Material föreläsning 6 VT1 7,5 p halvfart Janne Carlsson
Tisdag 20:e februari 9:15 12:00 PPU105 Material Förmiddagens agenda Utmattning, friktion och nötning ch 9 11 Paus Termiska egenskaper ch 12-13 Paus Elektriska, magnetiska och optiska egenskaper ch 14 16 2
Utmattning kapitel 9
Utmattning - Fatigue Utmattningsbrott sker på grund av cyklisk belastning på nivåer under materialets sträckgräns Beror på spänningsnivån, S, och antalet cykler, N Antalet cycler kan vara flera miljoner för ett flygplan Utmattningsprovning kräver miljontals cykler för att ge relevanta data Figure 9.2
S-N kurvor Utmattningsdata läggs ofta in i S-N kurvor Spänningsamplitud, S Medelspänning Utmattningsgräns, σ u Spänningsnivå som inte ger utmattning eller efter mycket många cykler (>10 7 ) Figure 9.3
Utmattningsgräns - Brottgräns Utmattningsgränsen är den viktigaste egenskapen Metaller/Polymerer Glaser/Keramer Figure 9.8
Sprickor växer endast vid dragspänning Tryckspänningar stänger sprickan Tryckspänningar på ytan försvårar spricktillväxt Kulblästring är en metod att åstadkomma detta Figure 9.11
Brottbegränsad Design kapitel 10 Pålagd spänning Spricklängd Brottseghet Figure 10.1
Materialindex för Brottsäker Design (a) (b) Lastbegränsad (c) Energibegränsad Figure 10.3 (d) Förskjutningsbegränsad
Brottseghet - E-modul K 1c minst 15 MPa m för lastbegränsad design är en tumregel Metaller är starka enligt alla tre indexen Polymerer är bra enligt M 2 och M 3 Keramer är dåliga för alla tre Figure 10.4
Friktion och Slitage kapitel 11
Friktion och Slitage När ytor glider så slits dem material försvinner från båda ytorna Friktionskoefficient µ Förslitningshastighet Specifik förslitningshastighet Figure 11.1 Archard s constant, nötningskoefficienten [m 2 /N]
Friktionskoefficient för material som glider på en osmord stålyta Figure 11.2
Bästa lagermaterialen har lägst värde för produkten av nötningskoefficienten och hårdheten Figure 11.3 Lågt slitage fås vid hög hårdhet
Friktion Det finns inga plana ytor Vid kontakt mellan två ytor möts bara topparna Figure 11.4
Slitage Adhesiv nötning Adhesiva kontaktbryggor (mikrosvetsar) skjuvas av Figure 11.6 Abrasiv nötning Ett hårdare material repar ett mjukare material Figure 11.7
Friktionssvetsning Figure 11.12 Arbetet som sker för att överkomma friktionen ger värme Friktionssvetsning utnyttjar denna friktionsvärme
Dags för en paus?
Material och värme kapitel 12
Termiska Egenskaper Två temperaturer som är direkt kopplade till styrkan hos ett material Smältpunkten T m Glastemperaturen T g Kristallina material har en definierad smältpunkt Icke-kristallina fasta material har en glastemperatur vid vilken de övergår från ett fast material till en mycket viskös vätska
Drifttemperatur Material har en maximal och minimal drifttemperatur T max Högsta temperatur vid vilken materialet kan användas kontinuerligt utan att oxidera, förändras kemiskt eller formändras kraftigt T min Temperatur under vilken materialet blir sprött eller på annat sätt farligt att använda
Värmekapacitet C p Energi som krävs för att värma 1 kg av materialet 1 K Figure 12.1 Värmeutvidgningskoefficient α Termisk töjning då temperaturen höjs 1 K Figure 12.2 Värmeledningsförmåga λ Värmeflöde per areaenhet vid stationärt förlopp Figure 12.3
Termisk Diffusivitet Värmeledningsförmågan är ett mått på värmeflödet vid stionära förlopp Transient värmeflöde styrs av den termiska diffusivitet (m 2 /s)
Termiska Egenskaper Figure 12.4
Figure 12.5 Konturer visar specifik värme per volumsenhet Detta värde är nästan constant för alla solider (3 X 10 6 J/m 3 K)
Värme är atomer i rörelse Värmekapacitet Atomer i solider vibrerar med en amplitud som ökar med temperaturen Atomerna kan inte vibrera oberoende pga atombindningarna Det gör att vibrationerna blir som stående vågor Figure 12.7
Värmeutvidgning En solid utvidgar sig när den värms då medelavståndet mellan atomerna ökar Material med hög E-modul (styv fjäder) har låg värmeutvidgning Alla kristallina solider utvidgar sig cirka 2% från absoluta nollpunkten till sin smältpunkt Figure 12.9
