T0006T sammanfattning LP2 11-12 - Tentaplugg temp
T0006T sammanfattning LP2 11-12 - Tentaplugg temp
T0006T sammanfattning LP2 11-12 - Tentaplugg temp
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
TENTAPLUGG.NU<br />
AV STUDENTER FÖR STUDENTER<br />
Kurskod <strong>T0006T</strong><br />
Kursnamn Metallsiska och Polymera Material<br />
Datum <strong>LP2</strong> <strong>11</strong>-<strong>12</strong><br />
Material Sammanfattning<br />
Kursexaminator<br />
Betygsgränser<br />
Tentamenspoäng<br />
Uppladdare<br />
Övrig kommentar
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
Fyra materialklasser:<br />
• Metaller, har metallbindningar vilket gör a6 de leder ström och värme bra, kan plas;cera<br />
innan bro6.<br />
• Keramer, oorganiska och icke-‐metalliska, är styva, lä6a, hårda och tål hög <strong>temp</strong>eratur och<br />
nötning, tåliga mot korrosion men även spröda. EX: glas<br />
• Polymerer, kedjeformade molekyler, lä6a och billiga, bra isolatorer men tål ej hög värme<br />
• Kompositer, sammansa6a material-‐ kombinerar olika egenskaper för a6 t.ex. öka seghet och<br />
styvhet. EX: ben, trä, armerad betong, glasfiberskivor<br />
Material kan vara amorfa eller kristallina. Amorfa har oregelbunden packning och har e6 typiskt<br />
atomavstånd/ typisk bindningsenergi som inte når energiminima inte särskilt energieffek;vt.<br />
Kristallina har regelbunden packning och kan uppnå energiminima, det är den packning som har lägst<br />
energi vid låg <strong>temp</strong>eratur.<br />
metaller >keramer>polymerer , för metaller är tätpackade och har stor atommassa, keramer har oLa lä6are<br />
atomer och mindre tät packning och polymerer är oLast amorfa (låg packningstäthet) och har lä6a<br />
atomer. Kompositerna varierar.<br />
Metaller<br />
Mekaniska egenskaper<br />
Finns fyra olika typer av spänning som materialet kan utsä6as för: drag-‐, tryck-‐, skjuvning-‐ och<br />
vridningspänning.<br />
I e6 dargprov drar man i n provs;cka som är avsmalnad på mi6en för a6 den skall gå av på rä6 ställe,<br />
en extensometer mäter förlängningen. Största skjuvspänningen är i 45 graders vinkel därför går<br />
materialet oLast av i den vinkeln.<br />
U;från dragprovet kan man beräkna:<br />
De6a resulterar i en dragprovskurva i e6 spännings-‐töjningsdiagram<br />
I det elas;ska området (som är linjärt) gäller Hooke’s lag: där E är e6 må6 på styvheten. Metaller har<br />
generellt högt E medan polymerer har lågt E. E är en materialkonstant men kan påverkas lite av<br />
<strong>temp</strong>eraturen. (Det finns även en skjuvmodul G som beräknas från skjuvspänning och töjning : )<br />
Sann töjning är när man räknar med förändringen i tvärsni6sarean under midjebildningen.<br />
Dragprovskurvan forsä6er uppåt ända ;ll bro6. Teknisk töjning är när man bara räknar på<br />
ursprungsarean, då går dragprovskurvan ner på slutet.<br />
Sträckgräns (-‐ den punkt där det övergår från elas;sk deforma;on ;ll plas;sk deforma;on. Ibland<br />
definierad som spänningen vid 0,2% töjning enligt Hooke´s lag
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
Duk
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
Om materialet uppträder sprö6 eller duk;lt kan bero på <strong>temp</strong>eraturen. Finns oLa en<br />
”omslags<strong>temp</strong>eratur” BCC-‐stål ar mycket känsliga mot de6a vid belastningsväxlingar. Kan undersökas<br />
med slgprovning (mäter slagseghet) Omslags<strong>temp</strong>eraturen kan sänkas med lägre kolhalt och mindre<br />
kornstorlek.<br />
Större prov innehåller sta;s;skt se6 fler defekter som kan orsaka bro6.<br />
Spänning koncentreras kring sprickor och defekter, kan se det som a6 lasten förstoras i vissa områden<br />
enligt:<br />
där är radien på sprickkanten, är den pålagda spänningen, den koncentrerade spänningen vid<br />
sprickspetsen, a är längden på en ytspricka eller halva längden på en inre spricka. är<br />
spänningskoncentra;onsfakorn.<br />
Sprickpropagering-‐ sker lä6are i sprickor med skarp spets än rundad spets. Duk;la material<br />
deformeras framför sprickspetsen så den rundas av, därav långsammare sprickpropagering. Den<br />
energin som frigörs när det elas;ska avdeformers går ;ll skapandet av nya ytor i sprickpropageringen.<br />
Sprickan propagerar när spänningen överskrider en kri;sk spänning<br />
BroGseghet (KIC)-‐ materialets motstånd mot sprickpropagering, en materialkonstant. Beräkna:<br />
, där Y är en materialkonstant som oLast ligger runt 1 och a är spricklängd på ytspricka.<br />
UtmaGning-‐ Uppstår vid växlande last som approximeras ;ll en sinuskurva. =amplitud,<br />
