Materiallära för Maskinteknik, 4H1063, 4p

Transkript

1 Materiallära för Maskinteknik, 4H1063, 4p Kursinformation Labkursen är klar och rapporterad, se Mina sidor Grattis till 1.5p avklarad kurs. Ej gk labtest eller Lab?: kontakta Matilda Tehler, Både lab+test måste vara gk för att få gk på labmomentet (Lab1: 1.5p). Resultat av KS anslås senast på Teknologexpeditionen, MSE, BR23, (jag tar även med listan till min sista föreläsning 8/12, om jag är klar med rättningen då). Det behövs ingen anmälan till ordinarie tentamen om du är kursregistrerad. Meddela via mejl, Anders Eliasson, om du inte tänker gå upp och tentera. Adjunkt Anders Eliasson KTH/ITM/Materialvetenskap Produktionsstegen för tillverkning av Aluminiumburkar Föreläsning 15: Repetion Förstå material Välja material Utveckla material Teknologexpeditionen: Synnöve Kaxe. Rum : M125A. Tel Öppettider: Må-Ti , On-To , Fr stängt. Kurslitteratur, W.D. Callister, Fundamentals of Materials Science and Engineering: An Integrated Approach, 2nd Ed, John Wiley and Sons, Inc. (2005), får ni köpa via en vanlig eller en internetbokhandel. Både bok och medföljande CD-ROM, ca pris: 450 kr. Schema med angivande av föreläsningsinnehåll och pdf-filer av föreläsningar finns på kursens hemsida: Materiallära för Maskinteknik, 4H1063, 4p HT2006 Målsättning med kursen Ge kunskap och förståelse för de grundläggande faktorer som påverkar ett materials egenskaper. Vilka konstruktionsmaterial finns det? Kursens innehåll Materials struktur Hur strukturen påverkar egenskaperna Hur man kan påverka strukturen vid produktionen Efter kursen ska du kunna Förstå hur olika faktorer påverkar ett material Välja lämpligt material för en ny tillämpning Utveckla ny design för ett känt material Material som används vid tillverkning av produkter indelas i metalliska och icke-metalliska material. Icke-metaller indelas i polymerer och keramer. Kompositer är specialfall då de kan vara metalliska, ickemetalliska eller en blandning av dessa klasser. Metaller Keramer Typiska egenskaper för metaller: Typiska egenskaper för keramer: Goda ledare för värme och elektricitet. Detta beror på att de innehåller fria elektroner som lätt kan röra sig. Duktila och lätta att forma på olika sätt och i flera steg t.ex. gjutning, mekanisk bearbetning, svarvning, svetsning. Kan göras hårda och hållfasta efter formningen. Ger oftast ett segt brott om de går sönder. Oftast polykristallina vilket medför samma egenskaper i alla riktningar (isotropa). Dåliga ledare för värme och elektricitet, elektronerna är fast bundna till atomerna. Kan formas på olika sätt men oftast i ett steg och inte genom bearbetning. Ofta hårda men går sönder tvärt, dvs sprött brott, ingen brottseghet. Ofta hållfasta till höga temperaturer. Kan vara både polykristallina eller amorfa (glas). 1

2 Polymerer Typiska egenskaper för polymerer: Dåliga ledare för värme och elektricitet. Lätta att forma i flera steg. Hur sitter atomerna ihop? Bohr s atom modell elektronskal: n = huvudkvanttal n=3 2 1 Kan vara mjuka (nylon), elastiska (gummi) eller hårda (bakelit). Ofta både polykristallin och amorf struktur. Dåliga högtemperaturegenskaper. Egenskaperna som förändas med tiden. Kärna: Z = # protoner = 1 för väte till 94 för plutonium N = # neutroner Atomens massa A Z + N Översikt av grundämnen Periodiska systemet Ämnen i samma kolumn har liknande kemiska egenskaper avger 1e avger 2e avger 3e H Li Be Na Mg K Ca Sc Rb Sr Y Cs Ba Fr Ra Elektropositiva atomer som har en tendens att avge elektroner Metaller Icke-metaller Halvmetaller tar upp 2e tar upp 1e ädelgas O S F Cl He Ne Ar Se Br Kr Te I Xe Po At Rn Elektronegativa atomer som har en tendens att ta upp elektroner Materials kemiska och fysikaliska uppbyggnad Vilka olika kemiska bindningar finns det? Jonbindning, joner av motsatt laddning binds till varandra genom elektrostatisk växelverkan t.ex salter NaCl, KCl. Kovalent bindning, atomer delar på ett elektronpar, ger upphov till molekylbildning, t.ex H 2, SO 2, men även till diamantstrukturen. Metallisk bindning, valenselektronerna är rörliga, t.ex metaller. Van der Waals bindning, bindning mellan molekyler. Svag bindning. Sammanfattning av bindningstyper Bindningsberoende egenskaper Typ Jon Bindningsenergi Stark! Kommentar Ej riktningsberoende (keramer) Keramer (Jon & kovalent bindning): Stor bindningsenergi hög Tm stor E liten α Kovalent Metallisk Dipol Variabel stor i diamant liten i vismut Variabel stor i volfram liten i kvicksilver Svag Riktade bindningar halvledare, keramer Inom polymerkedjor Ej riktningsberoende (metaller) Riktade bindningar tvärbindningar (i polymerer) mellan molekyler Metaller (Metallisk bindning): Polymerer (Kovalent i kedjan & dipol mellan kedjorna): Sekundär bindning Variabel bindningsenergi varierande Tm varierande E varierande α Riktningsberoende egenskaper Dipolbindningen dominerar låg T m låg E stor α 2

