Material VT1 1,5 p Janne Färm
Torsdag 5:e Februari 10:15 12:00 Föreläsning M3 KPP045 Material-delen Förmiddagens agenda Brottmekanik och utmattning : Kapitel 7 Laboration: Härdning och hårdhetsmätning Paus Deformationshärdning och glödgning : Kapitel 8 Stelning : Kapitel 9 2
Brottmekaniken - Solidmekaniken I solidmekaniken räknar vi med perfekta solider Materialet är homogent isotropt och linjärt elastiskt I Brottmekaniken förutsätter vi att materialet har defekter Materialet har sprickor hur mycket kan vi belasta? Vid en given last hur stora kan sprickorna högst vara? 3
Styrka mot Seghet Styrka Motstånd mot plasticering -> segt brott Seghet Motstånd mot spricktillväxt -> sprött brott Figure 8.1
Seghetstestning Figure 8.2 De här testmetoderna ger oss möjlighet att jämföra materials seghet Det ger dock inte segheten som en materialegenskap
Nominell spänning som belastar en skarp spricka Den lokala spänningen ökar drastiskt vid sprickspetsen Figure 8.3 c spricklängd r avstånd till sprickspetsen σ nominell spänning Y geometrisk konstant
Spänningsintensitetsfaktorn Mod 1 spänningsintensitetsfaktor Mod 1 gäller för dragspänning vinkelrätt mot sprickan
Brottseghet Fracture toughness Sprickor växer då spänningsintensitetsfaktorn nått ett visst kritiskt värde Det kritiska värdet är brottsegheten för materialet, K 1c σ* - kritisk dragspänning då sprickan växer Figure 8.4
En plastisk zon bildas framför sprickspetsen där spänningen annars skulle överstiga sträckgränsen Storleken på processzonen Processzon Figure 8.6
Ett material övergår från plastisk deformation till brott vid en kritisk spricklängd Kritisk spricklängd Brottspänning för given spricklängd Figure 8.7
Kritisk spricklängd är ett mått på materialets skadetålighet Sega material kan innehålla stora sprickor men ändå plasticera på ett segt och kontrollerat sätt
Brottseghet- E-modul Värden varierar från 0.01 100 MPa m Figure 8.8
Brottseghet- Styrka Kritisk spricklängd varierar från 1m för metaller nedtill 10 µm för keramer och polymerer Figure 8.9
Sprött Klyv Brott Typiskt för glaser och keramer Lokala spänningen stiger som 1/ r vid spriskspetsen Figure 8.11
Segt Brott Materialet innehåller inneslutningar som ger spänningskoncentrationer Inneslutningarna separerar från grundmaterialet vilket skapar små håligheter som växer till brott uppstår Figure 8.12
Omslagstemperaturen Ductile-to-Brittle Transition Vid låga temperaturer blir många metaller och alla polymerer spröda När temperaturen sjunker ökar sträckgränsen för de flesta materialen vilket leder till en minskad plastisk zon Bara metaller med FCC-struktur förblir sega vid riktigt låga temperaturer
Styrka Seghet En ökning av sträckgränsen minskar den plastiska zonen runt en spricka Detta leder till minskad brottseghet Figure 8.18
Utmattning - Fatigue Utmattningsbrott sker på grund av cyklisk belastning på nivåer under materialets sträckgräns Beror på spänningsnivån, S, och antalet cykler, N Antalet cycler kan vara flera miljoner för ett flygplan Utmattningsprovning kräver miljontals cykler för att ge relevanta data Figure 9.2
S-N kurvor Utmattningsdata läggs ofta in i S-N kurvor Spänningsamplitud, S Medelspänning Utmattningsgräns, σ u Spänningsnivå som inte ger utmattning eller efter mycket många cykler (>10 7 ) Figure 9.3
Utmattningsgräns - Brottgräns Utmattningsgränsen är den viktigaste egenskapen Metaller/Polymerer Glaser/Keramer Figure 9.8
