MTS Sammanfattning VT2017 Q2014

Transkript

1 MTS Sammanfattning VT2017 Q2014 Innehåll: 1 Tekniska material (Urban) Föreläsningar och lektioner Introduktion (F1-F2) Bindningstyper och potentialkurvor Densitet (ρ) hos material Spänningar Strukturoberoende egenskaper Elastisk och plastisk deformation (F2-F3) E-Modulen Sträckgräns Dislokationer och deras spänningsfält (F3-F4) Dislokationer och glidning Dislokationers växelverkan (F4-) Spänningstensorer Elastiska energin kring en dislokation Upplöst skjuvspänning (=UPPDELAD I KOMPONENTER) Dislokations röresle Frank-reed källan Attraktion och repulsion mellan dislokationer Stair-rod Frank s regel (F7) Spänningsbidrag (dislokationer) Korngränser Pile-ups Guld*-regeln (F8) Härdningsmekanismer Polymerer Keramer Kompositmaterial Mekaniska egenskaper Hårdhetsmätning Brott Utmattning Material i höga temperaturer Kryp Materialval 14 1 av 27

2 1.2 Datorlaboration Laborationer Dugga (Materialkännedom) 15 2 LEIFS DEL 15 3 Tekniska ytor (Staffan) Introduktion och grundläggande definitioner Ytomvandlingstekniker Mekaniska Termiska Termisk ytlegering Forcerad ytlegering Kemisk Elektrolytisk Ytbeläggningstekniker Atomistisk-deponering Fysikalisk (ur ånga) Kemisk (ur gasfas) Kemisk (ur vätskefas) Elektrokemisk Partikel-deponering Termisksprutning Vätskesprutning Partikelimpregnering Fusionsbeläggning Fullskikts-deponering Mekanisk Dopplackering Påsmältning 26 2 av 27

3 1 Tekniska material (Urban) Notera att samtliga böcker som rekommenderas till denna del finns som e-böcker på universitetets bibliotekssida. 1.1 Föreläsningar och lektioner Introduktion (F1-F2) Bindningstyper och potentialkurvor BINDNINGSTYP POTENTIELL ENERGI n och m RIKTADE BINDNINGAR Jon n 12 Nej ( laddade sfärer ) Kovalent m<n Ja Metall m<n Nej Sekundära (van der waal etc) n 12 Nej (trängsel kan ge riktningsberoende) Samtliga bindningstyper ger alltså en potential vilken kan plottas på ett energi mot bindningsavstånds-diagram, se figur 1. Utifrån detta diagram kan information om materialets egenskaper utläsas (så som smältpunkt, termisk expansion och E-modul). 3 av 27

4 Figur 1. Potentialkurvor och hur smältpunkt, termisk expansion och E-modul kan utläsas. Notera att olika material har olika inslag av bindningstyper, se figur 2, och att man således får olika typer av potentialkurvor Densitet (ρ) hos material Figur 2. Bindningskarakär hos olika substanser. Förutom atomvikterna så avgör även hur tätt atomerna packas vilken densitet ett material har. Metaller: riktningsoberoende bindningar mellan tunga atomer i tätpackning hög ρ Polymerer: riktningsoberoende bindningar mellan lätta atomer utan tätpackning låg ρ Keramer: ibland riktningsberoende bindningar mellan både lätta och tunga atomer medel ρ Spänningar När ett material belastas så uppstår en spänning i det, beroende på vilken typ av belastning så benämns spänningen som en tryck-, drag- eller skjuvspänning, enligt figur 3. Figur 3. Drag-, tryck- och skjuvspänning Strukturoberoende egenskaper Råvarupriser E-modul Termisk expansionskoefficient Smälttemperatur 4 av 27

