Material repetitionsföreläsning 10. HT2 7,5 p halvfart Janne Färm

Transkript

1 Material repetitionsföreläsning 10 HT2 7,5 p halvfart Janne Färm

2 Torsdag 7:e Januari 13:15 17:00 PPU105 Material Eftermiddagens agenda 13:15 17:00 Viktiga delar från respektive kapitel Paus 14:00 Rast 15:00 15:25 Genomgång av lämpliga uppgifter att jobba med inför tentamen Paus 16:10 2

3 Viktiga delar från kapitel 1 Vi gör saker av material Vi formar, sammanfogar och ytbehandlar dem med processer Vi måste välja material och process som uppfyller våra designkritiska egenskaper Designkritiska egenskaper är designkraven översatta till krav på material- och processegenskaper 3

4 Materialvalskurs för blivande ingenjörer Innovation, Produktutveckling & Processutveckling Ni kommer att göra saker! Till exempel en maskinaxel Ni kommer att göra saker av material som genomgår olika processer Stål som ska svarvas och härdas Vad behöver ni kunna? Designkritiska egenskaper Materials egenskaper Processers egenskaper Ett verktyg för att kunna välja 4

5 Designkritiska egenskaper En produkts prestanda begränsas av vissa materialegenskaper; de designkritiska egenskaperna Första steget är att identifiera alla designkritiska egenskaper De är olika för varje design! Exempel: cykelram Styrka, styvhet, låg vikt, korrosionsbeständig, formbar 5

6 Materials egenskaper Fysikaliska egenskaper Densitet Mekaniska egenskaper Styvhet, Styrka, Seghet Termiska egenskaper Maximal driftstemperatur Värmeutvidgningskoefficient Elektriska egenskaper Magnetiska egenskaper Optiska egenskaper 6

7 CES Ett verktyg för materialval CES Cambridge Engineering Selector 7

8 Viktiga delar från kapitel 2 6 olika materialfamiljer Metaller Polymerer Elastomerer Keramer Glas Hybrider 8

9 Viktiga delar från kapitel 2 Materialegenskaper Generella Densitet, pris Mekaniska Styvhet, E-modul Hårdhet Styrka, sträckgräns Styrka, brottgräns Brottöjning Utmattningsgräns Brottseghet Kemiska korrosionsegenskaper Termiska Maximal driftstemperatur Värmeutvidgningskoefficient Värmeledningsförmåga Värmekapacitet Elektriska Resistans Magnetiska Remanens Optiska Transparans brytningsindex 9

10 Viktiga delar från kapitel 3 Designprocessen Koncept Utformning Detalj Tre designfaser mellan marknadens behov och produktspecifikationen Material- och processdata behövs i varje steg men i olika bredd och djup 10

11 Viktiga delar från kapitel 3 Valstrategin (Viktigast på hela kursen) 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 11

12 Översättning Omformulera designkraven till designkritiska egenskaper Identifiera följande: Funktion - Vad gör komponenten? Begränsningar - Vilka villkorslösa krav måste uppfyllas? Målsättningar - Vilka prestanda ska optimeras? Fria parametrar - Vilka egenskaper är vi fria att ändra? 12

13 Begränsningar mot målsättningar Begränsning Väsentligt krav som måste uppfyllas, ofta ett gränsvärde Målsättning Egenskap där vi söker ett extremvärde 13

14 Viktiga delar från kapitel 4 Styrka och styvhet Styvhet är motståndet mot elastisk formändring E-modulen är materialegenskapen för styvhet Styrka är motståndet mot permanent formändring eller kollaps Sträckgräns och Brottgräns är materialegenskap för styrka Spänning-töjningskurvor Första delen är rak och elastisk Material återgår till ursprunglig form vid avlastning I den linjärt elastiska delen är töjningen proportionell mot spänningen Permanent deformation uppstår vid spänningar över sträckgränsen Materialet återfår inte sin ursprungliga form 14