3 Atomanordningar i material Glas är ett amorft material Kristallina material... Atomerna ligger i periodiska,3d gitter Typisktför: - Metaller -Mångakeramer - Några polymerer Icke-kristallina (amorfa) material... Atomerna ligger relativt slumpmässigt (obs, närordning men ingen fjärrordning) typisktför: - Komplexa molekyler - Snabbstelnade material "Amorf" = icke-kristallin Kristallint SiO2 Si Oxygen Amorft SiO2 Byggsten för glas: 4- Si04 tetraheder Si 4+ O 2- Kvarts är en kristallin form av SiO2: Glasäramorft Det amorfa tillståndet underlättas genom att tillsätta små mängder Na +,Mg 2+,Ca 2+, Al 3+ Dessa föroreningar : förhindrar bildandet av kristaller vid stelnandet. Na + Si 4+ O 2- (soda glas) Kristallina atomanordningar för metaller Kristallstrukturen hos metaller och keramer De fasta metalliska faserna är uppbyggda enligt bestämda atomanordningar, vanligast är: FCC FCC (Face Centered Cubic) BCC BCC(Body Centered Cubic) HCP (Hexagonal Close-Packed). HCP Kristaller är ämnen som är periodiskt och symmetriskt uppbyggda av tätt packade regelbundet ordnade små enheter, enhetsceller. Ett grundämne är ofta dominerande, så alla bindningsavstånd mellan atomerna blir lika långa. Avståndet mellan närmsta grannar blir då mindre, med minskande bindningsenergier som följd. Egenskaper av en- och polykristallina material Enkristaller -Egenskapervarierari oilika riktningar: anisotropi. -Exampel: elasticitetsmodulen (E-moulen) för BCC järn: E (diagonal) = 273 GPa Kristallkornen bildas redan vid stelnandet Korngräns Polykristallina material - Egenskaperna i varje korn varier med riktningen. - När kornen är slumpmässigt orienterade är materialet isotropiskt (E poly iron = 210 GPa) -Omkornenhartextur, t.ex. efter valsning, blir materialet mer anisotropiskt. E (edge) = 125 GPa 200 μm Mikrostrukturen ovan visar stelningsstrukturen för en bronslegering, dvs koppar med 2 % tenn. Genom etsningen syns sammansättnings variationer som uppstått vid stelnandet. I vänstra bilden syns regelbundna mönster i olika områden. Varje sådant område är ett korn och mönstren orsakas av de dendriter som bildat kristallen. Dendritens tilllväxtriktningar beror på kristallgittret. Högra bilden är en delförstoring. 3

4 Vakanta gitterplatser Interstitiella atomer Substitutionella atomer Dislokationer Korngränser Typer av defekter i material Porer, inneslutningar sprickor Punktdefekter Linjedefekt Ytdefekt Volymdefekter Vakanser: - Tom plats i kristallgittret. distortion of av planes planen Egen-interstitialer: - Extra" atom i mellanrummen i gittret. distortion of av planes planen Punktdefekter Vakans Vacancy Egen-interstitial selfinterstitial Dislokationer är linjeformade defekter Dislokationers rörlighet Metaller I metaller är Burgers vektor ett atomavstånd och dislokationerna är lättrörliga. Dislokationer är nödvändiga för att få plastisk deformation i metaller. Dislokationer är en felbyggnad i gittret och finns i alla kristallina material. Antalet dislokationer i ett odeformerat material är m -2 (m/m 3 ), i ett deformerat upp till m -2. Dislokationer är en förutsättning för att kunna plastiskt deformera kristallina material. Keramer I keramer är Burgers vektor minst två atomplan och dislokationerna har svårt att röra sig. Många bindningar måste flyttas för att undvika att katjoner och anjoner kommer fel plats i gittret. Därför blir keramer spröda. Ytdefekter: Korngränser Korngränser: Är gränsytor mellan kristallkorn. Uppstår vid stelnandet eller vid fastfasomvandlingar. Kristallriktningarna ändras när man korsar en korngräns vilket försvårar/stoppar dislokationsrörelser. ~ 8cm Komponenter och faser Komponenter: Grundämnen eller kemiska föreningar som blandas (t.ex., Al eller Cu eller H 2 O) Faser: De fysikaliskt och kemiskt unika arrangemang av atomer som bildas (kallas t.ex, α och β). korn gränser värme flöde Nickel- Koppar Legering Fas α Nickel atom Koppar atom Fas β 4

