Material. VT1 1,5 p Janne Färm

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Material. VT1 1,5 p Janne Färm"

Marcus Bergström
för 7 år sedan
Visningar:

1 Material VT1 1,5 p Janne Färm

2 Torsdag 22:a Januari 10:15 12:00 kursstart KPP045 Material-delen Förmiddagens agenda Materialkurs för blivande ingenjörer Gruppindelning Kursupplägg Kort paus Föreläsning: Introduktion till material och materialval Kurshemsida 2

3 Materialkurs 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 3

4 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 4

5 Materials egenskaper Fysikaliska egenskaper Densitet Mekaniska egenskaper Styvhet, Styrka, Seghet Termiska egenskaper Maximal driftstemperatur Värmeutvidgningskoefficient Elektriska egenskaper Magnetiska egenskaper Optiska egenskaper 5

6 Processers egenskaper Formning Gjutning, formsprutning, smidning, skärande bearbetning Sammanfogning Limning, svetsning, skruvförband Ytbehandling Värmebehandling, polering, eloxering, lackering 6

7 CES Ett verktyg för materialval CES Cambridge Engineering Selector 7

8 Gruppindelning Fem grupper med deltagare På laborationen (LAB 1) delas ni upp i tre undergrupper På gjut och smideslaborationen delas ni upp i två undergrupper Lab 1 Härdning av stål 4 timmar Grupp 1&2 Onsdag 11/2 v7 Grupp 3&4 Onsdag 18/2 v8 Grupp 5 Fredag 20/2 v8 Gjut och smideslab 4 timmar Samtliga grupper v12 8

9 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 9

10 Paus Dags för en liten bensträckare! 10

11 Introduktion till material Ingen gör som ingenjören gör Ingenjören gör saker Vi gör saker av material Vi formar, sammanfogar och ytbehandlar dem med processer Vi måste välja material och process som uppfyller våra designkritiska egenskaper 11

12 Materialval Vi har mer än olika material att välja på! 12

13 Materialval 6 olika materialfamiljer Metaller Polymerer Elastomerer Keramer Glas Hybrider Vi behöver hjälp! En karta som visar oss vägen CES är en sådan karta 13

14 14

15 Designkritiska egenskaper Varje materialval bör starta med frågan: Vilka är de designkritiska egenskaperna? Exempel: flygplansvinge Tillräckligt styv (inga flaxande vingar) Tillräckligt stark (inga böjda vingar) Tillräckligt seg (inga brustna vingar) Tillräckligt lätt (inga hängande vingar) 15

16 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 16

17 Materialvalstrategi 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 17

18 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? 18

19 Begränsningar mot målsättningar Begränsning Väsentligt krav som måste uppfyllas, ofta ett gränsvärde Målsättning Egenskap där vi söker ett extremvärde 19

20 Materialegenskaper och tillstånd Styvhet och styrka 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 20

21 Dragprovkurvan Spänning Töjningskurva: Metall Figure 6.1 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 21

22 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

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

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

25 Deformationshärdning Vi ökar antalet dislokationer genom plastisk deformation

korngränshärdning Kornstorleken är typiskt 10-100 μm Dislokationerna har svårt att

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

27 Stål - fasdiagram 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

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

29 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

30 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

31 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

32 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

Relevanta dokument

Material föreläsning 9. HT2 7,5 p halvfart Janne Carlsson

Material föreläsning 9. HT2 7,5 p halvfart Janne Carlsson Material föreläsning 9 HT2 7,5 p halvfart Janne Carlsson Fredag 16:e December 10:15 12:00 PPU105 Material Förmiddagens agenda Material, processer och miljön ch 20 Viktiga delar från respektive kapitel