Η τεχνολογία υλικών ως μάθημα ειδικής υποδομής έχει ως στόχο . Να εισάγει τους φοιτητές στις βασικές αρχές της επιστήμης και της Τεχνολογίας των Υλικών. Τη κατανόηση της σημασίας της σωστής επιλογής ενός υλικού ανάλογα με τις κατασκευαστικές ανάγκες ,τον σχεδιασμό των εξαρτημάτων και των μηχανολογικών κατασκευών. Για το σκοπό στις πρώτες διαλέξεις γίνεται μια εισαγωγή στην επιστήμη των υλικών και συνδυάζεται η μικροσκοπική και μακροσκοπική δομή των Μηχανολογικών υλικών με τις ιδιότητες τους και κυρίως με τη μηχανική τους συμπεριφορά, Επίσης εξετάζονται οι βασικές αρχές και μηχανισμοί αστοχίας των υλικών.
Στις απομένουσες 7 διαλέξεις το μάθημα ασχολείται με εξειδικευμένες κατηγορίες υλικών όπως:
(α) τα σιδηρούχα κράματα (ανθρακούχοι χάλυβες, χαλυβοκράματα ,ανοξείδωτοι χάλυβες, χυτοσίδηροι) οι θερμικές και οι επιφανειακές κατεργασίες- χρήση διαγραμμάτων θερμικών κατεργασιών
(β) Μη σιδηρούχα κράματα (ελαφρά μέταλλα ,κράματα διαφόρων μέταλλων , αντίστοιχες θερμικές κατεργασίες.
(γ) κεραμικά υλικά ,βασικές αρχές των μηχανολογικών κεραμικών
Κατά τη διάρκεια των ασκήσεων πράξης 1 ώρας/εβδ επιλύονται ασκήσεις (απλές εφαρμογές) ,η υπό μορφή μικρών περιπτωσιολογικών μελετών. Η διαδικασία αυτή βοηθά τους φοιτητές στην καλύτερη εμπέδωση της ύλης.
Στο εργαστήριο ο φοιτητής εμπεδώνει σε πρακτικό μαθησιακό επίπεδο τις διάφορες ενότητες της θεωρίας σε ενότητες όπως:
(α) Μικροσκοπικός έλεγχος της δομής των υλικών-Χρήση οπτικού μεταλλουργικού μικροσκοπίου
(β) Μακροσκοπικός έλεγχος-σημασία σε σχέση με την διάγνωση ςτης αστοχίας κλπ
(γ)Μέτρηση θερμικής αγωγιμότητας υλικών
(δ) Μέτρηση της σκληρότητας των υλικών (χρήση σκληρόμετρων)
(ε)Μέθοδοι μη καταστρεπτικού ελέγχους των υλικών
(στ) Θερμικές κατεργασίες χαλύβων
Με την ολοκλήρωση του μαθήματος ο φοιτητής /τρια είναι σε θέση να:
- Να κατανοήσει τη επιλογής των κατάλληλων υλικών για μια μηχανολογική κατασκευή.
- Να γνωρίζει τη συσχέτιση δομής μηχανικής συμπεριφοράς των υλικών.
- Να γνωρίζει τους βασικούς μηχανισμούς αστοχίας των υλικών
(Απότομη Θραύση (Fast fracture), Κόπωση (fatigue),αστοχία λόγω υψηλών θερμοκρασιών (Creep),μηχανισμοί διάβρωσης(corrosion)
- Να γνωρίζει τις βασικές κατηγορίες μεταλλικών κυρίως υλικών(κυρίως χάλυβες-χαλυβοκράματα- κράματα αλουμινίου-αλλά μη σιδηρούχα μεταλλικά υλικά) και κεραμικών που χρησιμοποιούνται στις μηχανολογικές εφαρμογές.
