Transcript T0006T sammanfattning LP2 11-12
TENTAPLUGG.NU
AV STUDENTER FÖR STUDENTER
Kurskod Kursnamn Datum Material Kursexaminator Betygsgränser Tentamenspoäng Uppladdare Övrig kommentar T0006T Metallsiska och Polymera Material LP2 11-12 Sammanfattning
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011 Fyra materialklasser: •
Metaller
, har metallbindningar vilket gör a6 de leder ström och värme bra, kan plas;cera innan bro6.
•
Keramer
, oorganiska och icke-‐metalliska, är styva, lä6a, hårda och tål hög temperatur och nötning, tåliga mot korrosion men även spröda. EX: glas • •
Polymerer
, kedjeformade molekyler, lä6a och billiga, bra isolatorer men tål ej hög värme
Kompositer
, sammansa6a material-‐ kombinerar olika egenskaper för a6 t.ex. öka seghet och styvhet. EX: ben, trä, armerad betong, glasfiberskivor Material kan vara amorfa eller kristallina. Amorfa har oregelbunden packning och har e6 typiskt atomavstånd/ typisk bindningsenergi som inte når energiminima energi vid låg temperatur.
inte särskilt energieffek;vt. Kristallina har regelbunden packning och kan uppnå energiminima, det är den packning som har lägst metaller > keramer > polymerer , för metaller är tätpackade och har stor atommassa, keramer har oLa lä6are atomer och mindre tät packning och polymerer är oLast amorfa (låg packningstäthet) och har lä6a atomer. Kompositerna varierar.
Metaller
Mekaniska egenskaper
Finns fyra olika typer av spänning som materialet kan utsä6as för: drag-‐, tryck-‐, skjuvning-‐ och vridningspänning.
I e6 dargprov drar man i n provs;cka som är avsmalnad på mi6en för a6 den skall gå av på rä6 ställe, en extensometer mäter förlängningen. Största skjuvspänningen är i 45 graders vinkel därför går materialet oLast av i den vinkeln.
U;från dragprovet kan man beräkna: De6a resulterar i en dragprovskurva i e6 spännings-‐töjningsdiagram I det elas;ska området (som är linjärt) gäller Hooke’s lag: där E är e6 må6 på styvheten. Metaller har generellt högt E medan polymerer har lågt E. E är en materialkonstant men kan påverkas lite av temperaturen.
(Det finns även en skjuvmodul G som beräknas från skjuvspänning och töjning : )
Sann töjning
är när man räknar med förändringen i tvärsni6sarean under midjebildningen. Dragprovskurvan forsä6er uppåt ända ;ll bro6.
Teknisk töjning
är när man bara räknar på ursprungsarean, då går dragprovskurvan ner på slutet.
Sträckgräns (
-‐ den punkt där det övergår från elas;sk deforma;on ;ll plas;sk deforma;on. Ibland definierad som spänningen vid 0,2% töjning enligt Hooke´s lag
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011
Duk
maximala töjningen utan den elas;ska delen. Spröda material är mer elas;ska än plas;ska och har låg töjning, Duk;la material är mer plas;ska och har stor töjning. Beräknas:
Elas
Sker även eLer plas;sk (bestående) deforma;on, den elas;ska deforma;onen återgår ;ll si6 ursprungliga ;llstånd. Den tas bort när man beräknar duk;liteten.
Anelas
Elas;sk deforma;on som är ;dsberoende, inte vik;gt för metaller men för polymerer (visko-‐elas;skt beteende)
Fjädring (U) -‐
Arean under dragprovskurvan upp ;ll sträckgränsen. God _ädring vid hög sträckgräns och låg E-‐modul.
Seghet-‐
Arean under hela dragprovskurvan, energiupptagningsförmågan fram ;ll bro6. [J/m 3 ] Segt= starkt och duk;lt
Hårdhet-‐
Må6 på materialets motstånd mot lokaliserad plas;sk deforma;on, bra lä6 och billig provmetod för a6 ta reda på mekaniska egenskaper. Finns olika provningsmetoder: • • Brinell (HB, HBS, HBW)-‐ stål eller wolframkula, makro Rockwell (HRC, HRB)-‐ diamantkon eller stålkula, makro • • Vickers (HV makro/mikro), Diamantpyramid Knoop (HK), diamantpyramid, mikro Designspänning och säkerhetspänning använd vid design för a6 sträckspänningen inte är exakt, utan kan variera i materialen. Därför har man en gräns på hur nära sträckgränsen man vill gå utan a6 det blir risker.
Brott
Alla bro6 består av sprickini;ering och sprickpropagering Typer av bro6: • •
Duk
stor plas;sk deforma;on, smalnar av, a6 föredra pga långsam sprickpropagering Midja små hål som ex kan startas av par;klar i materialet koalescence (Kavitet i materialet) vilket skapar jä6ehög belas;ng (för arean minskar kraLigt) Skjuvsläpp i 45 grader i kanten, resten av bro6et är fibrigt.
Karakteris;skt är ”Cup and cone”, ”dimples” dvs små gropar bildas på bro6ytan.
SpröG-‐
ingen plas;sk deforma;on, snabb sprickpropagering Face6er/plan på ytan för a6 propageringen går så snabbt a6 kristallerna bryts (Transkristallint bro6/Klyvbro6). Men kan även vara interkristallint dvs. a6 sprickan går i korngränser. Får ”Chevron” märken som ser ut som små pilar mot där sprickan startade.
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011 Om materialet uppträder sprö6 eller duk;lt kan bero på temperaturen. Finns oLa en ”omslagstemperatur” BCC-‐stål ar mycket känsliga mot de6a vid belastningsväxlingar. Kan undersökas med slgprovning (mäter slagseghet) Omslagstemperaturen kan sänkas med lägre kolhalt och mindre kornstorlek.
Större prov innehåller sta;s;skt se6 fler defekter som kan orsaka bro6.
Spänning koncentreras kring sprickor och defekter, kan se det som a6 lasten förstoras i vissa områden enligt: där är radien på sprickkanten, är den pålagda spänningen, den koncentrerade spänningen vid sprickspetsen, a är längden på en ytspricka eller halva längden på en inre spricka. är spänningskoncentra;onsfakorn.
Sprickpropagering-‐
sker lä6are i sprickor med skarp spets än rundad spets. Duk;la material deformeras framför sprickspetsen så den rundas av, därav långsammare sprickpropagering. Den energin som frigörs när det elas;ska avdeformers går ;ll skapandet av nya ytor i sprickpropageringen. Sprickan propagerar när spänningen överskrider en kri;sk spänning
BroGseghet (KIC)-‐
materialets motstånd mot sprickpropagering, en materialkonstant. Beräkna: , där Y är en materialkonstant som oLast ligger runt 1 och a är spricklängd på ytspricka.
