ΧΡΟΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Abstract

Το παρόν τεύχος αποτελεί την Πτυχιακή Εργασία που εκπονήθηκε στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πελοποννήσου και αναφέρεται στην χρονική μηχανική συμπεριφορά των συνθέτων υλικών και πιο συγκεκριμένα στο φαινόμενο του ερπυσμού που παρουσιάζεται σε αυτά. Η μελέτη αυτή, γίνεται με την αξιοποίηση επιστημονικών δεδομένων, πειραμάτων και την ανάλυση αυτών. Η παρούσα πτυχιακή εργασία επικεντρώνεται σε έναν από τους πιο σημαντικούς κλάδους της μηχανικής επιστήμης, την επιστήμη των υλικών, η οποία αποτελεί τον ακρογωνιαίο λίθο για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών και την εξέλιξη της ανθρώπινης ζωής. Η κατανόηση των ιδιοτήτων των υλικών, καθώς και η διαχείριση των χρονικών μηχανικών καταπονήσεων που αυτά υφίστανται, είναι καθοριστική για τη βελτίωση της ανθεκτικότητας και της απόδοσης υλικών που χρησιμοποιούνται σε κρίσιμες εφαρμογές, όπως στην αεροναυπηγική, την αυτοκινητοβιομηχανία και τις κατασκευές. Αρχικά, γίνεται μια σύντομη περιγραφή της εξέλιξης της επιστήμης των υλικών, η οποία έχει άμεση σχέση με τη συνεχή ανάγκη του ανθρώπου για ισχυρότερα και πιο ανθεκτικά υλικά. Αναλύονται οι χρονικές μηχανικές καταπονήσεις, όπως η κόπωση, και ο ερπυσμός, και παρουσιάζεται η σημασία τους στη μελέτη της αντοχής των υλικών. Οι δοκιμές αυτών παίζουν σημαντικό ρόλο στη διασφάλιση της δομικής ακεραιότητας και της διάρκειας ζωής των υλικών σε πραγματικές συνθήκες χρήσης. Επιπλέον, δίνονται λεπτομέρειες για τα σύνθετα υλικά, τα οποία έχουν κερδίσει έδαφος στις τεχνολογικές εφαρμογές λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων τους, όπως η υψηλή αντοχή σε σχέση με το βάρος τους και η αντοχή στη διάβρωση. Παρουσιάζεται η ιστορική τους εξέλιξη, ξεκινώντας από τις πρώτες πρωτόγονες μορφές σύνθετων υλικών, και φτάνοντας έως τις σύγχρονες εφαρμογές. Ακολουθεί η κατηγοριοποίηση των συνθέτων υλικών ανάλογα με τη δομή και τη σύνθεσή τους, αναλύοντας τις βασικές κατηγορίες . Στο τρίτο κεφάλαιο, αναλύεται εκτενώς το φαινόμενο του ερπυσμού, το οποίο παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον λόγω της επίδρασής του στην απόδοση των υλικών σε μακροπρόθεσμη χρήση. Ο ερπυσμός, ως αποτέλεσμα σταδιακής παραμόρφωσης υλικών υπό σταθερό φορτίο και αυξημένη θερμοκρασία, είναι κρίσιμος παράγοντας για την αξιολόγηση της απόδοσης υλικών σε βιομηχανικές και κατασκευαστικές εφαρμογές. Στην εργασία γίνεται αναφορά σε διάφορες μεθόδους μοντελοποίησης του φαινομένου, όπως οι εμπειρικές, οι αναλυτικές και οι αριθμητικές προσεγγίσεις, και εξετάζεται η επίδραση παραμέτρων όπως η ιξωδοελαστικότητα και η θερμοκρασία στην πρόβλεψη του φαινομένου. Η μελέτη προχωρά με την παρουσίαση τριών συγκεκριμένων μεθόδων μοντελοποίησης του ερπυσμού, τα οποία εξετάζονται λεπτομερώς στο τέταρτο κεφάλαιο. Για κάθε μοντέλο, αναλύονται οι θεμελιώδεις εξισώσεις, οι σταθερές και οι παράμετροι που το διέπουν, καθώς και η εφαρμογή τους σε διαφορετικούς τύπους υλικών. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στο μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή της πειραματικής διαδικασίας της παρούσας εργασίας. Οι παράμετροι α, Κ και η αναλύονται με ακρίβεια, παρέχοντας κατανόηση της σχέσης τους με την τάση και τη θερμοκρασία, ενώ γίνεται εκτίμηση της αξιοπιστίας του μοντέλου μέσα από πειραματικές δοκιμές. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το πειραματικό σκέλος της εργασίας, το οποίο περιλαμβάνει την περιγραφή της διαδικασίας μέτρησης των παραμέτρων και την εφαρμογή των μοντέλων στα σύνθετα υλικά. Παρουσιάζονται τα διαγράμματα τάσης- θερμοκρασίας που χρησιμοποιήθηκαν για την εξαγωγή των αποτελεσμάτων, ενώ αναλύεται η διαδικασία μέσω της οποίας κατασκευάστηκαν οι υποκείμενες προβλέψεις του ερπυσμού. Ειδική μνεία γίνεται στα εργαλεία και τις τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για την επαλήθευση των προβλέψεων. Στο έκτο κεφάλαιο, γίνεται λεπτομερής ανάλυση των τιμών των παραμέτρων που χρησιμοποιήθηκαν. Οι πίνακες τιμών, οι παρατηρήσεις και τα διαγράμματα που παράχθηκαν κατά τη διάρκεια της έρευνας, παρέχουν σαφείς ενδείξεις για τη συμπεριφορά των συνθέτων υλικών υπό συνθήκες ερπυσμού. Η πτυχιακή εργασία εκπονήθηκε στο εργαστήριο Μηχανικής Υλικών Μηχανών (ΜΥΜ) υπό την επίβλεψη του Καθηγητή κ. Νικόλαου Μπατσούλα, τον οποίο ευχαριστώ πολύ για την πολύτιμη βοήθεια και καθοδήγηση καθώς και τον χρόνο που προσέφερε για την πραγματοποίηση της εργασίας.

iAbstract This thesis investigates the time-dependent mechanical behavior of composite materials, focusing on creep and fatigue phenomena. The study examines both destructive and non-destructive analysis methods and highlights the modeling of creep behavior. Experimental work was conducted on HDPE, PP-G, and PBT material samples under temperature conditions ranging from 20°C to 120°C and stress levels from 6 MPa to 50 MPa. The resulting data was analyzed using a physical-phenomenological creep model, producing key parameters and diagrams that illustrate the long-term material performance.