Kap 4 – Material och materialval Flashcards
Principer för indelning av olika material avseende typer, funktioner och uppbyggnad.
Indelning avseende typer:
∙ Metaller och dess legeringar
∙ Polymerer (undergrupper plaster och gummi)
∙ Glas och keramer
Indelning avseende funktion:
∙ Strukturmaterial – lastbärande
∙ Funktionsmaterial (egenskaper: elektriska eller magnetiska, optiska, kemiska eller katalytiska)
Uppbyggnadsmässig indelning:
∙ Kristallina material (atomerna/molekylerna har en repetitivt ordnad uppbyggnad i form av en kristallstruktur. Metaller)
∙ Amorfa material (oordning i fast form, ej repetitivt)
∙ Kombination
Materialegenskaperna: draghållfasthet, hårdhet, brottseghet, slagseghet. Provningsprinciper.
∙ Draghållfasthet: En dragprovskurva visar mekanisk spänning som funktion av töjning vid dragprov av materialet. Lutningen i dragprovskurvan beror på atomslaget. Provningen utförs genom att man sätter en stav i en maskin som drar i staven (enaxligt) samtidigt som den registrerar den kraft som går åt och stavens förlängning. Ger värden på sträckgräns och brottgräns.
∙ Hårdhet: Ger upplysning om materialets förmåga att motstå tryck och nötningar. Ger även en uppfattning om hållfasthet och i många fall materialets bearbetbarhet. Testas genom att en hård kropp trycks mot ytan på materialet som ska provas.
∙ Brottseghet: Ett mått som mäter materialets motstånd mot sprickpropagering. Test sker genom att belasta en provkropp med spricka för att sedan mäta hur kraften breder ut sig
∙ Slagseghet: Mäts i Joule occh man kan i detta försök få en uppfattning om olika material uppför sig sega eller spröda vid brott. Data får man fram genom ett Charpytest i en slagprovsmaskin där en pendel svingar in i sidan på materialet. Mäter pendelns skillnad i potentiell energi.
Huvudgrupperna av metalliska material
∙ Gjutgods – grått gjutjärn med varierande uppbyggnad och egenskaper ∙ Stål – benämning för olika legeringar av järn
∙ Rostfritt stål – järnlegering (med krom) med gott korrosionsmotstånd ∙ Superlegeringar inklusive titan – legering med brett användningsområde (t.ex. jetmotorer), tål mycket höga temperaturer. Gott motstånd mot krympning. ∙ Icke järnlegeringar m.m. – innefattar kopparlegeringar, aluminium, keramer, metallmatriskompositer med fler
Vad en legering är
En legering är en blandning av två eller flera atomslag där minst en av komponenterna är metallisk. Legeringar framställs vanligen genom att de olika komponenterna blandas i smält tillstånd, men även genom pressning och sintring av pulverformiga ämnen. Superlegeringar
har superegenskaper vid höga temperaturer, nickel- och koboltlegeringar. Titan liknar men räknas inte in.
Principerna för olika gittertyper och uppbyggnad av kristaller (enhetsceller) till korn (polykristallina material)
Enhetscellernas gitterstruktur, 3 vanliga:
∙ BCC, kubiskt rymdcentrerat gitter (body centered cubic), t.ex. krom, molybden och volfram
∙ FCC, kubiskt ytcentrerat gitter (face centered cubic), aluminium, koppar, bly, guld, silver.
∙ HCP, hexagonalt tätpackat gitter (hexagonal close packed), titan, beryllium, zink, magnesium.
När metalliska material stelnar från en smälta ordnas atomerna i metallen i s.k. gitterstrukturer. Kristalltyperna eller gittertyperna visas som enhetsceller. Tillväxten av enhetscellerna startar i kärnbildningspunkter, vilka ofta kan utgöras av föroreningar.
Effekter av materialfel i form av dislokationer (gitterfel)
I praktiken existerar inga perfekta gitter, de har en varierande mängd gitterfel eller dislokationer. Om ett material innehållande dislokationer belastas i syfte att deformeras räcker det med att bryta en atombindning i taget varefter ”dominoeffekten” ger en successiv brytning av atombindningar, vilket i sin tur ger en plastisk våg (deformation). Då det krävs lägre kraft för att bryta en atombindning än alla samtidigt blir hållfastheten lägre vid förekomsten av dislokationer.
Olika typer av löslighet mellan ämne A och B samt definitionen och innebörden av en fas.
Ett kemiskt homogent område som kan förväntas ha lika egenskaper, men som dock kan vara riktningsberoende. Lösligheten hos ett ämne (atomslag) är förmågan att upptas/inrättas i en viss gitterstruktur. Det finns tre typer av löslighet:
∙ Fullständig löslighet, ger enfasigt material
∙ Begränsad löslighet, ger flerfasigt material
∙ Ingen löslighet, innebär att B inte kan lösas i A (A kan trots det lösas i B)
Vad ett fasdiagram ska användas till och vad detta beskriver.
Ett fasdiagram beskriver ett materials sammansättning och tillstånd vid olika temperaturer. Två komponenter – binärt eutektiskt fasdiagram, tre komponenter – ternärt fasdiagram. Kan användas för att avläsa olika egenskaper, t.ex. smältpunkter vid olika sammansättningar och var fasövergångar sker.