UtmaGning
-‐ Uppstår vid växlande last som approximeras ;ll en sinuskurva. =amplitud, =medelspänning, , vanlig orsak ;ll haverier, testas med utma6ningsprov.
Vissa material har en utma6ningsgräns, har man spänning under det går det aldrig sönder av utma6ning. Vissa har dock ingen utma6ningsgräns och är all;d känsliga för utma6ning.
Utma6ningsbro6 har långsam sprickpropagering ;ll en början som eLer en viss bit övergår ;ll mycket snabb propagering s.k. restbro6. Typiskt för utma6ningsbro6 är rastlinjer som uppstår vid varje av/ påslagning av belastningsväxling och Stria;oner (mikroskopiska) som uppstår vid varje lastväxling.
Öka utma6ningshållfastheten: • Inför tryckspänningar i ytan som hindrar sprickpropagering ex genom upkolning lr kulbombning • • • • Undvik spänningskoncentra;oner genom a6 exempelvis runda av hörn Förhindra korrosion Förhindra sprickini;ering genom a6 polera ytan Svetsa inte
Kryp-‐
;dsberoende bro6 under konstant belastning och förhöjd temperatur. Ögonblicklig elas;sk töjning Primär kryp (deforma;onshårdnande, ökade disloka;oner) Sekundärkryp (Hårdande och återhämtning i balans s.k. steady-‐state, konstant mängd disloka;oner) Ter;ärkryp (håligheter och korngränssepara;on) Bro6 längs korngränser Stora korn är bra som motstånd mot kryp.
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011 Vid högre belastning och temperatur ökar kryphas;gheten
Kristallinitet
Väldigt organiserad struktur, ordnat och regelbundet över stora atomavstånd, typiskt för metaller Metalliska strukturer är tätpackade för de består oLa av e6 atomslag, de har icke riktningsberoende metallbindningar och mindre avstånd mellan atomerna minskar bindningsenergin.
GiGer
är den ”form” som strukturen packas i, defineras av tre kantlängder och tre vinklar om den är kubisk (vanligt). Finns sju sä6 a6 fylla 3d rum på men i denna kurs bara ; Kubisk, hexagonal och tetragonal
Enhetscellen
är den minsta repeterbara enheten i gi6ret. Om det finns väljer man den med högst symmetri.
Koorsina
är antalet närmsta atomgrannar
Polymorfa
material har olika struktur beroende på temperatur, tryck
Packningsgrad (teore
är inte all;d detsamma som rik;g densitet då kristallstrukturen oLst ej är perfekt. Beräknas enligt: Strukturer: •
Enkel Kubisk, SC.
Koordina;onstal 6, Packningsgrad (APF) 0,52 (låg), kubens kanter är de tätpackade riktningarna, atomer i enhetscellen: , a (kubens sida) =2R • • o
Rymdcentrerat kubisk, BCC.
pythagoras) Koordina;onstal 8, APF 0,68, rymddiagonalerna är de tätpackade riktningarna, atomer i enhetscellen: , a (kubens sida) =R (beräkna med
Ytcentrerat kubisk, FCC.
Koordina;onstal 12, APF 0,74 (högsta inom kubisk), sidodiagonalerna är de tätpackade riktningarna, atomer i enhetscellen: , a (kubens sida) =R (beräkna med pythagoras) o Kan staplas enligt ABCABCABC •
Hexagonalt tätpackad, HCP.
Koordina;onstal 12, APF 0,74, atomer i enhetscellen: o Kan staplas enligt ABABABA
Korn-‐
olika enhetsceller som si6er ihop på grund av stelning, olika korna har olika riktningar och växer ;ll de stöter ihop, de växer ej ihop därför är korngränser något svagare.
Enkristallin
-‐ e6 enda korn med egenskaper som varierar i olika riktningar (anisotropisk)
Polykristallin-‐
Egenskaper varierar ej i olika riktningar för de olika kornen tar ut varandra (isotropisk). Men om kornen har textur t.ex. genom valsning kan materialet bli anisotropiskt. Varje korn är en
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011 kristall. Egenskaper som E-‐modul, el och värmeledningsförmåga samt brytningsindex är relaterade ;ll kristallstrukturen.
• Varje punkt i enhetscellen kan beskrivas av koordinater, där en hel sida är 1.
• Riktningar i cellen defineras som vektorer. Gör såhär: 1. Placera origo så vektorn går igenom den.
• 2. Projicera vektorn på axlarna x,y,z 3. Minsta gemensamma nämnare/förkorta ;ll heltal 4. Skrivs som [uvw] Alla riktningar med samma antal 1or och 0or ;llhör samma riktningsfamilj för dess egenskaper är likadana. Riktnings familjen skrivs:
Defekter
Alla material har ”fel” men behöver inte all;d vara nega;vt.
Typer av fel: • Punktedefekter-‐ en´kelt fel, finns all;d i olika omfa6ning o Vakanser-‐ lucka i gi6ret, ger spänningar i gi6ret. Antalet ökar esponen;ellt med ;den enligt: där är antaet vakanser, ak;veringsenergin, T temperaturen, N tatala antalet atomplatser och k Boltzmans konstant.
o Egeninters;;al-‐ rela;vt ovanligt, motsats ;ll lucka, en extra som trängt sig in i gi6ret, skapar stor oordning. Ger spänningar i gi6ret
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011 • o Orenheter-‐ finns all;d, om det är medvetet kallas det legering. Kan vara inters;;alt om atomerna är små (C,H,O) eller subs;tu;on om atomen liknar värdatomerna o Fasta lösningar (typ samma som orenheter) För subs;tu;onell fast lösning krävs a6 atomradien är < mot värdatomerna, skillnaden i EN är liten, kristallstrukturen är densamma och a6 valens är lika.
Linjedefekter (disloka;oner)-‐ Atomerna har hamnat fel kring en disloka;on. 1 dimensionella o Kant o Skruv o Mixade, vanligast, blandning av skruv och kant.
• Disloka;oner rör på sig genom a6 bindningar bryts och återskapas. Grunden ;ll plas;sk rörelse. För många disloka;oner stoppar varandra och materialet blir sprö6.
Gränsdefekter-‐ 2 dimensionella o Ytdefekter-‐ ytor har högre energi;llstånd o Korngränser-‐ Kan vara hög eller låg vinklingskillnad mellan kornen vilket skapar en korngränsenergi. En disloka;on kan inte vinkla sig över. Minskas genom korn;llväxt vid hög temperatur.
o Tvillingar-‐ en rekflek;on av atomposi;oner genom tvillingplanet. Kan uppstå vid mekansika skjuvkraLer eller glödgebehandling o Staplingsfel-‐ för FCC ex: ABCABABC ist för ABCABCABC o Bulkdefekter-‐ porer, sprickor, inneslutningar
Diffusion
Materialtransport genom atomrörelse dvs. stegvis förfly6ning i gi6ret.
