MaterialVT1 1,5 p

Janne Färm

Torsdag 26:e Februari 10:15 – 12:00Föreläsning M6 KPP045 Material-delen

• Förmiddagens agenda• Kursinfo: Repetitionsföreläsning

• Värmebehandling av stål: Kapitel 13

• Icke järnhaltiga legeringar: Kapitel 14

• Paus

• Keramiska material: Kapitel 15

• Plast: Kapitel 16

2

Kursinfo: Repetitionsföreläsning

• Torsdag 12:e Mars 9:15 – 12:00• Vecka 11, sal H121

• Genomgång av viktiga kursmoment från föreläsningar och laboration

• Information inför Gjut- och smideslab v 12

3

Värmebehandling av stål:Kapitel 13

4

Stål & gjutjärn

• Stål upp till 2,1 % kol• Eutektoid reaktion

• Gjutjärn över 2,1 % kol• Eutektisk reaktion

• För stål är den eutektoidadelen av fasdiagramintressantast

5

Temperaturer för olika värmebehandlingar• Normalisering

• Glödgning

• Sfäroidiserande glödgning

• Rekristalliserandeglödgning

• Avspänningsglödgning

6

Isoterma värmebehandligar

• Perlit fås vid temperatur över 550 °C

• Bainit fås vid temperatur under 550 °C

7

Värmebehandling med varierad temperatur• Olika faser kan fås genom att använda flera temperaturer

8

Martensitbildning

• Ökad kolhalt sänker temperaturen för martensitbildning

9

Härdsprickor

• Vid för snabb kylning kan stålet spricka

10

Härdning med hålltid ovan Ms

• Låt hela detaljen bli genomvarm strax ovanför Ms

11

CCT-diagramContinuous Cooling Transformation• TTT – diagram

• Konstant temperatur

• CCT – diagram• Sjunkande temperatur

• CCT – diagram hjälpeross att välja kylning

12

CCT – diagram för stål med 0,2 % kol

13

Legerade stål

• Ytterligare legeringsämnen påverkar både fasdiagram och TTT – diagram

• Legeringsämnen ökar härdbarheten genom att fördröjabildningen av perlit och bainit

• Vi kan då släcka i luft

• Fasdiagram påverkasav ytterligare legeringsämnen• Ex. Mangan sänker både

temperatur och koncentrationför den eutektoida punkten

14

Rostfritt stål

• Rostfritt stål innehåller krom• Mer än 11 % krom• Kromet bildar en tunn skyddande hinna av kromoxid på ytan

• Ferritiskt rostfritt stål• Upp till 30 % krom, mindre än 0,12 % kol• Magnetiskt men går ej att värmebehandla

• Martensitiskt rostfritt stål• 11 – 17 % krom, 0,1 – 1,0 % kol• Kan härdas och är ett populärt knivstål

• Austenitiskt rostfritt stål• Innehåller nickel som gör austeniten stabil vid rumstemperatur• 18/8-stål innehåller 18 % krom och 8 % nickel

15

Icke järnhaltiga legeringar:Kapitel 14

16

Density (kg/m^3)2000 5000 10000 20000

Yie

ld s

tre

ng

th (

ela

sti

c l

imit

) (M

Pa

)

1

10

100

1000

Wrought magnesium alloys

Age-hardening wrought Al-alloys

Titanium alloys

Nickel-based superalloysLow alloy steel

Cast iron, ductile (nodular)

Sträckgräns och densitet för några olika legeringar (CES EduPack)Legering Sträckgräns Densitet

[MPa] [kg/m3] normalt

Magnesium 115 – 410 1500 – 1950 (1740)

Aluminium 95 – 610 2500 – 2900 (2700)

Titan 750 – 1250 4400 – 4800 (4510)

Nickel 300 – 1900 8830 – 8950 (8900)

Låglegerat Stål 400 – 1500 7800 – 7900 (7870)

Rostfritt Stål 170 – 1000 7600 – 8100

17

Paus

• Dags för en bensträckare!

18

Aluminium och aluminiumlegeringar

• Aluminium är det tredje vanligaste grundämnet i jordskorpan, efter syre och kisel. Järn på fjärde plats.• Jordens inre domineras dock av järn, 35 % av totala massan

• Aluminium finns i bauxit som innehåller 50-60 % aluminiumoxid

• Aluminium är efter järn den mest använda metallen och används inom:• Transport – Låg vikt , hög hållfasthet och god korrosionshärdighet

• Mekanisk industri – Formbarhet, låg vikt, hög hållfasthet• Extruderade aluminiumprofiler

• Byggnadsindustri – Lång livslängd

• Elektroteknik – Högspänningsledningar

• Förpackning – Aluminiumburkar och aluminiumfolie

19

Viktiga egenskaper hos aluminium

• Låg vikt – 2,7 g/cm3 ungefär en tredjedel av järn

• Hög hållfasthet – Legeringar har brottgränser på 700 MPaoch behåller sin goda seghet även vid låga temperaturer

• God korrosionshärdighet – Bildar ett tunt oxidskikt

• Hög ledningsförmåga – för både värme och elektricitet, cirka 60 % av den hos ren koppar

• Lättbearbetat – Väl lämpat för plastisk bearbetning

• Lätt att återvinna - Kräver bara 5 % av den energi som går åt vid primärframställning

20

Aluminiumlegeringars egenskaper

• Sträckgränsen kan ökas upp till 30 gånger!

