Materiallära för M, 4H1063

Materiallära för M, 4H1063 Målsättning med kursen Ge kunskap och förståelse för de grundläggande faktorer som påverkar materials egenskaper. Kursens innehåll Materials struktur Hur strukturen påverkar egenskaperna Hur man kan påverka strukturen vid framställning Kursen avser att du skall kunna välja bäst material för en ny tillämpning utveckla ny design för ett känt material

Föreläsningar Föreläsare: Bo Sundman Innehåll: Genomgång av det viktigaste i varje kapitel Lösning av typiska problem Kursbok: Fundamentals of Materials Science and Engineering: An Integrated Approach 2nd Edition W.D. Callister, Jr., John Wiley and Sons, Inc. (2005). Både bok och medföljande CD-ROM är nödvändiga

Föreläsnings schema På grund av brist på stora salar kommer de flesta föreläsningar att dubbleras i sal B1. Schema för föreläsningar och laborationer finns på kursens hemsida http://www.mse.kth.se/utbildning/komm/komm-pm2004.html Nästa föreläsning är i M1 för hela kursen. Då kommer kursboken att försäljas, pris 450 kr. Priset i bokhandeln är c:a 100 kr högre. Tag med jämnt belopp i kontanter.

Laborationer Kursassistent: Rosa Jerlerud-Perez Fem laborationer som ger exempel på sambanden mellan materials mikrostruktur och egenskaper och hur mikrostrukturen påverkas av framställningen. Labkursen börjar nästa vecka. Val av labgrupp skall göras omgående via hemsidan: http://www.mse.kth.se/utbildning/komm/komm-pm2004.html Laboration 2-5 har ett eftertest som måste godkännas. Underkänt eftertest måste göras om.

Laborationer Lab 1: Strukturer, atomanordningar, deformationsmekanismer Lab 2: Fasdiagram, omvandlingar, rekristallisation Lab 3: Härdning och härdningsmekanismer Lab 4: Fastfasomvandlingar, svetsning Lab 5: Fraktografi och brottmekanismer

Kontrollskrivning och tentamen Kontrollskrivning måndag 22/11 kl 13-15. Ger max 10 tillgodpoäng till tentamen Tentamen torsdag 16/12 kl 14-18. Tentamen ger 100 poäng, för godkänt krävs 50 poäng, för 4:a krävs minst 65 poäng, för 5:a minst 80 poäng.

Kapitel 1. Introduktion I alla tider har material varit en viktig del av kulturen, tidigare benämde man tidsåldrar efter materialet: stenålder, bronsålder, järnålder. Även idag är mycket av utvecklingen inom vetenskap och teknik beroende av att man kan skräddarsy lämpliga material för speciella tillämpningar, t.ex. starka material vid höga temperaturer, lätta men starka material för transport, optiska och magnetiska material för elektronik och signalöverföring etc.

Kapitel 1. Introduktion De viktigaste materialtyperna: Metalliska material t.ex. järn, koppar, aluminium. Oftast legerade dvs blandningar av två eller flera grundämnen. Keramiska material t.ex. glas, porslin, cement. Ofta en blandning av olika oxider men kan även bestå av nitrider, karbider etc. Polymera material t.ex. Plaster, trä. Uppbyggda av långa organiska kolkedjor eller nätverk. Kompositer t.ex. hårdmetall, armerad betong. Ofta en hård komponent i ett mjukare bindemedel.

Kapitel 1. Introduktion Typiska egenskaper för metaller: Leder värme och elektricitet bra, Hållfasta och duktila, Kristallina Typiska egenskaper för keramer: Dåliga ledare för värme och elektricitet, Ofta hållfasta till höga temperaturer men spröda, Kristallina eller amorfa (glas)

Kristallina material: Kapitel 1. Introduktion Atomerna ligger i regelbundna 3-dimensionella gitter. Inom ett kristallkorn är egenskaperna olika i de olika kristallriktningarna. Bilden visar ett ytcentrerad kubiskt gitter som kallas FCC (Face Centered Cubic). Den har en atom i varje kubhörn och en atom mitt på varje kubyta.

