Begrepp Flashcards
Designprocessen
Processen för att ta fram en produkt, antingen en helt ny (orginaldesign) eller en utveckling, förbättring av en redan existerande (redesign/evolution)
Översättning(translation)
Konvertera designkraven till en materialsvalsbeskrivning. Inleds med att identifiera kraven(constraints) som material MÅSTE uppfylla och de ramar (objectives) som designen skall hålla. Fria variabler.
Screening/sållning
Eliminering av de materialen som inte uppfyller kraven
Rankning
Rangordning av “överlevarna” efter deras förmåga att möta viktiga kriterier (criterian of excellence). Materialindex
Dokumentation
Studera de mest lovande kandidaterna på djupet. Studera nuvarande användning, bästa sättet att designa, tidigare erfarenheter osv.
Styvhet
Tålighet mot elastisk formändring, materialet återgår till sin ursprungliga form när det avlastas. (stiffness-stress) E-modul.
E-modul(young’s modulus)
Sträckgränsen (tensite strain) är proportionell mot brottspänningen. E-modulen är proportionalitetskonstanten: σ=Eε
Kristallstruktur
Hur atomer är ordnade
Regelbundet ordnade
Kristallint ( FCC/CHP(HCP)/BCC
oordnade atomer
amorft
Enhetscell
Karakteristisk enhet hos en kristallstruktur, en liten del som beskriver det hela
Atomplan
Plan av atomer. Kan vara tätpackade som hos FCC,CHP(HCP) eller mindre tätpackade som BBC. KAn anges med hjälp av packningstäthet
Bindningsenergi(cohesive energy).
Mäter hur starka atombindningarna är, definieras som energi per mol (1mol=6x10^23 atomer) , som krävs för att separera atomerna hos en solid helt och hållet.
Materialindex
Funktion av materialegenskaper som skall maximeras
Yield strength/sträckgräns
Spänningen för vilken ett ämne plasticerar σy
brottspänning=σts
Brottförlängning/ductility
Hur mycket plastisk sträckning ett material tål. (plastic strain=permanent sträckning som resultat av plasticering). εf
Plastiskt arbete
Energi som åtgår för att plasticera material. Arean under stress-strain kurvan
Härdhet/strength
Kan mätas med hjälp av vickers eller Rockwell/Brinell-tester. H=F/A
Kristalldefekter
defekter finns alltid i kristallstrukturer
Vakanser
“hål” i strukturen där atomer saknas. Finns alltid i alla kristaller
Inlösta atomer (substitutional solid solution)
Atomer med ungefär samma storlek är inlösta i strukturen på de riktiga atomernas platser.(interstitiellt - små atomer i strukturen)
Korngränser(Grain boundaries)
Gräns mellan kristaller med olika riktningar
Dislokationer
Extra halvt atomplan . Glidning av dislokationer=glidsystem
det är dislokationer som gör metaller mjuka och duktila
Glidplan(slip plane)
plan där atomerna glider lättare än i andra
glidriktning
riktningen atomerna glider i i glidplanen
Härdningsmekanismer
Mekanismer som ökar hårdhet och sträckgräns, hindra dislokationers rörelse
Lösningshärdning
Inlösta atomer i materialet , tex legeringar. De inlösta atomerna ger en spänning som gör det svårare för dislokationerna att röra på sig. kräver ej värme.
stor storlekskillnad(atomer)=>stor effekt
Mer inlösta atomer = >mer effekt
Korngränshärdning
Dislokationerna stoppas av korngränser. Störst effekt med små korn. Används för stål. (grain boundary hardning) σyα 1/D : D= kornstorlek
Utskiljningshärdning
legerar med ett ämne som bildar partiklar av en annan fas. Utskiljningarna stoppar dislokationer. Kräver värmebehandling. Många små utskiljningar => störst effekt
Deformationshärdning
Dislokationer hindrar varandra. Vid kallbearbetning ökar mängden dislokationer. Kallbearbetning=Valsning/pressning. Effekten försvinner vid uppvärmning.