21

Legeringsbeteckningar

• SS-EN AW 6082-T6• Si 1%, Mg 0,9%, Mn 0,7% upplöst och varmåldrat

22

Tillståndsbeteckningar• T4, T5 och T6 är vanligast

• T7 börjar bli vanligare, upplöst och överåldrat

23

Fasdiagram Aluminium - Magnesium

• Härdning genom uppvärmning till a-fas och därefter släckning och eventuell åldring

24

Magnesium och magnesiumlegeringar

• Magnesiums mest utmärkande egenskap är den låga densiteten, 1,7 g/cm3

• Magnesium framställs genom smältelektrolys ur magnesiumklorid

• Magnesium i ren form är mjukt med låg hållfasthet

• Magnesium har HCP struktur och är inte lika segt som Al

• Magnesiumlegeringar innehåller:• Aluminium 6 -8 %• Zink 0 – 2 %• Mangan

• Magnesium kan härdas genom upplösning och varmåldring

25

Titanlegeringar

• Titan och Titanlegeringar började säljas så sent som på 50-talet

• Titanlegeringars egenskaper:• Mycket god korrosionshärdighet, lämpligt för inplantat

• Låg densitet 4,5 g/cm3 , en lättmetall

• Goda hållfasthetsegenskaper

• Goda egenskaper även vid höga temperaturer, > 500 °C

• Titan legeras med:• Palladium för att förhöja korrosionshärdigheten

• Aluminium och tenn, vanadin eller mangan för högre sträckgräns

26

Kopparlegeringar

• Koppar är vår äldsta metall, 6000 f.Kr.• Cuprum, Cu, ”metallen från Cypern”

• Koppar var Sveriges viktigaste exportvara på 1600-talet

• Ren koppar har mycket god ledningsförmåga• Bara silver är bättre

• God korrosionshärdighet

• Koppar legeras med:• Zink som ger mässing

• Tenn, Tenn+bly eller aluminium som ger brons• Bra lagermaterial

27

Nickellegeringar

• Nickel är ganska likt järn men har bättre korrosionsbeständighet

• Nickel används huvudsakligen till förnickling och som legeringsämne

• Nickellegeringar används i korrosivt besvärliga miljöer och vid höga temperaturer

• Vissa legeringar har extremt låg värmeutvidgning

28

Keramer:Kapitel 15• Keramer är oorganiska och icke-metalliska material som

framställs genom högtemperaturreaktioner > 600 °C• Traditionella keramer

• Lergods, tegel, glas, porslin, cement och betong

• Tekniska keramer• Aluminiumoxid, kiselnitrid, zirkoniumoxid och kiselkarbid

• Atomerna binds med kovalenta bindningar• Högre elasticitetsmodul

• Högre smältpunkt

• Lägre värmeutvidgning

29

Keramers egenskaper

• Hög hårdhet

• Hög E-modul, nästan dubbelt så stor som för stål

• Bibehållen hållfasthet vid höga temperaturer

• Ofta låg densitet jämfört med metaller

• Låg termisk värmeledningsförmåga

• Hög korrosionshärdighet

30

Tekniska keramer

• Aluminiumoxid (Al2O3, Alumina)• God värmechockbeständighet• Hög slitstyrka• Hög draghållfasthet• God elektrisk isolator• Används bl.a. i tändstift

• Diamant (C) • Hårdaste material vi har• Används vid slipning och skärande bearbetning

• Kvarts (SiO2, Silica)• Vanligaste keramen som används i glas och glaskeramer

• Kiselkarbid (SiC)• Mycket hårt• Hög ledningsförmåga• Används som hårdämne i slipskivor

31

Plast:Kapitel 16

• 1862 kom den första konstgjorda plasten, celluloid

• 1907 kom bakeliten

• På 30- och 40-talet kom PVC, PS, akrylplast, nylonfibrer och etenplast

• På 50- och 60-talet kom konstruktionsplaster: PP, PC, epoxy och glasfiberarmerad plast

• På 70-talet kom Kevlar, aramidfiber

• Nu används plast i så gott som samtliga branscher

32

Plast är en polymer med tillsatser

• Polymerer delas upp i:• Termoplaster• Härdplaster• Elastomerer, gummi

• Polymer betyder många enheter och enheten är ofta organisk t.ex. eten i polyeten, C2H4

• Molekylkedjorna kan bestå av 300 till flera tusen atomer• Molekylvikt för PE är 25 000 till 6 000 000 g/mol• Eten väger 28 g/mol

• Termoplaster har svaga bindningar mellan kedjorna

• Härdplaster har många starka tvärbindningar

• Elastomerer har få tvärbindningar

33

Sträckgräns – densitet för olika plaster

34Density (kg/m^3)

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400

Yie

ld s

tre

ng

th (

ela

sti

c l

imit

) (M

Pa

)

2

5

10

20

50

100Epoxies

Polyurethane

Polyethylene (PE)

Polypropylene (PP)

Polyvinylchloride (tpPVC)

Butyl rubber (IIR)

Silicone elastomers (SI, Q)

Polytetrafluoroethylene (Teflon, PTFE)

Polyetheretherketone (PEEK)Polyamides (Nylons, PA)

Mekaniska egenskaper för plaster

• Termoplaster• Låg styvhet och låg sträckgräns• Hög duktilitet• Tydlig glastemperatur, Tg, där plasten mjuknar• Kan återvinnas

• Härdplaster• Högre sträckgräns• Betydligt sprödare än termoplaster• Ingen tydlig glastemperatur utan smälttemperaturen, Tm styr• Kan inte återvinnas annat än som nedmalt fyllmedel

• Elastomerer• Låg styvhet och olinjärt elastiska• Elastisk töjning på över 200 %

35