5 1.1.2 Elastisk och plastisk deformation (F2-F3) E-Modulen Vid små förskjutningar är F proportionell mot förskjutningen, se figur 4. Figur 4. Elasticitetsmodul. Detta ger F=S 0 (r-r 0 ) per bindning, där S 0 =(df/dr) är styvheten, r 0 är bindningslängden. Med A/r 0 2 antal bindningar (Area/antal antal bindningar per area), så fås: Vilket stämmer väl överens för keramer och metaller. Det fungerar även på polymerer om T>T g (T g = glasbildningstemperaturen), så att van der Waals-bindningarna är brutna. Notera: Ett materials E-modul kan inte ändras med exempelvis härdning. Det är sträckgränsen som förändras Sträckgräns Sträckgräns är den spänning där materialet börjar deformeras plastiskt. Vid dragprov så skiljer man på σ teknisk, vilken inte tar hänsyn till förändringen av provstavens tvärsnitts area, och σ sann, vilken beräknas med den sanna tvärsnittsarean vid varje tidpunkt. Notera: Sträckgränsen gäller för dragspänningar, det är inte riktigt samma sak vid kompression (tryckspänning). 5 av 27

6 1.1.3 Dislokationer och deras spänningsfält (F3-F4) Dislokationer och glidning Gitterdefekter inne i materialet, slutna slingor som är gräns mellan skjuvat och oskjuvat material. Burgesvektorn, b, bestäms genom stegning runt dislokationen (Notera att beroende på om man använder Bilby-konventionen eller omvänd Bilby, dvs åt vilket håll man stegar, så får b olika riktning håll dig till samma konvention!). INTRODUCERA KANT O SKRUVDISLOKATON Glidningen är alltid vinkelrät mot utbredningen. Glidplanet bestäms av n = b u, där u är utbredningen, n är alltså normalen och finns om inte b u. Detta leder alltså till: En kantdislokation ( b u ) har alltid ett givet glidplan. En skruvdislokation ( b u ) har inget bestämt glidplan kan röra sig lättare/friare genom materialet Dislokationers växelverkan (F4-) Spänningstensorer Spänningstensorn beskriver spänningsfältet i materialet: Vi kan således översätta tensorn i ett x,y,x-system: 6 av 27

7 Tensorer betecknas normalt med två vektorstreck för att beskriva dubbelriktning. Vi använder en konvention att u är längs med z-axeln och att y-axeln är längs det saknade halvplanet för en kantdislokation samt definierar att en skruvdislokation är av vänsterhandstyp om b u. För kantdislokation: Implicerar konventionen att u =[001] och b =[b00], dvs alla skjuvspänningskomponenter i z-led blir 0 i spänningstensorn (varför? är det för att n riktning =( b u ) riktning =(b*y-tak) (z-tak)=0, var kommer formeln för sigma från isf?) : För en skruvdislokation: Implicerar konventionen att z u, dvs FORMLERNA FÖR SIGMA ORNA TOGS PÅ FÖRELÄSNINGARNA (F4), HAR EJ LAGT IN DEM. Oftast är dislokationer inte en ren kant- eller skruvdislokation, så vi kan dela upp b i komponenter och räkna komponentvis. Dislokationer är oberörda av tryckspänningar med påverkas av skjuvspänningar, så vi betraktar endast skjuvspänningar. PARTIALUPPDELNING ÄVEN FÖR SAMMA TYP AV DISLOKATION, OM ENERGIN BLIR MINDRE ENERGI PER ENHETSLÄNGD ÄR PROPORTIONELLT MOT BURGERSVEKTOR^ Elastiska energin kring en dislokation Endast en liten del av energin finns i dislokationens kärna, den största energin finns i omgivningen. Om vi endast betraktar den omgivande energin fås att energin per enhetslängd är proportionell mot b 2 (se F4 för härledning). 7 av 27

8 Upplöst skjuvspänning (=UPPDELAD I KOMPONENTER) Endast kraften som är parallell med b påverkar dislokationen, dvs den effektiva skjuvspänningen Glidsystem = glidplan + riktning Dislokations röresle Kinkar: En dislokation rör sig ogärna ett atomlager framåt åt gången, då det kräver relativt mycket energi (att bryta alla bindningen samtidigt och den binda igen). Istället är det mer fördelaktigt att ta en bindning åt gången i en svepröresle för att förflytta disklokationen. Dessa segment mellan två atomplan kallas kinkar och underlättar dislokationsrörelse. 8 av 27

