Materiallära för Maskinteknik, 4H1063, 4p Kursinformation Labkurs. Labgrupp 3 och 5 har bytt tid för Lab3, från kl 08-11, till kl 16-19, Tor 16/11 (schemat på hemsidan gäller). Labpek 06, dvs laborationsanvisningar till Lab 1-4, säljs på Teknologexp. MSE. Kostnad: 50:-, endast kort! Schemaändring, Fredag 17/11: ingen föreläsning. Det blir däremot föreläsning Fredag 1/12. Kontrollskrivning Måndag /11, kl 08-10, M22-24, M31-36. Dragprovkurvor av lågkolhaltigt Fe-C material efter olika värmebehandlingar Föreläsning 8: Plastisk formning och härdning Adjunkt Anders Eliasson KTH/ITM/Metallernas gjutning Förstå material Välja material Utveckla material Kurslitteratur, W.D. Callister, Fundamentals of Materials Science and Engineering: An Integrated Approach, 2nd Ed, John Wiley and Sons, Inc. (05), får ni köpa via en vanlig eller en internet-bokhandel. Bok och medföljande CD, ca pris: 450 kr. Schema med angivande av föreläsningsinnehåll och pdf-filer av föreläsningar finns på kursens hemsida: www.mse.kth.se/utbildning/4h1063/kurspm-4h1063.html Obs: Hemsidan är inte statisk utan uppdateras kontinuerligt. Repetion: Härdningsmekanismer Korngränshärdning (Flerfasstruktur/Omvandlingshärdning) Korngränser medför att dislokationerna stockas upp vilket försvårar dislokationsrörelsen. Fas-, resp atomordningsgränser är hinder för dislokationsrörelsen. Lösningshärdning Främmande atomer i det ordinarie gittret utgör hinder för dislokationsrörelsen. Utskiljningshärdning Utskilda partiklar är effektiva hinder för dislokationsrörelsen. Repetion: Korngränshärdning (minskning av kornstorlek) Korn (och fas-) gränser stoppar dislokationer. Ju större skillnad mellan kornens orientering ju bättre stoppas dislokationerna. Alltså: Små korn ger större motstånd mot dislokationsrörelsen. glid plan korn A korn B korngräns Deformationshärdning Dislokationstrassel är effektiva hinder för dislokationsrörelsen. Hall-Petch ekvationen: = + kd 1/2 0.2 o y Repetion: Lösningshärdning Repetion: Utskiljningshärdning Legeringsatomer stör gittret och orsakar spänningar. Spänningarna hindrar dislokationernas rörelse. Små substitutionella legeringsatomer A Stora substitutionella legeringsatomer C Utskiljningshärdning (eller partikelhärdning) och innebär att man skapar många små partiklar (radie < 1 μm) som hindrar dislokationernas rörelser. Samtidigt skapas mer ytor i materialet och på samma sätt som för korngränshärdning betyder mycket ytor i ett material att det blir starkare. FCC FCC + Θ B D Temp. 1. Upplösningsbehandling 3. Åldring Legeringsatomerna orsakar en lokal spänning vid A och B som hindrar dislokationsrörelsen. Legeringsatomerna orsakar en lokal spänning vid C och D som hindrar dislokationsrörelsen 2. Snabbkylning Tid 1
Repetion: Åldringens effekt på 0.2 och %EL sträckgräns (MPa) 500 400 300 övermättad fast lösning Många små partiklar åldrad 4 C färre större partiklar överåldrad 149 C 0 1min 1h 1dag 1mo1år 0 1min 1h 1dag 1mo 1år åldringstid (h) åldringstid (h) Partiklarna hindrar dislokationernas rörelse och höjer sträckgränsen. %EL har ett minimum 0.2 har ett maximum efter en viss efter en viss åldringstid åldringstid. Ökande åldringstemperatur påskyndar processen men ger lägre hårdhetsmaximum. %EL 30 10 4 C 149 C Repetion: Deformationshärdning Deformation vid rumstemperatur (kallbearbetning). Formningsoperationer som ändrar materialets tvärsnittsarea: -Smidning form Ao -Dragning Ao form kraft kraft Ad Ad drag kraft kraft - Valsning roll Ao - Extrusion Ao %CW = A o A d x100 A o behållare stämpel roll Ad matris fäste extrusion Ad matris Repetion: Rekristallisation 33% kallbearbetad mässing 0.6 mm 0.6 mm Nya kristallkorn Kärnbildas efter 3 sec. vid 580C. Nya kristallkorn bildas som: -- Har normal dislokationstäthet -- Är små (om kallbearbetningen stor) -- Äter upp de kalldeformerade kristallkornen Viktigt... Föreläsning 8: Plastisk formning av material Elastisk deformation: materialet återgår till sin ursprungliga form efter avlastning. Plastisk deformation: materialet har en bestående deformation även efter avlastning. Spänning och töjning: vilket samband har de med last och deformation? Hårdhet, seghet och duktilitet: vad innebär de och hur mäter man dem? Vanliga spänningstillstånd Enaxling spänning: Dragprovning Exempel på dragprovmaskin Vanligt utseende på provstav för dragprov A o givare provstav Balanced Rock, Arches National Park = F A o Canyon Bridge, Los Alamos, NM Tryckspänning ( < 0). rörligt ok Andra typer av tester finns t.ex. - Tryckprov (lämpligt för spröda material) - Torsionprov (vridning, skjuvning) prov (den del av provstaven längd = med reducerad tvärsnittsarea) 2