Egendiffusion -‐
atomer (av samma atomslag) som hoppar mellan vakanser i det egna gi6ret, sker hela ;den, märks knappt.
Interdiffusion-‐
E6 atomslag som diffunderar in i e6 annat. DrivkraL a6 jämna ut koncentra;onsskillnader vid ökad energi.
Två typer: • • Vakansdiffusion-‐ atomerna fly6ar mellan vakanser, funkar med subs;tuerbara atomer Inters;;ell diffusion-‐ små atomer som fly6ar sig mellan de andra atomerna i gi6ret. Går extremt mycket snabbare än vakansdiffusion för det finns fler möjliga platser a6 fly6a ;ll och mindre atomer är rörligare.
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011 För diffusion krävs: Ledig plats a6 fly6a ;ll (vakans eller inters;;ell plats), Tillräcklig ak;veringsenergi, Q m . Diffusion är ;dsberoendeflödet J av massan m genom ytan A på ;den t.
Men om det är steady state diffusion ändras ej J med ;den så: Koncentra;onsgradienten är och om den är linjär så kan J skrivas: vilket är Fick’s första lag, där D är diffusionskoefficienten och specifik för e6 materials diffusion in i e6 annat. D påverkas även av temperaturen och ak;veringsenergin genom: , där D 0 är en temperaturoberoende konstant, Q d är ak;veringsenergin och R är allmänna gaskonstanten.
Kan även räkna med non-‐steady state och Fick’s andra lag som är mer realis;skt men överkurs.
Det kan även diffundera längs korngränser, disloka;oner och y6re ytor men påverkar inte totala diffusionshas;gheten så mycket pga liten yta jämfört med bulkmaterialet.
Dislokationer
Plas;sk deforma;on är atomrörelser genom disloka;onsrörelse, spelar ingen roll om det är kant eller skruvdisloka;oner. Många disloka;oner som rör sig sam;digt kallas
glid.
Glidplan-‐
det plan där glidning lä6ast sker, mest tätpackade planet (högst PD) EX: {111} planen i FCC
Glidriktning-‐
Den riktning i planet som är mest tätpackat (högst LD) Ex: <110> riktning i {111} plan i FCC
Glidsystem-‐
Glidplan+glidriktning Ex: 12 glidsystem i FCC. Fler glidsystem gör det enklare a6 plac;cera t.ex. är Cu FCC och har glisystem i {111} plan i <110> riktning vilket betyder 12 st medan Beryllium har glidsystem i {0001} plan i <1120> riktning vilket betyder 3 st, och det är mycket hårdare.
Metaller har störst disloka;onsrörelse pga ej riktningsberoende bindningar och tydliga tätpackade riktningar för glidning. Kovalenta keramer har få glidsystem och riktningsberoende bindningar och därmed lite disloka;onsrörelse. Jonbundna keramer har i princip ingen disloka;onsrörelse på grund av laddningsskillnaden i atomerna. Polykristaller är starkare för korngränser hindrar diloka;onsrörelser och glidsystemens orientering varierar i olika korn. Kornet med störst skjuvspänning i si6 glidsystem kommer plac;seras först, de andra kornen plac;serar senare.
Plas;cering kan också ske genom tvillingbindning men det är ganska irrelevant. Tvillingbildning kan dock göra så nya glidplan hamnar i fördelak;gare riktning.
Disloka;oner kan både förstärka och ta ut varandra eLersom de har tryckspänning på ena sidan och dragspänning på andra vilket fungerar som e6 slags poler. Lika repellerar, olika a6raherar och tar ut varandra.
Härdning
Korngränshärdning
medelkornstorleken.
-‐ genom a6 minska kornstorleken så fler korngränser bildas hindras disloka;onsrörelser. Fungerar även bä6re med högre korngränsvinkel. Sambandet mellan kornstorlek och sträckgräns beskrivs enligt Hall-‐Petch: där sigmanoll och ky är materialkonstanter och d är
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011
Fast lösningshärdning
-‐ orenheter genom inters;;al eller subs;tu;onsatomer skapar spänningar i gi6ret. Spänningarna hindrar disloka;onsrörelser (duk;litet minskar, sträck och bro6gräns ökar) Stora atomer dras ;ll områden med dragspänning, små ;ll områden med tryckspänning.
Deforma
Sker enligt tre steg: Plas;sk deformering ökar antalet diloka;oner som låser varandra och materialet blir hårdare. Kallvalsning beräknas enligt: där Anoll är ursprungsarea och Ad är area eLer deforma;on. När €CW ökar ökar sträck och bro6gränsen medan duk;liteten minskar.
Valsning kan skapa anisotropi dvs. ;llpla6ade korn med riktningsberoende egenskaper. De6a bekämpas med värmebehandling. Då ökar duk;litet igen och styrka+hårdhet minskar.
1. Återhämtning-‐ Temperaturen höjs så materialet avspänningsglödgas antalet disloka;oner minskar något, diffusionen ökar vilket leder ;ll energi frigörs.
2. Rekris;llisa;on-‐ Under ;d och temperatur skapas nya spänningsfria korn med färre disloka;oner och mindre storlek. Ökad grad av deforma;on ger ökad benägenhet för rekristallisa;on. Sker vid rekris;llasitonstemperaturen T R eLer en ;mme. T R beror på andel CW och renhet i metallen (minskar med ökad på båda) 3. Korn;llväxt-‐ för hög temperatur för länge, kornen växer.-‐ De6a är ej bra för mekaniska egenskaper. Ökad diffusion, stora korn växer på bekostnad av små, vill minska korngränsarean som har hög energinivå.
Varmbearbetning över T R – Kallbearbetning under T R
Fasdiagram
Fas
-‐ Homogen del av systemet med dis;nkta fysikaliska och/eller kemiska egenskaper.
Binärt diagram
-‐ två komponenter som blandas
Löslighetsgräns-‐
maximala mängden av A som kan lösas i B, om man ;llför mer skapas en ny fast lösning.
Isomorf-‐
Total löslighet, har endast smält och fast fas. Soliduslinjen-‐ under är allt stelnat. Liquidislinjen-‐ övan är allt flytande. Stelningsområde-‐ området mellan solidus och liquidus Långsam kylning ger jämvikt.