=medelspänning, , vanlig orsak ;ll haverier, testas med utma6ningsprov.<br />
Vissa material har en utma6ningsgräns, har man spänning under det går det aldrig sönder av<br />
utma6ning. Vissa har dock ingen utma6ningsgräns och är all;d känsliga för utma6ning.<br />
Utma6ningsbro6 har långsam sprickpropagering ;ll en början som eLer en viss bit övergår ;ll mycket<br />
snabb propagering s.k. restbro6. Typiskt för utma6ningsbro6 är rastlinjer som uppstår vid varje av/<br />
påslagning av belastningsväxling och Stria;oner (mikroskopiska) som uppstår vid varje lastväxling.<br />
Öka utma6ningshållfastheten:<br />
• Inför tryckspänningar i ytan som hindrar sprickpropagering ex genom upkolning lr<br />
kulbombning<br />
• Undvik spänningskoncentra;oner genom a6 exempelvis runda av hörn<br />
• Förhindra korrosion<br />
• Förhindra sprickini;ering genom a6 polera ytan<br />
• Svetsa inte<br />
Kryp-‐ ;dsberoende bro6 under konstant belastning och förhöjd <strong>temp</strong>eratur. Ögonblicklig elas;sk<br />
töjning Primär kryp (deforma;onshårdnande, ökade disloka;oner) Sekundärkryp (Hårdande<br />
och återhämtning i balans s.k. steady-‐state, konstant mängd disloka;oner) Ter;ärkryp (håligheter<br />
och korngränssepara;on) Bro6 längs korngränser<br />
Stora korn är bra som motstånd mot kryp.
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
Vid högre belastning och <strong>temp</strong>eratur ökar kryphas;gheten<br />
Kristallinitet<br />
Väldigt organiserad struktur, ordnat och regelbundet över stora atomavstånd, typiskt för metaller<br />
Metalliska strukturer är tätpackade för de består oLa av e6 atomslag, de har icke riktningsberoende<br />
metallbindningar och mindre avstånd mellan atomerna minskar bindningsenergin.<br />
GiGer är den ”form” som strukturen packas i, defineras av tre kantlängder och tre vinklar om den är<br />
kubisk (vanligt). Finns sju sä6 a6 fylla 3d rum på men i denna kurs bara ; Kubisk, hexagonal och<br />
tetragonal<br />
Enhetscellen är den minsta repeterbara enheten i gi6ret. Om det finns väljer man den med högst<br />
symmetri.<br />
Koorsina
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
kristall. Egenskaper som E-‐modul, el och värmeledningsförmåga samt brytningsindex är relaterade ;ll<br />
kristallstrukturen.<br />
• Varje punkt i enhetscellen kan beskrivas av koordinater, där en hel sida är 1.<br />
• Riktningar i cellen defineras som vektorer. Gör såhär:<br />
1. Placera origo så vektorn går igenom den.<br />
2. Projicera vektorn på axlarna x,y,z<br />
3. Minsta gemensamma nämnare/förkorta ;ll heltal<br />
4. Skrivs som [uvw]<br />
Alla riktningar med samma antal 1or och 0or ;llhör samma riktningsfamilj för dess<br />
egenskaper är likadana. Riktnings familjen skrivs: <br />
• Plan i cellen beskrivs av Miller Index. Paralella plan är iden;ska<br />
Metod:<br />
1. Placera origo så den ej ligger i planet<br />
2. Notera var planet skär axlarna (om planet är parallellt med en axel är de6a )<br />
3. Invertera skärningspunkten<br />
4. Minsta gemensamma heltal<br />
5. Skrivs som (uvw)<br />
Alla plan med liknande egenskaper dvs. parallella plan samt med samma antal nollor och<br />
e6or ;llhör samma planfamilj. Skrivs {uvw}<br />
När metallen deformeras vill den glida i de mest tätpackade riktningarna därför vill man veta:<br />
Defekter<br />
Alla material har ”fel” men behöver inte all;d vara nega;vt.<br />
Typer av fel:<br />
• Punktedefekter-‐ en´kelt fel, finns all;d i olika omfa6ning<br />
o Vakanser-‐ lucka i gi6ret, ger spänningar i gi6ret. Antalet ökar esponen;ellt med ;den<br />
enligt: där är antaet vakanser, ak;veringsenergin, T <strong>temp</strong>eraturen, N tatala antalet<br />
atomplatser och k Boltzmans konstant.<br />
o Egeninters;;al-‐ rela;vt ovanligt, motsats ;ll lucka, en extra som trängt sig in i gi6ret,<br />
skapar stor oordning. Ger spänningar i gi6ret
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
o Orenheter-‐ finns all;d, om det är medvetet kallas det legering. Kan vara inters;;alt om<br />
atomerna är små (C,H,O) eller subs;tu;on om atomen liknar värdatomerna<br />
o Fasta lösningar (typ samma som orenheter) För subs;tu;onell fast lösning krävs a6<br />
atomradien är < mot värdatomerna, skillnaden i EN är liten, kristallstrukturen är<br />
densamma och a6 valens är lika.<br />
• Linjedefekter (disloka;oner)-‐ Atomerna har hamnat fel kring en disloka;on. 1 dimensionella<br />
o Kant<br />
o Skruv<br />
o Mixade, vanligast, blandning av skruv och kant.<br />