9 joggar: Har man tex en kantdislokation som byter glidplan (pga rand) kommer dislokationen låsas något i en sk jogg, vilket uppenbarligen är ofördelaktigt för dislokationen och försvårar dess rörelse Frank-reed källan Frank-reed källan kan skapa dislokationer om tillräckligt hög spänning appliceras på den. Detta genom att två låsta segment separerade från varandra (ex. två joggar) förhindrar en dislokation att passera. Dislokationslinjen tvingas således att böjas runt och kommer sammanfogas med sig själv. När den har nått detta stadium kan dislokationen fortsätta förbi Frank-reed källan. Vid denna tidpunkt har källan börjat skapa ytterligare en ny dislokation. 9 av 27

10 Attraktion och repulsion mellan dislokationer Dislokationer distorderar kristallgittret och beroende på vart och hur starkt det är kan två dislokationer attrahera varandra och släckas ut eller repellera varandra för att minska lokala spänningsgradienter i gittret. Parallella dislokationer påverkar mest (korsande växelverkar endast med kort räckvidd). För kantdislokationer: Olika karaktärer 45 grader, Samma karaktär rakt under varandra För skruvdislokationer: Skruv åt samma håll alltid repulsion Skruv åt olika håll alltid attraktion Stair-rod Thomsontetraeder för fcc Stair-rod är när två dislokationer glider och krockar i varandra, vilket resulterar i en låsning av båda dislokationerna. På figuren nedan αb + δb αδ 10 av 27

11 Frank s regel (F7) Reaktion om (burgesvektorer): b b 2 1 > b 2 summa Tvillingbildning: alternativ till dislokationsglidning Spänningsbidrag (dislokationer) Pierls-Nabarro spänning är spänningens temperaturberoende. PN-spänningen minskar då temperaturen ökar pga minskad aktiveringsenergi för dissociation av atombindningarna. Gäller dock vid väldigt låga temperaturer. Vid högre temperatur reduceras τ P N till τ *. Och vid högre temp så kan dislokationerna röra sig spontant (ex vid värmebehandling). τ A + τ * = 0 dislokationer som korsar varandra (joggar) bidrar också ( τ ε ): τ A + τ * + τ ε = 0 Partiklars kinetiska energi påverkar även hur lätt det är att dissociera bindningen: τ A + τ * + τ ε + τ p = 0 Interstitiella atomer kommer även förändra spänningen i gittret vilket resulterar i ytterligare ett bidrag: τ A + τ * + τ ε + τ p + τ l = 0 Där av krävs spänningen τ A = τ * + τ ε + τ p + τ l τ A för att åstadkomma glidning: Spänningen har även ett töjningshastighets beroende se egen dokument, härdningsmekanismer Korngränser Högvinkelkorngräns (>10 grader) glidning svår Lågvinkelkorngräns (<10 grader) sub-korn, glidning kan ske 11 av 27

12 Pile-ups Dislokationer samlas vid korngränser, då det glidning genom korngräns är långsam Guld*-regeln (F8) Härdningsmekanismer korngränser (och pile-ups) partikelhärdning åldring deformationshärdning martensithärdning Polymerer Skillnaden mellan tex härdplast och amorfa polymerer är att härdplaster är så mycket mer tvärbundna att när man även försöker värma upp det så händer det ingentning med bindningarna, de kvarstår HP kovalenta tvärbindningar Polymerer är linjära kejdor av merer (kolgrupper) som kan vara Amorfa Delkristallina (veckas och viks ihop) Polymerera kan ha olika strukturer: Grenade kedjor ofta amorfa, termoplaster, PE, PS, PET Tvärbundna kedjor, amorfa, härdplaster, bakelit, epoxy tabell som visar polymerernas olika beteende Amorfa termoplaster Delkristallina Härdplaster 12 av 27

13 termoplaser Vad händer då T höjd? Mjukningsområde Smälttemperatur Förstörs Genomskinlighet ja Nej Ja krypning vid tillverkning Lösningsmedels-resi stans Liten Större Störst Kristallisationsgraden (hur mycket den kristalliserar) beror på: kedjans komplexitet simpel stuktur ökar kristallisationsgraden molekylvikt kortare kedjor ökar kristallisationsgraden kylhastighet långsam kylhastighet ökar kristallisationsgraden Deformation vid tillverkning deformation ökar ökar kristallisationsgraden Värming till strax under T m ökar ökar kristallisationsgraden Polymerer kan påvisa speciella egenskaper vilket kräver en komplex modul Keramer Kompositmaterial Mekaniska egenskaper seghet omslagstemperatur 1.1. Hårdhetsmätning plaster tunna skickt ect Brott sega brott spröda brott duktila brott temperatur inverkan Tendens till spröda brott ökar med sänkt temperatur och höjd töjningshastighet. 13 av 27

