Material - Repetition. VT1 1,5 p Janne Färm

Transkript

1 Material - Repetition VT1 1,5 p Janne Färm

2 Torsdag 12:e Mars 9:15 12:00 repetition KPP045 Material-delen Förmiddagens agenda Information om gjut- och smideslaborationen Tentamen: Omfattning och exempel på gammal tenta Viktiga avsnitt i kursen Vid tiotiden: Fikapaus 20 minuter Viktiga avsnitt i kursen, fortsättning Kort paus Frågor 2

3 Information gjut- och smideslab Tag på er oömma kläder då ni kommer att arbeta fysiskt Se till att vara på plats på Faktorigatan 8:15 resp. 13:15 Ni kommer att delas upp i 2 grupper på 5-6 personer Obligatorisk närvaro men ingen rapport 3

4 Tentamen KPP045 Måndag 23:e Mars 8:10 13:30 5h 20 Totalt 25 p, 19 p dynamik, 6 p material 10 p för godkänt varav minst 2 p från material 15 p för 4:a 20 p för 5:a 4

5 Exempel på gammal tentamen: Material-delen av KPP Berätta vad de två olika typerna av diagram beskriver för något samt beskriv hur de olika diagrammen relaterar till varandra. (2p) 1.2 Beskriv en härdningsmetod där du Styr hastigheten på den eutektoida reaktionen, (1,5p) Undviker den eutektoida reaktionen, (1,5p) Samt relatera hållfasthetsegenskaperna för det material du erhåller i de två olika fallen ovan till varandra (1p). 5

6 1.1 Berätta vad de två olika typerna av diagram beskriver för något samt beskriv hur de olika diagrammen relaterar till varandra. (2p) Det vänstra diagrammet är ett fasdiagram för järn- kol i jämvikt (vid konstant tryck). Det visar vilka olika faser som uppstår för olika blandningsförhållanden och temperaturer. Det visar även vilka mikrostrukturer som uppstår i olika två-fasområden, t.ex. perlit och ferrit. Det högra diagrammet är ett TTT-diagram (tid, temperatur, transformation) som visar hur tid och konstant temperatur påverkar fasbildningen vid en given sammansättning. En lodrät linje i fasdiagrammet motsvarar en given sammansättning och kan representeras av ett givet TTTdiagram 6

7 1.2 Beskriv en härdningsmetod där du Styr hastigheten på den eutektoida reaktionen, (1,5p) Undviker den eutektoida reaktionen, (1,5p) Samt relatera hållfasthetsegenskaperna för det material du erhåller i de två olika fallen ovan till varandra (1p) Vid den eutektoida reaktionen övergår austenit till perlit. Vid liten underkylning får man efter lång tid en grov perlit medan en större underkylning snabbt ger en finare, hårdare och sprödare perlit Genom att snabbt kyla ett stål, i detta fall på mindre än en sekund, så undviks den eutektoida reaktionen och mycket hård och spröd martensit bildas istället. Den är en övermättad metastabil lösning och visas inte i fasdiagrammet Martensiten blir mycket hårdare och sprödare än både grov och fin perlit. 7

8 Kursupplägg Material Föreläsningar Kursbok : Essentials of Materials Science and Engineering. Donald R Askeland, Wendelin J Wright 6 föreläsningar 1 i veckan v4 v9, torsdag förmiddag 10:15 12:00 Föreläsningarna behandlar kapitel 6 t.o.m. 16 i boken M1 Dagens föresläsning repetition och materialval M2 Kapitel 6&7 Mekaniska egenskaper M3 Kapitel 8&9 Deformationshärdning, glödgning och stelning M4 Kapitel 10&11 Fasta lösningar, fasdiagram och dispersionshärdning M5 Kapitel 12&13 Härdningsmekanismer M6 Kapitel 14,15&16 Metaller, Keramer och Plaster Länk till bra ordlista: Laborationer Lab 1 behandlar värmebehandling och härdning av stål Laborationen tar cirka 4 timmar Gjut och smideslaborationen är ett halvdags studiebesök 8

9 Materialvalstrategi från M1 En process med 4 steg Översättning Omformulera designkraven till designkritiska egenskaper Sållning Sålla bort alla material som inte klarar jobbet Rangordna Lista de material som bäst uppfyller kraven Dokumentera Undersök bästa materialens historia 9

10 Materialegenskaper från M2 Spänning och töjning är inga materialegenskaper Orsak och verkan Styvhet och styrka är materialegenskaper Elasticitetsmodulen, E Sträckgränsen R e (s y elastic limit, s s ) Brottgränsen R m (s ts tensile strength, s B ) Styvhet, styrka och densitet De mest centrala materialegenskaperna i mekanisk design 10

11 Spänning Töjning sega material, M2 Brottgränsen är det maximala värdet Sträckgränsen är slutet på det elastiska området Permanent deformation uppstår vid spänningar över sträckgränsen Materialet återfår inte sin ursprungliga form 11