5 Termodynamik Drivande Ett system med två eller fler komponenter kan bestå av en, två eller flera faser vid jämvikt. Exempel på faser är, gas (g), smälta (l) eller fast fas (s), som amorf struktur eller i något kristallint gitter (fcc, bcc, etc). En fas α har en given struktur (kristallin eller amorf) och en Gibbs energi som beror på dess sammansättning, tryck och temperatur. De faser som är stabila vid jämvikt i ett system med given sammansättning (temperatur och tryck) kan bestämmas genom att minimera fasernas Gibbs energi (fria energi). Vid jämvikt har systemet minimal Gibbs energi. Ett system bestående av en komponent är alltid enfasigt vid jämvikt (Gibbs fasregel). Vid omvandlingar mellan olika faser spelar skillnader i Gibbs energi (drivande en) mellan olika tillstånd stor roll för att bestämma om omvandlingen sker eller kan ske. Binära fasdiagram, mängder av faserna Omvi vet T och medelsammansättningen så vet vi hur mycket vi har av varje fas (i ett tvåfasområde). Exempel: 1400 Medelsammansättning: 55 at% Ni Vid T A : 100% smälta (liquid) Vid T D : 100% fast fas (FCC) Vid T B : Både smälta (liquid) och FCC: När vi känner fasernas sammansättning kan vi räkna ut mängden av varje fas ur medelsammansättningen mha hävstångsregeln (eng. Lever rule) f L = (59-55)/(59-45) = 28 % smälta f FCC = (55-45)/(59-45) = 72 % FCC TEMPERATURE_CELSIUS Liquid o T x A T x B 45% Ni 59% Ni MOLE_FRACTION NI PS. Det går även bra att mäta med linjal. DS. x o T D FCC Fasdiagram: Sammansättning av fas En smälta med 5 % Sn börjar stelna vid 1045 o C (likvidus). Den fasta fasen som bildas innehåller mycket lite Sn (solidus). Vid fortsatt svalning ökar halten av Sn i båda faserna enligt likvidusoch soliduslinjerna och mängden smälta minskar (hävstångsregeln). Vid 875 o C stelnar den sista smältan och en fast FCC struktur har bildats. TEMPERATURE_CELSIUS solidus FCC 99% Liq. 50% Liq. 10% Liq. 1% Liq. Liquid likvidus MASS_PERCENT SN Sammansättningen av den fasta fasen α ändras under stelningen. Första α som stelnar har sammansättningen: Cα = 1 wt% Sn. Sista α som stelnar har sammansättningen: Cα = 5 wt% Sn. Snabb kylning: Segring, d.v.s. sammansättningsskillnader i fast fas Segring Första α att stelna: 1 wt% Sn Sista α att stelna: 5 wt% Sn Långsam kylning: Homogen sammansättning Homogen α 5 wt% Sn Mikrostruktur - Dendriter Eutektisk struktur - Eutektikum Dendritkristall Dendrit Grekiska: Dendron: vara lik, släkt med, Drys: träd Stelnandet av metaller sker ofta i form av dendriter, nål/trädliknande strukturer med förgreningar. Avståndet mellan armarna är beroende av tillväxthastigheten av stelningsfronten. En ökande kylning/stelningshastighet ger en finare dendritstruktur bättre mek.eg. Eutektisk reaktion L α + β Eutektiska temperaturen är lägsta temperaturen då smälta är närvarande. Eutektisk smälta har hög flytbarhet pga stelnande med plan stelningsfront. Eutektisk stelningsstruktur har gynnsamma mekaniska egenskaper pga kompositstruktur. 5

6 Dendriter och eutektikum i Al-Si Korn Sekundär struktur En legering (ej eutektisk) av Al-Si stelnar först med utskiljning av Al-dendriter när smältan når likvidustemperaturen. Den smälta som finns kvar när eutektiska temperaturen nås stelnar med en eutektisk struktur. (I detta fall har man även en viss utskiljning av kantiga kristaller av Si pga samarbetsproblem med Al) TEMPERATURE_CELSIUS Liquid FCC MOLE_PERCENT SI Samband mellan dendritstruktur och korn. Kärnbildning sker vid gynnsamma kärnbildningsställen och tillväxt sker i motsatt riktning mot värmeflödet. Hur sker omvandlingar? Diffusion! Interdiffusion: I en legering rör sig atomerna hela tiden. Det betyder att koncentrationsskillnader utjämnas. Ursprungligen Efter en viss tid Diffusionsmekanismer Substitutionell diffusion: Gäller för substitutionellt inlösta atomer (föroreningar och legeringstillsatser Atomer byter plats med vakanser. Hastigheten beror på: --antalet vakanser --aktiveringsenergin för att byta plats med vakansen. 100% Cu Ni 100% 0 Koncentationsprofil 0 Koncentrationsprofil Ökande tid Lektion 3 15 Interstitiell diffusion (simulering) Gäller för interstitiellt inlösta atomer (föroreningar och legeringsämnen). Einsteins formel Slumpvis vandring Om diffusion betraktas som slumvis vandring kan den sträcka, d, som en atom rör sig på tiden t skrivas som Mycket snabbare än vakansdiffusion (fler platser, mindre energi för hopp). Simuleringen: -- Visar hur en liten atom (grå) kan flytta sig från en interstitiell plats till en annan i ett BCC gitter. De interstitiella platserna är mittpunkterna på enhetscellens kanter. d = 6Dt D, är diffusionskoefficienten för atomen. Detta är en användbar formel t.ex. för att jämföra hur lång tid en omvandling kan ta vid olika temperaturer. 6

