Materiallära för Maskinteknik, 4H1063, 4p Adjunkt Anders Eliasson KTH/ITM/Metallernas gjutning Järnmalm Koks Kalksten, kvarts Slagg Smält råjärn Masugn Reduktion av järnmalm till smält råjärn (Pig Iron) Föreläsning 10: Metalliska material, användning och framställning Förstå material Välja material Utveckla material Kursinformation Lab 4, börjar ges under nästa vecka (v.48). Obs, sista labben. Vid ej gk labtest måste ett nytt utföras senare för att få gk på lab, se länk på hemsidan. Kontakta Matilda Tehler, matildat@mse.kth.se om du inte har gjort en lab, av någon anledning... Kontrollskrivningen: Resultat av KS anslås senast 2006-12-12 på Teknologexpeditionen, MSE, BR23, samt ev på "mina sidor" på ditt kth.se konto (jag tar även med listan till min sista föreläsning 8/12, om jag är klar med rättningen då). Kurslitteratur, W.D. Callister, Fundamentals of Materials Science and Engineering: An Integrated Approach, 2nd Ed, John Wiley and Sons, Inc. (2005), får ni köpa via en vanlig eller en internet-bokhandel. Både bok och medföljande CD- ROM, 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: Olika brottyper Maximal last måste vara klart lägre än sträckgränsen så man ej får oönskad deformation eller brott i materialet. Duktilt brott, plastisk deformation före och under brottets utbildande, långsam sprickutbredning. Sprött brott, liten plastisk deformation före och under brottets utbildande och en mycket hög sprickutbredningshastighet. Kopp-kon brott, kombinerat duktilt/sprött brott. Brott kan även inträffa även vid spänningar lägre än sträckgränsen: Slagbrott, vid plötslig last (speciellt vid låg temperatur), för material med låg duktilitet. Utmattningsbrott, när materialet utsätts för omväxlande drag och tryckspänningar. Spänningskorrosion, när materialet utsätts för belastning och samtidigt är utsatt för korrosion. Krypbrott, vid temperaturer > 0.4T m. Om materialet är utsatt för belastning vid förhöjd temperatur. Obs, alla brott initieras av defekter i materialet, inte genom att atombindningar slits isär. Repetion: Olika utseende av brott Duktilt brott: mycket ig plastisk deformation före och under brottets utbildande. Kopp-kon brott: kombinerat duktilt/sprött brott, viss plastisk deformation innan sprött brott. Sprött brott: mycket liten plastisk deformation före och under brottets utbildande och en mycket hög utbredningshastighet. Utmattningsbrott: karakteriseras av att materialet brister vid en spänning (belastning) som ligger (igt) under både sträck-, och brottgräns, när denna spänning upprepas cykliskt, ett tillräckligt antal gånger. Repetion: Kopp-konbrott (Duktilt/sprött brott) Steg till brott: Midjebildning Partiklar fungerar som kärnbildningsplatser för sprickor Kärnbildning av porer 50 μm Radiell spricktillväxt Glidning vid ytan, i 45 mot dragriktningen 100 μm Brott Repetion: Sprött brott Sprött brott i lågkolhaltigt stål Ett sprött brott karakteriseras av en mycket liten plastisk deformation och en hög utbredningshastighet. 1
