Konstruktionsmaterial, 4H1068, 4p. Kursinformation. Repetition: Punktdefekter. Repetition: Typer av defekter. Repetition: Punktdefekter i legeringar

Transkript

1 Konstruktionsmaterial, 4H068, 4p Kursinformation Anmälan till labkurs och val av labgrupp skall göras senast nu. Det är 9 st som inte har valt labgrupp. Sista tillfället för Lab är idag kl 5-8. Skriv upp dig på lista på kursanslagstavlan i entren på BR23. Kontakta Matilda Tehler, matildat@mse.kth.se om de tider som inte går ihop med ditt schema. Dragprovkurvor av lågkolhaltigt e-c material efter olika värmebehandlingar öreläsning 4: Plastisk formning och härdning Adjunkt Anders Eliasson KTH/ITM/Metallernas gjutning örstå material Välja material Utveckla material Köp kurslitteratur och laborationsanvisningar på Teknologexpeditionen MSE av Rolf Beckman, rum : M25A. Öppettider: Må-Ti 2-4, On -3, To-r 0-2. W.D. Callister, Jr., John Wiley and Sons, Inc. (2005). undamentals of Materials Science and Engineering: An Integrated Approach, 2nd Edition. Både bok och medföljande CD-ROM. Pris: 450 kr. Laborationer Pris: 50:-. Obs, endast kortbetalning, ej kontanter. Repetition: Typer av defekter Vakanta gitterplatser Interstitiella atomer Substitutionella atomer Dislokationer Korngränser Porer, inneslutningar sprickor Punktdefekter Linjedefekt Ytdefekt Volymdefekter Vakanser: -tom plats i kristallgittret. distortion of av planes planen Egen-interstitial: -"extra" atom i mellanrummen i gittret. distortion of av planes planen Repetition: Punktdefekter Vakans Vacancy Egen-interstitial selfinterstitial Repetition: Punktdefekter i legeringar Två möjliga sätt att få en inlösning av ämne (B) i (A): Repetition: Dislokationen markerar slutet av ett extra atomplan i kristallen De röda atomerna markerar ett atomplan som slutar inuti kristallen. Substitutionell legering (t.ex., Cu in Ni) eller Interstitiell legering (t.ex., C in e) Genom att flytta om bindningarna för atomerna runt dislokationen kan planet röra sig genom kristallen. Detta ger upphov till plastisk deformation.

2 Repetition: Linjedefekter: Dislokationer Dislokationer: Är en linjeformad felbyggnad i gittret. Underlättar glidning mellan olika kristallplan. Ger upphov till en permanent (plastisk) deformation. Schematisk bild av glidning: före deformationen efter belastning Repetition: 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 glidplan korn gränser värme flöde Repetition: Volymdefekter: porer, partiklar Porer är ett stort konstruktionsproblem i keramer och ofta även i metaller. Metaller kan ofta bearbetas så att porer från stelningen försluts. Porer med spetsiga hörn kan fungera som sprickanvisningar. Kraftiga dislokationsanhopningar vid en korngräns kan ge upphov till sprickbildning. Viktigt... öreläsning 4: Plastisk formning av material Elastisk deformation: materialet återgår till sin ursprungliga form efter avlastning. Plastisk deformation: materialet har en bestående deformation även efter avlastning. Spänning och töjning: vilket samband har de med last och deformation? Hårdhet, seghet och duktilitet: vad innebär de och hur mäter man dem? Vanliga spänningstillstånd Enaxling spänning: Dragprovning Exempel på dragprovmaskin Vanligt utseende på provstav för dragprov A o givare provstav Canyon Bridge, Los Alamos, NM rörligt ok prov (den del av provstaven längd = med reducerad tvärsnittsarea) Balanced Rock, Arches National Park σ = A o Tryckspänning (σ < 0). Andra typer av tester finns t.ex. - tryckprov (lämpligt för spröda material) - torsionprov 2