Laboration: Härdning och hårdhetsprovning Laborationen behandlar värmebehandling av stål Tre olika stålsorter ska härdas och anlöpas Hårdheten för proverna kommer att mätas före och efter varje värmebehandling Varje grupp gör en gemensam rapport på max 3 sidor där resultaten redovisas. Inlämning av rapporten max 1 vecka efter laborationen. 21
Härdning genom värmebehandling? Järn är speciellt då det byter kristallstruktur mellan BCC och FCC vid 910 C Ferrit, BCC a-järn vid rumstemperatur kan lösa max 0,03 vikt % kol Austenit, FCC g-järn kan lösa upp till 2,1 vikt % kol Cementit, Fe 3 C innehåller 6,7 vikt % kol (25 atom %) Stål vid rumstemperatur och stabil jämvikt är en två-fas blandning av Ferrit och Cementit 22
Fastransformationer i kolstål Fast kolstål börjar som austenit, FCC γ-järn vid 1000 C Vid 910 C startar en fastransformation till BCC α-järn Transformationen startar vid korngränserna, a-kornen växer genom att atomer diffunderar över korngränsen. Då flera a-korn växer i samma g-korn fås en mindre kornstorlek i den nya mikrostrukturen. Figure GL2.35 Figure GL2.36
Eutektoid stelning av stål; 0,8 vikt % kol Austeniten övergår i två nya fasta faser, ferrit och cementit De två faser växer parallellt vid konstant temperatur: Solid γ -> Solid α + Solid β Figure GL2.37 Det bildas tunna plattor av ferrit och cementit, känd som perlit Perlit är en två-fasig mikrostruktur inte en fas
Fastransformationer i Hypo-eutektiska stål De flesta stålsorterna är hypo-eutektiska stål och innehåller mindre än 0.8 vikt % C Austenit och ferrit Ferrit och perlit Figure GL2.38
Foto av Ferrit-Perlit Mikrostruktur i ett Hypo-Eutektiskt kolstål Figure GL2.39
Figure GL2.40
Figure GL2.44 Fastransformationer kräver oftast diffusion för att atomerna ska kunna omgruppera sig till nya faser För martensitisk mikrostruktur som skapas vid släckning av stål sker ingen diffusion Istället skjuvas små austenitområden och formar BCC-kärnor och denna process propagerar snabbt genom hela kornen
Den martensitiska mikrostrukturen är mycket stark men har mycket låg seghet Genom anlöpning kan man återskapa en del av segheten I figuren visas hur sträckgränsen sänks vid anlöpning Figure GL2.45
Paus? Dags för en bensträckare! 30
Deformationshärdning Kallbearbetning Plastisk deformation genom t.ex kallvalsning eller tråddragning Den plastiska deformation får dislokationer att börja röra på sig och skapa nya Fler dislokationer låser varandra vilket höjer sträckgränsen Sträckgräns och brottgräns ökar med ökad deformationsgrad Deformationsgraden kan vara så hög som 70-80 % 75 % motsvarar en halvering av diametern på en dragprovstav 31
Glödgning Ett kallbearbetat stål får inte bara högre sträckgräns Materialet blir sprödare med låg brottöjning Materialet får egenspännningar Materialet blir anisotropt med kraftigt deformerade korn Materialet har hög dislokationstäthet Glödgning kan åtgärda dessa negativa effekter Tre nivåer av glödgning Avspänningsglödgning Rekristalliserande glödgning Mjukglödgning 32
Avspänningsglödgning Stålet värms till cirka 600 C under några timmar och får sedan svalna långsamt Inre spänningar i materialet försvinner men strukturen är oförändrad Dislokationerna rör på sig men är lika många vilket innebär att hårdheten kvarstår i stort sett oförändrad 33
Rekristalliserande glödgning Stålet värms till cirka 650 C under kort tid och får sedan svalna långsamt Den kraftigt deformerade strukturen omkristalliseras och många nya korn skapas Både inre spänningar och dislokationer försvinner och metallen återfår sin låga styrka och höga seghet 34