Repetion: Utmattningsbrott (fatigue) Utmattningsbrott = brott vid cyklisk spänning. prov lager Tryck på ovansidan lager motor koppling Drag på undersidan Spänningen varierar med tiden -- Viktiga parametrar är amplituden S och medelspänningen m max Viktigt: Utmatting... -- Kan orsaka brott, även om max < 0.2. -- Orsakar ~ 90% av alla brott i mekaniska apparater. min m räknare S tid Repetion: Spänningskorrosionsbrott Belastning och korrosiv miljö (t.ex. saltvatten) i kombination underlättar brott i material. Ett material som normalt tål en viss belastning (spänning) kan spricka när det belastas om det samtidigt befinner sig i en korrosiv miljö. Den korrosiva miljön underlättar sprickans initiering och propagering i materialet både genom försprödning av materialet och genom elektrokemiska reaktioner i sprickspetsen. Repetion: Brott vid slag (hastig belastning) En ökande belastningshastighet, ε -- Ökar 0.2 och B -- Minskar %EL 0.2 0.2 B större mindre ε ε Varför? En ökad deformationshastighet ger dislokationerna mindre tid att passera hinder, varför materialet beter sig sprödare. B ε. Repetion: Krypning Plastisk deformation vid förhöjd temperatur Dragprov vid temperaturer > 0.4Tm mäter krypning. ε x. lutning= ε ss = stabil kryp hastighet Log(tid) Generellt:... εkeramer ss <εmetaller ss << εss polymerer Föreläsning 10 Metalliska material, användning och framställning Viktigt:.. Vilka egenskaper karakteriserar metaller? Hur klassificeras metaller och hur används de? Vilka är de vanligaste tillverkningsmetoderna för metaller? Vilka värmebehandlingar används för olika material och varför? Utmärkande egenskaper för metaller Typiska egenskaper för metaller: Goda ledare för värme och elektricitet. Detta beror på att de innehåller fria elektroner som lätt kan röra sig. Duktila och lätta att forma på olika sätt och i flera steg t.ex. gjutning, mekanisk bearbetning, svarvning, svetsning. Kan göras hårda och hållfasta efter formningen. Ger oftast ett segt brott om de går sönder. Oftast polykristallina vilket medför samma egenskaper i alla riktningar (isotropa). Metallers egenskaper varierar inom ett brett spektum, men utmärkande för konstruktionsmetaller är; Hög smältpunkt Hög hållfasthet Hög duktilitet (formbarhet) 2
Klassificering av metaller Metallegeringar Järn-kol legeringar Icke-järn legeringar Framställning av råjärn (tackjärn) Den äldsta fortfarande använda metoden (Masugnsprocessen) Koks järnmalm Kalksten, kvarts Stållegeringar Steels Gjutjärn Cast Irons <2 <1.4wt%C C 33-4.5 wt% C 1600 δ 800 α ferrit 600 1400 γ+l 1200 γ austenit 1000 α+γ 1148 C L γ+fe3c 727 C Eutektoid: 0.77 α+fe3c L+Fe3C Eutektisk: 4.30 Cu Al Mg Ti mikrostruktur: ferrit, grafit cementit Fe3C, cementit Zn gas infordring Lager av koks och järnmalm luft slagg Smält järn Masugn Värmealstring C+O2 CO 2 Reduktion av järnmalm till metall CO2+C 2CO 3CO+Fe2O3 2Fe+3CO 2 Slaggbildning CaCO3 CaO+CO 2 CaO + SiO2 +Al2O3 slag 400 0 1 2 3 4 5 6 6.7 (Fe) Stål Stål - Gjutjärn Gjutjärn Järn (Fe): Ren metall eller produkt på järnbas. Stål: Lågkolhaltig Fe-C legering som kan smidas och härdas (martensithärdning). Maximalt 2.12% C. Gjutjärn: Högkolhaltig Fe-C legering som pga sin höga kolhalt inte kan smidas men pga sin låga smälttemperatur lätt kan gjutas. Namn lågkolhalt <0.25wt%C Stål Låglegerat medelkolhalt 0.25-0.6wt%C