Material lektion 4 HT2 7,5 p halvfart Janne Carlsson
Torsdag 15:e December 13:15 17:00 PPU105 Material Eftermiddagens agenda Fortsättning fasdiagram från föreläsning 8 Paus Genomgång av övningar E8 E16 2
Mikrostrukturen i material kapitel 19
Fasdiagram och transformationer GLU 2
Enkla Fasdiagram Figure GL2.1 Fasdiagram Diagram med temperatur och sammansättning som axlar som visar jämviktstillståndet Likviduslinje Fasgräns som begränsar vätskefasen nedåt Soliduslinje Fasgräns som begränsar den enfasiga fasta fasen uppåt
Figure GL2.3 Löslighetsgräns En sammansättning då ett element inte längre kan lösas i ett annat vid en given temperatur Figuren visar ett fasdiagram för vatten och socker Vid en given punkt kan inte mer socker lösas i vattnet Vid en motsvarande punkt kan sockret inte absorbera mer vatten Det här är mättade lösningar och är typiskt för blandning av två faser Löslighetsgränsen för båda faserna ökar med temperaturen
Figure GL2.4 GL2.4 är en del av ett fasdiagram för höga och låga temperaturer GL2.5 är det kompletta fasdiagrammet med den eutektiska punkten Figure GL2.5 Eutektisk punkt Lägsta temperatur för vätskefasen
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 GL2.13
Eutektoid punkt Lägsta gräns för ett en-fas område mellan två fallande fasgränser som möts i ett V Peritektisk punkt Inverterat V som avslutar ett enfas område; max temperatur för denna fas Figure GL2.14 En-faser i Järn Ferrit: a-järn (BCC) med upp till 0,035 vikt % kol Austenit: g-järn (FCC) med upp till 2,1 vikt % kol d-järn: (BCC) med upp till 0,08 vikt % kol Cementit: Fe 3 C, en kemisk förening med 6,7 vikt % kol
Fastransformationer och Mikrostrukturens utveckling När temperaturen varierar i en process så ändras jämviktstillståndet och material ändras mot det genom fastransformationer Fastransformationerna avgör vilka faser som är närvarande och hur de är fördelade: Den slutliga mikrostrukturen
Stelning av järn vid jämvikt Figure GL2.23 Om rent järn kyls sakta från ovan kokpunkten så uppvisar temperaturkurvan två tydliga platåer samt två mindre Vid varje platå sker en fastransformation vid konstant temperatur
Stelning av legering Figure GL2.24 Legeringar stelnar över ett temperaturintervall mellan likvidus och soliduslinjen. Fastransformeringarna sker inte vid konstant temperatur
Stelning av rena metaller Fasta kärnor bildas homogent och heterogent Kärnorna bildar små korn som växer av att atomer transformeras på kornytan Kornen växer tills all vätska transformerats Figure GL2.25
Figure GL2.26 Optiska bilder visar kornstrukturen för två metaller Vissa tekniker kan skapa olika färger för olika korn men det kan vara samma fas där bara kornens orientering skiljer Rent järn och rent aluminium visas och båda är en-fasiga
Fasreaktioner När en fassammansättning ändras med temperaturen så sker en fasreaktion I ett en-fas område så är sammansättningen av fasen alltid densamma som hela legeringen och ingen fasreaktion sker vid kylning I ett två-fas område så är fassammansättningarna givna av de två fasgränserna Sammansättningen ändras med temperaturen och fasreaktioner sker
Stelning av legering 1) Över 305 C: En-fas vätska; ingen fasreaktion 2) 305 C 270 C: Vi har nått likviduslinjen och stelning av blyrik fas börjar. Kvarvarande vätska får högre tenn-halt och vätskan följer likviduslinjen medan den fasta fasen följer soliduslinjen. Fasreaktioner sker då tenn diffunderar in i den fasta fasen 3) 270 C 150 C: En-fas blyrik fas med samma sammansättning som legeringen; ingen fasreaktion Figure GL2.27 4) 150 C rumstemperatur: Den blyrika fasen blir instabil när fasgränsen nås. En tenn-rik fas utskiljs ur den blyrika fasen och vi får två fasta faser med olika sammansättning Figure GL2.28
Eutektisk Stelning En eutektisk reaktion är en tre-fas reaktion där en vätska kyls och bildar två fasta faser vid konstant temperatur: Vätska, L -> Fast fas α + Fast fas β Proportionerna mellan faserna avgörs av positionen av den eutektiska punkten längs konoden. Om punkten ligger nära ena sidan bildas en matris av den fasen med den andra fasen som små isolerade partiklar Vanligen tillväxer de två faserna parallellt och bildar tunna skivor Figure GL2.29 Figure GL2.30
Gjutlegeringar är ofta icke-eutektiska Det gäller bl.a. för stelningen av Pb-30 vikt % Sn Ovanför den eutektiska punkten stelnar en bly-rik fas medan vätskan följer likviduslinjen mot den eutektiska punkten, där kvarvarande vätska undergår en eutektisk reaktion Två typer av mikrostruktur formas Den bly-rika fasen blir instabil och tenn-rik fast fas utskiljs som små korn i den blyrika fasen Den eutektiska fasen formas precis som vid eutektisk stelning Figure GL2.31
Segring Figure GL2.32 När stelning startar, antingen spontant eller vid en vägg, så kommer den första kärnan vara renare än legeringen (vätskan vid likvidus, fast fas vid solidus) När stelningen är fullbordad så varierar sammansättningen i kornen Denna variation kallas för segring
Utskiljningsreaktion Om en fast fas vid nedkylning möter solvuslinjen så innebär det att den blivit övermättad och en ny fas utskiljs Utskiljning sker mest i korngränserna där lösningen har högst koncentration Denna fastransformation kallas utskiljning: α -> α + β Figure GL2.34
Dags för en paus? 21
Fastransformationer i kolstål Rent järn börjar som austenit, FCC γ-järn vid 1000 C Vid 910 C startar en fastransformation till BCC α-järn Transformationen startar vid korngränserna, a-kornen växer genom att atomer diffunderar över korngränsen. Då flera a-korn växer i samma g-korn fås en mindre kornstorlek i den nya mikrostrukturen. Figure GL2.35 Figure GL2.36