Disloka;oner rör på sig genom a6 bindningar bryts och återskapas. Grunden ;ll<br />
plas;sk rörelse. För många disloka;oner stoppar varandra och materialet blir sprö6.<br />
• Gränsdefekter-‐ 2 dimensionella<br />
o Ytdefekter-‐ ytor har högre energi;llstånd<br />
o Korngränser-‐ Kan vara hög eller låg vinklingskillnad mellan kornen vilket skapar en<br />
korngränsenergi. En disloka;on kan inte vinkla sig över. Minskas genom korn;llväxt<br />
vid hög <strong>temp</strong>eratur.<br />
o Tvillingar-‐ en rekflek;on av atomposi;oner genom tvillingplanet. Kan uppstå vid<br />
mekansika skjuvkraLer eller glödgebehandling<br />
o Staplingsfel-‐ för FCC ex: ABCABABC ist för ABCABCABC<br />
o Bulkdefekter-‐ porer, sprickor, inneslutningar<br />
Diffusion<br />
Materialtransport genom atomrörelse dvs. stegvis förfly6ning i gi6ret.<br />
Egendiffusion -‐ atomer (av samma atomslag) som hoppar mellan vakanser i det egna gi6ret, sker hela<br />
;den, märks knappt.<br />
Interdiffusion-‐ E6 atomslag som diffunderar in i e6 annat. DrivkraL a6 jämna ut<br />
koncentra;onsskillnader vid ökad energi.<br />
Två typer:<br />
• Vakansdiffusion-‐ atomerna fly6ar mellan vakanser, funkar med subs;tuerbara atomer<br />
• Inters;;ell diffusion-‐ små atomer som fly6ar sig mellan de andra atomerna i gi6ret. Går<br />
extremt mycket snabbare än vakansdiffusion för det finns fler möjliga platser a6 fly6a ;ll och<br />
mindre atomer är rörligare.
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
För diffusion krävs: Ledig plats a6 fly6a ;ll (vakans eller inters;;ell plats), Tillräcklig ak;veringsenergi,<br />
Qm .<br />
Diffusion är ;dsberoendeflödet J av massan m genom ytan A på ;den t.<br />
Men om det är steady state diffusion ändras ej J med ;den så:<br />
Koncentra;onsgradienten är och om den är linjär så kan J skrivas:<br />
vilket är Fick’s första lag, där D är diffusionskoefficienten och specifik för e6 materials diffusion in i e6<br />
annat. D påverkas även av <strong>temp</strong>eraturen och ak;veringsenergin genom: , där D0 är en<br />
<strong>temp</strong>eraturoberoende konstant, Qd är ak;veringsenergin och R är allmänna gaskonstanten.<br />
Kan även räkna med non-‐steady state och Fick’s andra lag som är mer realis;skt men överkurs.<br />
Det kan även diffundera längs korngränser, disloka;oner och y6re ytor men påverkar inte totala<br />
diffusionshas;gheten så mycket pga liten yta jämfört med bulkmaterialet.<br />
Dislokationer<br />
Plas;sk deforma;on är atomrörelser genom disloka;onsrörelse, spelar ingen roll om det är kant eller<br />
skruvdisloka;oner. Många disloka;oner som rör sig sam;digt kallas glid.<br />
Glidplan-‐ det plan där glidning lä6ast sker, mest tätpackade planet (högst PD) EX: {<strong>11</strong>1} planen i FCC<br />
Glidriktning-‐ Den riktning i planet som är mest tätpackat (högst LD) Ex: riktning i {<strong>11</strong>1} plan i<br />
FCC<br />
Glidsystem-‐ Glidplan+glidriktning Ex: <strong>12</strong> glidsystem i FCC. Fler glidsystem gör det enklare a6<br />
plac;cera t.ex. är Cu FCC och har glisystem i {<strong>11</strong>1} plan i riktning vilket betyder <strong>12</strong> st medan<br />
Beryllium har glidsystem i {0001} plan i riktning vilket betyder 3 st, och det är mycket hårdare.<br />
Metaller har störst disloka;onsrörelse pga ej riktningsberoende bindningar och tydliga tätpackade<br />
riktningar för glidning. Kovalenta keramer har få glidsystem och riktningsberoende bindningar och<br />
därmed lite disloka;onsrörelse. Jonbundna keramer har i princip ingen disloka;onsrörelse på grund<br />
av laddningsskillnaden i atomerna.<br />
Polykristaller är starkare för korngränser hindrar diloka;onsrörelser och glidsystemens orientering<br />
varierar i olika korn. Kornet med störst skjuvspänning i si6 glidsystem kommer plac;seras först, de<br />
andra kornen plac;serar senare.<br />
Plas;cering kan också ske genom tvillingbindning men det är ganska irrelevant. Tvillingbildning kan<br />
dock göra så nya glidplan hamnar i fördelak;gare riktning.<br />
Disloka;oner kan både förstärka och ta ut varandra eLersom de har tryckspänning på ena sidan och<br />
dragspänning på andra vilket fungerar som e6 slags poler. Lika repellerar, olika a6raherar och tar ut<br />
varandra.<br />
Härdning<br />
Korngränshärdning-‐ genom a6 minska kornstorleken så fler korngränser bildas hindras<br />
disloka;onsrörelser. Fungerar även bä6re med högre korngränsvinkel. Sambandet mellan kornstorlek<br />
och sträckgräns beskrivs enligt Hall-‐Petch: där sigmanoll och ky är materialkonstanter och d är<br />
medelkornstorleken.