byggnad tryckkärl skiftnycklar bultar hammare knivar högkolhalt 0.6-1.4wt%C Legerat HSLA härdbart verktygstål austenitskt rostfritt Tillsatser inga Cr,V Ni, Mo inga Cr, Ni Cr, V, inga Mo Mo, W Exempel 1010 4310 1040 4340 1095 4190 304 Härdbarhet 0 + + ++ ++ +++ 0 B - 0 + ++ + ++ 0 %EL + + 0 - - -- ++ Användning bilplåt broar kolvar slitdelar borrar kugghjul sågar slitdelar formar Ökande styrka och kostnad, minskande duktilitet Cr, Ni, Mo högtemp tillämp. turbiner ungnar korrosions beständigt Stållegeringar Man skiljer på stål och stål: Allmänna konstruktionsstål Höghållfasta låglegerade stål (HSLA) Maskinstål Gjutstål Rostfria stål Seghärdningsstål Verktygsstål Rostfria stål Dock har de alla det gemensamt att kolhalten är relativt låg (<2.12 %). Varför använda Stål? Fördelar Hög hållfasthet Smidbarhet Svetsbarhet Möjligheten att inom ett mycket brett spektrum, genom tillsats av olika legeringsämnen och/eller genom värmebehandling, variera dess egenskaper. Billigt Nackdelar Relativt tungt, en densitet på ca 7.8 g/cm 3 Ej korrosionsbeständigt, det krävs alltid någon typ av ytbehandling. Billigast först i raden!!! 3
Gjutjärn Grafitformer enligt ISO-standard I, II : Fjällgrafit, gråjärn III : Kompaktgrafitjärn, CGI Järn-Kol legering med hög kolhalt (>2.12) och med utskiljning av grafit i strukturen. Fördelar är: lågtpris god gjutbarhet hög skärbarhet vibrationsdämpande förmåga IV,V : Aducerjärn (temperkol) VI : Segjärn, nodulärt gjutjärn Vitt gjutjärn grått gjutjärn Ytterligare några (dyra) legeringar Nickelbaslegeringar. Legerat med Al, Cr, Ti etc. Partikelhärdande, korrosionsbeständiga. Goda högtemperaturegenskaper (turbinblad i flygmotorer). Zr-legeringar. Partikelhärdande, korrosionsbeständiga. Påverkas mycket lite av neutronflöde. Vitt gjutjärn Grått gjutjärn Vitt gjutjärn, stelnar med faserna cementit, Fe 3 C, och austenit. Legeringstillsats av Cr och Ni. Vitt gjutjärn är hårt och sprött. Grått gjutjärn, stelnar med faserna grafit och austenit. Legeringstillsats av Si. Ympas vanligen för att säkert stelna grått. Grått gjutjärn är lätt att bearbeta, man vill därför vanligen att gjutjärn ska stelna grått. Al-Ti legeringar Goda högtemperaturegenskaper men spröda vid låg temperatur och reaktiva. Duplexa rostfria stål. Höga Cr, Ni, Mn, Mo tillsatser och hög halt av N. Starka och korrosionsbeständiga, särskilt i saltvatten. Kopparlegeringar Mässing: Zn legerat (enkla smycken, mynt, rostfritt) Brons : Sn, Al, Si, Ni är legeringsämnen (hylsor, propeller) Ti-legerinar -låg densitet: 4.5g/cm 3 Icke-järn metaller Icke-Järn metaller Al-legeringar -låg densitet : 2.7g/cm3 -Cu, Mg, Si, Mn, Zn legeringämn -lösnings eller partikel härdat (strukturella delar av flygplan. Mg-legeringar -låg densitet: 1.7g/cm 3 -kan brinna! -flygindustri, raketer Högtemp metaller -hög smältpunkt (7.9 för stål) Ädelmetaller -Nb, Mo, W, Ta -Ag, Au, Pt -oxid./korr. mostånd -reaktiv vid höga T -rymdfart. Aluminiumlegeringar Sr modifierad Al-Si legering (Silumin) Renaluminium Kännetecknas av hög korrosionshärdighet, låg hållfasthet samt mycket god elektrisk och termisk ledningsförmåga. Hårdhetsökning fås via kallbearbetning. Legerat aluminium Har inte lika bra korrosions-, elektriska-, och termiska egenskaper som renaluminium. Kan däremot utskiljningshärdas till hållfastheter i klass med konstruktionsstål. Vanligaste legeringsämnena är Si, Cu och Mg. 4