15 Viktiga delar från kapitel GLU 1 Kristallstrukturer HCP, FCC, BCC Vilka är tätpackade? Vilka har störst interstillära platser? Vilken är minst duktil? Exempel på ämne med HCP, FCC och BCC? Figure GL1.1 15

16 Viktiga delar från kapitel 5 Riktlinjer baseras på materialindex Material på linjen är lika bra Material ovanför linjen är bättre Olika materialindex för olika belastning M t vid dragning av stång M b vid böjning av balk M p vid böjning av panel Figure

17 Viktiga delar från kapitel 6 Spänning Töjningskurva: Metall Sträckgränsen, R p0,2 är den spänning som ger 0.2% resttöjning Då spänningen passerar sträckgränsen deformationshärdar många metaller Maximala spänningen är definierad som brottgränsen R m Figure

18 Viktiga delar från kapitel 6 Kristallina defekter Defekter i metaller och keramer hindrar dem från att uppnå sin ideala styrka Vanliga defekter: (a) (b) (c) (d) Vakanser Inlösta atomer; substitutionslösning eller interstitiell lösning Dislokationer Korngänser Figure 6.11

19 Öka styrkan För att öka styrkan hos kristallina material måste vi göra det svårare för dislokationer att röra sig Figure 6.18

20 Lösningshärdning Legering tillsats av andra atomer Legeringsatomerna är oftast större vilket hindrar dislokationerna

21 Deformationshärdning Vi ökar antalet dislokationer genom plastisk deformation

22 korngränshärdning Kornstorleken är typiskt μm Dislokationerna har svårt att passera en korngräns eftersom glidplanen inte sammanfaller Små korn ger hårdare material

23 Viktiga delar från kapitel 7 Styrka - Vikt Materialindex för en stark och lätt stång, balk och panel Figure 7.8

24 Viktiga delar från kapitel 8 Brottmekaniken Solidmekaniken I solidmekaniken räknar vi med perfekta solider Materialet är homogent isotropt och linjärt elastiskt I Brottmekaniken förutsätter vi att materialet har defekter Materialet har sprickor hur mycket kan vi belasta? Vid en given last hur stora kan sprickorna högst vara? Styrka mot Seghet Styrka Motstånd mot plasticering -> segt brott Seghet Motstånd mot spricktillväxt -> sprött brott 24

25 Ett material övergår från plastisk deformation till brott vid en kritisk spricklängd Kritisk spricklängd Brottspänning för given spricklängd Figure 8.7

26 Kritisk spricklängd är ett mått på materialets skadetålighet Sega material kan innehålla stora sprickor men ändå plasticera på ett segt och kontrollerat sätt

27 Brottseghet- E-modul Värden varierar från MPa m Figure 8.8

28 Omslagstemperaturen Ductile-to-Brittle Transition 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

29 Utmattningsdata läggs ofta in i S-N kurvor Viktiga delar från kapitel 9 S-N kurvor Spänningsamplitud, S Medelspänning Figure 9.3 Utmattningsgräns, σ u Spänningsnivå som inte ger utmattning eller efter mycket många cykler (>10 7 )

30 Utmattningsgräns - Brottgräns Utmattningsgränsen är den viktigaste egenskapen Metaller/Polymerer Glaser/Keramer Figure 9.8

31 Viktiga delar från kapitel 10 Materialindex för Brottsäker Design (a) (b) Lastbegränsad (c) Energibegränsad Figure 10.3 (d) Förskjutningsbegränsad

32 Viktiga delar från kapitel 11 Friktion och Slitage När ytor glider så slits dem material försvinner från båda ytorna Friktionskoefficient µ Figure 11.1

33 Friktionskoefficient för material som glider på en osmord stålyta Figure 11.2

34 Viktiga delar från kapitel Materialegenskaper Termiska Maximal driftstemperatur Värmeutvidgningskoefficient Värmeledningsförmåga Värmekapacitet Elektriska Resistivitet Magnetiska Remanens Optiska Brytningsindex 34

35 Termiska Egenskaper Två temperaturer som är direkt kopplade till styrkan hos ett material Smältpunkten T m Glastemperaturen T g Kristallina material har en definierad smältpunkt Icke-kristallina fasta material har en glastemperatur vid vilken de övergår från ett fast material till en mycket viskös vätska