Kan se tre saker ur e6 fasdiagram: 1. Faser närvarande 2. Fasernas sammansä6ning 3. Mängden faser (hävstångsregeln)
Eutek
Flytande övergår direkt ;ll två fasta faser. Eutek;sk struktur lamellerad pga stor diffusion över små avstånd, energieffek;vast a6 bli ”randig”
Eutektoid-‐
en fast fas övergår direkt ;ll två andra fasta faser (lamellerad struktur)
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011
Peritek
-‐ två fasta faser övergår direkt ;ll en annan fast fas
Strukturbeståndsdel-‐
en del av e6 system med iden;fierbar och karakteris;sk struktur på mikroskopisk nivå, består av faser. Ex: eutek;sk, primär
Intermeditär fas
-‐ enfasområden i mi6en av diagrammet, kan dela upp diagrammen i enkla eutek;ska diagram genom a6 dela i enfasområden.
Kongruent smältning-‐
ingen ändring av sammansä6ningen sker.
Inkogruent smältning-‐
minst en fas ändrar sammansä6ning
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011
Faser i Fe-‐C:
ferrit, BCC austenit, FCC Fe 3 C cemen;t (karbid) ??
Strukturbeståndsdelar:
+ Fe 3 C Perlit, består av ferrit och cemen;t i eutektoid struktur
Undereutektoidt stål
-‐ bildas vid sammansä6ning under 0,76% C, består av proeutektoid ferrit och perlit
Övereutektoidt stål-‐
bildas vid över 0,76% C, består av proeutektoid cemen;t och perlit, starkare än undereutektoidt.
När man legerar ändras både temperaturen och sammansä6ningen för den eutektoida punkten.
Ökad C-‐halt bro6gräns och sträckgräns ökar duk;litet minskar
Fasomvandlinar
Tre typer: • Diffusion-‐ långsam, varken sammansä6ning eller antal faser ändras t.ex. stelning • Diffusion med ändring-‐ långsam, fassammansä6ning och antal faser ändras. T.ex. eutek;sk reak;on
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011 • Diffusionslös-‐ snabb, resulterar i metastabil fas ex. martensit Omvandlingshas;gheten beror på ;den och temperaturen och består av Kärnbildning och Tillväxt.
Liten underkylning långsam kärnbildningshas;ghet få kärnor stora kristaller Ex finkornig perlit Stor underkylning snabb kärnbildningshas;ghet många kärnor små kristaller Ex grovkornig perlit Eutektoid omvandling i Fe-‐C vid 727 grader (underkyla):
TTT-‐
Time Temperature Transforma;on diagram. Olika för varje sammansä6ning. Visar eutektoida faser men även proeutektoida faser (extra linje från nosen upp över eutektoidtemperaturen)
Bainit
-‐ ferrit+cemen;t strukturbeståndsdel som bildas vid Stor underkylning (under ”nosen”) pga snabb kärnbildning och liten diffusion. Ser ut som små nålar av cemen;t i ferriten (Elektronmikroskopiskt) Kan ej ha proeutektoid fas.
Sfärodit –
ferrit +cemen;t strukturbeståndsdel som bildas vid mjukglödgning (lång ;d, hög temp ish 700) Gör materialet duk;lt. Runda par;klar av cemen;t i ferritmatris.
Martensit
-‐ Spec struktur, bildas vid släckning från austenitområdet. Gi6ret tvångsinlöser kol (eLersom det ej hinner diffundera) och gi6ret omvandlas ;ll BCT. Materialet blir hårt och sprö6. Strukturen är nålformad martensit huller om buller i en matris av restaustenit.
Om man legerar med annat än C ändras TTT-‐diagramet. austenit -‐ perlit omvandlingen förskjuts ;ll höger och det skapas en separat bainitnos.
Några olika fasomvandlingar som är bra a6 kunna rita.
Om man har kon;nuerlig kylning kan man istället rita e6 CCT-‐diagram
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011
Anlöpt martensit-‐
värmebehandlar (600, 1h) martensit för a6 göra den mer duk;l. Nålarna rundas av så man får cemen;tpar;klar i en matris av ferrit
Fin perlit är hårdare/starkare än grov perlit (för cemenBten hindrar ferriten från aC deformeras och fasgränser hindrar dislokaBoner, fin perlit har fler fasgränser) Grov perlit är dock mer dukBl.
Perlit är starkare/hårdare än sfärodit pga fler fasgränser Bainit är starkare/hårdare än perlit pga finare kornstruktur Martensit är starkast för det intersBBella kolet hindrar dislokaBonsrörelser (få glidplan för BCT)
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011
Applikationer och användning
Metall Stål Järn Gjutjär Ickejär Ex: Cu, Låg Medel-‐ Höh-‐ Ros7ri
Låg-‐kolhal
Ferrit+perlit Vanliga, kan defoma;onshärdas men ej värmebehandlas. Mjuka, svaga, sega, duk;la, billiga, lä6 bearbetade, svetsbara upp ;ll 0,2 wt%C. Används i bilar och plåt bl.a.
Medel-‐kolhal
Anlöpt martensit, kan härdas genom austeni;sering, släckning och anlöpning. Starkt, mindre seghet och duk;litet. Används ;ll järnvägsräls och maskindelar bl.a.
Hög-‐kolhal
Härdade, Hårdast, starkast, minst duk;la, nötningsbeständiga. Används ;ll verktygsstål.
RosYria stål-‐
m.m.
Andra legeringsämnen än bara C, typ Ni och Cr. Korrosions-‐ och oxida;onsbeständiga. Martesi;ska om 13wt%Cr+0,15wt%C, Ferri;ska (och billiga) om 13wt%Cr+<0,1wt%C eller 17wt%Cr +0,2 wt%C, Austeni;ska om 18wt%Cr+8wt%Ni+<0,05wt%C. Används ;ll gasturbiner, bes;ck, flygplan
Gjutjärn-‐
Järnlegeringar med mer än 2,1 wt% C (3-‐4,5 vanligast). Spröda, låg småltpunkt (vilket gör de lä6a a6 gjuta), bra dämpningsegenskaper och nötningsmotstånd.
Cemen;t är en metastabil fas och kan över ;d sönderfalla ;ll ferrit+grafit. Långsam process men kan gynnas av Si>0,1 wt% och långsam kylning.
Järnlegeringar har generellt: hög densitet, låg elektrisk ledningsförmåga, dåliga korrosionsegenskaper, stor möjlighet a6 variera mekaniska egenskaper, lä6 ;llverkning och ekonomisk fördelak;ghet vid ;llverkning.
