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

Transkript

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

2 Fredag 16:e December 10:15 12:00 PPU105 Material Förmiddagens agenda Material, processer och miljön ch 20 Viktiga delar från respektive kapitel 2

3 Material, processer och miljön kapitel 20

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

5 Konsumtionen ökar Figure 20.2 De flesta material förbrukas med en takt som ökar exponentiellt. Förbrukningen fördubblas med ett fast tidsintervall år. Enligt nuvarande data: Stålkonsumtionen fördubblas var 18:e år Polymerkonsumtionen fördubblas var 14:e år Med en ökning på bara 3 % per år kommer vi kommande 25 år förbruka mer material än vad mänskligheten förbrukat hittills!

6

7 Neodym Lantan

8 Livscykelanalys, LCA och energi Energi och material förbrukas i varje fas av en produkts liv Livscykelanalys används för att beräkna totala miljöpåverkan under en produkts livscykel från malmbrytning till återvinning Koldioxid och andra utsläpp kvantifieras tillsammans med resursanvändning Figure 20.3

9 Emergi ochco 2 -avtryck Emergi (från Embodied energy, H m (MJ/kg) för ett material är den energy som krävs för att skapa 1 kg CO 2 -avtrycket är utsläppet av CO 2 i kg/kg Emergi och CO 2 utsläpp är nästan ekvivalenta vad gäller en produkts miljöpåverkan

10 Återvinning av material Figure 20.6

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

12 Figure 20.8

13 Val av Material för Eco-Design Figure En miljöansvarig design börjar med att identifiera vilken fas i livscykeln som påverkar mest

14 Miljöpåverkan för t.ex. bilar som förbrukar mest energi i användningsfasen Kan tjäna mer på att minimera vikten än emergin. Lättviktsmaterial såsom titan och kolfiber med högre emergi kan betala sig. Sportbilar däremot har låg energiförbrukning eftersom ingen har råd att köra dem särskilt långt Figure 20.13

15 Dags för en paus! 15

16 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 16

17 Viktiga delar från kapitel 2 6 olika materialfamiljer Metaller Polymerer Elastomerer Keramer Glas Hybrider 17

18 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 18

19 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 19

20 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 20

21 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 21

22 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 22

23 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

24 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

25 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

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

27 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 27

28 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 )

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

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

31 Viktiga delar från kapitel Materialegenskaper Termiska Maximal driftstemperatur Värmeutvidgningskoefficient Värmeledningsförmåga Värmekapacitet Elektriska Resistivitet Magnetiska Remanens Optiska Brytningsindex 31

32 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 32

33 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

34 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

35 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