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
Fast lösningshärdning-‐ orenheter genom inters;;al eller subs;tu;onsatomer skapar spänningar i<br />
gi6ret. Spänningarna hindrar disloka;onsrörelser (duk;litet minskar, sträck och bro6gräns ökar) Stora<br />
atomer dras ;ll områden med dragspänning, små ;ll områden med tryckspänning.<br />
Deforma
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
Peritek
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
Faser i Fe-‐C:<br />
ferrit, BCC<br />
austenit, FCC<br />
Fe3C cemen;t (karbid)<br />
??<br />
Strukturbeståndsdelar:<br />
+ Fe3C Perlit, består av ferrit och cemen;t i eutektoid struktur<br />
Undereutektoidt stål-‐ bildas vid sammansä6ning under 0,76% C, består av proeutektoid ferrit och<br />
perlit<br />
Övereutektoidt stål-‐ bildas vid över 0,76% C, består av proeutektoid cemen;t och perlit, starkare än<br />
undereutektoidt.<br />
När man legerar ändras både <strong>temp</strong>eraturen och sammansä6ningen för den eutektoida punkten.<br />
Ökad C-‐haltbro6gräns och sträckgräns ökar duk;litet minskar<br />
Fasomvandlinar<br />
Tre typer:<br />
• Diffusion-‐ långsam, varken sammansä6ning eller antal faser ändras t.ex. stelning<br />
• Diffusion med ändring-‐ långsam, fassammansä6ning och antal faser ändras. T.ex. eutek;sk<br />
reak;on
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
• Diffusionslös-‐ snabb, resulterar i metastabil fas ex. martensit<br />
Omvandlingshas;gheten beror på ;den och <strong>temp</strong>eraturen och består av Kärnbildning och Tillväxt.<br />
Liten underkylning långsam kärnbildningshas;ghet få kärnor stora kristaller Ex finkornig perlit<br />
Stor underkylning snabb kärnbildningshas;ghet många kärnor små kristaller Ex grovkornig<br />
perlit<br />
Eutektoid omvandling i Fe-‐C vid 727 grader (underkyla):<br />
TTT-‐ Time Temperature Transforma;on diagram.<br />
Olika för varje sammansä6ning. Visar eutektoida<br />
faser men även proeutektoida faser (extra linje<br />
från nosen upp över eutektoid<strong>temp</strong>eraturen)<br />
Bainit-‐ ferrit+cemen;t strukturbeståndsdel som<br />
bildas vid Stor underkylning (under ”nosen”) pga<br />
snabb kärnbildning och liten diffusion. Ser ut som<br />
små nålar av cemen;t i ferriten<br />
(Elektronmikroskopiskt) Kan ej ha proeutektoid fas.<br />
Sfärodit – ferrit +cemen;t strukturbeståndsdel<br />
som bildas vid mjukglödgning (lång ;d, hög <strong>temp</strong><br />
ish 700) Gör materialet duk;lt. Runda par;klar av<br />
cemen;t i ferritmatris.<br />
Martensit-‐ Spec struktur, bildas vid släckning från<br />
austenitområdet. Gi6ret tvångsinlöser kol<br />
(eLersom det ej hinner diffundera) och gi6ret omvandlas ;ll BCT. Materialet blir hårt<br />
och sprö6. Strukturen är nålformad martensit huller om buller i en matris av<br />
restaustenit.<br />
Om man legerar med annat än C<br />
ändras TTT-‐diagramet. austenit -‐<br />
perlit omvandlingen förskjuts ;ll<br />
höger och det skapas en separat<br />
bainitnos.<br />
<br />
Några olika fasomvandlingar som är bra a6<br />
kunna rita.<br />
Om man har kon;nuerlig kylning kan man istället<br />
rita e6 CCT-‐diagram
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
Anlöpt martensit-‐ värmebehandlar (600, 1h) martensit för a6 göra den mer duk;l. Nålarna rundas av<br />
så man får cemen;tpar;klar i en matris av ferrit<br />
Fin perlit är hårdare/starkare än grov perlit (för cemenBten hindrar ferriten från aC deformeras och<br />
fasgränser hindrar dislokaBoner, fin perlit har fler fasgränser) Grov perlit är dock mer dukBl.<br />
Perlit är starkare/hårdare än sfärodit pga fler fasgränser<br />
Bainit är starkare/hårdare än perlit pga finare kornstruktur<br />
Martensit är starkast för det intersBBella kolet hindrar dislokaBonsrörelser (få glidplan för BCT)
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
Applikationer och användning<br />
Stål<br />
Järn<br />
Gjutjär<br />
Metall<br />
Låg Medel-‐ Höh-‐ Ros7ri<br />
Ickejär<br />
Ex: Cu,<br />
Låg-‐kolhal
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
• P-‐M pulvermetallurgi-‐ Pulver som sintras. Metallen får hög smältpunkt och lite porer men har<br />
bra dimensionstoleranser.<br />
Värmebehandlingar;<br />
• Normalisering-‐ funkar bara på stål och görs oLa eLer valsning.<br />
Varför? Förminskar kornstorleken och likformar de.<br />
Hur? Temperatur 50-‐85 över austeni;serings<strong>temp</strong>eraturen, håll 10-‐20 min, kylning i luL.<br />
Vad? Fin perlit<br />
• Martensithärdning-‐ Hur bra det går beror på legeringens sammansä6ning, kylmediet och<br />
