Konstruktionsmaterial, 4H168, 4p Adjunkt Anders Eliasson KH/IM/Metallernas gjutning 12 1 8 6 4 2 2 4 6 8 1 WEIGH_PERCEN AG Fasdiagram för Ag-Cu (hermocalc) Föreläsning 5: Fasdiagram och strukturbildning Förstå material Välja material Utveckla material Kursinformation ab 2, börjar den här veckan. Nytt är att ett kort labtest ges efter laborationen (inkluderat i 3h labtiden). abtestet rättas och gås igenom under laborationen. Vid ej gk labtest måste ett nytt utföras senare. Kontakta Matilda ehler, matildat@mse.kth.se om labtider som inte går ihop med ditt schema. Kurslitteratur säljs på eknolog-expeditionen ME. Rum M125A. Öppettider: Må-i 12-14, On 11-13, o-fr 1-12. W.D. Callister, Jr., John Wiley and ons, Inc. (25). Fundamentals of Materials cience and Engineering: An Integrated Approach, 2nd Edition. Både bok och medföljande CD-ROM. Pris: 45 kr. aborationer 26. Pris: 5:-. Obs, endast kortbetalning, ej kontanter. Repetion: Plastisk (bestående) deformation (för kristallina faser vid låga temperaturer, < smält/3) Enaxlig dragning: spänning σ Elastisk initialt Elastisk+Plastisk vid större spänning permanent (plastisk) töjning efter avlastning Den spänning när en liten mätbar plastisk deformation har inträffat. när εp =.2 (.2%) spänning,σ σ.2 Repetion: träckgräns, σ.2 εp töjning plastisk töjning ε ε p =.2 töjning, ε Repetion: Dragprovkurva: pänning - öjning Repetion: Brottgränsen, σ B Maximal dragspänning innan brott. σ B öjning, ε = Δ/ (teknologisk) ε = ln(/ ), naturlig, sann eller logaritmisk töjning. pänning, σ = F/A (teknologisk)) σ = F/A, sann spänning. Kraft över aktuell area. E-modul, E = tan = Δσ/Δε Beräknas på den elastiska delen av kurvan, materialets styvhet. dragspänning engineering stress ypical ypiskt 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. 1
Repetion: Duktilitet Plastisk deformation (töjning) vid brott σ iten töjning, sprödbrott om ε<5% σ Repetion: eghet liten seghet (keramer) stor seghet,(metallet, PMCs) spänning tor töjning före brott liten seghet, polymerer töjning, Med duktilitet menas ett materials förmåga att genomgå (plastisk) formförändring innan brott. ε Repetion: Deformationshårdnande En ökning av sträckgänsen efter plastisk deformation. σ σ y 1 σ y unload reload ε Den energi som krävs för att uppnå brottgränsen. Approximativt lika med ytan under spänningstöjningskurvan. large Deformationshårdnande hardening ej small deformationshårdande hardening Efter avlastning krävs högre spänning för att få fortsatt plastisk deformation, dvs sträckgränsen har ökat. material deformationshårdnar men inte BCC material ε e.g., 1mm sphere Repetion: Hårdhet Materialets motstånd att bli deformerat på ytan. tor hårdhet innebär att materialet har: -- svårt att deformeras plastiskt eller att brytas sönder av tryckspänningar. -- bra slitstyrka. apply known force (1 to 1g) D d measure size of indent after removing load maller indents mean larger hardness. Ger ett samband mellan en lätt mätbar storhet (hårdhet) och ett materials hållfasthet (sträckgräns) ektion 225 Föreläsning 5 Fasdiagram och trukturbildning Viktigt... Vad händer när man blandar två grundämnen, vilka faser/strukturer får jag i materialet? Vad menas med: ermodynamik ermodynamik är läran om hur värme och arbete hänger ihop. Den utvecklades för att förstå och konstruera t.ex. ångmaskiner. Men den hade även stor betydelse för att utveckla t.ex. kvantmekaniken om atomernas energinivåer!!! Vad händer när man varierar... -- ammansättningen och -- emperaturen Det är viktigt att veta... - Hur många faser/strukturer kan man ha? - Vilken sammansättning har varje fas/struktur? - Hur stor mängd finns det av varje fas/struktur? 2