7 Hur sker omvandlingar: Kärnbildning Alla omvandlingar kräver först en kärnbildning av det nya kristallen. Genom termiska fluktuationer bildas hela tiden kärnor men, En sfärisk kärna måste ha en radie större än den kritiska radien för att den skall fortsätta växa. Kärnbildning och tillväxt Omvandlingshastigheten beror både på kärnbildning och tillväxt av den nya kristallen. 100 % Perlit Growth regime 50 Nucleation Kärnbildningshastighet ökar med ΔT Tillväxthastighet ökar med T regime 0 t 50 log (tid) Exempel: perlit γ koloni γ γ Tillväxten av kärnan kräver sedan ofta diffusion. T alldeles under T E T mer under T E Kärnbildning långsam Kärnbildning medel. Tillväxt snabb Tillväxt medel. T mycket under T E Kärnbildning snabb Tillväxt långsam Lektion 5 15 Omvandlingsgrad Isoterma omvandlingsdiagram - TTT Kärnbildningsgraden ökar med ökande underkylning (ΔT) Diffusionshastigheten minskar med sjunkande temperatur (T). Sammantaget får man en temperatur där omvandlingsgraden har ett maximum. För eutektoidiskt Fe-C vid 675 o C (0.77 wt% C) Genom att förena de punkter som motsvarar 1%, 50% och 99% omvandling vid olika temperaturer får man isoterma omvandlingslinjer och deras beroende av tiden i ett diagram. Obs, kurvformen avspeglar omvandlingsgradens temperaturberoende. y, % Omvandlad 100 T=675 C 50 T( C) Austenit (stabil) T 700 E (727 C) Austenit (omvandlingsbar) Isoterm omvandling vid 675 C 600 Perlit % 50% 1%perlit tid (s) tid (s) Omvandlingar i stål De viktigaste omvandlingarna i stål är fastfasomvandlingar. Omvandlingarna kan ske vid låg temperatur eftersom kol är löst interstitiellt och kan diffundera snabbt (även vid låg temperatur). De flesta omvandlingarna utgår från att stålet först värmts till austenitområdet. Kärnbildningen sker i kornhörn eller korngränser eller vid inneslutningar. Diffusion sker även snabbare i korn- och fasgränser. Genom att variera svalningsförloppet, kyla olika fort kan man få många olika mikrostrukturer som ger stålet varierande egenskaper. Omvandlingar som sker med stor underkylning (ΔT) (stor drivande ) ger en finare struktur med mycket yta. Mycket yta innebär ett hårdare material eftersom dislokationerna inte blir så rörliga, inte kan röra sig lika lätt. Stål, har max 2.12 wt% C och stelnar/omvandlas helt till FCC (austenit). Gjutjärn, har en kolhalt högre än 2.12 wt% C men maximalt ca 5 wt% C. Stelnar med en primär utskiljning av austenit följt av en eutektisk reaktion, L FCC+C eller L FCC+Cementit. Observera att det finns både en eutektisk och en eutektoid punkt i Fe-C fasdiagrammet. Fe-C fasdiagrammet (med cementit) TEMPERATURE_CELSIUS Stål FCC (austenit) Eutektoid reaktion BCC+CEMENTIT LIQUID Gjutjärn FCC+CEMENTIT Eutektisk reaktion WEIGHT PERCENT C 7