formen på biten som skall härdas+anlöpas.<br />
Hur stor möjlighet legeringen har a6 härdas ;ll martesit kallas dess härdbarhet.God<br />
härdbarhet gör a6 man får martensit genom hela biten, ej bara på ytan. Mäts med<br />
Jominyprov som ger en härdkurva. Härdbarhet ökar med ökande legeringsämnen.<br />
Kylhas;gheten minskar med avståndet från den släckta änden, och omrörning påverkar.<br />
Varför? Göra materialet hårt och starkt (men blir även sprö6)<br />
Hur? IDirektsläckning i va6en, olja eller luL (va6ensläckning kan ge sprickor-‐ olja vanligast)<br />
från Austeni;serings<strong>temp</strong>eratur .<br />
Vad? Martensi;sk mikrostruktur<br />
o Anlöpning-‐<br />
Varför? Återfå seghet i martensiten<br />
Hur? 160-‐650 grader, 1h<br />
Vad? Martensiten rundas av och omvandlas ;ll ferrit+cemen;t<br />
• Utskiljningshärdning-‐ bygger på ämnenes löslighet i varandra, kräver därför hög löslighet av<br />
en fas i en annan. Lösligheten måste också avta snabbt med <strong>temp</strong>eraturen.<br />
Varför? Öka styrka och hårdet (för vissa legeringar Al-‐Cu vanligast, även Cu-‐Be, Cu-‐Sn, Mg-‐Al)<br />
Hur? Två steg: Upplösningsbehandling som är homogenisa;on och solu;on treatment följt av<br />
släckning (de6a skapar e6 enfasmaterial som är övermä6at pga släckningen) Sedan andra<br />
steget: åldring, kan ske varm eller kall, då urskiljs den nya fasen. Det måste vara kohorenta<br />
urskiljningar och får därför inte vara för många (alltså för lång åldring) då släpper<br />
bindningarna och det blir inkoherenta hållfastheten minskar<br />
Vad? Mycket små jämnt fördelade par;klar i matrisen dvs en SSSS(upersaturated solid<br />
solu;on) alltså en övermä6ad fast lösning. Par;klarna hindrar disloka;onsrörelser, därför blir<br />
det starkt/hårt.<br />
• Glödgning<br />
o Avspänningsglödgning-‐ Låga <strong>temp</strong>eraturer för a6 inte påverka hållfastheten<br />
Varför? Minska inre spänningar pga t.ex. kallhärdning, få bort disloka;oner<br />
Hur? 400-‐600 i 1-‐6 ;mmar<br />
Vad? Samma som innan men med mindre disloka;oner.<br />
o Mjukglödgning-‐ Medel-‐ och högkolhal;ga stål av perlit<br />
Varför? Öka mjukhet, duk;litet och seghet
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
Hur? Teperatur strax under austeni;sering dvs ca 700, håll 10-‐30 ;mmar<br />
Vad? Cemen;ten rundas av, går mot Sfärodit.<br />
o RekristallisaBonsglödgning-‐<br />
Varför? Ta bort effekten av kallbearbetning dvs. minska disloka;oner, spänning och<br />
deforma;on av kornen.<br />
Hur? Ca 650 i en ;mme<br />
Vad? Mer jämnt formade korn men annars samma<br />
Korrosion<br />
Materialförlust genom upplösning=korrosion, bildande av ickemetalliskt skal= oxida;on<br />
Ändrar mekaniska-‐, fysikaliska egenskaper eller utseendet. Är en växelverkan med omgivningen.<br />
Börjar oLa på ytan, dyrt a6 förebygga och reparera bort men destruk;vt och oönskat.<br />
Elektrokemisk redoxreak;on.<br />
Rost-‐ Järn rostar i va6en i två steg: ,<br />
Två metaller i en elektrolyt-‐ metallen med lägre poten;al (V 0 metall) korroderar men mer prak;skt a6<br />
använda galvaniska serien som rankar rela;va reak;viteten på metallerna i havsva6en.<br />
Passi
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
korngränsen korngränserna blir anodiska och korroderar. SKYDD: Värmebehandla vid hög<br />
<strong>temp</strong> så karbider upplöses. Välj
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
• Energiförbrukning – Fördelas mellan material;llverkning, ;llverkning, transport och<br />
användning<br />
• Vikt,<br />
• Utseende,<br />
• Återvinning – minskar<br />
energikostnader och<br />
energikonsum;onen.<br />
Gruppera materialegenskaper<br />
visuellt.<br />
Strategi för a6 välja material:<br />
Funk;on-‐ Vad används komponenten ;ll?<br />
Kriterier-‐ Vilka krav måste uppfyllas?<br />
Vilka krav önskas uppfyllas?<br />
Mål-‐ Vad vill vi maximera eller minimera?<br />
Fria variabler-‐ Vilka parametrar kan ingenjören ändra?<br />
Typexempel:<br />
Stav med längden L, sidan c på tvärsni6et (kvadra;skt), densiteten och maximal förlängning vid<br />
lasten F. Villa ha den styv och lä6 och i dragspänning.<br />
Elas;citetsmodulen blir då:<br />
Och stavens massa :<br />
Eliminera fria designparametern c:<br />
Här är då specifik för ;llämpningen medan måste minimeras för a6 man skall få små m. maximera<br />
materialindex för önskad stav.<br />
Plo6a E mot densiteten och rita in linjer för Materialindexen för den valda formen (ex balk, panel,<br />
stav) Linjen visar var den minsta massan är. På grafen ritar man in materialgrupperna och kan därmed<br />
välja de som verkar passa mot linjen.