ermodynamik Ett system med två eller fler komponenter kan bestå av en, två eller flera faser vid jämvikt. Exempel på faser är, gas (g), smälta (l) eller fast fas (s), som amorf struktur eller i något kristallint gitter (fcc, bcc, etc). De faser som är stabila vid jämvikt i ett system med given sammansättning och för given temperatur och tryck kan bestämmas genom att minimera fasernas Gibbs energi (fria energi). Fas nickel atom koppar atom Fas β ermodynamik En fas har en given struktur (kristallin eller amorf) och en Gibbs energi som beror på dess sammansättning, tryck och temperatur: G = G (,p,n i ), där N i är antalet moler av ämne i. Vid jämvikt har systemet minimal Gibbs energi för given sammansättning, tryck och temperatur. Ett system bestående av en komponent är alltid enfasigt vid jämvikt (Gibbs fasregel). Vid omvandlingar mellan olika faser spelar skillnader i Gibbs energi mellan olika tillstånd stor roll för att bestämma om omvandlingen kan ske. Gibbs energier för faserna i Cu-Ni Varje fas har en Gibbs energi som är minimerad vid det mest stabila tillståndet för en given temperatur och sammansättning. Vid 1295 o C är smälta (liquid) det stabila tillståndet för Cu, medan fast är det för Ni. Mellan 45 och 59 at% Ni är det mest stabila att ha båda faserna stabila. Den röda linjen är en tangent till båda kurvorna och symbolerna markerar sammansättningar för faserna i jämvikt. 2 1 1 2 3 4 5 6 7 Gibbs energier vid 1295 o C (Ni) (Cu) IQUID 8.1.2.3.4.5.6.7.8.9 1. MOE_FRACION NI Komponenter: Grundämnen eller kemiska föreningar som blandas (t.ex., Al eller Cu eller H 2 O) Faser: De fysikaliskt och kemiskt unika arrangemang av atomer som bildas (kallas t.ex, och β). Aluminium- Koppar egering Komponenter och faser β (ljus fas) (mörk fas) emperatur ( C) 1 8 6 4 2 öslighetslinjen Fasdiagrammet för vatten (kaffe) - socker öslighets linje (sockerlösning) (lösning) + (fast socker) 2 4 665 8 1 Vatten wt% socker ocker Fråga: Vilken är maximala lösligheten av socker I vatten vid 2 o C? var: 65 wt% socker. Om Co< 65wt% socker: sockerlösning Om Co> 65wt% socker: + fast socker öslighetslinjen: Den maximala halten av ett ämne i lösning. ösligheten ökar med : vid, = 1 o C, är lösligheten = 8 wt% socker. Vilka faser beror av och sammansättning emperatur ( C) 1 8 6 4 (flytande lösning) B(1,7) 1 fas (liquid) + (fast socker) D(1,9) 2 faser Fasdiagram för vattensocker 2 A(7,2) 2 faser 2 4 6 7 8 1 wt% socker Ändringavkanändra antalet faser: vägen A till B. Ändring av sms kan ändra antalet faser: vägen B till D. 3
IQUID _A1#2 En enkel tillämpning av fasdiagram Rent vatten kan behandlas som ett enkomponentsystem. Rent vatten är flytande mellan och 1 o C. Is (fast vatten) smälter vid tillsats av salt. Genom att tillsatta salt sänker man den temperatur där vattnet fryser, då salt löser sig i vatten men inte i is. altet stabiliserar den flytande fasen och isen smälter. Beroende på mängden salt sjunker stelningspunkten för saltlösningen olika mycket. (altet höjer även kokpunkten.) Fasdiagram Beskriver vilka faser som är stabila för olika, P och sammansättningar (%B). I denna kurs: -- Enbart binära system: dvs 2 komponenter. -- Enbart och sammansättning variabla (P = alltid 1atm). Fasdiagram för Cu-Ni. Fullständigt lösliga både i smälta och vid hög