36 Värmekapacitet C p Energi som krävs för att värma 1 kg av materialet 1 K Figure 12.1 Värmeutvidgningskoefficient α Termisk töjning då temperaturen höjs 1 K Figure 12.2 Värmeledningsförmåga λ Värmeflöde per areaenhet vid stationärt förlopp Figure 12.3

37 Elektriska egenskaper kapitel 14

38 Figure 14.7 Resistiviteten varierar mer än någon annan materialegenskap

39 Supraledare När metaller kyls ned sjunker resistiviteten De flesta behåller en resistivitet ned till absoluta nollpunkten, men vissa uppvisar en förvånande förändring, de tappar helt sin resistivitet vid en kritisk temperature T c Under T c kan en supraledare leda ström utan motstånd Figure 14.3

40 Magnetiska egenskaper kapitel 15

41 Magnetisering Ferritiska och ferro-magnetiska material blir magnetiska när de placeras i ett magnetiskt fält B = µh B är den magnetiska flödestätheten, T Tesla (Vs/m 2 ) µ är permeabiliteten, H/m Henry per meter H är magnetiska fältstyrkan, A/m Ampere per meter Mjukmagnetiska material, elektromagneter, tappar sin magnetisering när fältet tas bort Hårdmagnetiska material, permanentmagneter, behåller sin magnetisering

42 Magnetiska material skiljer sig åt stort vad gäller hysteresen Figure 15.7 Hårdmagnetiska material, permanentmagneter, har bred hystereskurva Mjukmagnetiska material har smal hystereskurva

43 Optiska egenskaper kapitel 16

44 Material och Strålning När strålning träffar ett material så reflekteras en del, absorberas en del och en del transmitteras Figure st term: reflektans 2 nd term: absorbans 3 rd term: transmittans

45 Ljusbrytning, Refraktion Brytningsindex c o ljushastigheten i vacuum ( km/s, 7,5 varv/s) Figure 16.3

46

47 Viktiga delar från kapitel Korrosion - Tumregler Räkna med viss korrosion Undvik vattenfickor Förhindra galvaniskt angrepp Undvik spalter Överväg katodisk skydd Se upp med spänningskorrosion och utmattningskorrosion Designa för besiktning och underhåll Tillverkningsprocesser Processval Strategin är snarlik den för materialval Designkraven ska översättas till begränsningar och målsättningar för att sålla, rangordna och slutligen välja lämplig process 47

48 Oxidationsmekanismer När de flesta metaller utsätts för luft så bildas en ultratunt oxidskikt M (metall) + O (syre) = MO (oxid) + energi Oxidskiktet separerar metallen från syret För att reaktionen ska fortsätta så måste antingen syret diffundera inåt genom skiktet eller metallatomer diffundera utåt för att nå syret

49 Oxidationsreaktionen M + O = MO sker i två steg: 1) Metallen skapar en jon och frigör elektroner M = M e 2) Elektronerna absorberas av syret och ger en syrejon O + 2e = O 2- Figure 17.4 Första reaktionen sker på metallsidan av oxidskiktet medan syrereaktionen sker på andra sidan antingen diffunderar metalljoner och elektroner utåt eller så diffunderar syret och elektronhål inåt mot metallen

50 Ytbeläggning Passiva skikt Separerar materialet från den korrosiva miljön men måste vara heltäckande Aktiva skikt Offeranod som korroderar istället för materialet, t.ex. förzinkad plåt Självgenererande skikt Tillräcklig mängd legeringsämnen så att ett skyddande oxidskikt bildas, t.ex. rostfritt stål

51 Tillverkningsprocesser kapitel 18

52 Processval Strategin är snarlik den för materialval Designkraven ska översättas till begränsningar och målsättningar för att sålla, rangordna och slutligen välja lämplig process Figure 18.1

