Konstruktionsmaterial, 4H1068, 4p Konstruktionsmaterial, 4H1068, 4p Målsättning med kursen Ge kunskap och förståelse för de grundläggande faktorer som påverkar ett materials egenskaper. Kursens innehåll Adjunkt Anders Eliasson KTH/ITM/Metallernas gjutning Mikrostruktur hos ett övereutektoidiskt kolstål Föreläsning 1: Introduktion, olika materialtyper Förstå ett material Välja material Utveckla material Materials struktur Hur strukturen påverkar egenskaperna Hur man kan påverka strukturen vid produktionen Efter kursen ska du kunna förstå hur olika faktorer påverkar ett material välja lämpligt material för en ny tillämpning utveckla ny design för ett känt material Föreläsningar Försäljning av kurslitteratur Föreläsare: Anders Eliasson, Tekn.Dr. Föreläsningar: Genomgång av det viktigaste i varje kapitel Lite utvikningar mot intressanta områden Lösning av typiska problem Föreläsningsupplägg: Schema med angivande av föreläsningsinnehåll och pdf-filer av föreläsningar finns på kursens hemsida: http://www.mse.kth.se/utbildning/4h1068/kurspm-4h1068.html Kurslitteratur: 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. Försäljning av kurslitteratur sker i pausen efter föreläsning 2 fredagen 1 september, av Bokimperiet AB: pris 450 kr. Endast kontanter, ej kortbetalning vid detta tillfälle. (Teknologexp. MSE säljer även boken, endast kortbetalning, ej kontanter.) Laborationskurs Kursassistent: Matilda Tehler, matildat@mse.kth.se Fyra 3h laborationer: Dessa ger exempel på sambanden mellan materials mikrostruktur och egenskaper och hur mikrostrukturen påverkas av framställningsprocessen. Labkursen börjar nästa vecka (v36). Val av labgrupp skall göras omgående via uppskrivning på lista på kursanslagstavlan i entren på BR23. Laboration 2-4 har ett eftertest som måste vara godkänt för att få gk på laboration. Underkänt eftertest måste göras om liksom missat ordinarie labtillfälle. Laborationer Lab 1: Strukturer, atomanordningar, deformationsmekanismer, stelningsstrukturer. Lab 2: Fasdiagram, utskiljning ur fast fas. Obs, labtest. Lab 3: Härdningsmekanismer, härdbarhet hos stål, rekristallisation. Obs, labtest. Lab 4: Svetsning, brottstudier (fraktografi) och brottmekanismer, haveri. Obs, labtest. Labpek, med laborationsanvisningar säljs på Teknologexp. MSE. Pris: 50:-. Obs, endast kortbetalning, ej kontanter. 1
Kontrollskrivning och tentamen Kontrollskrivning: Måndag 18/9, kl 08-10, sal B21-25. Ger max 10 bonuspoäng som tillgodoräknas (läggs till tentamensresultatet) till ordinarie och omtentamen under läsåret. Bonuspoäng kan ej tillgodoräknas under följande läsår. Tentamen: Torsdag 19/10, kl 09-13, sal B21-25. Tentamen är utan hjälpmedel och innehåller både beskrivande uppgifter samt beräkningsuppgifter. Krav för godkänt på tentamen är ca 50% nöjaktigt besvarade uppgifter (50/100p). Komplettering erbjuds vid 5% från gk gräns (>47p). Varför läsa konstruktionsmaterial? Relation till andra kurser Mekaniken handlar om krafter och moment som verkar på material som är odeformerbara, dvs de påverkas inte av de pålagda belastningarna. Hållfasthetsläran tar upp material som är elastiska och plastiska och olika typer av brott i material. Men den förklarar inte varför olika material har olika egenskaper och om, eller hur, man kan förändra egenskaperna. Varför läsa konstruktionsmaterial? Termodynamiken beskriver vilka olika faser som kan finnas i ett material. Kemin och fysiken beskriver hur de enskilda fasernas egenskapers beror på elektronstrukturer och atombindningar. Materialvetenskapen (Konstruktionsmateriallära) slutligen handlar om hur de olika faserna kan bilda strukturer i material och hur dessa mikrostrukturer bestämmer om materialet är elastiskt eller plastiskt och andra egenskaper. Strukturer i material Material innehåller strukturer som är skapade/formade, av ingenjörer :). Ett material är inte en svart låda. Struktur har olika längdskalor: Strukturbeståndsdel dimension (m) - avstånd 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 - konstruktioner 0.001-100 Kristallina material: Atomstrukturer Atomerna är placerade i regelbundna 3-dimensionella gitter. Inom en kristall är egenskaperna olika i de olika kristallriktningarna. Atomstruktur - egenskaper FCC gitter och mikrostruktur för polykristallin koppar 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 (och ett tomrum i centrum av kristallen). Koppar har ett 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. 2