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
Polymerer<br />
Polymerer-‐ långa molekylkedjor av upprepande enheter (finns naturliga som elfenben, bärnsten och<br />
naturgummi men de flesta kemiskt framställda)<br />
Plast-‐ polymerer med ;llsatser 0,1-‐10%, men vanligast med
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
Härdplast-‐ tvärbundna molekylkedjor med 5-‐10 kolatomer mellan tvärlänkarna. Ej smältbara, hårda<br />
vid rums<strong>temp</strong>. Löst plast+härdare stelnar ;ll hård plast<br />
Fyra största termoplasterna:<br />
Polyeten, PE-‐ enklaste polymeren, finns i olika ”kvaliteter” LDPE (låg densitets polyeten, förgrenad<br />
struktur), HDPE (hög densitets polyeten, endast korta förgreningar i strukturen), UHMWPE (extra<br />
långa molekylkedjor, mer sli6ålig), skummad PE, PEX (tvärbunden polyeten)<br />
Mer-‐unit:<br />
Polypropen, PP-‐ ”gångjärnsplast”<br />
Mer-‐unit:<br />
Polystyren, PS-‐ ”styrenfamiljen”: ren PS, HIPS (High impact polystyen, högre slagseghet), EPS<br />
(Expanderad polystyren dvs frigolit), ABS, ASA, SAN<br />
Mer-‐unit:<br />
PVC-‐ styv PVC, mjukgjord PVC, skummad PVC<br />
Mer-‐unit:<br />
Tg= glas<strong>temp</strong>eratur<br />
Tm= Den <strong>temp</strong>eratur där den mest ”perfekta” kristallen smälter, finns ej för amorfa plaster då dessa<br />
istället har e6 smäl;ntervall.
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
Homopolymer: AAAAA<br />
Sampolymer:<br />
Slumpvis:AABABBAAAB<br />
Block:AAABBAAABB<br />
Ymp: A-‐kedja med förgreningar av B<br />
Strukturer:<br />
Byggs upp av huvudkedja med sidogrupper (som t.ex. CH3, Cl, bensenring)<br />
Primär bindning: i kedjan kovalent bindning<br />
Sekundär bindning: mellan kedjor Van der Waals (vanligast, 100 ggr lägre styrka än kovalenta),<br />
Dipolbindning (vid sidogrupper som ex Cl), Vätebindning (vid vissa sidogrupper)<br />
Exempel på plaster:<br />
• Kristallina: PP, PE, PA (polyamid dvs nylon), PET (termoplas;skpolyester), POM, PTFE (teflon)<br />
• Amorfa: PS, PVC, PMMA (plexi), PC (lexan)<br />
• Härdplaster: PF (bakelit), UP (unsaturated polyester, ”båtplast”), EP (epoxi)<br />
• Gummi: ………….