Formningsmetoder;
• Smide-‐ Mekanisk, varm metall • • Valsning-‐ (vanligt) passerar två rullar och pla6ar ut ;ll ex plåt Extrudering-‐ pressa en bit genom önskad • • Dragning-‐ tråddragning genom e6 munstycke Gjutning-‐ smält metall hälls i form och får stelna, billigt och vanligt, bra om metallen har låg duk;litet och komponenten är stor/komplicerad. Kan ge svag hållfasthet form ;ll ex rör
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011 • P-‐M pulvermetallurgi-‐ Pulver som sintras. Metallen får hög smältpunkt och lite porer men har bra dimensionstoleranser.
Värmebehandlingar;
•
Normalisering-‐
Vad? Fin perlit funkar bara på stål och görs oLa eLer valsning.
Varför? Förminskar kornstorleken och likformar de.
Hur? Temperatur 50-‐85 över austeni;seringstemperaturen, håll 10-‐20 min, kylning i luL.
• • •
Martensithärdning-‐
Hur bra det går beror på legeringens sammansä6ning, kylmediet och formen på biten som skall härdas+anlöpas. Hur stor möjlighet legeringen har a6 härdas ;ll martesit kallas dess Varför? Göra materialet hårt och starkt (men blir även sprö6) från Austeni;seringstemperatur .
Vad? Martensi;sk mikrostruktur
härdbarhe
t.God härdbarhet gör a6 man får martensit genom hela biten, ej bara på ytan. Mäts med Jominyprov som ger en härdkurva. Härdbarhet ökar med ökande legeringsämnen.
Kylhas;gheten minskar med avståndet från den släckta änden, och omrörning påverkar.
Hur? IDirektsläckning i va6en, olja eller luL (va6ensläckning kan ge sprickor-‐ olja vanligast) o
Anlöpning-‐
Varför? Återfå seghet i martensiten Hur? 160-‐650 grader, 1h Vad? Martensiten rundas av och omvandlas ;ll ferrit+cemen;t
Utskiljningshärdning-‐
bygger på ämnenes löslighet i varandra, kräver därför hög löslighet av en fas i en annan. Lösligheten måste också avta snabbt med temperaturen. Varför? Öka styrka och hårdet (för vissa legeringar Al-‐Cu vanligast, även Cu-‐Be, Cu-‐Sn, Mg-‐Al) Hur? Två steg: Upplösningsbehandling som är homogenisa;on och solu;on treatment följt av släckning (de6a skapar e6 enfasmaterial som är övermä6at pga släckningen) Sedan andra steget: åldring, kan ske varm eller kall, då urskiljs den nya fasen. Det måste vara kohorenta urskiljningar och får därför inte vara för många (alltså för lång åldring) då släpper bindningarna och det blir inkoherenta det starkt/hårt.
hållfastheten minskar Vad? Mycket små jämnt fördelade par;klar i matrisen dvs en SSSS(upersaturated solid solu;on) alltså en övermä6ad fast lösning. Par;klarna hindrar disloka;onsrörelser, därför blir Glödgning o
Avspänningsglödgning-‐
Låga temperaturer för a6 inte påverka hållfastheten Varför? Minska inre spänningar pga t.ex. kallhärdning, få bort disloka;oner Hur? 400-‐600 i 1-‐6 ;mmar Vad? Samma som innan men med mindre disloka;oner.
o
Mjukglödgning-‐
Medel-‐ och högkolhal;ga stål av perlit Varför? Öka mjukhet, duk;litet och seghet
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011 Hur? Teperatur strax under austeni;sering dvs ca 700, håll 10-‐30 ;mmar Vad? Cemen;ten rundas av, går mot Sfärodit.
o
RekristallisaBonsglödgning-‐
Varför? Ta bort effekten av kallbearbetning dvs. minska disloka;oner, spänning och deforma;on av kornen.
Hur? Ca 650 i en ;mme Vad? Mer jämnt formade korn men annars samma
Korrosion
Materialförlust genom upplösning=korrosion, bildande av ickemetalliskt skal= oxida;on Ändrar mekaniska-‐, fysikaliska egenskaper eller utseendet. Är en växelverkan med omgivningen.
Börjar oLa på ytan, dyrt a6 förebygga och reparera bort men destruk;vt och oönskat.
Elektrokemisk redoxreak;on.
Rost-‐
Järn rostar i va6en i två steg: , Två metaller i en elektrolyt-‐ metallen med lägre poten;al (V 0metall ) korroderar men mer prak;skt a6 använda galvaniska serien som rankar rela;va reak;viteten på metallerna i havsva6en.
Passi
Metallen/legeringen tappar kemisk reak;vitet och blir inerta pga en oxidfilm på ytan som ständigt återbildas vid skada. Om metallen är passiv eller ak;v beror på omgivningen. Gäller främst Cr, Al, Ni, Ti och deras legeringar.
Faktorer som påverkar korrosion: Flödeshas;ghet (t.ex. omrörning), temperatur, kemisk sammansä6ning av omgivningen, hur mycket CW (kallbearbetning försämrar korrosionsmotståndet.
Korrosionstyper:
• •
Allmän korrosion -‐
”vanlig” korrosion. Sker med samma has;ghet över hela ytan, lä6 a6 förutsäga
Galvanisk korrosion –
olika metaller i elektrisk kontakt med elektrolyt, anoden korroderar medan katoden är skyddad.
SKYDD:
varandra. Koppla ;ll en offeranod.
När man skarvar olika metaller, välj sådana som är nära varandara i galvaniska serien. Gör anodytan stor, Isolera olika metaller elektriskt från • •
Spaltkorrosion-‐
i trånga vätskefyllda spalter, under smuts. Skapar en elektrolyt där områden med lägre koncentra;on korroderar. Framförallt svårt för passiva metaller då deras skyddande skikt lä6 försvinner då det är för lite syre i spalten.
SKYDD:
Svetsa itället för nitar och bultar. Gör rent. Undvik va6en.
Gropfrätning –
Små gorpar och hål bildas på ytan och gräver sig nedåt. Groparna kan gå djupt utan a6 det syns. Vanligast på passiverade metaller och börjar oLa vid ytdefekt eller områden med koncentra;onsskillnad
. SKYDD:
polera ytan!
•
Interkristallin-‐/Korngränskorrosion –
Korrosion i korngränserna (mest hos ros„ria stål) genom a6 kromkarbider bildas i korngränserna och kromundersko6 bildas i närheten av
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011 korngränsen korngränserna blir anodiska och korroderar. som bildar karbider istället för Cr.
SKYDD:
Värmebehandla vid hög temp så karbider upplöses. Välj <0,3 wt% C, minskar karbidbildningen. Legera med Nb och Ti • •
SelekBv korrosion –
kan uppstå i vissa legeringar när e6 av ämnena korroderar mer.
Erosionskorrosion –
temperaturen.
Nötning och korrosion ;llsammans vid has;gt strömmande vätska. Kan ske i alla metaller men farligast i passiverade.