8 Eutektoida fasdiagrammet för stål FCC kallas austenit och BCC kallas ferrit. Ferrit löser mycket lite kol. Cementit är en järnkarbid (Fe 3 C) med hög kolhalt. Den eutektoida punkten är vid 727 o C och 0.77 wt% C. TEMPERATURE_CELSIUS BCC (ferrite) (0.02) FCC (austenite) A 3 A 1 (0.77) A cm BCC+CEMENTIT 727 FCC+CEMENTIT Eutektoida strukturen i Fe-C Den eutektoida strukturen i Fe-C kallas perlit och bildas när austenit med sammansättningen markerad med blå linje svalnar. Perlit är lamellär med omväxlande ferrit och cementit. Den liknar ett lamellärt eutektikum bildat vid stelning men perlit bildas genom fastfasomvandling. Vid snabb kylning fås martensit. Linjen markerad Ms anger var austenit kan omvandlas till den metastabila fasen martensit 400 Ms WEIGHT_PERCENT C Grov perlit bildad vid så hög temperatur att man kan urskilja lamellerna. Fin perlit bildad vid låg temperatur. Lamellerna går inte att urskilja. Undereutektoida strukturer i Fe-C Stål med lägre kolhalt än 0.77 wt% kallas undereutektoida. Om de svalnar långsamt från austeniten bildas först proeutektoid ferrit i austenitkorgränserna. Austenitens kolhalt ökar då och under 727 o C bildas perlit. Vid mycket snabb kylning kan man få martensit. Övereutektoida strukturer i Fe-C Övereutektoida stål har kolhalter mellan 0.77 och 2 wt%. Dessa stål austenitiseras oftast strax över eutektoida temperaturen eftersom man för att få enfasig austenit måste gå så högt i temperatur att man får grova austenitkorn genom korntillväxt. Cementiten bildar då små sfäriska partiklar. Austeniten omvandlas till perlit vid långsam svalning, vid snabb svalning får man martensit. Lite proeutektoid ferrit och grov perlit. Mycket proeutektoid ferrit och grov perlit. Cementiten finns som små ljusa partiklar i bilden till vänster, till höger ligger den i austenitkorngränserna. Resten av strukturen är martensit Härdat stål (martensit) Efter snabbkylningen behöver man oftast anlöpa martensiten för att få viss duktilitet. Annars kan en liten spetsig spricka lätt orsaka brott. Härdningsmekanismer Korngränshärdning (Flerfasstruktur/Omvandlingshärdning) Korngränser medför att dislokationerna stockas upp vilket försvårar dislokationsrörelsen. Fas-, resp atomordningsgränser är hinder för dislokationsrörelsen. Denna bild visar hur martensiten vuxit som en skjuvvåg som studsat i ett zigzag mönster inom ett austenitkorn. Denna bild visar austenit som helt omvandlats till martensit. Eftersom austenitkornen varit stora har det blivit sprickor i korngänserna av volymändringen. Lösningshärdning Främmande atomer i det ordinarie gittret utgör hinder för dislokationsrörelsen. Utskiljningshärdning Utskilda partiklar är effektiva hinder för dislokationsrörelsen. Deformationshärdning Dislokationstrassel är effektiva hinder för dislokationsrörelsen. 8

9 Korngränshärdning (minskning av kornstorlek) Korn (och fas-) gränser stoppar dislokationer. Ju större skillnad mellan kornens orientering ju bättre stoppas dislokationerna. Alltså: Små korn ger större motstånd mot dislokationsrörelsen. Hall-Petch ekvationen: glid plan = + kd korn A 1/2 0.2 o y korn B korngräns Legeringsatomer stör gittret och orsakar spänningar. Spänningarna hindrar dislokationernas rörelse. Små substitutionella legeringsatomer A Legeringsatomerna orsakar en lokal spänning vid A och B som hindrar dislokationsrörelsen. Lösningshärdning B Stora substitutionella legeringsatomer D C Legeringsatomerna orsakar en lokal spänning vid C och D som hindrar dislokationsrörelsen Temp. 1. Upplösningsbehandling Utskiljningshärdning Utskiljningshärdning (eller partikelhärdning) och innebär att man skapar många små partiklar (radie < 1 μm) som hindrar dislokationernas rörelser. Samtidigt skapas mer ytor i materialet och på samma sätt som för korngränshärdning betyder mycket ytor i ett material att det blir starkare. 3. Åldring FCC FCC + Θ Efter kallbearbetning: Deformationshärdning Dislokationer låser varandra vid kallbearbetning. Dislokationsrörelsen blir hindrad p.g.a dislokationsintrassling. Fortsatt deformation kräver större, deformationshårdnande. Sträckgänsen ökar efter plastisk deformation. 2. Snabbkylning Tid 0.9 μm FCC material deformationshårdnar mer än BCC material. -Smidning form Ao Ao kona Deformationshärdning Deformation vid rumstemperatur (kallbearbetning). Formningsoperationer som ändrar materialets tvärsnittsarea: -Dragning Ad Ad drag - Valsning vals Ad Ao vals - Extrusion Ao %CW = A o A d x100 A o Behållare stämpel matrishållare extrusion Ad matris Brottgräns (MPa) Effekten av uppvärmning efter kallbearbetning 1 timmes uppvärmning till 40% av T m... minskar B och ökar %EL. Effekten av kallbearbetningen blir omvänd! Värmebehandlings temperatur ( C) brottgräns duktilitet Återhämntning Rekristallisation Duktilitet (%EL) Korntillväxt 3 olika steg under värmebehandlingen att förklara... 9