14 Intrasprickor (långsamt brott, mellan korn) Transsprickor (Snabbt brott genom korn) Utmattning Stadie 1: Spricktillväxt följer kristallplanen (låga belastningar). Stadie 2: Spricktillväxt vinkelrätt mot dragriktningen i plant töjningstillstånd och 45 grader mot dragriktningen i plant spänningstillstånd. Wöhlerdiagram Spänning mot antal belastningscykler (N) ger utmattningshållfastheten... hög cykel låg cykel Material i höga temperaturer 1.1 Kryp Diffusionskryp: atomer diffunderar med tiden från tryckbelastade till dragbelastade områden. Genom kornen: Nabarro-Herring-kryp i korngränser: Coble-kryp (tas korngränserna bort, i tex turbinblad, så elimineras alltså Coble-kryp, men inte Nabarro-Herring) Power-law-kryp: Vid högre spänningar kan dislokationer som tidigare varit låsta klättra över hindren. (inte beroende av kornstorlek) Materialval 14 av 27

15 1.2 Datorlaboration Enkel men mycket givande laboration i programmet CES EduPack (Cambridge Engineering Selector), där man utifrån olika specifikationer och tillverkningsmetoder får fram förslag på lämpliga material och deras kostnad. 1.3 Laborationer Se separat dokument Dugga (Materialkännedom) Se separat dokument... 2 LEIFS DEL Gästföreläsare, Doxa... 3 Tekniska ytor (Staffan) Häftet som rekommenderas till denna del kan köpas på föreläsningarna för 150kr. 3.1 Introduktion och grundläggande definitioner I denna del är det viktigt att ha en bra överblick över de olika metoderna och förstå dess styrkor och svagheter snarare än att veta alla processparametrar i detalj Ytomvandling: Komponentens ursprungliga ytmaterial bevaras med endast små tillsatser utifrån. Kan vara genom mekanisk eller termisk påverkan, indiffusion, implantation, kemisk omvandling eller kombinationer av dessa. Oftast så har ytomvandlingar en koncentrationsgradient av en eller flera skikt Ytbeläggning: Ett pålagt skikt utanpå komponenten. Beroende på process kan det vara strikta skikt eller koncentrationsgradient (oftast skapats av diffusion). 15 av 27

16 3.2 Ytomvandlingstekniker Mekaniska Alla mekaniska ytomvandlingstekniker yttnyttjar dislokationshärdning av materialet. Skillnaden är att processen för att skapa dislokationshärdningen kan skilja sig lite åt Blästring: Skjuter partiklar (kantiga för att rensa ytan till skillnad från kulpening) på en yta för att rena eller omformas, vid omformning så deformations härdas ytan som gör den hårdare och att den hjälper till att skapa en mekanisk förankring som förbättrar vidhäftningen för skikt med svag eller obefintlig kemisk bindning, t ex tjocka beläggningar av typen termisk sprutning. 16 av 27

17 Renar ytan samtidigt (partiklar lossnar från ytan), används ofta som förberedelse metod för termisk sprutning Kommer åt svåra geometrier. Blästrings partiklarna kan fastna i ytan och förhindra tex anodisering Blir ojämn yta Kulbombering/kulpening: skjuter runda partiklar (till skillnad från blästring) av vanligtvis stål eller glas och storleken 0,1-2,5 mm. Till skillnad från blästring är inte metoden gjord för att rensa ytan utan bara att härda och skapa tryckspänningar i ytskiktet vilket gör att ytan blir jämnare med grunda fördjupningar. Metoden kan användas för att undertrycka utmattning av exempelvis kugghjul, turbinblad och gängförband. Jämnare yta än blästring kommer åt svåra geometrier Slår inte bort partiklar (kan både va för och nackdel beroende på vad man vill göra) Ojämnare yta än tryckrullning Laser shock peening Deformationshärdning sker genom att en stark laser värme upp ett sk offerlager. Offerlagret kommer därpå övergå i plasma och expandera så kraftigt att det skapar en tryckvåg som plasticerar materialet. Större härdningsdjup än ex Kulpening jämn yta Kräver att två lager appliceras (offerlager och inneslutande lager) innan processen kan påbörjas dyr? Tryckrullning Mer kontrollerat än blästring/kulpening då en stor kula rullas på ytan för att plasticeras till ett önskat djup oftast mellan 0,1-5 mm. Ytan blir jämnare än för blästring/kulpening men har problem med krångligare former som skulle funkat för dem. Blir väldigt jämn yta Kan komma ner djupt ner i materialet (några mm) Hög kontroll över parametrar och position Stora begränsningar i geometri (kommer inte åt) 17 av 27