3 Elastisk deformation Vid elastisk deformation i kristallina material förlängs bindningarna mellan atomerna. Denna deformation försvinner vid avlastning. Bara små förlängningar är möjliga En-axlig dragning av stav ΔL=L 0 -L δ återgång Elastisk deformation En provstav dras med låg last till en viss förlängning, L,vid avlastning återgår staven till sin ursprungliga längd, L 0. Materialet minns och återtar helt sitt ursprungstillstånd vid avlastning. Repetion: Egenskaper som beror av bindningsstyrkan Elasticitetsmodulen, E längd, Lo odeformerad ΔL deformerad ΔL = E A o Lo Elasticitetsmodulen E är proportionell mot krökningen av potentialkurvan vid ro Energi tvärsnitts area Ao r o obelastat atomavstånd Liten Elasticitetsmodul Stor elasticitetsmodul r E ökar om Eo ökar. Plastisk deformation Plastisk deformation är bestående. När man avlastar materialet så behåller det sin nya form. I kristallina material sker den plastiska deformationen genom att dislokationer rör sig genom materialet så att kristallplanen förändrar läge. glidning mellan kristallplanen δ elastic + plastic δ plastic glidningen återgår inte En-axlig dragning av stav Repetion: Glidplan - Glidsystem ΔL=L 0 -L Plastisk deformation En provstav dras med högre last till en viss förlängning, L, vid avlastning återgår staven inte till ursprunglig längd, L 0, utan en kvarstående förlängning av materialet finns kvar. Materialet har formförändrats permanent. Strukturbild av kristaller av α-mässing (CC) Plastisk deformation sker genom skjuvning eller glidning utmed karakteristiska plan. Olika kristalltyper har olika glidplan och antal glidriktningar (BCC: 2st, CC: 48st, HCP: 3st). Kristaller är därför anisotropa men får isotropa egenskaper pga deras slumpvisa orientering. 3

4 enaxlig töjning: skjuv töjning: θ/2 Teknologisk töjning δ L /2 w o δ/2 L o δ/2 δ L /2 tvärkontraktion: = δ L o L = δ L π/2 π/2 - θ γ = tan θ θ/2 w o Töjningen är alltid dimensionslös. Linjära elastiska storheter Elasticitetsmodulen, E: σ E Hooke's lag: σ = E Linjärtelastiskt Poisson's tal, ν: L ν = L metaller: ν ~ 0.33 keramer: ~0.25 -ν polymerer: ~0.40 Sorter: E: [GPa] or [psi] ν: dimensionlös enaxligt dragprov E(GPa) 0 9 Pa Elasticitetsmodulen för några material Metaller Keramer PolymererKompositer Tungsten Molybdenum Steel, Ni Tantalum Platinum Cu alloys Zinc, Ti Silver, Gold Aluminum Magnesium, Tin Diamond Si carbide Al oxide Si nitride <> Si crystal <00> Glass-soda Concrete Graphite Polyester PET PS PC PP HDPE PTE LDPE Carbon fibers only CRE( fibers)* Aramid fibers only ARE( fibers)* Glass fibers only GRE( fibers)* GRE* CRE* GRE( fibers)* CRE( fibers)* ARE( fibers)* Epoxy only Wood( grain) Ekeramer > E metaller >> E polymerer Data för kompositer baserat på armerad epoxy med 60 vol% av carbon (CRE), aramid (ARE), or glass (GRE) fiberer. Plastisk (bestående) deformation (för kristallina faser vid låga temperaturer, T < T smält/3) Enaxlig dragning: spänning σ Elastisk initialt p Elastisk+Plastisk vid större spänning permanent (plastisk) töjning efter avlastning töjning plastisk töjning Sträckgräns, σ 0.2 Den spänning när en liten mätbar plastisk deformation har inträffat. när p = (0.2%) spänning,σ σ 0.2 p = töjning, Sträckgräns Yield strength, σy (MPa) Metals/ Alloys Steel (440)qt Ti (5Al-2.5Sn)a W (pure) Cu (7500)cw Mo (pure) Steel (440)a Steel (020)cd Al (606)ag Steel (020)hr Ti (pure)a Ta (pure) Cu (7500)hr Al (606)a Sträckgräns, jämförelse Tin (pure) Graphite/ Ceramics/ Semicond Hard to measure, since in tension, fracture usually occurs before yield. Polymers dry PC Nylon 6,6 PET humid PVC PP HDPE LDPE Composites/ fibers Hard to measure, in ceramic matrix and epoxy matrix composites, since in tension, fracture usually occurs before yield. σ y(keramer) >>σ y(metaller) >> σ y(polymerer) Värden vid RT a = mjukglödgad (annealed) hr = varmvalsad ag = åldrad cd = kalldragen cw = kallbearbetad qt = släckt & anlöpt 4