Dragprovkurva: Spänning - Töjning Elastisk deformation Vid elastisk deformation i kristallina material förlängs bindningarna mellan atomerna. Denna deformation försvinner vid avlastning. Bara små förlängningar är möjliga Töjning, ε = ΔL/L 0 (teknologisk) ε=ln(l/l 0 ), naturlig, sann eller logaritmisk töjning. Spänning, = F/A 0 (teknologisk)) = F/A, sann spänning. Kraft över aktuell area. E-modul, E = tanα = Δ/Δε Beräknas på den elastiska delen av kurvan, materialets styvhet. δ F återgång En-axlig dragning av stav Elastisk deformation Styrkan i bindningarna mellan atomerna avgör hur stor spänning som krävs för att materialet skall töjas elastiskt. Den teoretiska brottspänningen är den spänning som krävs för att bryta alla atombindningar mellan två atomplan i kristallen. ΔL=L 0 -L 1 Elastisk deformation En provstav dras med låg last till en viss förlängning, L 1,vid avlastning återgår staven till sin ursprungliga längd, L 0. Materialet minns och återtar helt sitt ursprungstillstånd vid avlastning. Defekter i materialen (dislokationer, sprickor) gör att man i praktiken aldrig uppnår den teoretiska brottspänningen i ett material. Repetion: Egenskaper som beror av bindningsstyrkan Elasticitetsmodulen, E F ΔL = E A o Lo Elasticitetsmodulen E är proportionell mot krökningen av potentialkurvan vid ro Energi r o obelastat atomavstånd Liten Elasticitetsmodul Stor elasticitetsmodul r E ökar om Eo ökar. E(GPa) 10 9 Pa Elasticitetsmodulen för några material 10 1000 800 600 400 0 100 80 60 40 10 8 6 4 2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 Metaller Keramer PolymererKompositer Tungsten Molybdenum Steel, Ni Tantalum Platinum Cu alloys Zinc, Ti Silver, Gold Aluminum Magnesium, Tin Diamond Si carbide Al oxide Si nitride <111> Si crystal <100> 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)* Epoxy only Wood( grain) Ekeramer > E metaller >> E polymerer Data för kompositer är baserat på armerad epoxy med 60 vol% av Kol (CFRE), Aramid (AFRE), eller glas (GFRE) fibrer. 3
Plastisk deformation Plastisk deformation är bestående. När man avlastar materialet så behåller det sin nya form. En-axlig dragning av stav I kristallina material sker den plastiska deformationen genom att dislokationer rör sig genom materialet så att kristallplanen förändrar läge. F glidning mellan kristallplanen δ elastic + plastic δ plastic glidningen återgår inte ΔL=L 0 -L 1 Plastisk deformation En provstav dras med högre last till en viss förlängning, L 1, vid avlastning återgår staven inte till ursprunglig längd, L 0,utanen kvarstående förlängning av materialet finns kvar. Materialet har formförändrats permanent. Plastisk deformation Repetion: Glidplan - Glidsystem I kristallina material sker plastisk deformation genom dislokationsrörelser. Dislokationerna gör att atomplanen glider i förhållande till varandra och det ger en bestående deformation. På detta sätt kan man forma kristallina material som har lättrörliga dislokationer (dvs metaller). Amorfa material (t.ex. glas, de flesta polymerer) formas utan dislokationsrörelser. Kristallina keramer kan inte deformeras plastiskt eftersom dislokationerna inte kan röra sig. Strukturbild av kristaller av α-mässing (FCC) Plastisk deformation sker genom skjuvning eller glidning utmed karakteristiska plan. Olika kristalltyper har olika glidplan och antal glidriktningar (BCC: 12st, FCC: 48st, HCP: 3st). Kristaller är anisotropa men får isotropa egenskaper pga deras slumpvisa orientering i ett material. Dislokationers rörelse Ger upphov till plastisk deformation. Genom att inkrementellt (stegvist) bryta och återskapa bindningar. Plastiskt utdragen enkristall av zink. Plastisk (bestående) deformation (för kristallina faser vid låga temperaturer, T < T smält/3) Enaxlig dragning: spänning Elastisk+Plastisk vid större spänning Utan rörliga dislokationer kan man inte forma ett kristallint material! Elastisk initialt εp permanent (plastisk) töjning efter avlastning töjning plastisk töjning ε 4
