Kursinformation. Konstruktionsmaterial, 4H1068, 4p. Repetion: Hur känner jag igen brottmekanismen? Repetion: Duktilt brott (Kopp-konbrott)

Transkript

1 Konstruktionsmaterial, 4H68, 4p amorfa Kursinformation Lab 4, sista laborationen ges under den här veckan (v.39). Obs,, glöm inte tårta till assistenten Vid ej gk labtest måste ett nytt utföras senare för att få gk på lab, se länk på hemsida. Kontakta Matilda Tehler, om labtider, som inte går ihop med ditt schema. Föreläsningen: Onsdag 27/9, sal B2, kl 5-7, är inställd. Adjunkt Anders Eliasson KTH/ITM/Metallernas gjutning Schematisk uppbyggnad av delkristallin polymer Föreläsning : Polymerer och kompositer Förstå material Välja material Utveckla material Kontrollskrivningen: Resultatet av denna anslås på kurshemsidan samt på kursanslagstavlan för MSE, i entrén BR23, senast Kurslitteratur säljs på Tekn.-ep. MSE. Rum M25A. Må-Ti 2-4, On -3, To-Fr -2. Obs, endast kortbetalning, ej kontanter. Repetion: Hur känner jag igen brottmekanismen? Duktilt brott: karakteriseras av kraftig plastisk deformation före och under brottets utbildande. Sprött brott: karakteriseras av mycket liten plastisk deformation före och under brottets utbildande och en mycket hög utbredningshastighet av brottsprickan. Repetion: Duktilt brott (Kopp-konbrott) Steg till brott: Midjebildning Kärnbildning av porer Radiell spricktillvät Glidning vid ytan, i 45 mot dragriktningen Brott Utmattningsbrott: karakteriseras av att materialet brister vid en spänning (belastning) som ligger (kraftigt) under både sträck-, och brottgräns, när denna spänning upprepas cykliskt, ett tillräckligt antal gånger. Partiklar fungerar som kärnbildningsplatser för sprickor 50 μm 0 μm Repetion: Sprött brott Repetion: Utmattningsbrott (fatigue) Utmattningsbrott = brott vid cyklisk spänning. prov Tryck på ovansidan lager lager motor koppling Drag på undersidan räknare Spänningen varierar med tiden -- Viktiga parametrar är amplituden S och medelspänningen m ma Ett sprött brott karakteriseras av en mycket liten plastisk deformation och en hög utbredningshastighet (sprött brott i lågkolhaltigt stål). Viktigt: Utmatting Kan orsaka brott, även om ma < Orsakar ~ 90% av alla brott i mekaniska apparater. min m S tid

2 Repetion: Vad orsakar utmattningsbrott? sprickor väer inkrementellt (stegvist) da dn = ( typ. till 6 ΔK)m ~ Δ Brott i roterande trumma -- Sprickan väte fastän K ma < K c -- Sprickan väer om: Δ ökar Sprickan blir längre (a) Cykelfrekvensen ökar (N). ( ) a ökning av sprickans längd per lastcykel sprickans start Repetion: Brott vid slag (hastig belastning) En ökande belastningshastighet, -- Ökar y och B -- Minskar %EL. y B större y mindre Varför? En ökad deformationshastighet ger dislokationerna mindre tid att passera hinder, varför materialet beter sig sprödare. B Repetion: Krypning Plastisk deformation vid förhöjd temperatur Dragprov vid temperaturer > 0.4Tmelt mäter krypning.. lutning= ss = stabil kryp hastighet Log(tid) Generellt:... keramer ss <metaller ss << ss polymerer Viktigt... Föreläsning Polymerer och kompositer Vilka är mikrostrukturens viktigaste kännetecken? Hur påverkar dessa de mekaniska egenskaperna? Hur är det med anisotropi, härdning och värmebehandlingar för polymerer? Polymerers mikrostruktur Polymer = många merer mer mer mer 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) Kovalenta bindingar i kolkedjan ger styrka: H H Termoplaster och härdplaster T Termoplaster: -- Få tvärbindningar -- Duktila -- Mjuknar vid värmning -- Polyeten Polypropen Polykarbonat Polystyren lättflytande smälta kristallin viskös smälta Callister, gummi Fig. 6.9 hårdplast Tsmält Tglas delvis kristallin sekundär bindning Linjär Förgrenad Tvärbunden Nätverk Ökande hårdhet Härdplaster: -- Stor andel tvärbindningar ( till 50% av mererna) -- Hårda och spröda -- Mjuknar INTE vid värmning -- Vulkaniserat gummi, epoy, polyester, fenolhartser Molekylvikt 2