10 Rekristallisation Nya kristallkorn bildas som: -- Har normal dislokationstäthet -- Är små (om kallbearbetningen stor) -- Äter upp de kalldeformerade kristallkornen 0.6 mm 0.6 mm Plastisk deformation - Rekristallisation Kornstorlek Rekristallisation Kritisk deformationsgrad Deformationsgrad 33% kallbearbetad mässing Nya kristallkorn Kärnbildas efter 3 sec. vid 580C. Vid mycket små deformationer sker ingen nyordning av atomgittret. Först vid den sk kritiska deformationsgraden sker en omlagring till ny kornstruktur. Ju större deformation, desto fler kristaller bildas och desto mer finkorning struktur. Det krävs alltid förhöjd temperatur vid rekristallisation pga atomernas långsamma rörlighet vid rumstemperatur. Plastisk (bestående) deformation (för kristallina faser vid låga temperaturer, T < T smält/3) Enaxlig dragning: Spänning Elastisk initialt Elastisk+Plastisk vid större spänning permanent (plastisk) töjning efter avlastning Den spänning när en liten mätbar plastisk deformation har inträffat. 0.2 spänning, Sträckgräns, 0.2 när εp = (0.2%) εp Töjning Plastisk töjning ε ε p = töjning, ε dragspänning engineering stress Brottgränsen, B Maximal dragspänning innan brott. TS B Typical Typiskt response beteende of för a en metal metal strain töjning Metaller: inträffar när midjebildning börjar. Keramer: inträffar när sprickor börjar växa. Polymerer: inträffar när polymerens kolkedjor har dragits ut och börjar brista. e.g., 10mm sphere apply known force (1 to 1000g) D Hårdhet Materialets motstånd att bli deformerat på ytan. Stor hårdhet innebär att materialet har: -- svårt att deformeras plastiskt eller att brytas sönder av tryckspänningar. -- bra slitstyrka. d measure size of indent after removing load Smaller indents mean larger hardness. Ger ett samband mellan en lätt mätbar storhet (hårdhet) och ett materials hållfasthet (sträckgräns) 10

11 Materialfel koncentrerar spänningar! Elliptisk hålighet i en plåt: o 2a Spänningskonc faktor: K t = max / o Stora K t gynnar brott: Inte så dåligt Spänningsdistribution framför spetsen: max a o ρ t ρ t Kt=3 Dåligt! Kt>>3 Olika utseende av brott Duktilt brott: mycket ig plastisk deformation före och under brottets utbildande. Kopp-kon brott: kombinerat duktilt/sprött brott, viss plastisk deformation innan sprött brott. Sprött brott: mycket liten plastisk deformation före och under brottets utbildande och en mycket hög utbredningshastighet. Utmattningsbrott: karakteriseras av att materialet brister vid en spänning (belastning) som ligger (igt) under både sträck-, och brottgräns, när denna spänning upprepas cykliskt, ett tillräckligt antal gånger. Lektion 7 15 Delvis duktilt brott (Kopp-konbrott) Steg till brott: Midjebildning Kärnbildning av porer Radiell spricktillväxt Glidning vid ytan, i 45 mot dragriktningen Brott Utmattningsbrott = brott vid cyklisk spänning. prov Tryck på ovansidan lager Utmattningsbrott (fatigue) lager koppling Drag på undersidan motor räknare Partiklar fungerar som kärnbildningsplatser för sprickor 50 μm 100 μm Spänningen varierar med tiden -- Viktiga parametrar är amplituden S och medelspänningen m max Viktigt: Utmatting Kan orsaka brott, även om max < Orsakar ~ 90% av alla brott i mekaniska apparater. min m S tid Brott vid slag (hastig belastning) En ökande belastningshastighet, ε -- Ökar y och B -- Minskar %EL y y B större B ε mindre Varför? En ökad deformationshastighet ger dislokationerna mindre tid att passera hinder, varför materialet beter sig sprödare.. ε ε Slag Energi Slagseghetens temperaturberoende Ökande temperatur... --ökar %EL och K c (brottsegheten) Omslagstemperatur (Ductile-to-Brittle Transition Temperature (DBTT)... FCC metaller (e.g., Cu, Ni) Sprött BCC metaller (t.ex., järn för T < 911 o C) polymerer Mer duktilt Hårdmetaller ( y >E/150) Temperatur Omslagstemperatur (Ductile-to-brittle transition temperature) 11

