχή σε κόπωση
3) μείωση αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες
Ιδιότητες αλουμινίου
Σύγκριση μηχ. ιδιοτήτων με χάλυβα (σο ρ Ε)
Αντοχή σε διάβρωση
Μηχανική διαμόρφωση
Θερμικά χαρακτηριστικά
Κοπή και συγκόλληση
Μηχανικές Ιδιότητες
σο,Al=σο,St
ρAl=1/3ρSt
ΕAl=1/3ESt
πλεονεκτημα σε κρούσεις, μειονέκτημα για παραμορφώσεις
δmax,Al=1.5δmax,St
IAl=3ISt
Αντοχή σε διάβρωση
πολύ καλή λόγω σχηματισμού στρώματος οξειδίων
σε θαλάσσιο περιβάλλον, διάβρωση με βελονισμούς
Θερμικά Χαρακτηριστικά
θερμική αγωγιμότητα kAl=3kSt
θερμική διαστολή αAl=2αSt
Κοπή
οχι με φλόγα (οξείδια έχουν πολύ μεγαλύτερη Τm από το Al)
με τόξο πλάσματος/τόξο βολφραμίου/πριόνι
Συγκόλληση
- *GTAW/GMAW**
- *Προβληματα**: πόροι, μεγάλες παραμορφωσεις, μειωμένη αντοχή στη ΘΕΖ
Γενικά περι Ti
χαμηλό γ 4.5 g/cm3(λίγο περισσότερο απο το μισο του χαλυβα)
υψηλή αντοχή 800MPa (4 φορες του χάλυβα)
ακριβό
εφαρμογές σε Deep Submergence Rescuing Vehicles
Μεταλλουργία Τιτανίου (μορφές του Ti)
2 μορφές Ti α, Ti β (882ο C)
Το καθαρό Τi ειναι πολυ διαδεδομενο και δεν κατεργαζεται θερμικα
(ο μετασχηματισμός από β σε α δεν μπορεί να εμποδιστεί στην ψύξη ανεξάρτητα από την διαδικασία ψύξης)
Προσθήκη στοιχεων που αλλάζουν την θερμοκρασία μετασχηματισμού
Αλφαγόνα: Al, Sn, O/αυξάνουν τη θερ.μετ./μη θερμικά κατεργάσιμα κράματα
Βηταγόνα: Cr, Fe, V, Mo, Mn/μειώνουν τη θερ.μετ./θερμικά κατεργάσιμα κράματα
(με προσθήκη βηταγόνων διατηρείται η φάση β ακόμα και σε θερμοκρασια δωματίου)
Σύγκριση κραμάτων Ti α, Ti β, α+β
Κράματα α
1) Καλή συγκολλητότητα
2) Μη θερμικά κατεργάσιμα
3) Όλκιμα
4) Δυσκολία κοίλανσης
Κράματα β
1) Καλή συγκολλητότητα
2) Θερμικά κατεργάσιμα
3) Καλη μηχανική αντοχή
4) σχετικά ψηλό γ
5) ευκολία κοίλανσης
Κράματα α+β
1) Υψηλή αντοχή
2) Εξαιρετική κατεργασιμότητα
3) θερμικά κατεργάσιμα
Ιδιότητες του Ti / στοιχεία για μελέτη σκαφών από Ti
Μεγαλύτερη αντοχή από Al, St
ρTi=2ρAl=0.6ρSt
ETi=1/2ESt
Υψηλή αντοχή σε διάβρωση
(ειναι πιο καθοδικό από πολλά άλλα υλικά, δημιουργία παθητικού στρώματος οξειδίου που όμως αν διακοπεί η συνέχεια του μπορεί να παρουσιαστεί stress corrosion cracking. Σε ψηλές θερμοκρασίες λειτουργιας πάνω απο 120οC μπορεί να παρουσιαστεί διάβρωση σε κοιλότητες)
Καλή δυσθραυστότητα
(όχι απότομη μετάβαση από ψαθυρη σε όλκιμη συμπεριφορα ως συναρτηση της Τ)
Ανέγερση σκαφων από Ti
1)ακριβό
2) καλή κατεργασιμότητα
* *ΥΠΕΡΠΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑ: ικανότητα ενός υλικού να επιτυγχάνει πολύ μεγάλες επιμηκύνσεις σε εφελκυσμό 200-500% χωρίς θραύση ή δημιουργία λαιμού**
3)Συγκόλληση με GTAW,GMAW,EBW,LBW
προβλήματα: ποροι, μείωση μηχανικών ιδιοτήτων λόγω παρουσίας Ο2
Χαρακτηριστικά των σύνθετων υλικών
- Υψηλή ειδική αντοχή
- Υψηλή ειδική δυσκαμψία