Sträckgräns, 0.2 Den spänning när en liten mätbar plastisk deformation har inträffat. när εp = 0.002 (0.2%) spänning, 0.2 ε p = 0.002 töjning, ε Sträckgräns Yield strength, y (MPa) 0.2 00 1000 700 600 500 400 300 0 100 70 60 50 40 30 10 Metals/ Alloys Steel (4140)qt Ti (5Al-2.5Sn)a W (pure) Cu (71500)cw Mo (pure) Steel (4140)a Steel (10)cd Al (6061)ag Steel (10)hr Ti (pure)a Ta (pure) Cu (71500)hr Al (6061)a Sträckgräns, jämförelse 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 matrix and epoxy matrix 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 dragspänning engineering stress Brottgränsen, B Maximal dragspänning innan brott. TS B Typical Typiskt response beteende of för a en metal metal strain töjning Metaller: inträffar när midjebildning börjar. Keramer: inträffar när sprickor börjar växa. Polymerer: inträffar när polymerens kolkedjor har dragits ut och börjar brista. Tensile Brottgräns strength,, TS B (MPa) 5000 3000 00 1000 300 0 100 40 30 10 1 Brottgräns B, jämförelse Metals/ Alloys Steel (4140)qt W (pure) Ti (5Al-2.5Sn)a Steel (4140)a Cu (71500) Cu (71500)hr cw Steel (10) Al (6061)ag Ti (pure)a Ta (pure) Al (6061)a Graphite/ Ceramics/ Semicond Diamond Si nitride Al oxide Si crystal <100> 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 epoxy kompositer, med 60 vol% fiberer. Dragprovkurva: Sträckgräns - Brottgräns Dragprovkurvor för bandstål Sträckgräns, 0.2 ( s ) Den spänning som ger en permanent plastisk deformation, ε = 0.2%. Brottgräns, b Den spänning som krävs för att materialet ska gå till brott. Obs, ofta med midjebildning, varvid kurvan vid brott sjunker under maxvärdet ( b ). Vid första laborationen jämfördes de mekaniska egenskaperna för olika provbitar av ett och samma kolstål som genomgått olika värmebehandlingar. Dragprovkurvorna nedan sammanfattar provbitarnas olika egenskaperna. Notera att Elasticitesmodulen (E-modulen) är densamma oavsett sträckgränsen. 5
Dragprov för polymera material (MPa) 40 start: amorfa kjedjor är hoptrasslade, tvärbundna 60 xsprödbrott Duktilt brott x elastomer 0 0 2 4 6 ε 8 Deformationen är reversibel! Brott: : kedjorna är raka, fortfarande tvärbundna Jämfört med andra typerna av polymerer: -- Sprött brott (utdragna, tvärbundna och nätverkspolymerer) -- Duktilt brott (delkristallina och amorfa polymerer) x Duktilitet Maximal plastisk deformation (töjning) vid brott spänning Liten töjning, sprödbrott om ε<5% töjning, Stor töjning före brott Med duktilitet menas ett materials förmåga att genomgå (plastisk) formförändring innan brott. ε liten seghet (keramer) Seghet stor seghet,(metallet, PMCs) liten seghet, polymerer Den energi som krävs för att uppnå brottgränsen. Approximativt lika med ytan under spännings-töjningskurvan. ε y 1 y 0 Deformationshårdnande En ökning av sträckgänsen efter plastisk deformation. unload reload Deformationshårdnande large hardening Ej deformationshårdande small hardening Efter avlastning krävs högre spänning för att få fortsatt plastisk deformation, dvs sträckgränsen har ökat. FCC material deformationshårdnar men inte BCC material ε Lektion 228 Flytspänning - Deformationshårdnande Deformationshårdnande Plastisk deformation orsakas av dislokations-rörelser och nya dislokationer skapas under deformationen, dislokationstätheten kan öka från 10 12 m -2 till 10 16 m -2 eller mer. Vid hög dislokationstäthet hindrar dislokationerna varandras rörelse, det krävs större spänning för fortsatt deformation. Temperaturens inverkan på flytspänningen av stål Deformationshårdnande för olika material Flytspänning, f Nödvändig spänning för deformation i det plastiska området. Är starkt beroende av temperaturen och minskar med ökande temperatur. Deformationshårdnande Ökningen av den plastiska deformationsspänningen (flytspänningen). Varierar kraftigt mellan olika material. Detta gäller främst FCC material eftersom dislokationerna där ofta delar upp sig och en dislokation kan hindra glidning i flera glidplan. Vid avlastning förändras inte materialets dislokationstäthet, enbart den elastiska deformation försvinner. För att fortsätta deformationen krävs därför samma spänning som före avlastningen. Vid rekristallisation försvinner deformationshårdnandet. 6