Eutektoid stelning av stål; 0,8 vikt % kol Austeniten övergår i två nya fasta faser, ferrit och cementit De två faser växer parallellt vid konstant temperatur: Solid γ -> Solid α + Solid β Figure GL2.37 Det bildas tunna plattor av ferrit och cementit, känd som perlit Perlit är en två-fasig mikrostruktur inte en fas
Fastransformationer i Hypo-eutektiska stål De flesta stålsorterna är hypo-eutektiska stål och innehåller mindre än 0.8 vikt % C Austenit och ferrit Ferrit och perlit Figure GL2.38
Foto av Ferrit-Perlit Mikrostruktur i ett Hypo-Eutektiskt kolstål Figure GL2.39
Figure GL2.40
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
Från Al-Cu fasdiagrammet ser det ut som utskiljning till jämviktsfasen skulle ske vid 480 C Istället övergår den instabila a-fasen till en metastabil tredje fas Åldringskurvorna visar hur sträckgränsen påverkas vid åldring Figure GL2.42
Figure GL2.44 Fastransformationer kräver oftast diffusion för att atomerna ska kunna omgruppera sig till nya faser För martensitisk mikrostruktur som skapas vid släckning av stål sker ingen diffusion Istället skjuvas små austenitområden och formar BCC-kärnor och denna process propagerar snabbt genom hela kornen
Den martensitiska mikrostrukturen är mycket stark men har mycket låg seghet Genom anlöpning kan man återskapa en del av segheten I figuren visas hur sträckgränsen sänks vid anlöpning Figure GL2.45
Hastigheten för Fastransformationer Hastigheten beror både på drivkraften och diffusionshastigheten Båda beror på temperaturen men på olika sätt Figure 19.9
Tid Temperatur Transformation TTT-Diagram Figure 19.11 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
Continuous-Cooling Transformation Kontinuerlig kylningstransformation CCT-Diagram TTT diagram Snabb kylning CCT diagram Kontinuerlig kylning Figure 19.12 Kontinuerlig kylning är mer praktiskt än snabb kylning Vid kontinuerlig kylning finns det en kritisk kylningshastighet som precis undviker att transformationen startar
Dags för en längre paus? 34
Övningsexempel kapitel 8 Exercise E8.1 What is meant by stress intensity factor? How does this differ from the stress concentration factor? Exercise E8.4 Why is there a transition from ductile to brittle behavior at a transition crack length, ccrit? 35
Övningsexempel kapitel 8 Exploring design with CES. (Use Level 2 unless otherwise stated) Exercise E8.16 Use the Advanced facility to make a bar chart showing the tensile failure stress, s f = K Ic /(pc) 1/2, for an internal crack of length = 1 mm plotted on the y-axis (i.e. using the CES parameter Fracture toughness for K1c). Which materials have the highest values? Add an axis of density,. Use the new chart to find the two materials with highest values of s f /r 36
Övningsexempel kapitel 9 Exercise E9.2 Distinguish between low cycle and high cycle fatigue. Find examples of engineering components which may fail by high cycle fatigue. What is meant by the endurance limit, s e, of a material? 37
Övningsexempel kapitel 10 Exercise E10.3 You are asked to select a polymer to make a flexible coupling. The polymer must have a modulus greater than 2 GPa. The objective is to maximize the available flexure without fracture. Use the chart of Figure 10.4 to identify two good choices to meet these requirements. Are there any metals that are as good? If the flexible coupling is a door hinge, what other material behaviour should be considered to avoid premature failure in service? 38
Övningsexempel kapitel 11 Exercise E11.1 Define the coefficient of friction. Explain why it is independent of the area of contact of the sliding surfaces. 39
Övningsexempel kapitel 12 Exercise E12.1 Define specific heat. What are its units? How would you calculate the specific heat per unit volume from the specific heat per unit mass? If you wanted to select a material for a compact heat storing device, which of the two would you use as a criterion of choice? 40
Övningsexempel kapitel 12 Exercise E12.1 Define specific heat. What are its units? How would you calculate the specific heat per unit volume from the specific heat per unit mass? If you wanted to select a material for a compact heat storing device, which of the two would you use as a criterion of choice? 41
Övningsexempel kapitel 12 Exercise E12.3 A structural material is sought for a low-temperature device for use at 20 C that requires high strength but low thermal conductivity. (reject ceramics on the grounds that they are too brittle for structural use in this application) 42
Övningsexempel kapitel 14 Exercise E14.6 Which metallic superconductors have a critical temperature above the boiling point of helium? Which ceramic superconductors have a critical temperature above the boiling point of liquid nitrogen? 43
Övningsexempel kapitel 15 Exercise E15.2 Sketch a -curve for a ferro-magnetic material. Identify the important magnetic properties. MH 44
Övningsexempel kapitel 16 Exercise E16.2 The fraction of light that is transmitted through a 100 mm panel of PMMA is 0.97. Neglecting reflection at both surfaces, what is the absorption coefficient of PMMA? Exercise E16.9 The reflectivity of window glass is 4% per surface. What is its refractive index? Neglecting absorption, what fraction of the intensity of the light striking the window passes through? 45