SKYDD:
Minska strömmningshas;ghet. U„orma ”strömlinjeformat”. Anskilj sand och gasbubblor från den strömmande vätskan. Minska •
Spänningskorrosion –
samverkan mellan dragspänningar och korrosionsmedium små sprickor blidas och propagerar.
SKYDD:
Minska spänningarna (avspänningsglödga)
Korrosionsmiljöer:
• Atmosfären • • • • Lösningar Jord Syror/baser Oorganiska lösningsmedel • • Saltsmältor Metallsmältor • ”Fingeravtryck”
Generellt korrosionsskydd –
Använd metaller som är rela;vt inerta i den korrosionsmiljö man har, använd metaller som passiverats. Sänk temperaturen (minskar has;gheten på redox), flödeshas;gheten och ändra koncentra;onen. Lägg på fysiska barriärer (t.ex. film, målarfärg m.m.) Tillsä6 inhibitorer: minska redox genom a6 reagera bort reaktanter eller minska oxida;on genom a6 addera ämnen på ytan. Koppla ;ll offeranod (katodiskt skydd). Galvanisering.
Materialval
A6 tänka på när man väljer material: • • Materialkostnad -‐ dagens pris kortsik;g/långsik;g trend avseende på ;d. varierar på grund av ;llgång och eLerfrågan men går uppåt eLersom världens ;llgångar minskar . Rela;v metrialkostnad beräknas genom a6 jämföra priset med priset på A36 valsat stål, varierar mindre med Tillverkningskostnad -‐ Skillnad på ny;llverkningspris och återvinningspris. Tillverkningen kostar energi.
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011 • • • • Energiförbrukning – Fördelas mellan material;llverkning, ;llverkning, transport och användning Vikt, Utseende, Återvinning – minskar energikostnader och energikonsum;onen.
Gruppera materialegenskaper visuellt.
Strategi för a6 välja material: Funk;on-‐ Kriterier-‐ Mål-‐ Vad används komponenten ;ll?
Vilka krav Vilka krav
måste önskas
uppfyllas?
uppfyllas?
Vad vill vi maximera eller minimera?
Fria variabler-‐ Vilka parametrar kan ingenjören ändra?
Typexempel:
Stav med längden L, sidan c på tvärsni6et (kvadra;skt), densiteten och maximal förlängning vid lasten F. Villa ha den styv och lä6 och i dragspänning.
Elas;citetsmodulen blir då: Och stavens massa : Eliminera fria designparametern c: Här är då specifik för ;llämpningen medan måste minimeras för a6 man skall få små m. maximera materialindex för önskad stav.
Plo6a E mot densiteten och rita in linjer för Materialindexen för den valda formen (ex balk, panel, stav) Linjen visar var den minsta massan är. På grafen ritar man in materialgrupperna och kan därmed välja de som verkar passa mot linjen.
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011
Polymerer
Polymerer-‐
långa molekylkedjor av upprepande enheter (finns naturliga som elfenben, bärnsten och naturgummi men de flesta kemiskt framställda)
Plast-‐
polymerer med ;llsatser 0,1-‐10%, men vanligast med <2% ;llsatser. Kan vara t.ex stabilisatorer, färgämnen, mjukgörare m.m.
Lite historia: • • • • 1868-‐ första delsynte;ska plasten, celluloid 1920-‐ kom på a6 polymerer bestod av molekylkedjor (gav nobelpris) 1907-‐ första helsynte;ska plasten, phenolformahelyd eller bakelit 2 v.k.-‐ mycket experiment med plast, hi6ade många nya • • Fram ;ll 70-‐tal-‐ etapp 1: plast istället för trä, bomull och andra naturmaterial Fram ;ll nu-‐ etapp 2: plast istället för metaller • Började nyss-‐ etapp 3: biopolymerer, nedbrytbara plaster Tillverkning: Polymerisa;on. 90% av plasterna görs från råolja och gas råolja krackning monomerer (ensamma enheter) polymerisa;on (monomererna kopplas ihop ;ll kedjor) polymer Polymerer Termoplaster Tvärbundna polymerer Amorfa Delkristallina Gummi Härdplast Tre typer:
Termoplast-‐
amorfa
formbar och smältbar pga svaga bindningar mellan kedjorna (linjära och/eller förgrenade strukturer) Lösliga vid rumstemp (utom teflon), mjuka-‐hårda-‐spröda eller hårda-‐sega. Kan vara (strukturen huller om buller) eller
delkristallina
( strukturen huller om buller men vissa bitar, ”kristaller” med ordning i strukturen, kan vara intra-‐ eller interkristallint)
Gummi-‐
tvärbundna molekylkedjor med 100-‐200 kolatomer mellan tvärlänkarna. Ej smältbara, olösliga, mjuka vid rumstemp.
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011
Härdplast-‐
tvärbundna molekylkedjor med 5-‐10 kolatomer mellan tvärlänkarna. Ej smältbara, hårda vid rumstemp. Löst plast+härdare stelnar ;ll hård plast Fyra största termoplasterna:
Polyeten, PE
-‐ enklaste polymeren, finns i olika ”kvaliteter” LDPE (låg densitets polyeten, förgrenad struktur), HDPE (hög densitets polyeten, endast korta förgreningar i strukturen), UHMWPE (extra långa molekylkedjor, mer sli6ålig), skummad PE, PEX (tvärbunden polyeten) Mer-‐unit:
Polypropen, PP-‐
”gångjärnsplast” Mer-‐unit:
Polystyren, PS-‐
”styrenfamiljen”: ren PS, HIPS (High impact polystyen, högre slagseghet), EPS (Expanderad polystyren dvs frigolit), ABS, ASA, SAN Mer-‐unit:
PVC-‐
styv PVC, mjukgjord PVC, skummad PVC Mer-‐unit:
T g =
glastemperatur
T m =
Den temperatur där den mest ”perfekta” kristallen smälter, finns ej för amorfa plaster då dessa istället har e6 smäl;ntervall.
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011
Homopolymer:
AAAAA
Sampolymer:
Slumpvis: AABABBAAAB Block: AAABBAAABB Ymp: A-‐kedja med förgreningar av B
Strukturer:
Byggs upp av huvudkedja med sidogrupper (som t.ex. CH 3 , Cl, bensenring) Primär bindning: i kedjan kovalent bindning Sekundär bindning: mellan kedjor Van der Waals (vanligast, 100 ggr lägre styrka än kovalenta), Dipolbindning (vid sidogrupper som ex Cl), Vätebindning (vid vissa sidogrupper)
Exempel på plaster:
• • Kristallina:
PP
,
PE
, PA (polyamid dvs nylon), PET (termoplas;skpolyester), POM, PTFE (teflon) Amorfa:
PS, PVC
, PMMA (plexi), PC (lexan) • • Härdplaster: PF (bakelit), UP (unsaturated polyester, ”båtplast”), EP (epoxi) Gummi: ………….