53 Viktiga delar från kapitel 19 Processerna ändrar egenskaperna Egenskaper som styrka och resistivitet beror på mikrostrukturen och mikrostrukturen beror på processerna Järn kol fasdiagram Diagrammet visar upptill 6.7 vikt % kol Det täcker alla gjutjärn och stål Lösligheten för kol beror mycket på temperaturen då järn byter från BCC till FCC vid höga temperaturer De interstillära hålen som löst kol upptar är mycket mindre i BCC än i FCC vilket gör att mindre mängd kol kan lösas Figure GL

54 Fasta fastransformationer utan jämvikt Snabb kylning kan förhindra fastransformationer I figuren ser det ut som utskiljning kommer att ske vid kylning, med start vid 300 C, om Mg-halten är 8 % Utskiljningen tar dock tid och om vi kyler tillräckligt snabbt hinner inte denna transformation starta Figure GL2.41

55 Från Cu-Mg fasdiagrammet ser det ut som utskiljning till jämviktsfasen skulle ske vid 200 C Istället övergår den instabila a-fasen till en metastabil tredje fas Åldringskurvorna visar hur sträckgränsen påverkas vid åldring Figure GL2.42

56 Hastigheten för Fastransformationer Hastigheten beror både på drivkraften och diffusionshastigheten Båda beror på temperaturen men på olika sätt Figure 19.9

57 Tid Temperatur Transformation TTT-Diagram Figure TTT diagram används för att studera diffusionskontrollerad fastransformation C-kurvorna visar hur långt transformationen kommit TTT kurvor antar att temperaturen sänks hastigt ned till transformationstemperaturen

58 Continuous-Cooling Transformation Kontinuerlig kylningstransformation CCT-Diagram TTT diagram Snabb kylning CCT diagram Kontinuerlig kylning Figure Kontinuerlig kylning är mer praktiskt än snabb kylning Vid kontinuerlig kylning finns det en kritisk kylningshastighet som precis undviker att transformationen startar

59 Material, processer och miljön kapitel 20

60 Viktiga delar från kapitel 20 Val av Material för Eco-Design Figure En miljöansvarig design börjar med att identifiera vilken fas i livscykeln som påverkar mest

61 Total energiförbrukning inkluderar emergin, tillverkningsenergin, transportenergin, förbrukningsenergin vid användning Vissa produkter förbrukar mest energy vid användning Vissa produkter domineras av emergin Figure 20.7

62 Världskonsumtion av Material Vilka material förbrukar vi mest av? Figure 20.1

63 Figure 20.8

64 Lämpliga uppgifter att jobba med inför tentamen 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, , 2.4, 2.8, , , , 5.2, 5.17, , , 8.4, , , 11.3, , , , , , 17.12, , , , 20.9 GL2 8, GL

65 Exempel 3.1 Beskriv stegen i en ny design Marknadens behov; designkrav Koncept Utformning Detaljdesign Prototyp 3.2 målsättning och begränsning, vad är skillnaden? Begränsning är ett krav som måste uppfyllas Målsättning är något som ska optimeras Begränsningar används vid sållning Målsättningar vid rangordning 65

66 Exempel 9.2 Beskriv skillnaden på lågcykelutmattning och högcykelutmattning. Ge exempel på komponenter som kan havera pga högcykelutmattning. Vad menas med utmattningsgränsen? Lågcykelutmattning sker med plasticering vid varje lastcykel och lågt antal cykler till brott < Högcykelutmattning sker med spänningsamplituder under sträckgränsen och med många cykler till brott > Exempel på komponenter som havererar pga högcykelutmattningar är hjulaxlar, lager, roterande maskiner m.m. 66

67 Exempel 14.1: Varför leder metaller ström? Varför leder inte isolatorer ström? Metaller har ett delvis fyllt yttersta elektronband med fria elektroner, dessa elektroner kan röra sig fritt mellan atomer och det är elektronerna som leder strömmen Isolatorer har ett bandgap mellan det fyllda bandet och närmaste tomma band. Isolatorer har joner som kan leda ström genom diffusion vilket sker otroligt mycket långsammare om inte temperaturen höjs avsevärt 67