Ναυπηγικά Υλικά

Question 1

Απαιτήσεις ώστε ένα υλικό να χρησιμοποιείται στη ναυπηγική

Answer 1

(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

Question 2

Είδη χαλύβων

Answer 2

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

Question 3

Μικροδομή χαλύβων

Answer 3

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

Question 4

Μέθοδοι παρασκευής ναυπηγικών χαλύβων

Answer 4

• ανοικτής φλογοκαμίνου
• βασικής οξυγόνου
• ηλεκτρικής καμίνου

Question 5

Ποιότητες χαλύβων μετά την αποξείδωση

Answer 5

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

Question 6

Μη θερμικά κατεργασμένα κράματα αλουμινίου

Answer 6

• Κύριες προσμίξεις Mg, Si, Mn, Fe
• σειρές 1000,3000,4000,5000
• περαιτέρω αύξηση αντοχής με cold working

1. πρόκληση ενδοτράχυνσης
2. σταθεροποιητική διαδικασία σε σχετικά υψηλή Τ όπου υπάρχει Mg

Question 7

Θερμικά κατεργασμένα κράματα αλουμινίου

Στάδια θερμικής κατεργασίας

Answer 7

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 T_{περιβάλλοντος<strong> </strong>}ή ψηλότερη

4)Γήρανση (aging)

σε T_{περιβάλλοντος} και προκύπτει κράμα ισχυρής αντοχής

Question 8

Σειρά 5000 Αλουμινίου/κράματα 5086,5083

Answer 8

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

Question 9

Σειρά 6000 Αλουμινιου/κράμα 6061

Answer 9

Mg₂Si που επιτρέπει θερμική κατεργασία

καλή κατεργασιμότητα

καλή αντοχή σε διάβρωση

μείωση αντοχής στην περιοχή της συγκόλλησης

6061: ευρείες εφαρμογές , χρήση σε μορφοδοκούς

Question 10

Αλουμινένια σκάφη
ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ
(σε σχέση με χάλυβα)

Answer 10

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

Question 11

Αλουμινένια σκάφη
ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ

Answer 11

1) μικρό Ε
2) μικρή αντοχή σε κόπωση
3) μείωση αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες

Question 12

Ιδιότητες αλουμινίου

Σύγκριση μηχ. ιδιοτήτων με χάλυβα (σ_ο ρ Ε)
Αντοχή σε διάβρωση
Μηχανική διαμόρφωση
Θερμικά χαρακτηριστικά
Κοπή και συγκόλληση

Answer 12

Μηχανικές Ιδιότητες

σ_ο,Al=σ_ο,St
ρ_Al=1/3ρ_St
Ε_Al=1/3E_St

πλεονεκτημα σε κρούσεις, μειονέκτημα για παραμορφώσεις
δ_max,Al=1.5δ_max,St

I_Al=3I_St

Αντοχή σε διάβρωση
πολύ καλή λόγω σχηματισμού στρώματος οξειδίων
σε θαλάσσιο περιβάλλον, διάβρωση με βελονισμούς

Θερμικά Χαρακτηριστικά

θερμική αγωγιμότητα k_Al=3k_St

θερμική διαστολή α_Al=2α_St

Κοπή

οχι με φλόγα (οξείδια έχουν πολύ μεγαλύτερη Τ_m από το Al)
με τόξο πλάσματος/τόξο βολφραμίου/πριόνι

Συγκόλληση

• *GTAW/GMAW**
• *Προβληματα**: πόροι, μεγάλες παραμορφωσεις, μειωμένη αντοχή στη ΘΕΖ

Question 13

Γενικά περι Ti

Answer 13

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

Question 14

Μεταλλουργία Τιτανίου (μορφές του Ti)

Answer 14

2 μορφές Ti α, Ti β (882^ο 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)

Question 15

Σύγκριση κραμάτων Ti α, Ti β, α+β

Answer 15

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

Question 16

Ιδιότητες του Ti / στοιχεία για μελέτη σκαφών από Ti

Answer 16

Μεγαλύτερη αντοχή από Al, St
ρ_Ti=2ρ_Al=0.6ρ_St
E_Ti=1/2E_St

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 120^οC μπορεί να παρουσιαστεί διάβρωση σε κοιλότητες)

Καλή δυσθραυστότητα
(όχι απότομη μετάβαση από ψαθυρη σε όλκιμη συμπεριφορα ως συναρτηση της Τ)

Question 17

Ανέγερση σκαφων από Ti

Answer 17

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

Question 18

Χαρακτηριστικά των σύνθετων υλικών

Answer 18

1. Υψηλή ειδική αντοχή
2. 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

Question 19

Μειονεκτήματα των σύνθετων υλικών

Answer 19

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

Question 20

Ρητίνες (ειδη)

Answer 20

Θερμοπλαστικές

σκληραίνουν μόνιμα κατά τον πολυμερισμό
διάκριση σε πολυεστερικές, βινυλεστερικές, εποξικές, φαινολικές