(Παράγοντες που τα κάνουν πρώτη επιλογή σε κατασκευές μικρού βάρους)
3.Υψηλή άντοχη σε:
διάβρωση
κόπωση
κρούση
διάδοση ρωγμών
4.Εύκολη παραγωγή
5.μικρό κόστος συντήρησης
Μειονεκτήματα των σύνθετων υλικών
Υψηλά επίπεδα ερπυσμού
μικρή αντίσταση σε μηχανικές φθορές
ευαίσθητα σε δύσκολες συνθήκες περιβάλλοντος (πχ θαλάσσιο)
υψηλότερο κόστος
Παράγοντες που αποκτούν ολοένα μικρότερη σημασία λόγω της ανάπτυξης νέων τεχνολογιών
Ρητίνες (ειδη)
Θερμοπλαστικές
σκληραίνουν μόνιμα κατά τον πολυμερισμό
διάκριση σε πολυεστερικές, βινυλεστερικές, εποξικές, φαινολικές
Θερμοσκληρυνόμενες
μαλακώνουν σε υψηλές θερμοκρασίες
Ιδιότητες ρητινών
χαμηλό Ε (γύρω στα 3-4 GPa)
χαμηλό γ
shelf life, pot life
shelf life: χρονικό διάστημα που επιτρέπεται η ρητίνη να μείνει στο ράφι (χρονικό διάστημα από την παραγωγή στην κατανάλωση(
pot life: ο χρόνος από την αρχή της χημικής διαδικασίας μέχρι να αποκτήσει μορφή gel οπότε να μην μπορεί να χρησιμοποιηθεί
Πολυεστερικές ρητίνες
1.ευρεία χρήση
2. χαμηλό κόστος, εύκολη χρήση
3. 6-12 μήνες shelf life, λίγα λεπτά με μερικές ωρες pot life
4.εξώθερμη διαδικασία πολυμερισμού:
οι θερμοκρασίες μπορουν να οδηγήσουν σε θερμικές (άρα και παραμένουσες) τάσεις που μπορούν να προκαλέσουν στρέβλωση
5. καταστροφή της κατασκευής σε ανεξέλεγκτα ψηλές θερμοκρασίες
6. έλεγχος ιξώδους με προσθήκη fillers
7.Διάκριση σε:
α.ορθοφθαλικές ($, μικρά σκάφη)
β.ισοφθαλικές ( $$, καλυτερες ιδιότητες)
Βινυλεστερικές ρητίνες
- εξώθερμη σκλήρυνση
- καλύτερη αντίσταση (σε σχέση με τις πολυεστερικές) σε νερό και οξέα
- καλύτερη συμπεριφορα σε κρούση και κόπωση
- πιο όλκιμες
- πιο ακριβές
Εποξικές ρητίνες
- Καλύτερη αντίσταση σε νερό και χημικά (βαφές αδιαβροχοποίησης)
- καλύτερες μηχανικές ιδιότητες
- ανάγκη επιβολής αυξημένης θερμοκρασίας για πολυμερισμό: αυτοματοποιημένες μέθοδοι παραγωγής
- Υψηλό κόστος
Φαινολικές ρητινες
1.εξαιρετική συμπεριφορά σε φωτιά
(υψηλό Τανάφλεξης , μικρή διάδοση φλόγας, χαμηλή εκπομπή καπνού, διατήρηση αντοχής και δυσκαμψιας σε υψηλές Τ)
- χρήση σε καταστρωματα και φρακτές
- μεγάλη απορρόφηση νερού άρα μικρή μακροπρόθεσμη ανθεκτικότητα
- καλές μηχανικές ιδιότητες
- κόστος λίγο μικρότερο από των ισοφθαλικών πολυεστέρων
Ινες γυαλιού
διάμετρος 4-20 μm/ νήματα 200 ινών
μορφές:
υαλοπίλημα
πλεξίδες νημάτων
υφάσματα πυκνής πλέξης
μονοαξονικά υφάσματα
Υαλοπίλημα
τυχαια διατεταγμένα νήματα γυαλιού μικρού μήκους
χαλαρό ύφασμα με επιφανειακό βάρος 300-900 g/m2
Υαλούφασμα
πλεξίδες νημάτων πλεγμένες κάθετα μεταξύ τους
Μορφή πλέξης: Balanced: ίδιος αριθμός νημάτων στις 2 διευθύνσεις
Biased: αλλιώς
επιφανειακό βάρος 200-900 g/m2
Υφάσματα πυκνής πλέξης
από νήματα με περιστροφή
επιφανειακό βάρος 200-340 g/m2
χρήση σε κατασκευές ψηλών απαιτήσεων
Μονοαξονικά και πεπλεγμένα υφάσματα
Μονοαξονικά: ίνες σε 1 διεύθυνση.