18 Tar lång tid? Friktionsomvandling Samlingsnamn för några metoder för ytomvandling eller ytbeläggning i fast fas. 2 huvudtyper: ytbeläggningsteknik: Friktionsdeponering liknar friktionsomvandling. Båda använder sig av ett cylindriskt verktyg som roterar men till skillnad från friktionsomvandling så har den inget stift utan att hela cylindern (10-40 mm diameter) roterar med det blivande skiktmaterialet. På grund av det höga trycket och friktionstemperaturen mjuknar materialet i både staven och ytan och blandas om. Resultatet blir en stark och tät fog utan att något av materialen smälter ( friktionsstaven smälter väl?). Även ytoxider och föroreningar skrapas bort och det blir inget slagg vilket gör att god vidhäftning uppnås även för metaller som är metallurgiskt inkompatibla dvs de som inte kan svetsas konventionellt. I stort sett kan alla metaller och metallegeringar användas t.o.m extremt höga hårdheter. Går snabbare än friktionsomvandling Går att undvika härdning djupt ner. Metoden är under utveckling så används inte så mycket Svårt att komma åt i små områden Det höga trycket gör att det är svårt att bearbeta tunna eller ihåliga detaljer. Ytomvandlingsteknik: Friktionsomvandling använder sig av ett cylindriskt verktyg med ett litet utstickande stift. Verktyget roterar och de bearbetade ytskiktet kan sträcka sig 0,5-50 mm ner i materialet. Den höga friktions temperaturen gör att ytan plasticeras och rör om ytskiktet som gör att korn strukturen finfördelas och modifierar de mekaniska egenskaperna. Efter verktyget passerat så avkyls materialet och kristalliseras om. Förändrar mikrostrukturen, kornen blir mycket mindre och förhållandevis defektfri Kan sträcka sig 50mm ner i materialet. Kan inte göras på alla material (ex hårda) Används mest till Al-legeringar men funkar även till legeringar av Cu, Fe, Mg och Ni förekommer. Tar lång tid Termiska Används främst på ståler för att skapa martensit. Ytan värms upp med någon av teknikerna till över austenittemperaturen var på det kyls av snabbt oftast med vatten, olja eller luft. Flamhärdning använder en svetslåga för uppvärmning 18 av 27

19 låga investeringskostnader Nackdelar Dyr i drift formförändring kan uppstå Induktionshärdning Använder induktion för att skapa upphettning in materialet. Stora härdningsdjup Nackdelar kräver kylning Laserhärdning Värmning mha laser. Då de flesta metaller har låg ljusabsorbans beläggs materialet med ett med ett skikt som kan absorbera mer ljus och leda in energin i ytan. kan ske mycket lokalt Behövs ingen kylning pga den lokalauppvärmningen ingen efterarbetning behövs kan ge extremt fin kornstorlek (enligt tenta 2016) Kräver ofta ett lager av mer ljusabsorberande material Sätthärdning (se termisk ytlegering) Innebär att ett låglegerat stål (låg kolhalt) placeras i en kol-rik atmosfär som gör att kolet kan diffunderas in i ytan på materialet. Detta gör så att ytan kan martensit härdas. Duktil kärna av segare stål med en hårdare yta dyrt (? bör vara nästintill gratis om man bortser från tiden det tar) lång tid hög energiåtgång giftiga ämnen och salt bad behöver användas ( tror inte det? Bariumkarbonat kan tillsättas, det är allt jag hittar... ) Elektronstålehärdning Använder en elektrostråle istället för laser (se nedan). Mycket låg energiåtgång 75% verkningsgrad Kräver vakuum Hög investeringskostnad 19 av 27