- Να γνωρίζει βασικά στοιχεία από την τεχνολογία πλαστικών(Κυρίως δομή ,μηχανική συμπεριφορά )
Να γνωρίζει τη βασική δομή και τις δοκιμασίες που γίνονται στο εργαστήριο ελέγχου ποιότητας μηχανολογικών υλικών
Α: Θεωρητική διδασκαλία
- Εισαγωγή στην Επιστήμη και την Τεχνολογία των Υλικών
- Τα μηχανολογικά υλικά και οι ιδιότητες τους
- Δεσμοί μεταξύ των ατόμων(Περιληπτικά ,δίνεται έμφαση στή σημασία των δεσμών σε σχέση με την μηχανική συμπεριφορά των υλικών)
- Δομή των υλικών «Μέταλλα,κεραμικά ,πολυμερή» (Περιληπτικά ,δινεται έμφαση στα στοιχεία που χρησιμοποιούνται γαι την ερμηνεία της μηχανικής συμπεριφοράς των υλικών)
- Ελαστική συμπεριφορά των υλικών-αποκλίσεις από την ιδανική ελαστική συμπεριφορά
- Πλάστική συμπεριφορά των υλικών «Μέταλλα,κεραμικά ,πολυμερή» (Αναλυτική εξέταση και ερμηνεία)
- Μέθοδοι σκλήρυνσης των μετάλλων
- Αποτατική ανόπτηση –ανακρυστάλλωση
- Αστοχία των υλικών : Απότομη θραύση ,δυσθραυστότητα, μηχανισμοί θραύσης
Κόπωση –Ερπυσμός: Μηχανισμοί, εξέταση των παραμέτρων που ευνοούν την ανάπτυξη τους ,διαγράμματα σχεδιασμός των υλικών
- Διάβρωση των μεταλλικών υλικών (Αναλυτική εξέταση)
- Διαγράμματα φάσεων-τύποι κραμάτων
- Εισαγωγικά στοιχεία από την τεχνολογία μορφοποίησης των υλικών
(Χύτευση, θερμή-ψυχρή έλαση ,κονιομεταλλουργία)
- Ειδικά θέματα
- Κράματα σιδήρου: Ανθρακούχοι χάλυβες, χαλυβοκράματα ,ανοξείδωτοι χάλυβες, χυτοσίδηροι.(Δομή ,ιδιότητες, θερμικές κατεργασίες, επιφανειακή σκλήρυνση –Εφαρμογή των διαγραμμάτων φάσεων)
- Ελαφρά μέταλλα:Ti,Mg,Al (Δομή, ιδιότητες ,κράματα, εφαρμογές)
- Κράματα χαλκού (Βασικά στοιχεία)
- Ειδικά πυρίμαχα κράματα-Νέα γενιά μεταλλικών υλικών (Σύντομη παρουσίαση)
- Μηχανολογικά κεραμικά (Βασικά στοιχεία)
Β. Εργαστήριο
Γίνεται σειρά ασκήσεων οι οποίες καλύπτουν τα παρακάτω γνωστικά αντικείμενα
- Μακροσκοπικός - Μικροσκοπικός έλεγχος των υλικών-Διάγνωση αστοχίας των υλικών
- Σκληρότητα (HB,HRC,HRB, HRSuperficial
- Δυσθραυστότητα - Δοκιμασία Charpy
- Μεταλλογραφία
- Θερμικές κατεργασίες χαλύβων
- Μέτρηση θερμικής αγωγιμότητας
- Μη Καταστροφικοί Έλεγχοι
- Διάβρωση των μεταλλικών υλικών
Teaching Subject: Technology of Engineering Material
ECTS credits : 5
Course syllabus (Lectures) :
PART A.
| Week | Date | Planned Topics / Activities (Book Chapters/Sections) |
| 1 | Introduction, Presentation of Syllabus, Intro to Materials Science Atomic Bonding in Solids |
|
| 2 | Crystal Structures, Crystalline and Non-crystalline materials. Crystal structure of metals. Allotropy. Point Defects. Dislocations |
|
| 3 | Crystal structure of ceramics-comparison with metals | |
| 3 | Structure of polymers | |
| 3 | Elastic Deformation of materials-elastic modulus Comparison between metals –ceramics-polymers |
|
| 4 | Plastic Deformation of metallic materials, Basic concepts of dislocations, dislocations, and plastic deform – stress-strain curve-definition of basic parameters |
|
| 4 | Strengthening Mechanisms in metals, recovery re-crystallization, grain growth | |
| 5 | Intro to Ceramic Structures, Mechanical Properties, Glasses, Clay Products, |
|
| 5 | Intro to Polymer Structures, Mechanical Properties, Mechanical Properties |
|
| 6 | Failure of materials (metallic materials) , Fracture, Fatigue, Creep |
|
| Mid-term test (contribution to final examination 40% |
You should be able to answer question about the following topics:
- Classification of Engineering materials
- List six different property classifications of materials that determine their applicability
- Briefly describe ionic, covalent, metallic, hydrogen, and van der Waals bonds
- Put in order the following pure materials according their expected elasticity and explain : aluminum ,Chromium ,aluminum oxide, diamond , polyethylene (PE).
- Draw unit cells for face-centered cubic, body centered cubic, and hexagonal close-packed crystal structures. Which are the criteria by which metal crystallize in the above structures; Are the above structures stable in temperature changes; Allotropy; Give an example
- Describe both vacancy and self-interstitial crystalline defects (Point defects and their influence to mechanical behavior of metals)
- Describe the types of dislocations (briefly) in crystal lattice of metals and their meaning for plastic deformation of metals
- Define engineering stress and engineering strain.
- State Hookes’s law, and note the conditions under which it is valid. Define Poisson ratio.
- Define the four elastic constants of a material. How we can determine the elastic modulus of a material.
- Ideal elastic behavior – Exceptions from ideal behavior- anelasticity (full exlanation)
- Given an engineering stress-strain diagram, determine (a) the modulus of elasticity, (b) yield strength (0.002 strain offset), (c) the tensile strength, and (d) estimate percent elongation.
- Describe and explain the phenomenon of strain hardening and solid-solution strengthening
- Describe the mechanism of crack propagation for both ductile and brittle modes of fracture .
- Make distinctions between stress intensity factor, fracture toughness, and plane strain fracture toughness .
- From a fatigue plot for some material, determine (a) the fatigue lifetime at a specified stress level, and (b) the fatigue strength at a specified number of cycles.