Värmeledningsförmåga När en solid upphettas kommer värmen som elastiska vågpaket, fononer Fononerna färdas med ljudhastigheten men färdas korta sträckor innan de sprids Sträckan en fonon kan färdas är typiskt mindre än 0.01 μm Figure 12.10
Användning av material vid höga temperaturer kapitel 13
Temperaturberoende Många materialegenskaper har ett linjärt temperaturberoende Figure 13.1
Krypprovning Provstavar belastas med konstant last i en ugn med konstant temperatur Figure 13.3
Spänning krypbrottskurvor Krypdata presenteras med spänning krypbrott kurvor Tillåten spänningsnivå kan då väljas utifrån driftstemperaturen Figure 13.5
Figure 13.6 Ett material börjar krypa över en viss temperatur som beror på smältpunkten Polymerer kan krypa vid rumstemperatur Metaller 0.35T m Keramer 0.45T m
Dags för en till paus? 34
Elektriska egenskaper kapitel 14
Resistivitet och ledningsförmåga Elektrisk resistivitet är ett mått på ett materials motstånd mot ström ledningsförmåga är dess invers Resistiviteten för material har en enorm spridning 1-10 24 Figure 14.2
Figure 14.7 Resistiviteten varierar mer än någon annan materialegenskap
Supraledare När metaller kyls ned sjunker resistiviteten De flesta behåller en resistivitet ned till absoluta nollpunkten, men vissa uppvisar en förvånande förändring, de tappar helt sin resistivitet vid en kritisk temperature T c Under T c kan en supraledare leda ström utan motstånd Figure 14.3
Isolation Polymerer är utmärkta isolatorer och används för kablar och kontakter Figure 14.25
Isolation med värmeledning Kretskort behöver god kylning men också elektrisk isolering Figure 14.26 Metaller har högst värmeledningsförmåga men leder även ström Keramer som aluminiumoxid och kiselkarbid ger bästa kombinationen av värmeledningsförmåga och resistivitet
Magnetiska egenskaper kapitel 15
Magnetisering Ferritiska och ferro-magnetiska material blir magnetiska när de placeras i ett magnetiskt fält B = µh B är den magnetiska flödestätheten, T Tesla (Vs/m 2 ) µ är permeabiliteten, H/m Henry per meter H är magnetiska fältstyrkan, A/m Ampere per meter Mjukmagnetiska material, elektromagneter, tappar sin magnetisering när fältet tas bort Hårdmagnetiska material, permanentmagneter, behåller sin magnetisering
Figure 15.5 Magnetiska egenskaper mäts mha en B H kurva
Mätning av hystereskurvan En växelström genom primärspolen skapar ett fält H som inducerar en magnetisering av materialet i ringen Sekundärspolen mäter magnetiska flödestätheten B Figure 15.6
Magnetiska material skiljer sig åt stort vad gäller hysteresen Figure 15.7 Hårdmagnetiska material, permanentmagneter, har bred hystereskurva Mjukmagnetiska material har smal hystereskurva
Domäner Även om material är magnetiska behöver de inte vara magneter strukturen kan ändras så att det externa fältet försvinner Ett material delar upp sig i olika domäner med likriktad magnetisering Materialet bibehåller sin magnetisering utan ett yttre fält Figure 15.13
Ett yttre fält får domänerna att orientera om sig Figure 15.14 Vid full mättnad sammanfaller alla domäner Orienteringen sker lätt i mjukmagnetiska material men förhindras i permanetmagneter
Elektromagnetiska produkter Elektromagneter och transformatorer måste kunna magnetiseras enkelt av ett pålagt fält och förlora sin magnetism när fältet försvinner Figure 15.15
Mjukmagnetiska material Hög magnetisk susceptibilitet c = µ r -1 Hög mättnadsgrad Figure 15.16
Hårdmagnetiska produkter Hög remanens Hög koerciv fältstyrka Ex. hörlurar Figure 15.17
Optiska egenskaper kapitel 16
Material och Strålning När strålning träffar ett material så reflekteras en del, absorberas en del och en del transmitteras Figure 16.1 1 st term: reflektans 2 nd term: absorbans 3 rd term: transmittans
Spegling och Diffus Reflektion Spegelytor är plana och reflekterar ljuset så att θ 1 = θ 2 Diffusa ytor är ojämna och sprider ljuset Figure 16.2
Ljusbrytning, Refraktion Brytningsindex c o ljushastigheten i vacuum (300 000 km/s, 7,5 varv/s) Figure 16.3
Figure 16.8
Design: Brytningsindex Figure 16.14 Optiska pulser från en lysdiod färdas genom en optisk fiber Mantelhöljet till fibern har lägre brytningsindex vilket gör att ljuset fångas i kärnan även då fibern böjs