12 Spänningskorrosionsbrott Belastning och korrosiv miljö (saltvatten) i kombination underlättar brott i material. Krypning: Långsam deformation vid låg last Förekommer vid förhöjd temperatur, T > 0.4 T melt Deformationen ändras med tiden.,ε töjning ε Ökande T Ett material som normalt tål en viss belastning (spänning) kan spricka när det belastas om det samtidigt befinner sig i en korrosiv miljö. Tertiärt kryp 0 t Primärt kryp Sekundärt kryp elastiskt T < 0.4 Tm tid 0 Stora korn minskar risken för krypbrott! Klassificering av metaller Järn-kol legeringar Stållegeringar Steels Gjutjärn Cast Irons <2 <1.4wt%C C wt% C 1600 δ 800 α ferrit γ+l 1200 γ austenit 1000 α+γ Metallegeringar (Fe) 1148 C L γ+fe3c 727 C Eutektoid: 0.77 α+fe3c L+Fe3C Eutektisk: 4.30 Icke-järn legeringar Cu Al Mg Ti mikrostruktur: ferrit, grafit cementit Fe3C, cementit Zn Framställningsmetoder metaller (I) Plastisk formning Smidning (skiftnycklar, vevaxlar) sänke ofta vid Ao metall Ad höga T Dragning (stånger, tråd) Ao die die Ad drag Gjutning Valsning (plåt, räls, rör) Ao roll roll Extrusion (profiler, rör) Ao container stämpl ämne container e Fogning Ad matrishållare profil Ad matris Framställningsmetoder metaller (II) Framställningsmetoder (III) Formning Gjutning i sandform (stora delar t.ex., motorblock) Sand Sand smält metall Gjutning Investment Casting (små volymer, komplexa former t.ex. smycken, turbinblad) Keramform byggd runt en protyp vax av vax Fogning Formgjutning (stora volumer, låg smältpunkt) Stränggjutning (continuous casting) (enkla former) smälta stelnat Formning Gjutning Fogning Pulvermetallurgi Svetsning (material med låg duktilitet) (när det är opraktiskt att göra hela detaljen i ett stycke) punktkontakt vid låg temp tryck tätare värme ytkontakt kompaktering genom diffusion vid högre temp tillsatsmetall (smält) basmetall (smält Hopfogad bas metall HAZ (värmepåverkad zon opåverkad zon opåverkad zon del 1 del 2 Värmepåverkad zon (HAZ) (område inom vilket mikrostrukturen har förändrats). 12

13 Korrosionscell Korrosion i material Anodreaktion: M M e - 2. Katodreaktion: 2H + + 2e - H 2 3. Elektronledare (metallen) 4. Jonledare (vattenlösningen) Polymera material Elektrodpotential En metall (M) omges av en vattenlösning innehållande joner av metallen (M n+ ). Ett utbyte sker mellan metallen och lösningen M M n+ +ne - varvid metallen antar en elektrodpotential Plastmaterial Materialen är mer eller mindre hårda och formbeständiga vid användningstemperaturen. Härdplaster: Nätverkspolymerer Termoplaster: Linjära och grenade polymerer Gummimaterial (Elaster) Gummimaterial är mycket elastiska. De töjs vid belastning och återfår sin ursprungliga dimension efter avlastning. Polymerers mikrostruktur Polymer = många merer mer mer mer H H H H H H H H H H H H H H H H H H C C C C C C C C C C C C C C C C C C H H H H H H H Cl H Cl H Cl H CH3 H CH3 H CH3 Polyeten (PE) Polyvinylklorid (PVC) Polypropen (PP) Olika merer ger olika egenskaper!!! Kovalenta bindingar inom kolkedjan ger styrka: Termoplaster Kan kristallisera Amorf Elaster Härdplast Inverkan av temperatur/tid E-modul påverkan Viskoelasticitet sekundär bindning Linjär Förgrenad Tvärbunden Nätverk Ökande hårdhet Tvärbindningar mellan kolkedjorna ger elasticitet och styrka: Polymera material förändrar igt sina mekaniska egenskaper under olika yttre betingelser som tid, temperatur, belastning, bearbetning mm 13

14 Formsprutning (injection moulding) Formpressning (Compression moulding) Maskinen består av två delar: sprutenhet, där polymeren bearbetas till en homogen massa av en skruv och formlåsningsenheten som låser formrummet. Används huvudsakligen för termoplaster och ger även en fördelaktig struktur av polymeren. Polymeren placeras mellan en fast och en rörlig formdel. Polymern värms av formhalvorna, formen stängs och polymeren flyter ut och fyller formrummet. Används huvudsakligen för härdplaster. Användningsområden för keramer Tillverkning av keramer (I) Glaser Lera HögtemperaturSlitmaterial Cement Funktionella keramer -optisk -badrum -kompositer -tegel förstärkning -behållare/ -hushållsgods -tegel för -sandpapper-komposit höga T -skärade -strukturell (brännugn) -polering Egenskaper: -- Tsmält för glas är inte så hög som för andra keramer -- Dålig slagseghet och duktilitet; hög E-modul, bra kryphållfasthet. Användning: -- Höga temperaturer, slitstyrka, lågt pris. Tillverkning: -- Glasmaterial kan formas relativt lätt -- De flesta andra keramerna är svåra att forma. motor -rotorblad -kolvar -lager -detektorer Keramer = Oorganiska kristallina material Glas = Amorft material (ingen kristallstruktur). Glasformning Pressning: Parison form ämne Blåsning: hängande Parison Avslutande form Specialformning Cement Pressning Tryckluft Fiberdragning: trådvinda Tillverkning av keramer (II) Glasformning Specialformning Cement Malning och siktning: för önskad partikelstorlek Blandning av partiklar och vatten: ger en uppslammad lera" Forma en "grönkropp" -- Vatten-plastisk formning (Extrusion, strängpressning): tryck leran genom en form A o pistong behållare ämne behållare formfäste extruderat form A d Torkning: skiktens storlek och avstånd minskar. Våt lera Delvis torr Grönkropp Bränning: -- Temperaturen höjs till o C -- Vitrifikation: Glas bildas av leran och fyller ut mellan SiO2 partiklarna (smältfassintring). Mikrobild av porslin Torkning och bränning Si02 partikel (kvarts) Glas bildad runt partikeln 70μm 14