Kapitel 1. Introduktion I ett fåtal fall tillverkar man material som är enkristaller, t.ex. turbinblad. Dessa består alltså av ett enda kristallkorn och dess egenskaper är därför anisotropa, dvs olika i olika riktningar. De flesta kristallina material är polykristallina och består av många kristallkorn med slumpvis orientering av kristallriktningarna. Egenskaperna för ett polykristallint material är därför isotropa, dvs oberoende av riktningen.

Kapitel 1. Introduktion FCC gitter och mikrostruktur för polykristallin koppar Koppar har FCC gitter med en atom i varje kubhörn och en på varje sidoyta På en polerad och etsad yta av koppar syns kristallkornen genom att korn med olika kristallriktningar reflekterar ljuset olika.

Kapitel 1. Introduktion Metallprover med olika kornstorlek som brutits av Kornstorleken är minst till vänster och blir grövre till höger. Brottytorna i vänstra proven visar på segt brott, brottytorna till höger visar på sprött brott.

Kapitel 1. Introduktion Längdskalor Material är strukturer formade av ingenjörer... inte svarta lådor Struktur har många olika längdskalor: Strukturbeståndsdel dimension (m) - bindningsavstånd mellan atomer 10-10 - vakans eller interstitiell atom 10-10 - dislokation (linjeformat fel i kristallen) 10-7 - kristallkorn (diameter) 10-8 till 0.1 - utskiljda partiklar (diameter) 10-8 till 10-4 - textur > 10-6

Kapitel 1. Introduktion Process Mikrostruktur - Egenskap Egenskaper beror på mikrostrukturen, t.ex. hårdheten relativt strukturen för ett kolstål (d) Hårdhet (BHN) 600 500 400 300 200 (a) 30µm (b) 30µm (c) 4µm 30µm 100 0.01 0.1 1 10 100 1000 Kylningshastighet (K/s) Olika kylningshastigheter påverkar strukturen

Kapitel 1. Introduktion Mikrostrukturer för stål Mjukglödgat stål. Den ljusa grundmassan är nästan rent järn, s.k. ferrit, och partiklarna är en järnkarbid som kallas cementit. Härdat stål som kylts snabbt och där man fått en mikrostruktur där ferriten och cementiten ligger i sammanvävda i tunna lameller

Kapitel 1. Introduktion Materialval Välj applikation: bestäm nödvändiga egenskaper Egenskaper kan vara mekaniska, elektriska, värmeledande, magnetiska, massa, optiska, dekorativa, återanvändbar etc. Egenskaperna: begränsar tänkbara material Material, sammansättning, struktur Materialens egenskaper: påverkas av framställningen Framställningen påverkar formen och strukturen, t.ex. gjutning, sintring, bearbetning, värmebehandling etc.

Kapitel 1. Introduktion Egenskaper varierar med sammansättning 23456deformed Cu + 1. 12 a Cu Cu + + 1.12 2.16 at%ni at%ni Pure Cu Cu + 3.32 at%ni Resistivitet, -8Ohm-m) ρ (10 10-200 -100 0 Resistiviteten i koppar ökar med legeringstillsats Resistiviteten i koppar ökar om den deformeras T ( C)

Kapitel 1. Introduktion Termiska egenskaper Termisk konduktivitet för koppar - Termisk (W/m-K) Konductivitet 400 300 200 100 010203040 wt%zinc - minskar med ökande tillsats av zink.

Kapitel 1. Introduktion Magnetiska egenskaper Magnetiskt lagringsmedia: - lagringstätheten beror av magnetiseringen Magnetisk permeabilitet: - En funktion av sammansättningen Magnetization Fe+3%Si Fe Magnetic Field Genom att tillsätta 3 atom-% Si till järn får man ett bättre magnetiskt lagringsmedium.

Kapitel 1. Introduktion Korrosion Dragspänningar och saltvatten i kombination underlättar korrosion Ett material som normalt är korrosionsbeständigt kan korrodera när det belastas.