temperatur i. Vid låg temperatur får man en uppdelning i en kopparrik (#1) och en nickelrik (#2) fas. 16 14 12 1 8 6 4 2 iquid #1+#2.1.2.3.4.5.6.7.8.9 1. MOE_FRACION NI Regel 1: Om vi vet och sammansättning så kan vi i fasdiagrammet avläsa hur många och vilka faser som är stabila. Exampel: A (11 C, 6% Ni): 1 fas: B (125 C, 35% Ni): 2 faser: + C (2 C, 6% Ni): Fasdiagram, antal faser 4 2 faser: #1+#2 C 2 16 14 12 1 8 6 IQUID B _A1#2 A #1+#2.1.2.3.4.5.6.7.8.9 1. MOE_FRACION NI Fasdiagram: fasernas sammansättning Regel 2: Om vi vet och medelsammansättningen och det är mer än en fas stabil, så vet vi sammansättningen för varje fas. 14 Exempel: 138 iquid 136 Medelsammansättning 55 at% Ni: x A 134 Vid A : bara smälta (liquid) Vid D : bara fast fas () 132 Vid B : både smälta och fast fas. 13 o x B o mältans sammansättning ges 128 av liquidus, 45 at% Ni. 126 x Fasta fasens sammansättning D 124 ges av solidus, 59 at% Ni injen som förbinder två faser i jämvikt kallas konod (engelska tie-line) 122 liquidus solidus 12.3.35.4.45.5.55.6.65.7.75.8 MOE_FRACION NI Fasdiagram, mängder av faserna Regel 3: Om vi vet och medelsammansättningen så vet vi hur mycket vi har av varje fas. Exempel: Medelsammansättning: 55 at% Ni Vid A : 1% smälta (liquid) Vid D : 1% fast fas () Vid B : Både smälta (liquid) och : När vi känner fasernas sammansättning kan vi räkna ut mängden av varje fas ur medelsammansättningen m.h.a. Den s.k. Hävstångsregeln (eng. ever rule) f = (59-55)/(59-45) = 28 % smälta f = (55-45)/(59-45) = 72 % 14 138 136 134 132 13 128 126 124 122 iquid o x A x B 45% Ni 59% Ni 12.3.35.4.45.5.55.6.65.7.75.8 MOE_FRACION NI x o D umman av fasfraktionerna: f + f = 1 Medelsammansättningen är matematiskt given av: f x Ni + f x Ni = x Ni En geometrisk tolkning: C R W Härledning av hävstångsregeln Co C W Balanserande moment: W R = W 1 W ger hävstångsregeln 4
telning av en Cu-n legering telning av Cu-5 wt% n legering Hela fasdiagrammet för Cu-n (brons) innehåller många olika s.k. intermetalliska faser. För bronser är halter på ett par procent n intressanta så alla faser med högre halt av n kan ignoreras. Detta område är inringat i fasdiagrammet 12 1 iquid 8 6 4 2 2 4 6 8 1 MA_PERCEN N En smälta med 5 % n börjar stelna vid 145 o C (likvidus). Den fasta fasen som bildas innehåller mycket lite n (solidus). Vid fortsatt svalning ökar halten av n i båda faserna enligt likvidusoch soliduslinjerna och mängden smälta minskar (hävstångsregeln). Vid 875 o C stelnar den sista smältan och en fast struktur har bildats. 11 15 1 95 9 85 solidus iquid likvidus 8 5 1 15 2 25 3 MA_PERCEN N Mikrostruktur efter stelning av Cu-5 wt% n Varför syns det variationer i färg på ett bronsmaterial? Fasdiagrammet visar att tennhalten i fast fas (soliduslinjen) varierar när legeringen stelnar... En ledtråd? telning av en Cu-Ni legering ystemet är -- Binärt dvs innehåller två komponenter: Cu and Ni. -- Isomorft dvs fullständig löslighet av båda komponenterna i varandra; fasen går från till 1 wt% Ni. tudera C o = 35 wt% Ni Del av fasdiagrammet Cu-Ni (liquid) : 35wt%Ni 13 : 35wt%Ni : 46wt%Ni 12 11 2 24 + + (solid) A 35 B 32 C D 36 E 46 43 : 43wt%Ni 3 35 4 5 Co wt% Ni : 32wt%Ni : 24wt%Ni : 36wt%Ni ammansättningen av den fasta fasen ändras under stelningen. Första som stelnar har sammansättningen: C = 46 wt% Ni. ista som stelnar har sammansättningen: C = 35 wt% Ni. nabb kylning: egring, d.v.s. sammansättningsskillnader egring Första att stelna: 46 wt% Ni ista att stelna: < 35 wt% Ni ångsam kylning: homogen sammansättning Homogen 35 wt% Ni Binärt eutektiskt fasdiagram, Al-i Det binära fasdiagrammet för Al-i innehåller två olika fasta faser. Al har -, och i har Diamantgitter. Bägge har liten lösligheten i fast fas. Där likviduslinjerna från respektive ämne möts finns den lägsta temperaturen med smälta närvarande, den s.k. eutektiska temperaturen. 15 1 Eutektiska temperaturen 5 iquid +Diamond iquid+diamond 2 4 6 8 1 MOE_PERCEN I 5