20 Laseruppsmältning/laserglasering Har högre effekttätheter än vid laserhärdning men behandlingstiden kortare för att bara ytan ska smälta. Målet är att få en finstrukturbehandling av ytskiktet. Tar kort tid Kan uppnå väldigt hög ythårdhet Går att användas för många legeringsämnen Efterbearbetning behövs pga ojämn yta vid smältning Hög effekt mycket energi/area låg verkningsgrad (15%) Termisk ytlegering Sätthärdning (med tillförs av material) Vill ha seg bulk med hårdare yta. Vanligtvis tillsätts kol via fasta partiklar, vätska eller gas och går upp till ca 900 C (austeniseringsområdet) som ökar diffusionen. Härddjupet defineras vanligen som det djup som hårdheten är över 550 Hv och härddjupet går att bestämmas genom att ändra temperaturen (alltså diffusionshastigheten) och tid. Sedan gör man martensit på ytan av materialet medans bulken är ferrit-perlit. Metoden brukar göras i flera omgångar för att kärnan inte ska bli austenit. Fördelar Ytan blir hårdare medans bulken segare. Kan styra hur djupt man vill ha ytan hård. Nackdelar Tar tid Karbonitrering Samma sak som sätthärdning bara att även tillför kväve för att bilda nitrider. Hårdheten ökar då genom utskijningshärdning och lösningshärdning. Billigt då låglegerade ståler kan användas Processen involverar ofta NaCN (giftigt) Borering Bildar järnborider, högre hårdhet än karbonitrering, 1500 HV Vanadisering Brutalt hög hårdhet HV pga bildandet av vanadinkarbid. 20 av 27

21 3.2.4 Forcerad ytlegering Jonimplantation; där joner tvingas in i ytan av ett material. Först förgasas atomer till ångfas varpå de berövas elektron(er) mha hög spänning. Lite mellan steg sker för att sortera bort oönskade joner. Därpå kan det accelereras mot ytan som önskar beläggas. Jonnitrering/plasmanitrering Med jonnitrering slipper man långa behandlingstider som tillkommer vid konventionell nitrering (gasnitrering). Detaljerna (det som ska beläggas?) placeras i en kammare som pumpas ur och när trycket sänks ( Pa) läcker kvävgas in och detaljerna ansluts till ett spänningsaggregat så de får en negativ potential ( V) relativt jordade kammarväggen. Detta skapar en glimurladdning i kammaren så gasen joniseras så de positiva kvävejonerna accelereras mot detaljernas yta. När jonerna bombarderar ytan så värms den så ingen extern uppvärmning behövs och då börjar kvävet diffundera in. Lägre tid (1/10 av vanlig) Temperaturen lägre och processen går att styras med att ändra spänning, temperatur och gasblandning tunt skikt 0,1-0,3 micrometer Ny metod Kan inte göras på stora grejer (kräver större kammare) Jonimplantation Kemisk Svartoxidering skapar magnetit Fe 3 O 4 i 140C i natriumhydroxid lösning Fosfatering Doppar ståldetaljer i fosfatlösn ingar vid ca 70 C 21 av 27

22 Kromatering Elektrolytisk Anodisering 3.3 Ytbeläggningstekniker Atomistisk-deponering Fysikalisk (ur ånga) Vakuumförångning Reaktiv förångning Sputtring 22 av 27

23 Jonplätering Kemisk (ur gasfas) CVD Termisk CVD Plasmaassisterad CVD Laserassisterad CVD Kemisk (ur vätskefas) kemisk beläggning 23 av 27

24 Elektrokemisk Elektrolytisk beläggning Borstplätering Partikel-deponering Termisksprutning Flamsprutning Ljusbågssprutning Plasmasprutning 24 av 27

25 detonation gun Vätskesprutning Sprutlackning Elektrostatisk lackering Partikelimpregnering Laser particle injection Fusionsbeläggning Emaljering 25 av 27

26 3.3.3 Fullskikts-deponering Mekanisk Explotionssvetsning Compoundvalsning Friktionsbeläggning Dopplackering Varmdoppning Dopplackering Påsmältning Påsvetsning Lasersvetsning 26 av 27

27 27 av 27