FCC (face-centredcubic)
Struktur uppbyggd av kubiska enhetsceller med en atom i varje hörn och en i mitten av varje sida på kuben. Ex. Al,Cu,Ni. F över 913 grader.
Egenskaper:
-väldigt töjbara (very ductile)
-sega
-bibehåller duktilitet och seghet till absoluta nollpunkten(ovanligt)
BCC (body-centralcubic)
Kubiska enhetsceller med en atom i varje hörn och en i mitten av kuben.
Egenskaper:
-duktila(framförallt när varma )
-sega
-spröda vid låga temperaturer
-hårdheten beror på temperaturen
- kan härdas med hjälp av interstitiella lösningar
HCP (close packed hexagonal)
Hexagonal enhetscell med en atom i varje hörn, en i mitten av de hexagonal sidorna och tre i mitten.
Egenskaper:
-duktila(dock mer begränsat än FCC)
-deras strukturer gör att de är mer riktningsberoende än FCC och BCC.
Riktningsindex
Komponenterna hos vektorer som börjar i origo, längs med riktningen, reducerade till “the smallest integer set”
Fasdiagram
ett diagram med temperatur och komposition på axlarna , visar jämviktskompositionen
Löslighet
Begränsad löslighet=maxgräns för hur mycket A som kan lösas i B
Fas
Materialtillstånd med vissa speciella egenskaper, tex tillstånd, struktur.
Alla delar av en legerad mikrostruktur med samma atomstruktur är i en och samma fas.
Strukturbeståndsdel
faser och eutektikum mm.
omslagstemperatur
temperatur när metall går från sprött till segt beteende
Skjuvspänning
spänning som verkar på ett plan
Mikrostruktur
hur korn och olika faser är ordnade i metallen
metastabil fas
En fas som inte är i termodynamiskt lägsta energitillståndet, men det behövs en aktiveringsenergi
för att transformeras till en fas med lägre energi
Translation 4 steg
Översättningen skall överföra krav på komponenten till krav på materialet. Den innehåller 1.
Funktion som skall beskriva komponentens primära funktion, t.ex. leda värme, balk i böjning. 2.
Krav, som är materialegenskaper som måste vara uppfyllda, t.ex. elektriskt ledande, max
användningstemperatur. 3. Mål, som är den eller de egenskaperna hos komponenten som skall
optimeras, t.ex. vikt, pris. 4. Fria variabler, t.ex. tvärsnitt, material.
Vad är materialindex?
Materialindex är en enstaka egenskap eller en kombination av materialegenskaper som
optimeras för att få det material som bäst uppfyller målet.
Hur väljer man materialindex?
Vilket materialindex som skall
användas beror på funktion, mål och fria variabler.
Vad är utmattning och hur uppstår det?
Utmattning är ett brott som sker efter på grund av spricktillväxt under upprepad belastning.
Brott kan ske vid belastning under sträckgränsen. Utmattningsbrott kan indelas i tre stadier;
initiering vid någon defekt, spricktillväxt p.g.a. plasticering vid sprickspetsen, och slutligen
restbrott när komponenten inte kan bära den statiska lasten
Vilka typer av utmattning finns det?
Utmattning delas upp i
lågcykelutmattning (<10.000 cykler) och högcykelutmattning (>10.000 cykler).
Varför är det svårare att dimensionera mot utmattning än andra typer av belastning?
Osäkerhet i defektstorlek och belastning (storlek och antal cykler
Vad kan man göra för att öka en komponents motstånd mot utmattning?
Minska defektstorleken, öka sträckgränsen
Vad har kolhalten för inverkan på ståls mikrostruktur och egenskaper?