Dendriter och eutektikum i Al-i Förstoring av Al-i eutektikum En legering av Al-i som stelnar bildar Al-dendriter om i halten är mindre än 12 mol% i. Den smälta som finns kvar när man når eutektiska temperaturen bildar en eutektisk sturktur. I detta fall har man även en viss utskiljning av i i form av kantiga kristaller, då i normalt primärt skiljs ut som kristaller. 7 68 66 64 62 6 58 56 54 iquid 52 5 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 MOE_PERCEN I Blåaktig grundmassa : Al (dendriter + eutektisk utskiljning) varta streck, blå plattor: i (eutektiskt utskiljt) Dendriter och eutektikum i Cu-O Eutektikum kan se olika ut i olika system. I Al-i sammarbetar de olika faserna dåligt vid tillväxten och eutektiket kallas urartat. I systemet Cu-O får man vackra dendriter av Cu 2 O och ett s.k. käppeutektikum av Cu 2 O och Cu. Cu-n legeringen igen: dendriter men inget eutektikum! Den mikrostruktur med dendriter vi sett i Cu-n legeringen har inget eutektikum utan legeringen har stelnat enfasigt. Dendritstrukturen syns genom att vi har varierande halt av n (segring). Cu 2 O dendrit Dendriter - Kornstruktur En skiss av en dendrit i 3D amband mellan dendritstruktur och korn. Kärnbildning sker vid gynnsamma kärnbildningsställen och tillväxt sker i motsatt riktning mot värmeflödet. Dendriter: Kommer av Grekiska, Dendron: vara lik, släkt med och Drys: träd. 6
Iskristaller är en form av dendriter nö och iskristaller växer ur gasfas men kan också forma dendriter Binära eutektiska system, Ag-Cu ilver och koppar har båda gitter men blandar sig ändå bara lite i fast fas. Det finns 3 enfasområden,, och β och 3 tvåfasområden, +, +β och +β. Den eutektiska temperaturen E är den lägsta för vilken det finns smälta. Den eutektiska sammansättningen är den som stelnar vid lägst temperatur 12 1 8 6 4 2 + iquid + β E 2 4 6 8 1 WEIGH_PERCEN AG β Eutektiskt fasdiagram för Pb-n Pb-n legering Bly har gitter och tenn har ett kristallgitter som kallas BC (Body Centered etragonal). Ämnena blandar sig i smältan men lösligheten i de båda fasta faserna är ganska liten. 35 3 25 2 15 1 iquid BC Pb-n eutektikum n-dendrit Den eutektiska punkten ligger vid ca 181 o C och 62 wt% n 5 2 4 6 8 1 WEIGH_PERCEN N telningsstruktur för en bly-tenn legering. Dendriter av tenn och ett lamellärt eutektikum av bly och tenn. Fråga: Beräkna hur mycket vi har av olika faser, för en legering med 4 wt% n vid 15 o C (x). var: Vid 15 o C innehåller cirka 9 wt% n och BC cirka 4 wt% Pb. 9%xf + 96%xf BC = 4% n f + f BC = 1 Ger: Fraktion f =.64 och f BC =.36. Hävstångsregeln i Pb-n 35 3 25 2 15 1 x iquid BC 5 2 4 6 8 1 WEIGH_PERCEN N Mikrostrukturer i eutektiska system (1) Enfasigt struktur 4 telnande i Pb-n systemet åg halt av n medför att hela materialet blir enfasig, polykristallin fas finns vid alla temperaturer. 3 1 : Cowt%n 2 E : Cowt%n + β + 1 2 3 Co Co, wt% n 2 (room solubility limit) (Pb-n ystem) P. Det går bra att mäta i fasdiagrammet också. D. 7