Strukturegenskaper 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 en slumpvis orientering av kristallriktningarna. Egenskaperna för ett polykristallint material är därför isotropa, dvs oberoende av kristallriktningarna. Kornstruktur Ett Aluminiummaterial med olika kornstruktur Kornstorleken är störst och med en tydlig riktning i övre och nedre delen av provet. I centrum är kornen mindre och oregelbundet placerade. Kornstruktur - egenskaper 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. Process Mikrostruktur - Egenskap Egenskaper beror på mikrostrukturen. Ett exempel är t.ex. hårdheten relativt strukturen för ett kolstål. Hårdhet (BHN) 600 500 400 300 200 (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 för stål Stelningsstruktur i brons Mjukglödgat stål. Den ljusa grundmassan är nästan rent järn, s.k. Ferrit (mjukt), och partiklarna är en järnkarbid som kallas cementit (hårt). Härdat stål som kylts snabbt och där man fått en mikrostruktur där ferriten och cementiten ligger i sammanvävda i tunna lameller (kompositmaterial?) Genom att polera och etsa en yta på en gjuten bronslegering kan man se mikrostrukturen. Det gula är den primära stelningsstrukturen (dendriter) medan det röda är sekundärt stelnat material. 3
Material i ett historiskt perspektiv I alla tider har material varit en viktig del av kulturen, tidigare benämde man tidsåldrar efter det viktigaste materialet för verktyg: stenålder, bronsålder, järnålder. Klassificering av material 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. Klassificering av material Metall Keram Polymer Komposit 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). Metaller Exempel på metallers formbarhet Keramer Typiska egenskaper för keramer: Dåliga ledare för värme och elektricitet, elektronerna är fast bundna till atomerna. Kan formas på olika sätt men oftast i ett steg och inte genom bearbetning. Ofta hårda men går sönder tvärt, dvs sprött brott, ingen brottseghet. Ofta hållfasta till höga temperaturer. Kan vara både polykristallina eller amorfa (glas). 4
Polymerer Typiska egenskaper för polymerer: Dåliga ledare för värme och elektricitet Lätta att forma i flera steg Kan vara mjuka (nylon), elastiska (gummi) eller hårda (bakelit). Ofta både polykristallin och amorf struktur Dåliga högtemperaturegenskaper Egenskaperna som förändas med tiden Materialkrav Idag är mycket av utvecklingen inom vetenskap och teknik beroende av att man kan skräddarsy lämpliga material för speciella tillämpningar, t.ex. värmeisolerande material vid höga temperaturer; lätta men starka material för transport; korrosionsbeständiga material för krävande miljöer. Materialval Optiska egenskaper varierar med materialets sammansättning Välj applikation: bestäm nödvändiga egenskaper Egenskaper kan vara mekaniska, elektriska, värmeledande, magnetiska, densitet, optisk, 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. Överst: Enkristall av Al 2 O 3 (sapphire), är transparent Mitten: Polykristallin, med viss porositet, är genomskinlig Längst ned: Polykristallin, men med hög porositet (5%), är ogenomskinlig Elektriska egenskaper varierar med materialets sammansättning Resistivitet, ρ (10-8 Ohm-m) 6 5 4 3 2 1 0 Cu + 3.32 at%ni Cu + 2.16 at%ni deformed Cu + 1.12 at%ni Cu + 1.12 at%ni Pure Cu -200-100 0 T ( C) Resistiviteten i koppar ökar med legeringstillsats Resistiviteten i koppar ökar om den deformeras Termiska egenskaper varierar med materialets sammansättning Termisk konduktivitet (värmeledningsförmåga) för koppar - Termisk Konductivitet (W/m-K) 400 300 200 100 0 0 10 20 30 40 wt%zinc - minskar med ökande tillsats av zink. 5
Korrosion av ett material beror av både inre och yttre faktorer Dragspänningar och saltvatten i kombination underlättar korrosion Ett material som normalt är korrosionsbeständigt kan korrodera när det belastas. Kursens mål är: Kursmål 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 6