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
Glasområde HuvudtrasiNonsområde Gummiområde Visköst<br />
Gummiområde: Korta kedjesegment kan röra sig lä6. T>Tg ger stora segmentrörelser<br />
Visköst: Kedjeupptrassling (smälter)<br />
Tg :s betydelse för olika materialtyper:<br />
Glasområde:<br />
Glasomvandling sker då<br />
vätska kylts så a6 fria<br />
volymen, Vf, övergår i Vf’’.<br />
Segmentrörelser avstannar<br />
(endast vibra;oner hos<br />
atomer och<br />
sidogruppsrörelser),<br />
sekundära bindningar verkar<br />
och materialet blir hårt i<br />
glas;llstånd.<br />
HuvudtransiConsområde:<br />
Korta kedjesegment kan<br />
röra sig.<br />
• Amorf termoplast: Tg maximala övre användnings<strong>temp</strong>eratur, där materialet uppträder<br />
glasartat.<br />
• Kristallin termoplast: Tg har ej så stor betydelse, den kristallina fasen påverkas nämligen inte<br />
av <strong>temp</strong>eraturen.<br />
• Gummi: Tg är minimala användnings<strong>temp</strong>eraturen, nedanför är materialet kladdigt och håller<br />
inte ihop.<br />
• Härdplaster: Tg maximal övre användnings<strong>temp</strong>eratur<br />
Tg beror på:<br />
• Huvudkedjans rörlighet: lä6rörlig (enkel)=låg Tg , svårrörlig(komplicerad)= hög Tg<br />
• Sidogruppens storlek (steriska hinder): Mindre sidogrupp ger lägre Tg<br />
• Sidogruppens polaritet: högre polaritet ger högre Tg<br />
Kristallinitet<br />
På grund av a6 molekylkedjorna är långa och oLa komplicerade kan polymerer endast vara delvis<br />
kristallina. Andelen kristallinitet varierar från helt amorf ;ll 95% kristallinitet. Densiteten är större för<br />
mer kristallint material än amorL (om de är samma i övrigt) Andelen kris;llinitet beror på<br />
kylningshas;gheten under stelning och hur kedjan är uppbyggd, komplexare kedja= mer amorL.<br />
Linjära kedjor kristalliserar lä6are än förgrenade och tvärbundna.<br />
Högre kristallinitet ger sämre transparens.
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
Vid dragprov ordnas kedjorna i dragriktningen vilket gör a6 det blir stor förlängning och<br />
spänningsinducerad kristallisa;on sker.<br />
Lägre kristallinitet gör a6 det påverkas mer av Tg, och endast för kristallina polymerer finns e6 Tm<br />
För kristallisering krävs a6 det går a6 tätpacka. Då krävs molekylär regelbundenhet kedjans<br />
konfigura;on måste vara regelbunden (konfigura;onen ändras ej när man vrider på kedjan)<br />
Konfigura;onen beror på kedjans tak
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
Den termodynamiska drivkraLen för a6 bilda kristaller är propor;onell mot underkylningen. Den<br />
op;mala <strong>temp</strong>eraturen för antal kristaller, ”perfekthet” och kristallisa;onshas;ghet är ca 0,8*Tm [K].<br />
Stor underkylning medför liten lamelltjocklek och lägre Tm (större amorfinslag) och mindre sfäruliter.<br />
Kristallinitet medför: ökad E-‐modul, ökad kemikaliebeständighet<br />
Man mäter kristallinitet med kalometri, DSC:<br />
• T vå behållare (exakt lika), en tom och en med provet.<br />
• Höjer <strong>temp</strong>eraturen lika mycket i de två behållarna, den med provet kräver mer energi.<br />
• Mäter skillnaden i entalpi vid uppvärmning<br />
Kovalenta bindningar i belastningsriktning = starkt<br />
Viskoelasticitet<br />
Tidsberoende deforma;on för konstant spänning eller konstant töjning. De har alltså en ;dsberoende<br />
elas;citetsmodul<br />
När e6 polymert material utsä6s för spänning deformeras den genom vridningar kring<br />
huvudkedjebindningar s.k. konforma;oner. Konforma;oner är de lägen som atomerna i huvudkedjan<br />
helst intar eLersom de har lägst energinivå (alla atomer är så långt bort från varandra som möjligt)<br />
grön= E(T), linjär elas;citet för metall(stål).<br />
blå= E(, linjär elas;citet för gummi<br />
gul=E (t,T), linjärviskoelas;citet för polymer (så<br />
deforma;oner)<br />
E( olinjär viskoelas;citet<br />
Kedjelängden, graden av<br />
tvärbindning och<br />
kristallinitetsgradens påverkan på den Cds-‐<br />
och <strong>temp</strong>eraturberoende<br />
elasCcitetsmodulen.<br />
Effekten av sampolymerisaCon: Vid ymp
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
och blocksampolymerisa;on får man två Tg-‐bulor, en för varje strukturbeståndsdel. Vid slumpvis<br />
sampolymerisa;on blir Tg någonstans mellan de ursprungliga Tg :na enligt blandekva;onen:<br />
Pga viskoelas;citeten blir styvhet mer invecklat hos plastmaterial<br />
En typisk teknisk draggkurva för polymer. Upp ;ll<br />
första toppen är deforma;onen homogen och om<br />
materialet är duk;lt (så bro6 ej sker i denna punkt) så<br />
kommer midjebildning. Midjezonen dras ut<br />
(kalldragning) genom a6 molekylkedjorna blir kraLigt<br />