- Define creep and specify the conditions under which it occurs
- Describe a typical polymer molecule in terms of its chain structure and, in addition, how the molecule may be generated by repeating mer units
- Cite the differences in behavior and molecular structure for thermoplastic and thermosetting polymers. Glass transition point of a thermoplastic polymer. Explain what happens around that temperature point.
- Discuss the influence of the following factors on polymer tensile modulus and/or strength: (a) molecular weight, (b) degree of crystallinity, (c) predeformation.
- Draw the stress-strain curves : Thermoplastic (a)(T>Tg) (b)T=Tg (c)T<Tg
- Thermosetting polymers (a) Full cross linking (b)Medium degree of cross linking (c) small degree of cross linking
- Basic principles about the crystalline structure of ceramics
- Compare metallic and ceramic materials in relation to plastic deformation(explain)
- Draw the following stress –strain curves : Low carbon Steel , ceramic oxide ,aluminum ,PVC ,melamine.
- Cold working of metals-percent of cold reduction (example calculation)
- Out lines of hardening mechanisms of metals (Strain hardening -solid solution hardening –precipitation hardening)
- Thermal treatment (tempering or recovery).Why it is necessary. How the metallic material is affected.
- Recrystallization :Mechanism-How the strength of the metallic materials is affected.
- You are given tow samples of the same metallic material. A: has too small crystalline grains and B: has big crystalline grains. Compare A and B in relation to their hardness.(explain)
- Ductile fracture –brittle fracture –fatigue fracture. Mechanism of failure-How the mechanism of failure are usually recognized from surface view.
- Describe a metal fatigue failure
- What is a fatigue test SN curve and how are the data of the SN curve obtained
- Describe the major factors which affect the fatigue strength of a metal
- What is a metal creep;
- Draw the typical creep curve for a metal under constant load and relatively high temperature and indicate on it all three stages of creep.
- How the creep rate and rupture time is defined from the creep curve;
- How do (a)temperature and (b)stress affect the creep rate;
- A metal has melting point 727 oC. Can we use it in an environment where the temperature is 150 oC.
SECOND PART
| 7 | Intro to corrosion of metals Corrosion of ceramic materials Prevention of corrosion |
| 8 | Definitions and basic concepts of phase diagrams, Equilibrium Phase Diagrams, Iron-Carbon System, Intro to Phase Transformations, Micro-structural and Property Changes in Iron-Carbon Alloys |
| 9 | Isothermal transformation diagrams ,continuous cooling transformation diagrams ,hardenability- The jominy End –Quench test |
| 10 | Intro to Annealing Processes, Heat Treatment of Steels , Intro to Fabrication of metals Ferrous Alloys and Non Ferrous Alloys |
| 11 | Intro to mechanical and thermo-mechanical characteristics Exercise based on the jominy End –Quench test ,and transformation diagrams |
| 12 | Tool steels ,stainless steel ,cast irons |
| 13 | Precipitation Hardening ,no ferrous alloys ,aluminum alloys |
| Final Exams, |
you should be able to answer questions about the following topics :
- Given a binary phase diagram, the composition of an alloy, its temperature, and assuming that the alloy is at equilibrium, determine (a) what phase (s) is (are) present, (b) the composition of the phase (s), and (c) the mass fraction (s) of the phase (s) (outcomes a, e, h).
- For some given binary phase diagram, do the following: (a) locate the temperatures and compositions of all eutectic, eutectoid, peritectic, and congruent phase transformations; a
- Cite the general mechanical characteristics for each of the following microconstituents: fine pearlite, coarse pearlite, spheroidite, bainite, martensite, and tempered martensite (program outcomes a, h).
- Name the four cast iron types and for each, describe its microstructure and note its general mechanical characteristics (program outcomes a, h).
- Name seven different types of nonferrous alloys and for each, cite its distinctive physical and mechanical characteristics (program outcomes a, h).
- Define hardenability. Generate a hardness profile for a cylindrical steel specimen that has been austenized and then quenched, given the hardenability curve for the specific alloy, as well as quenching rate versus bar diameter information (outcomes a, e, h).
- State the purposes of the following heat treatments: process annealing, stress relief annealing, normalizing, full annealing, and spheroidizing (program outcomes a, h).
.
- Name the three different types of fiber-reinforced composites on the basis of fiber length and orientation; comment on the distinctive mechanical characteristics for each type (program outcomes a, h).
- Calculate longitudinal modulus and strength for an aligned and continuous fiber reinforced composite (program outcomes a, e, h).
- Describe the following: galvanic couple, standard half-cell, and standard hydrogen electrode
- Galvanic corrosion ,crevice corrosion ,pitting corrosion, intergranular corrosion ,weld decay ,prevention of corrosion (all the methods)
- MORE INFORMATION during lectures
Laboratory exercise :
Syllabus: macroscopic examination of engineering materials, microscopic examination , Hardness measurement , mechanical properties (tensile test ,toughness test ) ,heat treatments of steels , failure of engineering materials, measuring of thermal conductivity of materials , non destructive methods, corrosion of engineering materials.