12 Omslagstemperaturen Ductile-to-Brittle Transition från M3 Vid låga temperaturer blir många metaller och alla polymerer spröda När temperaturen sjunker ökar sträckgränsen för de flesta materialen vilket leder till en minskad plastisk zon Bara metaller med FCC-struktur förblir sega vid riktigt låga temperaturer

13 Stelning av legering från M4 Figure GL2.24 Legeringar stelnar över ett temperaturintervall mellan likvidus och soliduslinjen. Fastransformeringarna sker inte vid konstant temperatur

14 Fasreaktioner från M4 När en fassammansättning ändras med temperaturen så sker en fasreaktion I ett en-fas område så är sammansättningen av fasen alltid densamma som hela legeringen och ingen fasreaktion sker vid kylning I ett två-fas område så är fassammansättningarna givna av de två fasgränserna Sammansättningen ändras med temperaturen och fasreaktioner sker

15 Eutektisk Stelning, M4 En eutektisk reaktion är en tre-fas reaktion där en vätska kyls och bildar två fasta faser vid konstant temperatur: Vätska, L -> Fast fas α + Fast fas β Proportionerna mellan faserna avgörs av positionen av den eutektiska punkten längs konoden. Om punkten ligger nära ena sidan bildas en matris av den fasen med den andra fasen som små isolerade partiklar Vanligen tillväxer de två faserna parallellt och bildar tunna skivor Figure GL2.29 Figure GL2.30

16 Utskiljningshärdning och eutektiska fasdiagram: Kapitel 11 från M5 Utskiljningshärdning Utskiljda partiklar stoppar dislokationerna a) Mjuk seg kontinuerlig matris med hårda begränsade partiklar b) Många små partiklar maximerar arean mellan faserna c) Runda partiklar minskar risken för sprickor d) Högre koncentration ökar styrkan 16

17 Stelning med 10 % Tenn från M5 Smältan stelnar till en fast lösning Under 140 C börjar en andra fas utskiljas Legeringen blir utskiljningshärdad % Pb*(10-2) = % Sn*(100-10) % Pb = % Sn*90/8 = (1-% Pb)*90/8 % Pb*(1+90/8) = 90/8 % Pb, a = 90/98 = 92 % % Sn, b = 8 % Vi 80 % av tennet i b-fasen och 20 % i a-fasen 17

18 Utskiljningshärdning genom fastransformationer och värmebehandling: Kapitel 12 från M5 Vad styr hur fort en fastransformation sker? En fastransformation innebär att atomer flyttar på sig En ny gitterstruktur bildas, t.ex FCC -> BCC Nya faser bildas: a -> a + b Atomerna måste vilja flytta på sig! Vi har ändrat temperaturen så att en ny fas är mer gynnsam Ju större underkylning vi har desto större vilja till förändring Vi får initiering av nya faser Atomerna måste kunna flytta på sig! Diffusion kräver värme Ju kallare desto långsammare kan atomerna flytta på sig Vi får tillväxt av nya faser 18

19 Hastigheten för fastransformationer, M5 Hastigheten beror på två faktorer Underkylning påskyndar initiering Hög temperatur påskyndar tillväxt Totala hastigheten blir högst för en kritisk temperatur Tid för fastransformeringen kan beskrivas med TTT-diagram 19

20 Utskiljningshärdning En förutsättning är att legeringen kan fås att anta en-fas struktur Därefter kyls legeringen och blir då övermättad Den nya fasen måste utskiljas optimalt 20

21 Härdning - åldring Genom släckning fås en övermättad lösning Åldring vid förhöjd temperatur påbörjar utskiljning Först utskiljs metastabila koherenta partiklar Vid överåldring utskiljs stabila inkoherenta partiklar 21

22 Eutektoid reaktion Fasdiagram för stål Fe Fe 3 C fasdiagram Med 0,8 vikt % kol får vi en eutektoid reaktion vid 727 C g -> a + Fe 3 C 22

23 Perlit - en tvåfasstruktur med ferrit och cementit Perlit - en nanokomposit, metall-keram Perlit 89% ferrit 11 % cementit 23

24 Hypoeutektoidiskt stål Hypereutektoidiskt stål Perlit i ferrit då kolhalten är under 0,8 % (segt) Perlit i cementit då kolhalten är över 0,8 % (sprött) 24

25 TTT-diagram för eutektoidiskt stål Tid Temperatur Transformation Visar vilken struktur som fås vid snabb kylning till olika temperaturer Perlit Bainit Martensit 25

26 Martensitens kristallstruktur, BCT När austenitens FCC-struktur ändras till ferritens BCC-struktur fångas kolatomerna BCC-kuben blir tetragonal, BCT 26