Kursens mål är alltså: Kapitel 1. Introduktion Att förstå sambanden mellan egenskaper, struktur och framställning Att kunna välja rätt material för en tillämpning Att kunna förbättra en design genom bättre förståelse av materialets egenskaper

Kapitel 7. Mekaniska egenskaper Viktiga storheter: Elastisk deformation: materialet återgår till sin ursprungliga form efter avlastning. Plastisk deformation: materialet har en bestående deformation även efter avlastning. Hårdhet, seghet och duktilitet: vad innebär de och hur mäter man dem? Spänning och töjning: vilket samband har de med last och deformation?

Kapitel 7. Elastisk deformation Vid elastisk deformation i kristallina material förlängs bindningarna mellan atomerna. Denna deformation försvinner vid avlastning. Bara små förlängningar är möjliga δ F återgång

Kapitel 7. Plastisk deformation Plastisk deformation är bestående. När man avlastar materialet så behåller det sin nya form. I kristallina material sker den plastiska deformationen genom att dislokationer rör sig genom materialet så att kristallplanen förändrar läge. glidning mellan kristallplanen glidningen återgår inte δ elastic + plastic δ plastic F

Enaxling spänning: Vanliga spänningstillstånd A o Canyon Bridge, Los Alamos, NM (photo courtesy P.M. Anderson) Balanced Rock, Arches National Park (photo courtesy P.M. Anderson) σ = F A o Tryckspänning (σ < 0). 6

enaxlig töjning: tvärkontraktion: δ/2 skjuv töjning: θ/2 Teknologisk töjning ε= δ L o ε L = δ L δ L /2 w o L o δ/2 δ L /2 w o π/2 π/2 - θ γ = tan θ θ/2 Töjningen är alltid dimensionslös. 8

Dragprovning Exempel på dragprovmaskin givare rörligt ok provstav Andra typer av tester finns t.ex. - tryckprov (lämpligt för spröda material) - torsionprov

Dragprovstav Vanligt utseende på provstav för dragprov prov längd (den del av provstaven med = reducerad tvärsnittsarea)

Linjära elastiska storheter Elasticitetsmodulen, E: Hooke's lag: σ = E ε Poisson's tal, ν: ν = ε ε L L ε ε metaller: ν ~ 0.33 keramer: ~0.25 polymerer: ~0.40 σ -ν 1 Linjärtelastiskt 1 E ε F F enaxligt dragprov Sorter: E: [GPa] or [psi] ν: dimensionlös 10

Elasticitetsmodulen för några material E(GPa) 10 9 Pa 1200 10 00 800 600 400 200 10 0 80 60 40 20 10 8 6 4 2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 Metaller Keramer Polymerer Kompositer Diamond Si carbide Tungsten Al oxide Molybdenum Si nitride Carbon fibers only Steel, Ni CFRE( fibers)* Tantalum <111> Platinum Si crystal Cu alloys <100> Aramid fibers only Zinc, Ti Silver, Gold Aluminum Glass -soda AFRE( fibers)* Glass fibers only Magnesium, Tin GFRE( fibers)* Concrete GFRE* CFRE * Graphite GFRE( fibers)* CFRE( fibers) * Polyester AFRE( fibers) * PET PS PC Epoxy only PP HDP E PTF E Wood( grain) LDPE Ekeramer > Emetaller >> Epolymerer Data för kompositer baserat på armerad epoxy med 60 vol% av carbon (CFRE), aramid (AFRE), or glass (GFRE) fiberer. 13

Dragprovkurvor för bandstål Vid första laborationen kommer ni att jämföra de mekaniska egenskaperna för olika provbitar av ett kolstål som genomgått olika värmebehandlingar. Dragprovkurvorna nedan sammanfattar provbitarnas olika egenskaperna. Notera att elasticitesmodulen är densamma oavsett sträckgränsen, brottgränsen och duktiliteten.