3 Molekylvikt och kristallisation Molekylvikt, Mw: Massan av en mol av kolkedjor. litet Mw Brottgräns( B ): -- Ökar oftast med Mw. -- Varför? Ju längre kedja ju mer ihoptrasslad. % Kristallisation: % av materialet som är kristallint. -- B och E-modul ökar oftast med ökande % kristallisation. -- Uppvärmning medför att kristallisationen ökar. amorfa större Mw Elasticitetmodulens temperaturberoende Figuren visar hur relaationsmodulen för några olika varianter av polystyren (PS) beror på temperaturen. Övergången mellan område I och II är glasomvandlingen. Amorf PS s E-modul minskar kraftigt för temperaturer över glasomvandlingen. Tvärbunden (crosslinked) PS är elastisk för högre temperaturer medan ej tvärbunden PS mjuknar och smälter. De a i delkristallin PS smälter vid 230 o C. Log E (Pa) 8 I Semicrystalline 6 II Amorphous III Crosslinked IV 4 V Low M High M Temperature ( C) Logaritmen av relationsmodulen efter s som funktion av temperaturen för semicrystalline (isotactic) polystyrene och helt amorf (atactic) polystyrene i tre olika versionser: tvärbunden (crosslinked) och ej tvärbunden med låg resp hög molarvikt. Nära brott parallell tvärbunden polymer Spröda och plastiska polymerer utgångsstruktur nätverkspolymer (MPa) sprödbrott midjebildning duktilt brott 0 0 delkristallin polymer avlast/pålast amorfa regioner förlängs 8 rätas ut glider nära brott Fördeformation genom dragning Dragning... --genom att dra ut polymeren före användning --blir kedjorna parallella med dragriktningen Effekten av dragningen: --elasticitetsmodulen (E) ökar i dragriktningen. --brottspänningen ( B ) ökar i dragriktningen. --duktiliteten (%EL) minskar i dragriktningen. Uppvärmning efter dragning... --minskar parallelliseringen --motverkar effekten av dragningen. Jämför med kallbearbetning/rekristallisation i metaller! Dragprov för elaster (t.e. gummi) (MPa) start: amorfa kjedjor är hoptrasslade, tvärbundna sprödbrott Duktilt brott elastomer Deformationen är reversibel! Brott: : kedjorna är raka, fortfarande tvärbundna Jämfört med andra typerna av polymerer: --sprött brott (utdragna, tvärbundna och nätverkspolymerer) --duktilt brott (semi polymerer) E(GPa) 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 oide Si nitride <> Si crystal <0> Glass-soda Concrete Graphite Polyester PET PS PC PP HDPE PTFE LDPE Carbon fibers only CFRE( fibers)* Aramid fibers only AFRE( fibers)* Glass fibers only GFRE( fibers)* GFRE* CFRE* GFRE( fibers)* CFRE( fibers)* AFRE( fibers)* Epoy only Wood( grain) Ekeramer > E metaller >> E polymerer Data för kompositer baserat på armerad epoy med vol% av carbon (CFRE), aramid (AFRE), eller glas (GFRE) fibrer. 3

4 Sträckgräns Yield strength, y (MPa) Sträckgräns 0.2, jämförelse Metals/ Alloys Steel (4)qt Ti (5Al-2.5Sn)a W (pure) Cu (7500)cw Mo (pure) Steel (4)a Steel ()cd Al (6)ag Steel ()hr Ti (pure)a Ta (pure) Cu (7500)hr Al (6)a 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 matri and epoy matri composites, since in tension, fracture usually occurs before yield. y(keramer) >> y(metaller) >> y(polymerer) Värden vid RT a = mjukglödgad (annealed) hr = varmvalsad ag = åldrad cd = kalldragen cw = kallbearbetad qt = släckt & anlöpt Tensile Brottgräns strength,, TS B (MPa) Brottgräns B, jämförelse Metals/ Alloys Steel (4)qt W (pure) Ti (5Al-2.5Sn)a Steel (4)a Cu (7500) Cu (7500)hr cw Steel () Al (6)ag Ti (pure)a Ta (pure) Al (6)a Graphite/ Ceramics/ Semicond Diamond Si nitride Al oide Si crystal <0> Glass-soda Concrete Graphite Polymers Nylon 6,6 PC PET PVC PP LDPE HDPE Composites/ fibers C fibers Aramid fib E-glass fib AFRE( fiber) GFRE( fiber) CFRE( fiber) wood( fiber) GFRE( fiber) CFRE( fiber) AFRE( fiber) wood( fiber) B (keram) ~ B (metall) ~ B (komposit) >> B (polymer) Värden vid RT a = mjukglödgad (annealed) hr = varmvalsad ag = åldrad cd = kalldragen cw = kallbearbetad qt = släckt & anlöpt AFRE, GFRE, & CFRE = aramid, glass, & carbon fiber-förstärkt epoy kompositer, med vol% fiberer. Sammanfattning Kompositer Polymerer har många unika egenskaper som gör dem mycket användbara i olika konstruktioner. De är ofta billiga att tillverka. Men det är viktigt att inse att det temperaturområde som de kan användas inom är begränsat. Egenskaperna förändas också snabbare med tiden än för metaller och keramer. Viktigt... Vilka typer av kompositer finns det? När bör man använda kompositer istället för metaller, keramer eller polymerer? Hur mäter man en komposits styrka och hållfasthet? Vilka är de typiska applikationerna för kompositer? Terminologi och Klassificering Översikt av kompositer: partikel () Kompositer: --Flerfasiga material med signifikanta mänder av varje fas. Grundmassa (matri): --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 Partikelförstärkt Eempel: -mjukglödgatmatri: stål ferrit ( α) (duktil) -WC/Co matri: hårdmetall kobolt (duktil) Vm: -5vol%! -Bildäck matri: gummi (mjukt) Fiberförstärkt μm 0μm 0.75μm partiklar cementit (Fe3C) (spröd) partiklar WC (spröd och hård) partiklar C (styva) Strukturell 4