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011 Glasområde HuvudtrasiNonsområde Gummiområde Visköst
Glasområde:
volymen, V f Glasomvandling sker då vätska kylts så a6 fria atomer och , övergår i V (endast vibra;oner hos sidogruppsrörelser), glas;llstånd.
f ’’. Segmentrörelser avstannar sekundära bindningar verkar och materialet blir hårt i
HuvudtransiConsområde:
Korta kedjesegment kan röra sig.
Gummiområde:
Korta kedjesegment kan röra sig lä6. T>T g ger stora segmentrörelser
Visköst:
Kedjeupptrassling (smälter)
T g :s betydelse för olika materialtyper:
• • Amorf termoplast: T g maximala övre användningstemperatur, där materialet uppträder glasartat.
Kristallin termoplast: T g har ej så stor betydelse, den kristallina fasen påverkas nämligen inte av temperaturen.
• Gummi: T g är minimala användningstemperaturen, nedanför är materialet kladdigt och håller inte ihop.
• Härdplaster: T g maximal övre användningstemperatur
T g beror på:
• Huvudkedjans rörlighet: lä6rörlig (enkel)=låg T g , svårrörlig(komplicerad)= hög T g • Sidogruppens storlek (steriska hinder): Mindre sidogrupp ger lägre T g • Sidogruppens polaritet: högre polaritet ger högre T g
Kristallinitet
På grund av a6 molekylkedjorna är långa och oLa komplicerade kan polymerer endast vara delvis kristallina. Andelen kristallinitet varierar från helt amorf ;ll 95% kristallinitet. Densiteten är större för mer kristallint material än amorL (om de är samma i övrigt) Andelen kris;llinitet beror på kylningshas;gheten under stelning och hur kedjan är uppbyggd, komplexare kedja= mer amorL. Linjära kedjor kristalliserar lä6are än förgrenade och tvärbundna.
Högre kristallinitet ger sämre transparens.
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011 Vid dragprov ordnas kedjorna i dragriktningen vilket gör a6 det blir stor förlängning och spänningsinducerad kristallisa;on sker.
Lägre kristallinitet gör a6 det påverkas mer av T g , och endast för kristallina polymerer finns e6 T m För kristallisering krävs a6 det går a6 tätpacka. Då krävs molekylär regelbundenhet Konfigura;onen beror på kedjans
tak
(hur sidogrupperna är placerade): kedjans konfigura;on måste vara regelbunden (konfigura;onen ändras ej när man vrider på kedjan) • • Isotak;sk helt regelbunden, alla sidogrupper är på samma posi;on i kedjan. Kristalliseras all;d.
Syndiotak;sk regelbundet mönster med posi;onerna på sidogrupper. Kristalliseras ibland.
• Atak;sk oregelbundet mönster på posi;oneringen av sidogrupper. Kristalliseras aldrig.
Kristallisa;on gynnas av: 1. Isotak;ska kedjor 2. Starka sekundära bindningar (för dragkraLen mellan kedjorna är större då) 3. Små sidogrupper (för de tar mindre plats så kedjorna kan tätpackas mer 4. Kedjerörlighet.
Tvärbindningar motverkar kristallisa;on
Sfärulit-‐
som metallers korn fast inte alls.
I smälta är en kristallin plast amorf. När man kyler den bildas sfäruliter som är som små kärnor. Kedjorna växer sedan i lameller rediellt ut från centrum i sfäruliten
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011 Den termodynamiska drivkraLen för a6 bilda kristaller är propor;onell mot underkylningen. Den op;mala temperaturen för antal kristaller, ”perfekthet” och kristallisa;onshas;ghet är ca 0,8*T m [K].
Stor underkylning medför liten lamelltjocklek och lägre T m (större amorfinslag) och mindre sfäruliter.
Kristallinitet medför: ökad E-‐modul, ökad kemikaliebeständighet Man mäter kristallinitet med kalometri, DSC: • • T vå behållare (exakt lika), en tom och en med provet.
Höjer temperaturen lika mycket i de två behållarna, den med provet kräver mer energi.
• Mäter skillnaden i entalpi vid uppvärmning Kovalenta bindningar i belastningsriktning = starkt
Viskoelasticitet
Tidsberoende deforma;on för konstant spänning eller konstant töjning. De har alltså en ;dsberoende elas;citetsmodul När e6 polymert material utsä6s för spänning deformeras den genom vridningar kring huvudkedjebindningar s.k. konforma;oner. Konforma;oner är de lägen som atomerna i huvudkedjan helst intar eLersom de har lägst energinivå (alla atomer är så långt bort från varandra som möjligt) grön = E(T), linjär elas;citet för metall(stål). blå = E(, linjär elas;citet för gummi gul =E (t,T), linjärviskoelas;citet för polymer (så deforma;oner) E( olinjär viskoelas;citet
Kedjelängden, graden av tvärbindning och kristallinitetsgradens påverkan på den Cds-‐ och temperaturberoende elasCcitetsmodulen.
Effekten av sampolymerisaCon:
Vid ymp
[
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
]
den 13 december 2011 och blocksampolymerisa;on får man två T g -‐bulor, en för varje strukturbeståndsdel. Vid slumpvis sampolymerisa;on blir T g någonstans mellan de ursprungliga T g :na enligt blandekva;onen: Pga viskoelas;citeten blir styvhet mer invecklat hos plastmaterial temperatur och elas;citetsmodulen i dragprov endast En typisk teknisk draggkurva för polymer. Upp ;ll första toppen är deforma;onen homogen och om materialet är duk;lt (så bro6 ej sker i denna punkt) så kommer midjebildning. Midjezonen dras ut (kalldragning) genom a6 molekylkedjorna blir kraLigt orienterade i dragriktningen.
Kurvans utseende avgörs av draghas;gheten eller temperaturen och karktäriserar alltså inte materialet annat än vid specifik draghas;ghet. Kan inte se dragprovskurvan. Därför är användbart som kvalitetskontroll.
Istället är det bra a6 använda kryptest för a6 undersöka styvhet, då kan man hålla isär ;dsvariabler från spänning och töjning. I e6 kryptest mäts töjningen som funk;on av ;d för en konstant spänning.