15 Tillverkning av keramer (III) Glasformning Specialformning Cement Produceras i mycket stora kvantiteter. Portland cement : -- Blanda lera (SiO 2 ) med kalksten (CaO) -- Värm till 1400 o C -- Huvudbeståndsdelar: trikalciumsilikat Ca 3 SiO 5 dikalciumsilikat, Ca 2 SiO 4 Tillsätt vatten -- Ger en mjuk pasta som snabbt hårdnar -- Hårdheten beror på hydrering (kemiska reaktioner med vattnet). Formning: måste ske snabbt efter att hydreringen har börjat. Kompositmaterial Kompositer: -- Flerfasiga material med signifikanta mänder av varje fas. Grundmassa (matrix): -- Den sammanhängande fasen -- Dess betydelse är: överföra spänningen till andra faser skydda faser från omgivningen -- Klassificering: MMC, CMC, PMC vävda fibrer 0.5mm tvär sektion Metall Keram Polymer Dispergerad fas: 0.5mm -- Avsikt: förbättra grundmassans egenskaper. MMC: öka y, B, kryphållfasthet. CMC: öka Kc (brottseghet) PMC: öka E, y, B, kryphållfasthet. -- Klassificering: Partiklar, fiber, strukturell Partikelförstärkta kompositer Fiberförstärkta kompositer Partikelförstärkt Exempel: - Mjukglödgat Matrix: stål (MMC) ferrit ( α) (duktil) - WC/Co Hårdmetall (MMC) - Bildäck (PMC) Matrix: kobolt (duktil) Vm: 10-15vol%! Matrix: gummi (mjukt) Fiberförstärkt 60μm 600μm 0.75μm Partiklar cementit (Fe3C) (spröd) Partiklar WC (spröd och hård) Partiklar C (styva) Strukturell Partikelförstärkt Fiberförstärkt Strukturell Diskontinuerliga, slumpmässigt ordnade 2D fibrer Exempel: Kol+Kolfiber -- Process: fibrer och pulver hettas upp till 2500 o C. -- Användning: skivbromsar, klaffar för utblås från gasturbin, noskon för flygplan Andra varianter: -- Diskontinuerliga, slumpmässingt ordnade i 3D -- Diskontinuerliga i 1D (a) (b) bild av ytan C fibrer: mycket styva och starka C matrix: Mindre styv och stark Fibrerna ligger i planet Strukturella kompositer Partikelförstärkt Fiberförstärkt Packande och fogade fiberförstärkta skivor -- Packordning: t.ex 0/90 -- Fördel: balanserad styvhet i planet Sandwichpaneler -- låg vikts bikake centrum -- fördel: låg vikt, stor böjstyvhet ytteryta fogyta bikaka Strukturella Läsanvisningar HT2006 Kapitel 1 Kapitel 9 Sidor: 1-8 Sidor: , , , Kapitel 2 Typtal: 9.14, 9.19, 9.25, 9.30, 9.43, 9.49 Sidor: 10-19, Kapitel 10 Typtal: 2.8, 2.16a, 2.18, 2.20 Sidor: , , Kapitel 3 Typtal: 10.2, 10.5, 10.7, 10.12, 10.27, 10.28, Sidor: 32-39, 40-43, 48-55, , 10.33, 10.48, 10.54, 10.64, Typtal: 3.1, 3,20, 3.82, 3.92 Kapitel 11 Kapitel 4 Sidor: , , , Sidor: , , Typtal: 11.1, 11.9, 11.15, 11.18, 11.19, 11.20, 11.22, 11.23, 11.32, 11.D7 Typtal: 4.13, 4.22 Kapitel 13 Kapitel 5 Sidor: , Sidor: , , Typtal: 13.2, 13.5, 13.7, 13.11, Typtal: 5.3, 5.11, 5.12, 5.32 Kapitel 14 Kapitel 6 Sidor: Sidor: Typtal: 14.1, 14.4, 14.6, 14.11, 14.12, 14.19, Typtal: 6.3, 6.4, 6.7, 6.8, 6.12, 6.23, 14.34, Kapitel 15 Kapitel 7 Sidor: , , Sidor: , , , , Typtal: 15.4, 15.20, Typtal: 7.3, 7.8, 7.9, 7.25, 7.26, 7.44, Kapitel , 7.D1 Sidor: , , Kapitel 8 Typtal 16.1, 16.20, 16.22, 16.24, Sidor: , , Kapitel 17 Typtal: 8.5, 8.19, 8.20, 8.21, 8.29, Sidor 17.1, 17.3 (CD-rom) 8.34, 8D.4, 8D.6 15