27 Martensitens hårdhet, HRC, s.f.a. vikt % kol Hårdheten ökar med kolhalten upp till 0,6 vikt % kol 27

28 Anlöpning av martensit Vid anlöpning återfås en del av stålets seghet Höjs anlöpningstemperaturen sjunker hårdheten 28

29 Stål & gjutjärn, M6 Stål upp till 2,1 % kol Eutektoid reaktion Gjutjärn över 2,1 % kol Eutektisk reaktion För stål är den eutektoida delen av fasdiagram intressantast 29

30 Isoterma värmebehandligar Perlit fås vid temperatur över 550 C Bainit fås vid temperatur under 550 C 30

31 Martensitbildning Ökad kolhalt sänker temperaturen för martensitbildning 31

32 Härdsprickor Vid för snabb kylning kan stålet spricka 32

33 Härdning med hålltid ovan M s Låt hela detaljen bli genomvarm strax ovanför M s 33

34 CCT-diagram Continuous Cooling Transformation TTT diagram Konstant temperatur CCT diagram Sjunkande temperatur CCT diagram hjälper oss att välja kylning 34

35 Legerade stål Ytterligare legeringsämnen påverkar både fasdiagram och TTT diagram Legeringsämnen ökar härdbarheten genom att fördröja bildningen av perlit och bainit Vi kan då släcka i luft Fasdiagram påverkas av ytterligare legeringsämnen Ex. Mangan sänker både temperatur och koncentration för den eutektoida punkten 35

36 Rostfritt stål Rostfritt stål innehåller krom Mer än 11 % krom Kromet bildar en tunn skyddande hinna av kromoxid på ytan Ferritiskt rostfritt stål Upp till 30 % krom, mindre än 0,12 % kol Magnetiskt men går ej att värmebehandla Martensitiskt rostfritt stål % krom, 0,1 1,0 % kol Kan härdas och är ett populärt knivstål Austenitiskt rostfritt stål Innehåller nickel som gör austeniten stabil vid rumstemperatur 18/8-stål innehåller 18 % krom och 8 % nickel 36

37 Icke järnhaltiga legeringar: Kapitel 14 Low alloy steel Nickel-based superalloys Titanium alloys 1000 Wrought magnesium alloys Age-hardening wrought Al-alloys Cast iron, ductile (nodular) Yield strength (elastic limit) (MPa) Density (kg/m^3) 37

38 Sträckgräns och densitet för några olika legeringar (CES EduPack) Legering Sträckgräns Densitet [MPa] [kg/m 3 ] normalt Magnesium (1740) Aluminium (2700) Titan (4510) Nickel (8900) Låglegerat Stål (7870) Rostfritt Stål

39 Viktiga egenskaper hos aluminium Låg vikt 2,7 g/cm 3 ungefär en tredjedel av järn Hög hållfasthet Legeringar har brottgränser på 700 MPa och behåller sin goda seghet även vid låga temperaturer God korrosionshärdighet Bildar ett tunt oxidskikt Hög ledningsförmåga för både värme och elektricitet, cirka 60 % av den hos ren koppar Lättbearbetat Väl lämpat för plastisk bearbetning Lätt att återvinna - Kräver bara 5 % av den energi som går åt vid primärframställning 39

40 Magnesium och magnesiumlegeringar Magnesiums mest utmärkande egenskap är den låga densiteten, 1,7 g/cm 3 Magnesium framställs genom smältelektrolys ur magnesiumklorid Magnesium i ren form är mjukt med låg hållfasthet Magnesium har HCP struktur och är inte lika segt som Al Magnesiumlegeringar innehåller: Aluminium 6-8 % Zink 0 2 % Mangan Magnesium kan härdas genom upplösning och varmåldring 40

41 Titanlegeringar Titan och Titanlegeringar började säljas så sent som på 50-talet Titanlegeringars egenskaper: Mycket god korrosionshärdighet, lämpligt för inplantat Låg densitet 4,5 g/cm 3, en lättmetall Goda hållfasthetsegenskaper Goda egenskaper även vid höga temperaturer, > 500 C Titan legeras med: Palladium för att förhöja korrosionshärdigheten Aluminium och tenn, vanadin eller mangan för högre sträckgräns 41

42 Keramers egenskaper Hög hårdhet Hög E-modul, nästan dubbelt så stor som för stål Bibehållen hållfasthet vid höga temperaturer Ofta låg densitet jämfört med metaller Låg termisk värmeledningsförmåga Hög korrosionshärdighet 42

43 Mekaniska egenskaper för plaster Termoplaster Låg styvhet och låg sträckgräns Hög duktilitet Tydlig glastemperatur, Tg, där plasten mjuknar Kan återvinnas Härdplaster Högre sträckgräns Betydligt sprödare än termoplaster Ingen tydlig glastemperatur utan smälttemperaturen, Tm styr Kan inte återvinnas annat än som nedmalt fyllmedel Elastomerer Låg styvhet och olinjärt elastiska Elastisk töjning på över 200 % 43