Typisk krypkurva för konstruk;onsmaterial där T kristallin fas (i samma ämne) mindre används oLa istället för isometriska men mer ovanligt. a6 approximera styrkan i snabbt materialet ;ll en viss och man mäter hur spänningen minskar med ;den. De6a används ;ll elastomermateria. OLast är så man normaliserar kurvorna ;ll ini;alspänningen. [ ] den 13 december 2011 Även för bro6 är viskoelas;citetens ;dsberoende avgörande. Griffith’s formel för kri;sk spänning runt spricka stämmer inte för den tar inte hänsyn ;ll energiabsorp;onen som sker i sprickspetsen pga viskoelas;ska egenskaper. Kring sprickspetsen sker en kedjeorientering och e6 bro6 beror inte all;d på a6 alla kedjor går av utan ibland glider de bara isär. A6 nysta upp kedjeintrasslinagr för a6 kedjorna ska kunna glida isär är väldigt ;dsberoende. Graden av kedjeintrassling beror på kedjelängden vilket betyder a6 bro6egenskaperna är molekylviktsberoende. Hög molekylvikt= hög hållfasthet (men sämre ;llformningsegenskaper) Crazing-‐ när kedjeorienteringen i sprickspetsen går så långt a6 fibriller av kraLigt orienterade kedjor bildas tvärs över sprickan. ELersom fibrillerna är starkare och styvare än resten av materialet hejdar de6a sprickpropageringen. De6a kan ses genom a6 materialet vitnar på ytan. Spänningssprickbildning-‐ Bro6 utgör en balans mellan den elas;ska energin och energin för a6 bilda ytor men under spänningssprickbildning sänka ytbildningsenergin kraLigt när materialet utsä6s för vissa ytak;va kemikalier. De6a innebär alltså en kraLigt reducerad hållfasthet. De6a beror på a6 små sprickor ”öppnas” under spänning och dessa kemikalier kan fara in i sprickorna och gör a6 de lä6are propagerar. Olika plaster reagerar med olika lösningsmedel och det sker endast under dragspänning. Sta en annan bro6-‐teori har utvecklat en formel för ;d-‐;ll-‐bro6 som resulterar i en rät linje i bro6spänning som funk;on av ;d. Men eLer en viss belastnings;d kan bro6sprocessen helt ändrar karaktär, vilket visar sig genom en kraLig lutningsökning s.k. ”knä” på linjen. Därför kan man inte direkt extrapolera. Slagseghet-‐ en provningsmetod som inte kan användas direkt för dimensioneringsarbete. Man kan inte sä6a e6 entydigt värde på slagsegheten för en termoplast eLersom det beror på så många variabler. Men man kan få e6 bä6re värde om man försöker undvika förhållanden som kan främja sporadisk sprödhet hos materialet. Vanligtvis låga temperaturer, spänningskoncentra;oner, höga lokala draghas;gheter, inre spänningar, närvaro av kemikalier. Vanligt a6 slagseghetstesta med Charpy-‐V på en provbit med notch UtmaGning-‐ Bro6 som uppstår pga dynamiska belastningsväxlingar. Inte lä6 a6 testa för utma6ning på polymerer pga relax;onen som gör a6 spänningsaplituden inte blir konstant vid en viss töjningsamplitud. Även uppvärmning pga mekaniska förluster är också e6 problem. Utma6ningseffekten beror på a6 molekylkedjorna inte hinner ställa in sig i nya konforma;oner vid varje belastningsväxling. De kedjesegment som inte hinner med kommer belastas så mycket a6 de ;llslut går av. Molekylvikten väger starkt in på hur bra materialet klarar utma6ning. Sammanfa6ningsvis vill man veta följande när man dimensionerar polymerer: • Krypkurvor (+ isokrona samband) [ ] den 13 december 2011 • • • • • Poisson’s tal (kontrak;onsförhållande, vik;g parameter i elas;citetsteorin) Temperaturutvidgning-‐ Dilatometerkurva Brö6spänning mot bro6;d Anisotropi Dynamiska egenskaper Elastomerer-‐ Polymerer med gummiegenskaper i rumstemperatur. Gummi-‐ Elastomerer med ;llsatser som t.ex. sot, olja, an;oxidanter, mjukgörare och färgpigment Naturgummi -‐ kommer från e6 träd. Kedjan är lä6rörlig och har en reak;v bindning (dubbelbindning). De6a gör a6 man kan vulkanisera, vilket betyder a6 man ;llför svavel som reagerar med dubbelbindningarna och bildar tvärbindningar mellan gummikedjorna. De6a gör a6 draghållfasthet och bro6öjning ökar samt användningstemperaturen breddas. Vanligtvis är det en svaveltvärbindning per 500-‐1000 enheter, vilket betyder a6 det for„arande finns kvar mycket oreagerade dubbelbindningar. Gummmimaterial åldras pga av a6 deras tvärbindningar kan ändras och fly6a under lång ;d i höga temperaturer. De6a beror på en kombina;on av mekanisk belastning och hög temperatur, men även av UV-‐strålning, syre och ozon. Åldringen resulterar i a6 materialet blir kladdigt och poröst. En vanlig ;llsats i gummi är kimrök (sot) som gör a6 töjning ;ll bro6, nötningshållfasthet, rivhållfasthet, utma6ningsresistens, styvhet och UV-‐resistens ökar. Men styvheten minskar vid dynamisk belastning på grund av materialskador som små sprickor. Det gör också a6 under utma6ningsförhållanden skapas mycket värme. Termoplas kemiskt framställt gummi. Genom a6 polymerisera en elastomer (mjuk fas) och en termoplast (styv fas). Där man blandar e6 högt T g med e6 lågt eller en kristallin fas i en amorf. De6a bildar sfärer respek;ve lamellartade faser som fungerar som fysikaliska tvärbindningar. Finns två principer för formning av termoplaster: 1. Smäl„ormning-‐ Formning i det viskösa området följt av kylning. a. Strängsprutning (extrusion) Kon;nuerlig process när man gör profiler med konstant tvärsni6, används även för a6 blanda i ;llsatser och ;ll formblåsning (PET flaskor i extrusion stretch blow moulding) samt filmblåsning. [ ] den 13 december 2011 b. Formsprutning (injec;on moulding) ra;onell metod för längre formserier. Man ”pumpar” i plasten i en form. Cykel;den domineras av kyl;den som beror på tjockleken på materialet. 2. Varmformning-‐ formning av ”halvfabrikat” i gummiområdet följt av kylning. Fungerar ej med högkristallina termoplaster pga a6 de är för styva. Fibrer+polymer Matrisen bidrar med: kemisk motståndskraL, temperaturbeständighet, hårdhet, nötningsmotstånd, vidhäLning m.m. Fibern bidrar med: styvhet, styrka (blir bäst om fibrerna ligger i belastningsriktningen)SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
Brott
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
Gummimaterial
Tillformning
SAMMANFATTNING METALLISKA OCH POLYMERA MATERIAL
Kompositer