Θερμοσκληρυνόμενες

μαλακώνουν σε υψηλές θερμοκρασίες

Question 21

Ιδιότητες ρητινών

Answer 21

χαμηλό Ε (γύρω στα 3-4 GPa)

χαμηλό γ

Question 22

shelf life, pot life

Answer 22

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

Question 23

Πολυεστερικές ρητίνες

Answer 23

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)

Question 24

Βινυλεστερικές ρητίνες

Answer 24

1. εξώθερμη σκλήρυνση
2. καλύτερη αντίσταση (σε σχέση με τις πολυεστερικές) σε νερό και οξέα
3. καλύτερη συμπεριφορα σε κρούση και κόπωση
4. πιο όλκιμες
5. πιο ακριβές

Question 25

Εποξικές ρητίνες

Answer 25

1. Καλύτερη **αντίσταση σε νερό και χημικά** (βαφές αδιαβροχοποίησης) 2. καλύτερες **μηχανικές ιδιότητες** 3. ανάγκη επιβολής **αυξημένης θερμοκρασίας για πολυμερισμό:** αυτοματοποιημένες μέθοδοι παραγωγής 4. Υψηλό **κόστος**

Question 26

Φαινολικές ρητινες

Answer 26

1.**εξαιρετική συμπεριφορά σε φωτιά** (υψηλό **Τ_{ανάφλεξης} **, μικρή διάδοση **φλόγας**, χαμηλή εκπομπή **καπνού**, **διατήρηση αντοχής και δυσκαμψιας σε υψηλές Τ)** 2. **χρήση** σε καταστρωματα και φρακτές 3. μεγάλη **απορρόφηση νερού** άρα μικρή μακροπρόθεσμη ανθεκτικότητα 4. καλές **μηχανικές ιδιότητες** 5. **κόστος** λίγο μικρότερο από των ισοφθαλικών πολυεστέρων

Question 27

Ινες γυαλιού

Answer 27

διάμετρος 4-20 μm/ νήματα 200 ινών μορφές: υαλοπίλημα πλεξίδες νημάτων υφάσματα πυκνής πλέξης μονοαξονικά υφάσματα

Question 28

Υαλοπίλημα

Answer 28

τυχαια διατεταγμένα νήματα γυαλιού μικρού μήκους χαλαρό ύφασμα με επιφανειακό βάρος 300-900 g/m²

Question 29

Υαλούφασμα

Answer 29

πλεξίδες νημάτων πλεγμένες κάθετα μεταξύ τους Μορφή πλέξης: Balanced: ίδιος αριθμός νημάτων στις 2 διευθύνσεις Biased: αλλιώς επιφανειακό βάρος 200-900 g/m²

Question 30

Υφάσματα πυκνής πλέξης

Answer 30

από νήματα με περιστροφή επιφανειακό βάρος 200-340 g/m² χρήση σε κατασκευές ψηλών απαιτήσεων

Question 31

Μονοαξονικά και πεπλεγμένα υφάσματα

Answer 31

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**

Question 32

Ινες άνθρακα/γραφίτη

Answer 32

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

Question 33

Ίνες Aramid

Answer 33

Kevlar χαμηλή αντοχή σε θλίψη και κάμψη καλή απόσβεση κραδασμών άρα χρήση σε δυναμικά φορτιζόμενες κατασκευές

Question 34

Pre Preg

Answer 34

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

Question 35

Κατασκευές Sandwich

Answer 35

2 λεπτά περιβλήματα από FRP κολλημένα εκατέρωθεν ενός πολύ παχύτερου και ελαφρύτερου πυρήνα Σκοπός: αύξηση δυσκαμψίας με αύξηση παχους χωρις μεγάλη αύξηση βάρους

Question 36

Ρόλος πυρήνα σε κατασκευές sandwich

Answer 36

κρατά σε απόσταση τα περιβλήματα και μεταφέρει διατμητικές τάσεις

Question 37

Υλικά πυρήνα sandwich

Answer 37

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/

Question 38

Εφαρμογές sandwich

Answer 38

εξασφάλιση καλού δεσμού περιβλημάτων-πυρήνα άρα πιο δύσκολη κατασκευή από τα απλά πολύστρωτα για μεγαλες επιπεδες επιφανειες και επιφανειες βαδισματος

Question 39

Διαφορετικά χαρακτηριστικά συνθετων από τα συμβατικά ανισοτροπικά υλικά (συμπεριφορά σε ορθή και διατμητική ταση, διαφορά στην αστοχία)

Answer 39

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 Ε_tension,E_compression)

Question 40

Παράγοντες που επηρεάζουν τις ιδιότητες των σύνθετων υλικών

Answer 40

1.Ιδιότητες ινών και ρητίνης 2. Μέθοδος κατασκευής - σε προηγμένες έχουμε μικρες μεταβολές ιδιοτήτων ενω σε απλές μεγάλη μεταβλητότητα) - συνθήκες αποθήκευσης 1ων υλών - ρυθμός στερεοποίησης - θερμοκρασία και υγρασία 3. 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