Hårdhet Materialets motstånd att bli deformerat på ytan. Hårdhet Stor hårdhet innebär att materialet har: -- svårt att deformeras plastiskt eller att brytas sönder av tryckspänningar. -- bra slitstyrka. e.g., 10mm sphere apply known force (1 to 1000g) measure size of indent after removing load most plastics brasses Al alloys D d easy to machine steels file hard cutting tools increasing hardness Smaller indents mean larger hardness. nitrided steels diamond Brinellprovning, Brinellhårdhet, HB Vickersprovning, HV Rockwell, HRB resp HRC Ger ett samband mellan en lätt mätbar storhet (hårdhet) och ett materials hållfasthet (sträckgräns) Sammanfattning Spänning och töjning: normaliserade storheter för last och deformation. Elastisk deformation: försvinner vid avlastning. Ökar ofta linjärt med deformationen enligt Hooks lag, =E. ε Plastisk deformation: bestående deformation då materialet utsatts för spänning över sträckgränsen, 0.2 Brottgränsen: den maximala spänning, B materialet kan uppnå innan det går till brott. Seghet: det arbete som krävs för att uppnå brottgränsen. Duktilitet: den töjning som materialet tål innan brott. Hårdhet: storhet proportionell mot sträckgränsen för metaller. Process Mikrostruktur - Egenskap Egenskaper beror på mikrostrukturen, t.ex. hårdheten relativt strukturen för ett kolstål Hårdhet (BHN) 600 500 400 300 0 (a) 30μm (b) 30μm (c) 4μm (d) 30μm 100 0.01 0.1 1 10 100 1000 Kylningshastighet (K/s) Olika kylningshastigheter påverkar strukturen Mikrostrukturer och egenskaper för stål 1 Mikrostrukturer och egenskaper i stål 2 Mjukglödgat stål. Den ljusa grundmassan är nästan rent järn, s.k. ferrit, och partiklarna är cementit. Ferrit är en mjuk fas som är lätt att forma plastiskt. Cementiten är hård (som en keram). Grova cementitpartiklar som i denna mikrostruktur utgör inget hinder för dislokationsrörelsen i ferriten. Materialet som helhet är mjukt och formbart. Härdat stål som kylts snabbt och där man fått perlit, en mikrostruktur där ferriten och cementiten ligger sammanvävda som tunna lameller I perlit har man tunna lameller av ferrit och cementit. Dislokationerna i ferriten kan bara röra sig en kort sträcka innan de stoppas upp av en cementitlamell. Materialet som helhet blir hårt och hårdheten ökar ju tunnare lamellerna är, dvs beror av vid vilken temperatur perliten bildats (låg ger finare lameller). 7
Formning av material Konstruktionsmaterial skall vara formbara, dvs kunna deformeras plastiskt till en produkt, men också så hårda att de inte deformeras under normal användning. Vid formningen vill man att materialet har en låg sträckgräns ( 0.2 ) och en hög duktiltet (ε B ). Under formningen deformeras (plasticerar) materialet och deformationshårdnar (får en ökande dislokationstäthet). Läsanvisningar Kapitel 7 Sidor 177-181,183-189, 190-1, 5-212, 213-219 Typtal 7.3, 7.8, 7.9, 7.25, 7.26, 7.44, 7.62, 7.D1 Genom att rekristallisera efter en formnings-peration kan materialet återfå sin duktilitet och man kan fortsätta formningen. Vissa material kan härdas efter formningen så att materialet får en högre sträckgräns än vid formningen. Lär till kontrollskrivningen: Vilka olika bindningstyper finns det mellan atomer? Vilka egenskaper bestäms av potentialkurvan? Hur ser enhetscellerna för olika gitter ut? Vad är dislokationer och vad är de bra för? Vilka materialegenskaper kan man avläsa från en dragprovkurva? Vad är diffusion? Vad kan man utläsa från ett fasdiagram? Vad är hävstångsregeln? Att kunna kombinera kunskap från olika kapitel är bra! 8