Mikrostrukturer i eutektiska system (2) Flerfasig struktur telnande i Pb-n systemet Vid högre n halter men mindre än cirka 18 wt%: telnar materialet till enfasig, polykristallin fas. Vid lägre temperaturer skiljs detutn-rikbc fassom små partiklar. Denna utskiljning sker efter det att hela materialet stelnat, dvs i fast fas. 4 3 2 E 1 + : Cowt%n + β : Cowt%n 1 2 3 2 Co Co, wt% n (sol. limit at room) 18.3 (sol. limit at E) β Pb-n system Mikrostrukturer i eutektiska system (3) Eutektiskt struktur Eutektisk sammansättning: Ger en eutektisk mikrostruktur av (Pb) och BC (n). Eutektiket består enligt hävstångsregeln av (62-18)/(98-18) = 55 wt% β (BC) och 45 wt% (). 3 1 2 E Fasdiagrammet Pb-n + 183 C + β : Cowt%n + β β β: 97.8wt%n : 18.3wt%n 2 4 6 8 1 18.3 CE 97.8 61.9 Co, wt% n Mikrobild av Pb-n eutektikum 16 μm 3 2 E 1 ammansättningar mellan 18 och 62 wt% n ger: Primär utskiljning av kristaller som dendriter och en eutektisk mikrostruktur. Mikrostrukturer i eutektiska system (4) Primär + Eutektisk struktur + R R : Cowt%n + β + β 2 4 6 8 1 18.3 Co 61.9 97.8 Co, wt% n β primary eutectic eutectic β En legering med 4 wt% n alldeles över E : har 18 wt%n och smältan har 6 wt% n. Hävstångsregeln ger 5% och 5% smälta. Under E får vi 5% primär utskiljning och 5% eutektisk struktur. Under E har vi med 18 wt% n och BC med 98 wt% n. Hävstångsregeln ger 73 wt% och 27 wt% BC. Under- och övereutektiska legeringar 3 2 E 1 Undereutektisk o + + β β + β Co Co undereutektisk överreutektisk 2 4 6 8 1 Co, wt% n 18.3 eutektisk 97.8 61.9 Övereutektisk eutektisk o 175 μm 16 μm amma eutektiska mikrostruktur i alla tre bilderna Hela fasdiagrammet för Fe-C (stabila) Fe-C fasdiagrammet med cementit ösligheten av kol i olika järnfaser är ganska låg. Kol har ingen smältpunkt vid normala tryck, den sublimerar vid 36 o C. I det stabila systemet finns inga karbider. Maximala kolhalten i järnlegeringar är ca 5 wt%. 16 14 12 1 8 6 IQUID+GRAPHIE +GRAPHIE BCC+GRAPHIE 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 WEIGH_PERCEN C Cementit är en metastabil järnkarbid, Fe 3 C. Den är den normala kolrika fasen i Fe-C systemet. Det stabila fasdiagrammet med grafit är streckat i diagrammet. tål har max 2 wt% C. Gjutjärn har högre kolhalt än 2. wt% C men maximalt 5 wt%. Observera att det finns både en eutektisk och en eutektoid punkt. 16 IQUID 14 12 (austenit) 1 +CEMENI 8 6 BCC+CEMENI 4 1 2 3 4 5 6 7 WEIGH_PERCEN C 8
Det finns även fasdiagram för keramer ammanfattning Keramiska material är ofta starkare än metaller vid höga temperaturer. Fasdiagrammet visar systemet io 2 -Al 2 O 3 som har en intermediär fas kallad mullit. io 2 bildar lätt amorf struktur och har många olika kristallina former. Högtemperaturformen av kristallin io 2 heter kristoballit. Al 2 O 3 kallas korundum. 22 21 2 19 18 17 16 15 14 13 12 iquid iquid+mullit kristoballit+mullit korundum + mullit 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 io 2 WEIGH_PERCEN A2O3 Al 2 O 3 Fasdiagram är ett andvändbart verktyg för att veta: -- antal och typer av faser, -- mängder av olika faser, -- och sammansättning av varje fas för en given temperatur och medelsammansättning. illsats av legeringsämne som ger en fast lösning ger: -- en ökning av brottspänningen -- en minskning av duktiliteten. Binära eutektiska och binära eutektoida system kan ge en mängd olika mikrostrukturer som starkt påverkar de mekaniska egenskaperna. äsanvisningar Kapitel 1 idor: 357-384, 393-394, 395-398. yptal: 1.2, 1.5, 1.7, 1.27, 1.28, 1.32, 1.33, 1.36, 1.48, 1.54, 1.64 9