Designkriterium: Brott i material - KTH
Designkriterium: Brott i material - KTH
Designkriterium: Brott i material - KTH
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Konstruktions<strong>material</strong>, 4H1068, 4p<br />
Adjunkt Anders Eliasson<br />
<strong>KTH</strong>/ITM/Metallernas gjutning<br />
<strong>Brott</strong>ytor, av metallprover med olika kornstorlek<br />
Föreläsning 9: <strong>Brott</strong> i <strong>material</strong><br />
• Förstå <strong>material</strong><br />
• Välja <strong>material</strong><br />
• Utveckla <strong>material</strong><br />
Repetion: Härdningsmekanismer<br />
Lektion 9<br />
• Korngränshärdning<br />
(Flerfasstruktur/Omvandlingshärdning)<br />
– Korngränser medför att dislokationerna ”stockas upp”<br />
vilket försvårar dislokationsrörelsen.<br />
– Fas-, resp atomordningsgränser är hinder för<br />
dislokationsrörelsen.<br />
• Lösningshärdning<br />
– Främmande atomer i det ordinarie gittret utgör hinder<br />
för dislokationsrörelsen.<br />
• Utskiljningshärdning<br />
– Utskilda partiklar är effektiva hinder för dislokationsrörelsen.<br />
• Deformationshärdning<br />
– Dislokationstrassel är effektiva hinder för dislokationsrörelsen.<br />
Repetion: Lösningshärdning<br />
Lektion 9<br />
• Legeringsatomer stör gittret och orsakar spänningar.<br />
• Spänningarna hindrar dislokationernas rörelse.<br />
• Små substitutionella<br />
legeringsatomer<br />
A<br />
B<br />
Legeringsatomerna orsakar en<br />
lokal spänning vid A och B som<br />
hindrar dislokationsrörelsen.<br />
• Stora substitutionella<br />
legeringsatomer<br />
D<br />
C<br />
Legeringsatomerna orsakar en<br />
lokal spänning vid C och D som<br />
hindrar dislokationsrörelsen<br />
Lektion 9<br />
Kursinformation<br />
• Lab 4, börjar ges under nästa vecka (v.39). Obs, sista labben,<br />
glöm inte tårta till assistenten ☺ Vid ej gk labtest måste ett<br />
nytt utföras senare för att få gk på lab, se länk på hemsidan.<br />
• Kontakta Matilda Tehler, matildat@mse.kth.se om labtider,<br />
som inte går ihop med ditt schema.<br />
• Kontrollskrivningen: Resultatet av denna anslås på<br />
kurshemsidan samt på kursanslagstavlan för MSE, i entrén<br />
BR23, senast 2006-10-09.<br />
• Föreläsningen: Onsdag 27/9, sal B2, kl 15-17, är inställd.<br />
• Kurslitteratur säljs på Tekn.-exp. MSE. Rum M125A. Må-Ti<br />
12-14, On 11-13, To-Fr 10-12 .<br />
• Obs, endast kortbetalning, ej kontanter.<br />
Repetion: Korngränshärdning<br />
(minskning av kornstorlek)<br />
• Korn (och fas-) gränser<br />
stoppar dislokationer.<br />
• Ju större skillnad mellan<br />
kornens orientering<br />
ju bättre stoppas<br />
dislokationerna.<br />
• Alltså: Små korn ger<br />
större motstånd mot<br />
dislokationsrörelsen.<br />
• Hall-Petch ekvationen:<br />
glid plan<br />
kd<br />
σ = σ +<br />
korn A<br />
−1/2<br />
0.2 o y<br />
Repetion: Utskiljningshärdning<br />
• Utskiljningshärdning (eller partikelhärdning)<br />
och innebär att man<br />
skapar många små partiklar (radie<br />
< 1 μm) som hindrar<br />
dislokationernas rörelser.<br />
• Samtidigt skapas mer ytor i<br />
<strong>material</strong>et och på samma sätt som<br />
för korngränshärdning betyder<br />
mycket ytor i ett <strong>material</strong> att det blir<br />
starkare.<br />
Temp. 1. Upplösningsbehandling<br />
3. Åldring<br />
2. Snabbkylning<br />
Tid<br />
FCC<br />
Lektion 9<br />
korn B<br />
korngräns<br />
FCC + Θ<br />
Lektion 9<br />
Lektion 9<br />
1
Repetion: Åldringens effekt på σ 0.2 och %EL<br />
sträckgräns (MPa)<br />
500<br />
400<br />
300<br />
övermättad<br />
fast lösning<br />
Många små<br />
partiklar<br />
“åldrad”<br />
204°C<br />
149°C<br />
färre större<br />
partiklar<br />
“överåldrad”<br />
200<br />
1min 1h 1dag 1mo1år<br />
åldringstid (h)<br />
0<br />
1min 1h 1dag 1mo 1år<br />
åldringstid (h)<br />
• Partiklarna hindrar dislokationernas<br />
rörelse och höjer sträckgränsen. %EL har ett minimum<br />
• σ0.2 har ett maximum efter en viss<br />
åldringstid.<br />