Mjukglödgning Stålet värms till cirka 700 C under åtskilliga timmar och får sedan svalna långsamt Den kraftigt deformerade strukturen omkristalliseras och många nya korn skapas Den höga temperaturen gör att större korn växer på mindres bekostnad och materialet blir mjukare 35
Stelning av järn vid jämvikt Figure GL2.23 Om rent järn kyls sakta från ovan kokpunkten så uppvisar temperaturkurvan två platåer Vid varje platå sker en fastransformation vid konstant temperatur
Stelning av legering Figure GL2.24 Legeringar stelnar över ett temperaturintervall mellan likvidus och soliduslinjen. Fastransformeringarna sker inte vid konstant temperatur
Stelning av rena metaller Fasta kärnor bildas homogent och heterogent Kärnorna bildar små korn som växer av att atomer transformeras på kornytan Kornen växer tills all vätska transformerats Figure GL2.25
Figure GL2.26 Optiska bilder visar kornstrukturen för två metaller Vissa tekniker kan skapa olika färger för olika korn men det kan vara samma fas där bara kornens orienteering skiljer Rent järn och rent aluminium visas och båda är en-fasiga
Fasreaktioner När en fassammansättning ändras med temperaturen så sker en fasreaktion I ett en-fas område så är sammansättningen av fasen alltid densamma som hela legeringen och ingen fasreaktion sker vid kylning I ett två-fas område så är fassammansättningarna givna av de två fasgränserna Sammansättningen ändras med temperaturen och fasreaktioner sker
Stelning av legering 1) Över 305 C: En-fas vätska; ingen fasreaktion 2) 305 C 270 C: Vi har nått likviduslinjen och stelning av blyrik fas börjar. Kvarvarande vätska får högre tenn-halt och vätskan följer likviduslinjen medan den fasta fasen följer soliduslinjen. Fasreaktioner sker då tenn diffunderar in i den fasta fasen 3) 270 C 150 C: En-fas blyrik fas med samma sammansättning som legeringen; ingen fasreaktion Figure GL2.27 4) 150 C rumstemperatur: Den blyrika fasen blir instabil när fasgränsen nås. En tenn-rik fas utskiljs ur den blyrika fasen och vi får en två fasta faser med olika sammansättning Figure GL2.28
Eutektisk Stelning En eutektisk reaktion är en tre-fas reaktion där en vätska kyls och bildar två fasta faser vid konstant temperatur: Vätska, L -> Fast fas α + Fast fas β Proportionerna mellan faserna avgörs av positionen av den eutektiska punkten längs konoden. Om punkten ligger nära ena sidan bildas en matris av den fasen med den andra fasen som små isolerade partiklar Vanligen tillväxer de två faserna parallellt och bildar tunna skivor Figure GL2.29 Figure GL2.30
Gjutlegeringar är ofta icke-eutektiska Det gäller bl.a. för stelningen av Pb-30 vikt % Sn Ovanför den eutektiska punkten stelnar en bly-rik fas medan vätskan följer likviduslinjen mot den eutektiska punkten, där kvarvaande vätska undergår en eutektisk reaktion Två typer av mikrostruktur formas Den bly-rika fasen blir instabil och tenn-rik fast fas utskiljs som små korn i den blyrika fasen Pb-rich solid becomes unstable and Sn-rich solid precipitates Den eutektiska fasen formas precis som vid eutektisk stelning Figure GL2.31
Segring Figure GL2.32 När stelning startar, antingen spontant eller vid en vägg, så kommer den första kärnan vara renare än legeringen (vätskan vid likvidus, fast fas vid solidus) När stelningen är fullbordad så varierar sammansättningen i kornen Denna variation kallas för segring
Utskiljningsreaktion Om en fast fas vid nedkylning möter solvuslinjen så innebär det att den blivit övermättad och en ny fas utskiljs Utskiljning sker mest i korngränserna där lösningen har högst koncentration Denna fastransformation kallas utskiljning: α -> α + β Figure GL2.34