Varför använda Aluminium? Fördelar Lätt metall, densitet på ca 2.7 g/cm 3 Hög hållfasthet, legerat aluminium God elektrisk ledningsförmåga Mycket god korrosionsbeständighet Lätt att forma och bearbeta Härdbarhet Svetsbarhet Nackdelar Låg hållfasthet, olegerat aluminium Kan inducera galvanisk korrosion Relativt dyr metall Koppar Mässing, Brons och Rödmetall Bronssvärd Pumphus i Rödgods Lagerhus i mässing Koppar Kopparbunke Har hög termisk och elektrisk ledningsförmåga men ingen hållfasthet. Mässing (Cu+Zn) Är billigare än koppar och har högre hållfasthet. Brons (Cu+Sn) Hög hållfasthet kombinerad med stort korrosionsmotstånd. Rödgods (Cu+Sn+Zn+Pb) God hållfasthet och bra skärbarhet. Zink Zinklegeringar Ytterligare några (dyra) legeringar Nickelbaslegeringar. Legerat med Al, Cr, Ti etc. Partikelhärdande, korrosionsbeständiga. Goda högtemperaturegenskaper (turbinblad i flygmotorer). Pressgjutna detaljer i zink Zinklegeringar Har relativt låg smältpunkt (419 C) och kan enkelt pressgjutas till tunnväggigt (0,5 mm) gods med komplicerad geometri. Hårt och relativt styvt material med begränsad hållfasthet. Zr-legeringar. Partikelhärdande, korrosionsbeständiga. Påverkas mycket lite av neutronflöde. Al-Ti legeringar Goda högtemperaturegenskaper men spröda vid låg temperatur och reaktiva. Framställningsmetoder metaller (I) Framställningsmetoder metaller (II) Plastisk formning Smidning (skiftnycklar, vevaxlar) sänke ofta vid Ao metall Ad höga T Dragning (stånger, tråd) Ao die die Ad drag Gjutning Valsning (plåt, räls, rör) Ao roll roll Extrusion (profiler, rör) Ao container stämpl ämne container e Fogning Ad matrishållare profil Ad matris Formning Gjutning i sandform (stora delar t.ex., motorblock) Sand Sand smält metall Gjutning Investment Casting (små volymer, komplexa former t.ex. smycken, turbinblad) Keramform byggd runt en protyp vax av vax Fogning Formgjutning (stora volumer, låg smältpunkt) Stränggjutning (continuous casting) (enkla former) smälta stelnat 5
Framställningsmetoder (III) Formning Gjutning Fogning Pulvermetallurgi Svetsning (material med låg duktilitet) (när det är opraktiskt att göra hela detaljen i ett stycke) punktkontakt vid låg temp tryck tätare värme ytkontakt kompaktering genom diffusion vid högre temp tillsatsmetall (smält) basmetall (smält Hopfogad bas metall HAZ (värmepåverkad zon opåverkad zon opåverkad zon del 1 del 2 Värmepåverkad zon (HAZ) (område inom vilket mikrostrukturen har förändrats). Sammanfattning Stål: öka B, hårdhet (och kostnad) genom att lägga till: - C (låglegerade stål) - Cr, V, Ni, Mo, W (höglegerade stål) - Duktiliteten minskar oftast med legeringstillsatsen Icke-järn: - Cu, Al, Ti, Mg, Ni, högtemperatur, och ädelmetaller Tillverkningsmetoder för metaller - Plastisk bearbetning - Gjutning - Sintring - Svetsning (fogning) Läsanvisningar Kapitel 13 Sidor: 531-553 Typtal: 13.2, 13.5, 13.7, 13.11 Kapitel 14 Sidor: 579-585 Typtal: 14.1, 14.4, 14.6 6