Kolet bildar den hårda fasen cementit. När kolhalten ökar först andelen perlit (ferrit och
cementit) upp till 0.8 % C, därefter bildas perlit och primär cementit. Eftersom cementiten är
hård så ökar stålets hårdhet med ökande kolhalt. Stålet blir dock sprödare och svårare att svetsa.
tre vanliga värmebehandlingar för stål?
Normalisering
Härdning
Mjukglödning
Normalisering
Värmning till austenitområdet, följt av relativt långsam kylning. Ger perlit + ev.
ferrit eller cementit beroende på kolhalt.
Härdning
Värmning till austenitområdet, snabbkylning, anlöpning d.v.s. värmning till
temperatur under austenitområdet. Ger anlöpt martensit = ferrit med mycket fina
cementitutskiljningar. Hårdare.
Mjukglödning
värmning till temperatur under austenitområdet. Ger ferrit med grova
cementitkorn. Mjukare.
Beskriv en isotaktisk polymer?
14 kolatomer med varannan CH_3 på ena långsidan
Vad är en polymerblandning?
En polymerblandning innehåller två eller fler olika typer av polymerer som är blandade (ej
polymeriserade).
Spänningsintesitetsfaktor
beskriver spänningstillståndet nära en sprickspets. Beror på pålagd,
last, sprickans geometri och storlek.
Abrasiv förslitning
= förslitning där ett hårdare material sliter ett mjukare, eller där hårda
partiklar sliter ett mjukare material
Löslighetsgräns
Maximala mängden av ett ämne som kan lösas i en fas utan att det bildas nya faser. Ofta
temperaturberoende
Lågcykelutmattning
Utmattning som sker vid litet antal lastcykler <10.000, global plasticering
Diffusionskoefficient
En koefficient som beskriver diffusionshastigheten för ett ämne i ett annat, exponentiellt
ökande med temperaturen
Ange tre materialegenskaper som beror på atombindningarna.
Smälttemperatur, termisk utvidgning, styvhet
de viktigaste typerna av atombindningar, 4st
Metallbindningar
kovalent bindning
jonbindning
svaga bindningar
Metallbindning
Stark bindning. Fria elektroner i ett elektronmoln, elektrisk och termisk
ledningsförmåga
Kovalent bindning
Mycket stark. Atomerna delar elektroner för att få fulla elektronskal,
riktningsberoende. Finns i keramer och polymerkedjan.
Jonbindning
Bindning mellan joner. Stark bindning. Finns i keramer
Svaga bindningar
Van der Waal, vätebindning polära bindningar. Viktiga för polymerers
egenskaper
Alla stål kan inte martensithärdas. varför?
Det krävs en viss kolhalt. Under denna kolkoncentration kan inte martensit bildas
Hög sträckgräns är vanligen inte en nackdel hos en metall. Varför använder vi inte alltid
härdade stål?
Härdprocessen kostar, stålet blir ofta sprödare, stålet blir svårare att svetsa.
Vad är molekylvikten ett mått på hos polymerer?
Polymerkedjans längd.
Vad är det för skillnad mellan en sampolymer och en polymerblandning?
Sampolymerer är polymerer med två eller fler monomerer i samma kedja (polymeriserade) medan
polymerblandningar innehåller två eller fler olika typer av polymerer som är blandade (ej
polymeriserade).
Krypning (metaller)
Plastisk deformation som beror på tid, temperatur och last
Verktygsstål
Höglegerat stål med hög kolhalt. Används i härdat tillstånd. Hårt och värmetåligt
Slagseghet
Mått på energin som krävs för att slå av en anvisad provstav
Beskriv vad som händer när en metall deformeras plastiskt.
Plastisk deformation av metaller fås när dislokationer rör sig i metallen. Dislokationerna kan
röra sig på glidplan i glidriktningar när den upplösta skjuvspänningen är större än den kritiska
skjuvspänningen för dislokationsrörelse. Varje dislokation som rör sig ger upphov till en liten
förskjutning i kristallen, som ger en irreversibel töjning = plastisk deformation.
fyra olika mekanismer för att försvåra plasticering
- Lösningshärdning
- Utskiljningshärdning
- Deformationshärdning
4.