Plastisk (bestående) deformation (för kristallina faser vid låga temperaturer, T < T smält /3) Enaxlig dragning: spänning σ Elastisk+Plastisk vid större spänning Elastisk initialt permanent (plastisk) töjning efter avlastning ε p plastisk töjning töjning ε 15

Sträckgräns, σ y Den spänning när en liten mätbar plastisk deformation har inträffat. när εp = 0.002 spänning, σ σ y ε p = 0.002 töjning, ε 16

Sträckgräns, jämförelse Metaller Keramier Polymer Kompositer Stäckgräns, σ y (MPa) 2000 1000 700 600 500 400 300 200 100 70 60 50 40 30 20 Steel (4140) qt Ti (5Al-2.5Sn) W(pure) a Cu (71500) Mo (pure) cw Steel (4140) a Steel (1020) cd Al (6061) ag Steel (1020) hr Ti (pure) Ta (pure) a Cu (71500) hr Al (6061) a Svår att mäta, brott inträffar vanligen före plastisk deformation. dry PC Nylon 6,6 PET humid PVC PP HDPE Svår att mäta brott inträffar vanligen före plastisk deformation σ y(keramer) >>σ y(metaller) >> σ y(polymerer) Värden vid RT a = mjukglödgad (annealed) hr = varmvalsad ag = åldrad cd = kalldragen cw = kallbearbetad qt = släckt & anlöpt 10 Tin (pure) LDPE 17

Brottgränsen, σ B Maximal dragspänning. dragspänning σ BTypical response of a metal Metaller: inträffar när midjebildning börjar. spänning Keramer: inträffar när sprickor börjar växa. Polymerer: inträffar när polymerens kolkedjor har dragits ut och skall börja brista. 18

Brottgräns σ B, jämförelse Brottgräns, σ B (MPa) 5000 3000 2000 1000 300 200 100 40 30 20 10 Metaller Steel (4140) qt W(pure) Ti (5Al-2.5Sn) Steel (4140) a a Cu (71500) Cu (71500) hr cw Steel (1020) Al (6061) Ti (pure) ag a Ta (pure) Al (6061) a Keramer Diamond Si nitride Al oxide Si crystal <100> Glass-soda Concrete Graphite Polymerer Nylon 6,6 PC PET PVC PP HDPE LDPE Kompositer C fibers Aramid fib E-glass fib AFRE( fiber) GFRE( fiber) CFRE( fiber) wood( fiber) GFRE( fiber) CFRE( fiber) AFRE( fiber) wood ( fiber) σ B (keram) ~σ B (met) ~ σ B (komp) >> σ B (poly) 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. 1 19

Duktilitet Plastisk deformation vid brottgränsen σ Liten töjning, sprödbrott om ε<5% spänning Stor töjning före brott töjning, ε

Seghet Den energi som krävs för att uppnå brottgränsen. Approximativt lika med ytan under spännings-töjnings kurvan liten seghet (keramer) σ stor seghet,(metallet, PMCs) liten seghet, polymerer ε 21

Deformationshårdnande En ökning av sträckgänsen efter plastisk deformation. σ defor σy0σy1 ej m o Efter avlastning krävs högre spänning för att få fortsatt ε plastisk deformation, dvs sträckgränsen har ökat. unload re load 22

Hårdhet Materialets motstånd att bli deformerat på ytan. Stor hårdhet innebär: --svårt att deformera plastiskt eller att brytas sönder av tryckspänningar. --bra slitstyrka. t.ex. 10mm sfär tryck med känd kraft Mät diameter av intrycket efter avlastning D d Mindre diameter betyder större hårdhet. Adapted from Fig. 6.18, Callister 6e. (Fig. 6.18 is adapted from G.F. Kinney, Engineering Properties and Applications of Plastics, p. 202, John Wiley and Sons, 1957.) Chapter plaster bronser, 1- Al-leg. stål increasi 28filar stål maskinbear skärand verktyg nitrer diam a n b

Vad vi lärt Spänning och töjning: normaliserade storheter för last och deformation. Elastisk deformation: försvinner vid avlastning. Ökar ofta linjärt med deformationen enligt Hooks lag, σ = E ε Plastisk deformation: bestående deformation när materialet utsatts för spänningar över sträckgränsen, σ y Brottgränsen: den maximala spänning materialet kan uppnå innan det går sönder. Seghet: det arbete som krävs för att uppnå brottgränsen. Duktilitet: den töjning som materialet tål innan brottgränsen. Hårdhet: proportionell mot sträckgränsen för metaller.

Läsanvisningar Kursboken sidor 1-9, 177-181, 194-198, 213-219. Kursivt sidor 183-193, 201, 205-208 Viktiga exempel nr 7.44, 7.62, 7.D1