Vid en viss sammansättning och en viss temperatur har materialet den lägsta smälttemperaturen. Denna punkt kallas eutektiska punkten och den aktuella sammansättningen kallas eutektiska sammansättningen.
Den principiella skillnaden mellan ett enfasigt och flerfasigt masterial
Längst ut till höger/vänster i ett fasdiagram är materialen enfasiga. Däremellan förekommer olika grader av blandningar av materialen, vilket innebär olika egenskaper. ∙ Enfasigt material – bra att forma och svetsa. Långa spånor, segare.
∙ Flerfasigt material – bra att gjuta och skära. Begränsad löslighet, har spänningar.
Grundprinciperna för härdning och härdningsmekanismer (4 st)
Genom att härda ett material förbättras dess hållfasthetsegenskaper. Det kan ske genom legering och/eller speciella värmebehandlingsmetoder.
∙ Korngränshärdning – Då glidplan och glidriktningar (tillväxtriktningar för enhetsceller) i två intilliggande korn troligtvis inte är samma är det svårt för dislokationer att passera korngränser och utbreda sig i angränsande korn. Om kornstorleken minskar blir korngränserna fler, det blir färre dislokationer per korn och svårare att flytta dem över korngränserna. Hållfastheten ökar alltså.
∙ Lösningshärdning – Ett material kan göras hårdare genom att blanda in ett främmande ämne som bildar en legering med materialet i fast form. De inlösta atomerna är oftast av avvikande storlek vilket skapar ett spänningsfält kring dessa atomer som bromsar dislokationsrörelsen. Olika effektivt beroende på skillnaden i atomstorlek mellan de två typerna av atomer.
o Ersättninglösning (substitution) – inlösta atomer placerar sig i hålrum i gittret. o Mellanrumslösning (interstitiell) – inlösta atomer är så små att de löses in mellan grundatomerna.
∙ Partikelhärdning – Partiklar finns närvarande i en legering. Dessa utgör analogt med korngränserna ett hinder för dislokationsrörelsen. Härdningseffekten ökar med minskande partikelavstånd. Krävs en viss mängd dislokationer för att deformera partikeln eller området runt den. Urskiljning – speciell värmebehandling för en legering. Dispergering – inblandning av fasta partiklar i smälta.
∙ Deformationshärdning – Ökar hållfastheten genom att deformera ett material plastiskt, deformationshårdnandet sker p.g.a. nybildandet av dislokationer. Tillväxten medför att de hindrar varandras rörelser, mer last krävs. Inträffar hos i princip alla metaller och legeringar.
Begreppen rekristallisation samt varm- och kallbearbetning ur ett materialiskt perspektiv
∙ Rekristallisation: ett deformerat material återgår till sin ursprungliga struktur genom värmebehandling.
∙ Varmbearbetning: arbetsstycket har en temperatur som överskrider rekristallisationstemperaturen. Görs då stora plastiska deformationer önskas, kontakten med syre gör att toleranser och ytbeskaffenhet blir dåliga.
∙ Kallbearbetning: arbetsstycket har en temperatur under rekristallisationsgränsen. Då deformationgraden ökar gör även hållfastheten det. Ger höga toleranskrav och förbättrade hållfasthetsvärden. Kräver stora bearbetningskrafter och mycket energi samt ett bra smörjmedel
Skillnaderna mellan järn- och stållegeringar samt exemplifiera några olika typer av stål-järnlegeringar
Stål är en legering av järn och kol samt mindre tillsatser. Legeringar av järn och kol delas in i två grupper:
∙ Stål (< 2% kol): t.ex. avspänningsglödgat stål, kullagerstål, djuppressningsstål ∙ Gjutjärn (> 2% kol): t.ex. gråjärn, segjärn och kompaktgrafitjärn.
Innebörden av begreppet lättmetaller
Ett samlingsnamn för ett antal ickeferritiska metallegeringar med relativt låg densitet, ofta under 4500 kg/m3. De har ofta goda hållfasthetsegenskaper och korrosionsegenskaper, utnyttjas mer och mer. Vanliga lättmetaller är aluminium, magnesium och titan.
ad som avses med benämningen polymerer
En polymer är en organisk förening med kedjeformiga molekyler med ovanligt stor längd. Plast är den tekniskt använda formen av ett polymermaterial. Undergrupperna till plast är härdplast och termoplast. (Även trä, läder och naturfiber ingår i polymerer enligt definition)
Skillnaden mellan härd- och termoplast samt skillnaden mellan en amorf och delkristallin termoplast
Härdplast: Smälter inte vid uppvärmning utan sönderdelas, går ej att återanvända och omsmälta. Detta beror på molekylkedjornas struktur och deras begränsade rörlighet. ∙ Termoplast: Svaga bindningar mellan molekylkedjor vilket gör att vid uppvärmning av termoplast får molekylerna större rörlighet och plasten mjuknar. Stelnar vid avkylning.
∙ Amorf termoplast: De polymerer som inte kan kristallisera (infogas i en geometriskt ordnad struktur)
∙ Delkristallin termoplast: Kristalliseras delvis, inga polymerer kristalliseras helt.
