Material föreläsning 7 HT2 7,5 p halvfart Janne Carlsson
Fredag 9:e December 10:15 12:00 PPU105 Material Förmiddagens agenda Hållbarhet: oxidation och korrosion ch 17 Paus Processers egenskaper ch 18 2
Hållbarhet: oxidation och korrosion kapitel 17
Hållbarhet Hållbarhet är en mycket viktig materialegenskap men en av de svårare att karakterisera, kvantifiera och använda för materialval Den beror på både material och miljön det verkar i Det finns många mekanismer, vissa generella, vissa för specifika material och miljöer Materialkombinationer och konfigurationer spelar roll
Faktorer som påverkar hållbarheten Figure 17.1
Oxidation Den stabilaste formen för de flesta ämnen är en oxid Figure 17.2 Om oxiden fäster på materialet så ökar det i vikt, linjärt eller paraboliskt med tiden Om oxiden är flyktig så minskar vikten linjärt Figure 17.3
Oxidationsmekanismer När de flesta metaller utsätts för luft så bildas en ultratunt oxidskikt M (metall) + O (syre) = MO (oxid) + energi Oxidskiktet separerar metallen från syret För att reaktionen ska fortsätta så måste antingen syret diffundera inåt genom skiktet eller metallatomer diffundera utåt för att nå syret
Oxidationsreaktionen M + O = MO sker i två steg: 1) Metallen skapar en jon och frigör elektroner M = M 2+ + 2e 2) Elektronerna absorberas av syret och ger en syrejon O + 2e = O 2- Figure 17.4 Första reaktionen sker på metallsidan av oxidskiktet medan syrereaktionen sker på andra sidan antingen diffunderar metalljoner och elektroner utåt eller så diffunderar syret och elektronhål inåt mot metallen
Oxidationsmotstånd Oxidationshastigheten ökar kraftigt med temperaturen För att material ska kunna användas vid höga temperaturer så måste åtgärder vidtas för att minska oxidationen Oxidskikt kan användas på gjutjärn, stål och nickellegeringar för att hindra oxidationen Legeringsämnen som krom och kisel bildar oxidskikt som blir passiva och begränsar fortsatt oxidering
Joner i lösning och ph Korrosion med syror eller baser är en elektrokemisk reaktion Ett material som löses upp i vatten ökar koncentrationen av antingen vätejoner eller hydroxidjoner ph nivån i den omgivande miljön kan starta korrosion genom att stödja en kemisk reaktion där en metall bildar metalljoner och elektroner Figure 17.6
Färskt och orent vatten En metall placerad i en ledande lösning som salt vatten löser ut metalljoner och frigör elektroner Anodreaktionen är: Elektronerna samlas på järnet och ger det en negativ laddning som ökar tills metalljonerna dras tillbaka till metallytan Figure 17.7
Figure 17.8 Varje metall har sin egen potential den så kallade standard reduktionspotentialen Värdet relateras till potentialen för väte som är 0
Om två metaller kopplas tillsammans i en cell så uppträder en potentialskillnad mellan dem Om kretsen sluts så strömmar elektroner från anoden till katoden anoden korroderar Reduktionspotentialen för respektive metall avgör vilken som blir anod Metallen med lägst reduktionspotential blir anod Figure 17.9 I figuren så korroderar järnet och kopparjoner pläterar kopparkatoden:
Om kopparsulfatlösningen byts mot vatten finns snart inga kopparjoner kvar i lösningen när strömmen startat Järnet fortsätter att korrodera, men katodreaktionen är nu hydrolysreaktioen: Figure 17.10
Det är inte nödvändigt att ha två olika metaller för att en korrosionscell ska bildas anod- och katodreaktioner kan ske på samma yta Figure 17.11 En stor skillnad i syrekoncentration mellan ytan och metallen längre ned kan ge korrosion Potentialskillnaden mellan hydrolysreaktionen och anodreaktion är drivkraften för korrosionen
Selektiv Korrosion Korrosion sker ofta selektivt korngränskorrosion sker då korngränserna ofta har en annan sammansättning än kornen gropfrätning attack som sker vid skador på ytans oxidskikt ytan blir katod och den blottade metallen anod vilket ger en grop Bimetallkorrosion (Galvanisk korrosion) uppträder i legeringar med tvåfasstruktur där de två faserna har olika potential Spänningskorrosion (Stress corrosion cracking, SCC) korrosion av sprickor i korrosiv miljö i statiskt belastade komponenter Utmattningskorrosion utmattningssprickor som växer snabbare i korrosiv miljö