5 Översikt av kompositer: partikel (2) Partikelförstärkt Fiberförstärkt Elasticitetsmodulen, Ec, för kompositer: -- två alternativ. övre gräns rule of mitures E = c VmE + m V p E p E(GPa) Data: 350 Undre gräns Cu matri 300 med volfram250 = V m + V p partiklar 0 E c E m E p vol% tungsten (Cu) (W) Kan tillämpas även på andra egenskaper t.e.: -- Elektrisk konduktivitet, e: byt ut E mot e. -- Termisk konduktivitet, k: byt ut E mot k. Strukturell Översikt av kompositer: fiber () Utdragna kontinuerliga fibrer Eempel: --Metall: γ'(ni3al)-α(mo) från eutektisk stelning. matri: α (Mo) (duktil) --Glas med SiC fibrer bildad från en glasformad smälta Eglass = 76GPa; ESiC = 0GPa. 2μm fibrer:γ (Ni3Al) (spröd) (a) (b) brott yta Översikt av kompositer: fiber (2) Översikt av kompositer: fiber (3) Diskontinuerliga, slumpmässigt ordnade 2D fibrer Eempel: Kol+kolfiber --process: fibrer och pulver hettas upp till 2500 o C. (b) --användning: skivbromsar, klaffar för utblås från gasturbin, noskon för flygplan bild av ytan (a) Andra varianter: --Diskontinuerliga, slumpmässingt ordnade i 3D --Diskontinuerliga i D C fibrer: mycket styva och starka C matri: Mindre styv och stark Fibrerna ligger i planet Kritisk fiber längd för effektiv förstyvning och förstärkning: Fiber styrka i dragspänning fiber diameter fiber length > 5 f d skjuvspännings styrka för τ c fiber/matri gränsyta E: För fiberglas, fiber längd > 5mm nödvändig Varför? Ju längre fibrer ju bättre kan spänningen fördelas! Kort tjock fiber: Lång tunn fiber: fiber längd < 5 f d fiber längd > 5 f d τ c τ c () () Dålig utnyttjande av fibern Bättre utnyttjande av fibern Översikt av kompositer: fiber (4) Uppskattning av of Ec and B : --gäller för fiberlängd > 5 f d τ c -- Elasticitetsmodulen i fiberriktningen: E c = E m V m + KE f V f effektivitets faktor: --parallella D: K = (anisotropic) --slumpmäss. 2D: K = 3/8 (2D isotropy) --slumpmäss. 3D: K = /5 (3D isotropy) -- B i fiberriktningen: ( (parallella D) B ) c = ( B ) m V m + ( B ) f V f Översikt av kompositer: strukturella a Packande och fogade fiberförstärkta skivor -- packordning: t.e 0/90 -- fördel: balanserad styvhet i planet Sandwichpaneler -- låg vikts bikake centrum -- fördel: låg vikt, stor böjstyvhet ytteryta fogyta bikaka 5

6 Fördelar med kompositer () MMCs: Ökat krypmotstånd Fördelar med kompositer (2) CMCs: ökad brottseghet ss (s - ) -4 6 Al -6 Force Partikelförst Al med SiC whiskers (MPa) grundmassan Fiberförst. Böj deformation Fördelar med kompositer (3) Nackdelar med kompositer PMCs: högt E/ρ-förhållande E(GPa) 3 2 PMCs keramer metall/ metallegeringar Kemiska reaktioner mellan grundmassa och partiklar. Varierande temperatur kan orsaka spänningar om termiska utvidgningskoefficienterna är olika i grundmassa och partikel/fiber.. polymerer Täthet, ρ [Mg/m 3 ] Sammanfattning: Kompositer Kompositer klassificeras med hänsyn till: -- grundmassan (matri) (MMC, CMC, PMC) -- förstärkningsfasens geometri (partiklar, fibrer, skivor). Kompositen förbättar grundmassans egenskaper enligt: -- MMC: förbättrar y, B, krypegenskaper -- CMC: förbättrar Kc (brottseghet) -- PMC: förbättrar E, y, B, krypegenskaper Partikelförstärkt: -- Elasticitetsmodulen kan beräknas. -- Egenskaperna är isotropiska. Fiberförstärkt: -- Elasticitetsmodulen och B kan uppskattas I fiberriktningen. -- Egenskaperna kan vara isotropiska eller anisotropiska. Strukturella: -- Uppbyggda av lager som sandwiches. Läsanvisningar Kapitel 4 Sidor: 93-5, 5-7, -7 Typtal: 4.3, 4.22 Kapitel Sidor: Kapitel 3 Sidor: Kapitel 4 Sidor: 6-65, Typtal: 4.39 Kapitel 5 Sidor: , , Typtal: 5.4, 5.,