Korngränshärdning
två huvudtyper av brott hos metaller
Sprött brott och segt brott
sprött brott (metall)
lite plasticering innan brottet sker, det åtgår lite energi.
Segt brott(metall)
Mycket plasticering innan brott, mycket energi krävs.
Vad är definitionen av molekylviktsmedelvärdet för en polymer?
M=W(weight)/N(number of moles)
Vilka krafter håller samman
polymera material och vilken av dessa har störst inverkan på materialets styrka?
Polymera material hålls samman av kovalenta C-C bindingar i polymerkedjan och
intermolekylära Van der Waals krafter mellan polymerkedjorna.
Storleken på de
intermolekylära krafterna har störst inverkan på styrkan hos plaster.
Intermetallisk fas (intermetallic phase)
Fas som ligger mellan två metaller i fasdiagrammet
Duktilt brott
Samma som segt brott
Kristallstörningar (crystal imperfections)
När atomerna i kristallen inte sitter i ett perfekt mönster
Vilka 4 kristallstörningar finns det?
- Vakanser
- inlösta atomer
- dislokationer
- korngränser
Töjning
En geometrisk formförändring. Endimensionellt definieras töjningen som (l-l_0)/l_0
Beskriv de processer som används för att härda aluminium. Beskriv också hur mikrostrukturen förändras
under dessa processer.
Utskiljningshärdning: först måste Al legeras med något annat
ämne som kan bilda utskiljningar vid avsvalning. Härdningen sker sedan i tre steg:
1. Upplösningsbehandling = värmning till enfasområde.
2. Snabbkylning. Eftersom materialet snabbkyls förhindras diffusion och inga utskiljningar kan bildas
=> övermättad fast fas.
3. Åldring = värmning till en temperatur inom tvåfasområdet. Ökad temperatur ger diffusion, och
små utskiljningar bildas.
Lösningshärdning: Inlösta atomer hindrar dislokationsrörelse. Atomer med lämplig storlek tillsätts
smältan och bildar fast lösning vid avsvalning.
Deformationshärdning: Vid plastisk bearbetning, t.ex. valsning, smidning, pressning, bildas en stor
mängd dislokationer som hindrar dislokationsrörelse.
Vad menas med plastisk deformation?
Deformation som ger en kvarvarande deformation efter avlastning
Beskriv mekanismen för plastisk deformation i metaller
Plastisk deformation i metaller sker genom dislokationsrörelse. Dislokationer är en kristalldefekt
som består av halva atomplan. Vid belastning rör sig dislokationerna under inverkan av
skjuvspänningar, och varje dislokation ger upphov till en liten permanent töjning. Under
deformationen bildas nya dislokationer, och den sammanlagda effekten av dislokationernas
rörelse ger den plastiska deformationen.
När är plastisk deformation av intresse i en produkt?
Framförallt vid formningsprocesser
Hur påverkar kolhalten stålets egenskaper? Hur
påverkas mikrostrukturen?
När kolhalten ökar kolets hårdhet (sträckgräns) men brottförlängningen blir mindre. Kol med låg
kolhalt består mest av ferrit. Med ökande kolhalt upp till 0.8% C ökar andelen perlit. Över 0.8% C
består stålet av perlit och cementit
varför legeras stål med krom?
I kontakt med luftens syre bildar krom ett kromoxidskikt på ytan som skyddar mot korrosion.
Detta ger rostfritt stål
Ibland legeras stål även med andra legeringsämne. Vad vill man uppnå då? (tre saker)
1.Lösningshärda ferritfasen
2.Öka härdbarheten = fördröja perlitbildningen så att omvandlingen till martensit ges mer tid vid
härdning
3.Bilda karbider som är stabilare än cementit = bättre högtemperaturegenskaper för verktygsstål.