Bekämpning av korrosion Figure 17.12 Bra design: genomtänkta materialval, geometrival och konfiguration Ytbeläggning: Skyddande skikt, passiva eller aktiva Dämpning: Korrosionsdämpare, kemikalier tillsatta till den korrosiva miljön som bromsar korrosionsreaktionen Besiktning: Förebyggande underhåll och utbyte av komponenter
Dags för en liten paus? 21
Design: Geometri och Konfiguration Tumregler Räkna med viss korrosion Undvik vattenfickor Förhindra galvaniskt angrepp Undvik spalter Överväg katodisk skydd Se upp med spänningskorrosion och utmattningskorrosion Designa för besiktning och underhåll
Figure 17.13 Designändringar som dränerar vatten reducerar korrosionen Designändringar som minskar galvaniskt angrepp Figure 17.14
Figure 17.15 Designändringar som förhindrar spaltkorrosion Katodiskt skydd zink agerar som offeranod Figure 17.16
Ytbeläggning Passiva skikt Separerar materialet från den korrosiva miljön men måste vara heltäckande Aktiva skikt Offeranod som korroderar istället för materialet, t.ex. förzinkad plåt Självgenererande skikt Tillräcklig mängd legeringsämnen så att ett skyddande oxidskikt bildas, t.ex. rostfritt stål
Ytbeläggning (a) Sprutmålning (b) Galvanizering (c) Elektroplätering (d) Metallsprutning (e) Flamsprutning (f) Emaljering Figure 17.17
Korrosionsdämpare Korrosionsdämpare löses i det korrosiva mediet och dämpar korrosionen En del sänker ph-värdet och en del bildar en skyddande film Exempel: Teflon i motorolja, bikarbonat i vattenvärmesystem, polyfosfater i dricksvatten
Besiktning, Underhåll och Utbyte Regelbunden besiktning gör att korrosionsangrepp upptäcks tidigt Underhåll målning eller reparation kan utföras för att minska stillestånd Designen måste möjliggöra inspektion och underhåll Planerat utbyte sker ofta för säkerhetskritiska komponenter
Tillverkningsprocesser kapitel 18
Processval Strategin är snarlik den för materialval Designkraven ska översättas till begränsningar och målsättningar för att sålla, rangordna och slutligen välja lämplig process Figure 18.1
Formningsprocesser Sand casting Die casting Investment casting Low-pressure casting Forging Extrusion Sheet forming Powder methods Electro-machining Conventional machining Sandgjutning Pressgjutning Precisionsgjutning Vakuumgjutning Smidning Extrudering Plåtformning Pulvermetoder Elektroerosiv metallbearbetning Skärande bearbetning 31
Formningsprocesser Injection moulding Blow moulding Compression moulding Rotational moulding Thermo-forming Polymer casting Resin-transfer moulding Filament winding Lay-up methods Vacuum bag Formsprutning Formblåsning Formpressning Rotationsformning Varmformning Plastgjutning Sprutpressning Fiberlindning lamineringsmetoder Vacuumsugning 32
Fognings- & ytbehandlingsprocesser Adhesives Welding Fasteners Precisionmachining Grinding Lapping Polishing Limning Svetsning Fästelement Finbearbetning Slipning Läppning Polering 33
Material Process Varje process är kopplad till en eller flera materialfamiljer Figure 18.2
Formningsprocessen Varje process har gränser för storleken på komponenten Figure 18.3
Figure 18.4 Sektionstjockleken är också begränsad
Fysiska gränser för storlek och sektionstjocklek Gjutning och sprutning bygger på materialflöde i vätskeform Minsta tjocklek styrs av strömningsmekaniken Flöde av flytande metall eller polymer i tunna sektioner hindras av ytspänning och viskösa krafter Värmeflödet till formen ökar viskositeten och kan ge för tidig stelning Figure 18.5
Form Process Figure 18.9
Toleranser och ytråhet (Roughness) Tolerans Dimension y specificerad till y = 100 ± 0.1 mm Figure 18.10 Ytråhet Mått på ojämnheter i ytan R < 100 μm
Figure 18.11
Figure 18.12 Processkostnaden ökar exponentiellt med ökade krav på noggrannhet
Figure 18.16 Den mest ekonomiska processen beror på antal producerade komponenter För små partistorlekar (batch size) dominerar fasta verktygskostnader När partistorleken ökar blir de variabla kostnaderna såsom material och arbetstid dominanta
Figure 18.17 Varje process har ett intervall för ekonomiskt konkurrenskraftig partistorlek