orienterade i dragriktningen.<br />
Kurvans utseende avgörs av<br />
draghas;gheten eller <strong>temp</strong>eraturen<br />
och karktäriserar alltså inte<br />
materialet annat än vid specifik<br />
<strong>temp</strong>eratur och draghas;ghet. Kan inte se<br />
elas;citetsmodulen i dragprovskurvan. Därför är<br />
dragprov endast användbart som kvalitetskontroll.<br />
Istället är det bra a6 använda kryptest för a6 undersöka<br />
styvhet, då kan man hålla isär ;dsvariabler från spänning och<br />
töjning. I e6 kryptest mäts töjningen som funk;on av ;d för en konstant spänning.<br />
Typisk krypkurva för konstruk;onsmaterial där T
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
Brott<br />
Även för bro6 är viskoelas;citetens ;dsberoende avgörande. Griffith’s formel för kri;sk spänning runt<br />
spricka stämmer inte för den tar inte hänsyn ;ll<br />
energiabsorp;onen som sker i sprickspetsen pga<br />
viskoelas;ska egenskaper. Kring sprickspetsen<br />
sker en kedjeorientering och e6 bro6 beror inte<br />
all;d på a6 alla kedjor går av utan ibland glider<br />
de bara isär. A6 nysta upp kedjeintrasslinagr för<br />
a6 kedjorna ska kunna glida isär är väldigt<br />
;dsberoende. Graden av kedjeintrassling beror<br />
på kedjelängden vilket betyder a6<br />
bro6egenskaperna är molekylviktsberoende.<br />
Hög molekylvikt= hög hållfasthet (men sämre<br />
;llformningsegenskaper)<br />
Crazing-‐ när kedjeorienteringen i sprickspetsen går så långt a6 fibriller av kraLigt orienterade kedjor<br />
bildas tvärs över sprickan. ELersom fibrillerna är starkare och styvare än resten av materialet hejdar<br />
de6a sprickpropageringen. De6a kan ses genom a6 materialet vitnar på ytan.<br />
Spänningssprickbildning-‐ Bro6 utgör en balans mellan den elas;ska energin och energin för a6 bilda<br />
ytor men under spänningssprickbildning sänka ytbildningsenergin kraLigt när materialet utsä6s för<br />
vissa ytak;va kemikalier. De6a innebär alltså en kraLigt reducerad hållfasthet. De6a beror på a6 små<br />
sprickor ”öppnas” under spänning och dessa kemikalier kan fara in i sprickorna och gör a6 de lä6are<br />
propagerar. Olika plaster reagerar med olika lösningsmedel och det sker endast under dragspänning.<br />
Sta
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
• Poisson’s tal (kontrak;onsförhållande, vik;g parameter i elas;citetsteorin)<br />
• Temperaturutvidgning-‐ Dilatometerkurva<br />
• Brö6spänning mot bro6;d<br />
• Anisotropi<br />
• Dynamiska egenskaper<br />
Gummimaterial<br />
Elastomerer-‐ Polymerer med gummiegenskaper i rums<strong>temp</strong>eratur.<br />
Gummi-‐ Elastomerer med ;llsatser som t.ex. sot, olja, an;oxidanter, mjukgörare och färgpigment<br />
Naturgummi-‐ kommer från e6 träd. Kedjan är lä6rörlig och har en<br />
reak;v bindning (dubbelbindning). De6a gör a6 man kan vulkanisera,<br />
vilket betyder a6 man ;llför svavel som reagerar med<br />
dubbelbindningarna och bildar tvärbindningar mellan gummikedjorna. De6a gör a6 draghållfasthet<br />
och bro6öjning ökar samt användnings<strong>temp</strong>eraturen breddas. Vanligtvis är det en svaveltvärbindning<br />
per 500-‐1000 enheter, vilket betyder a6 det forÑarande finns kvar mycket oreagerade<br />
dubbelbindningar.<br />
Gummmimaterial åldras pga av a6 deras tvärbindningar kan ändras och fly6a under lång ;d i höga<br />
<strong>temp</strong>eraturer. De6a beror på en kombina;on av mekanisk belastning och hög <strong>temp</strong>eratur, men även<br />
av UV-‐strålning, syre och ozon. Åldringen resulterar i a6 materialet blir kladdigt och poröst.<br />
En vanlig ;llsats i gummi är kimrök (sot) som gör a6 töjning ;ll bro6, nötningshållfasthet,<br />
rivhållfasthet, utma6ningsresistens, styvhet och UV-‐resistens ökar. Men styvheten minskar vid<br />
dynamisk belastning på grund av materialskador som små sprickor. Det gör också a6 under<br />
utma6ningsförhållanden skapas mycket värme.<br />
Termoplas
[SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL]den 13 december 20<strong>11</strong><br />
b. Formsprutning (injec;on moulding)<br />
ra;onell metod för längre<br />
formserier. Man ”pumpar” i<br />
plasten i en form. Cykel;den<br />
domineras av kyl;den som beror<br />
på tjockleken på materialet.<br />
2. Varmformning-‐ formning av ”halvfabrikat”<br />
i gummiområdet följt av<br />
kylning. Fungerar ej med<br />
högkristallina<br />
termoplaster pga a6 de<br />
är för styva.<br />
Kompositer<br />
Fibrer+polymer<br />
Matrisen bidrar med: kemisk motståndskraL, <strong>temp</strong>eraturbeständighet, hårdhet, nötningsmotstånd,<br />
vidhäLning m.m.<br />
Fibern bidrar med: styvhet, styrka (blir bäst om fibrerna ligger i belastningsriktningen)