5 dragspänning engineering stress Brottgränsen, σ B Maximal dragspänning innan brott. TS σ 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. Tensile Brottgräns strength,, σ TS B (MPa) Brottgräns σ B, jämförelse Metals/ Alloys Steel (440)qt W (pure) Ti (5Al-2.5Sn)a Steel (440)a Cu (7500) Cu (7500)hr cw Steel (020) Al (606)ag Ti (pure)a Ta (pure) Al (606)a Graphite/ Ceramics/ Semicond Diamond Si nitride Al oxide Si crystal <00> Glass-soda Concrete Graphite Polymers Nylon 6,6 PC PET PVC PP LDPE HDPE Composites/ fibers C fibers Aramid fib E-glass fib ARE( fiber) GRE( fiber) CRE( fiber) wood( fiber) GRE( fiber) CRE( fiber) ARE( fiber) wood( fiber) σ B (keram) ~σ B (metall) ~ σ B (komposit) >> σ B (polymer) Värden vid RT a = mjukglödgad (annealed) hr = varmvalsad ag = åldrad cd = kalldragen cw = kallbearbetad qt = släckt & anlöpt ARE, GRE, & CRE = aramid, glass, & carbon fiber-förstärkt epoxy kompositer, med 60 vol% fiberer. Dragprovkurva: Spänning - Töjning Dragprovkurva: Sträckgräns - Brottgräns Töjning, = ΔL/L 0 (teknologisk) =ln(l/l 0 ), naturlig, sann eller logaritmisk töjning. Spänning, σ = /A 0 (teknologisk)) σ = /A, sann spänning. Kraft över aktuell area. E-modul, E = tanα = Δσ/Δ Beräknas på den elastiska delen av kurvan, materialets styvhet. Sträckgräns, σ 0.2 (σ s ) Den spänning som ger en permanent plastisk deformation, = 0.2%. Brottgräns, σ b Den spänning som krävs för att materialet ska gå till brott. Obs, ofta med midjebildning, varvid kurvan vid brott sjunker under maxvärdet (σ b ). Duktilitet Seghet Plastisk deformation (töjning) vid brott σ Liten töjning, sprödbrott om <5% σ liten seghet (keramer) stor seghet,(metallet, PMCs) spänning Stor töjning före brott liten seghet, polymerer töjning, Med duktilitet menas ett materials förmåga att genomgå (plastisk) formförändring innan brott. Den energi som krävs för att uppnå brottgränsen. Approximativt lika med ytan under spänningstöjningskurvan. 5

6 σ σ y σ y 0 Deformationshårdnande En ökning av sträckgänsen efter plastisk deformation. unload reload large Deformationshårdnande hardening ej small deformationshårdande hardening Efter avlastning krävs högre spänning för att få fortsatt plastisk deformation, dvs sträckgränsen har ökat. CC material deformationshårdnar men inte BCC material Lektion 224 lytspänning - Deformationshårdnande Temperaturens inverkan på flytspänningen av stål Deformationshårdnande för olika material lytspänning, σ f Nödvändig spänning för deformation i det plastiska området. Är starkt beroende av temperaturen och minskar med ökande temperatur. Deformationshårdnande Ökningen av den plastiska deformationsspänningen (flytspänningen). Varierar kraftigt mellan olika material. 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. Hårdhet e.g., 0mm sphere apply known force ( to 000g) measure size of indent after removing load most plastics brasses Al alloys D d easy to machine steels file hard cutting tools increasing hardness Smaller indents mean larger hardness. nitrided steels diamond Brinellprovning, Brinellhårdhet, HB Vickersprovning, HV Rockwell, HRB resp HRC Ger ett samband mellan en lätt mätbar storhet (hårdhet) och ett materials hållfasthet (sträckgräns) Sammanfattning Spänning och töjning: normaliserade storheter för last och deformation. Elastisk deformation: försvinner vid avlastning. Ökar ofta linjärt med deformationen enligt Hooks lag, σ=e. Plastisk deformation: bestående deformation då materialet utsatts för spänning över sträckgränsen, σ 0.2 Brottgränsen: den maximala spänning, σ B materialet kan uppnå innan det går till brott. Seghet: det arbete som krävs för att uppnå brottgränsen. Duktilitet: den töjning som materialet tål innan brott. Hårdhet: storhet proportionell mot sträckgränsen för metaller. Läsanvisningar Kapitel 7 Sidor 77-8,83-89, 90-98, 20, 205-2, Typtal 7.3, 7.8, 7.9, 7.25, 7.26, 7.44, 7.62, 7.D 6