Στην κάθετη είτε υπάρχουν λίγες για να συγκρατούν τις αξονικές ή άλλες που εν τέλει θα διαλυθούν.
Ενίσχυση πλώρης και center line
Πεπλεγμένα υφάσματα:
ενίσχυση και στη διεύθυνση του πάχους άρα
καλύτερη αντοχή στον αποχωρισμό των ινών
πιο σπάνια λόγω κόστους, εφαρμογές στην αεροναυπηγική
Ινες άνθρακα/γραφίτη
1.ακριβές ( £20-£3200/kg)
2.Διάκριση σε υψηλής αντοχής (HS) και υψηλού Ε (HM)
3. Αντοχή 1500-4500 MPa
3.Ινες γραφίτη [C]>99%, Ίνες άνθρακα 80%<[C]<95%
4.πολυ εξειδικευμένες εφαρμογές
5.διαθέσιμες ως νήματα, πλεξίδες, υφάσματα πυκνής πλέξης και λωρίδες
Ίνες Aramid
Kevlar
χαμηλή αντοχή σε θλίψη και κάμψη
καλή απόσβεση κραδασμών άρα χρήση σε δυναμικά φορτιζόμενες κατασκευές
Pre Preg
Έτοιμες εμποτισμένες ίνες που απαιτούν ψύξη. Όταν θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε το απαραίτητο κομμάτι, το ψήνουμε (είναι εποξική η ρητίνη)
Η προεμπότιση προλαμβάνει λάθη που μπορούν να γίνουν κατά τον εμποτισμό
Κατασκευές Sandwich
2 λεπτά περιβλήματα από FRP κολλημένα εκατέρωθεν ενός πολύ παχύτερου και ελαφρύτερου πυρήνα
Σκοπός: αύξηση δυσκαμψίας με αύξηση παχους χωρις μεγάλη αύξηση βάρους
Ρόλος πυρήνα σε κατασκευές sandwich
κρατά σε απόσταση τα περιβλήματα και μεταφέρει διατμητικές τάσεις
Υλικά πυρήνα sandwich
Φυσικά: ξύλο balsa
(αποτελεσματικό και φθηνό, Ε ↑, γ↓, αντοχή δεσμών ↑, πρόβλημα με το σάπισμα λόγω απορρόφησης υγρού)
Τεχνητά: αφρώδεις και κυψελώδεις πυρήνες
(Διαφορά ανοιχτής και κλειστής κυψέλης: στην κλειστη το νερό που εισέρχεται δεν προκαλεί μεγάλη βλάβη γιατί η ζημια δεν προχωρα)
αφρος PVC, αφρός PU, Συντακτικοί αφροί, ABS/PMI/PEI/PES/
Εφαρμογές sandwich
εξασφάλιση καλού δεσμού περιβλημάτων-πυρήνα άρα πιο δύσκολη κατασκευή από τα απλά πολύστρωτα
για μεγαλες επιπεδες επιφανειες και επιφανειες βαδισματος
Διαφορετικά χαρακτηριστικά συνθετων από τα συμβατικά ανισοτροπικά υλικά
(συμπεριφορά σε ορθή και διατμητική ταση, διαφορά στην αστοχία)
σε ορθη τάση έχουμε επιμήκυνση/σμίκρυνση αλλά και γωνία
σε διατμητική τάση έχουμε γώνία αλλά και επιμήκυνση/σμίκρυνση
Αστοχία:
σταδιακός τροπος αστοχίας (στα πολυστρωτα καθε φορα αστοχει μια στρωση, ενω στα μεταλλικα καταρρεει ολη η κατασκευη)
δεν υπάρχει μετάβαση απο ελαστική σε πλαστική συμπεριφορά, εχουν ελαστική συμπεριφορά μέχρι τη θραύση
διαφορετικές ιδιότητες σε εφελκυσμό, θλίψη, κάμψη (διαφορετικό Εtension,Ecompression)
Παράγοντες που επηρεάζουν τις ιδιότητες των σύνθετων υλικών
1.Ιδιότητες ινών και ρητίνης
- Μέθοδος κατασκευής
- σε προηγμένες έχουμε μικρες μεταβολές ιδιοτήτων ενω σε απλές μεγάλη μεταβλητότητα)
- συνθήκες αποθήκευσης 1ων υλών
- ρυθμός στερεοποίησης
- θερμοκρασία και υγρασία - ανθρώπινος παράγοντας
- επιδεξιότητα τεχνίτη
- ευθυγράμμιση ινών
- κακή κατανομή ρητίνης
- κενά αέρα/πτύχωση στρώσεων (τοπικά απότομη αλλαγή της ακαμψίας, σημείο συγκέντρωσης τάσεων)
- ξένα εγκλείσματα
- αποχωρισμός στρώσεων