• Ökande åldringstemperatur<br />
påskyndar processen men ger lägre<br />
efter en viss åldringstid<br />
hårdhetsmaximum.<br />
Lektion 9<br />
%EL<br />
30<br />
20<br />
10<br />
204°C<br />
149°C<br />
Repetion: Betydelsen av kallbearbetning<br />
Viktigt...<br />
Spänning<br />
% kallbearbetning<br />
töjning<br />
• Sträckgränsen (σ 0.2 ) ökar.<br />
• <strong>Brott</strong>spänningen (σ B ) ökar.<br />
• Duktilteten (%EL eller %AR) minskar.<br />
• Hur kan <strong>material</strong>fel initiera brott?<br />
• Hur kan man jämföra olika <strong>material</strong>typer map brottbenägenhet?<br />
Vad menas med brottseghet?<br />
• Hur kan man uppskatta brottspänningen?<br />
• Hur inverkar belastningshastigheten, belastningshistorien<br />
och temperaturen på brottspänningen?<br />
Fartyg: cyklisk last<br />
från vågor.<br />
Föreläsning 9<br />
<strong>Brott</strong> i <strong>material</strong><br />
Datorchip:cyklisk<br />
termisk påverkan.<br />
Lektion 9<br />
Höftimplantat: cyklisk<br />
Belastning från gående.<br />
Lektion 9<br />
Repetion: Deformationshärdning<br />
• Deformation vid rumstemperatur (kallbearbetning).<br />
• Formningsoperationer som ändrar <strong>material</strong>ets<br />
tvärsnittsarea:<br />
-Smidning<br />
form<br />
Ao<br />
-Dragning<br />
Ao<br />
form<br />
33% kallbearbetad<br />
mässing<br />
kraft<br />
kraft<br />
Ad<br />
Ad<br />
drag<br />
kraft<br />
kraft<br />
- Valsning<br />
roll<br />
Ao<br />
- Extrusion<br />
Ao<br />
%CW = Ao − Ad x100<br />
Ao behållare<br />
stämpel<br />
Repetion: Rekristallisation<br />
0.6 mm 0.6 mm<br />
Nya kristallkorn<br />
Kärnbildas efter<br />
3 sec. vid 580C.<br />
roll<br />
• Nya kristallkorn bildas som:<br />
-- Har normal dislokationstäthet<br />
-- Är små (om kallbearbetningen stor)<br />
-- ”Äter upp” de kalldeformerade kristallkornen<br />
Design av konstruktions<strong>material</strong><br />
• <strong>Designkriterium</strong> 1: Formbarhet<br />
(låg sträckgräns, hög duktilitet)<br />
• <strong>Designkriterium</strong> 2: Styrka<br />
(hög sträckgräns, stor seghet)<br />
• <strong>Designkriterium</strong> 3: Uthållighet<br />
(egenskaperna förändras lite eller inte<br />
alls med avseende på tid, temperatur,<br />
miljö eller belastning)<br />
Ad<br />
matris fäste<br />
extrusion Ad<br />
matris<br />
Lektion 9<br />
Lektion 9<br />
Lektion 9<br />
2
<strong>Designkriterium</strong>: Uthållighet<br />
• Maximal last måste vara klart lägre än sträckgränsen<br />
så man ej får oönskad deformation eller<br />
brott i <strong>material</strong>et.<br />
• <strong>Brott</strong> kan även inträffa även vid spänningar lägre<br />
än sträckgränsen:<br />
– Slagbrott, vid plötslig last (speciellt vid låg temperatur)<br />
för <strong>material</strong> med låg duktilitet.<br />
– Utmattningsbrott, när <strong>material</strong>et utsätts för omväxlande<br />
drag och tryckspänningar.<br />
– Krypbrott, vid temperaturer > 0.4Tm.<br />
Om <strong>material</strong>et är utsatt för korrosion<br />
• Alla brott initieras av defekter i <strong>material</strong>et, inte<br />
genom att atombindningar slits isär.<br />
Lektion 9<br />
Hur känner jag igen brottmekanismen?<br />
• Duktilt brott: karakteriseras av kraftig plastisk<br />
deformation före och under brottets utbildande.<br />
• Sprött brott: karakteriseras av mycket liten<br />
plastisk deformation före och under brottets<br />
utbildande och en mycket hög utbredningshastighet<br />
av brottsprickan.<br />
• Utmattningsbrott: karakteriseras av att<br />
<strong>material</strong>et brister vid en spänning (belastning)<br />
som ligger (kraftigt) under både sträck-, och<br />
brottgräns, när denna spänning upprepas<br />
cykliskt, ett tillräckligt antal gånger.<br />
• Duktilt brott:<br />
Deformation av<br />
<strong>material</strong>et till en<br />
spets (halsbildning)<br />
innan brott.<br />
Duktilt – Sprött brott<br />
• Delvis duktilt<br />
brott:<br />
Någon halsbildning<br />
(plastisk deformation)<br />
innan brott<br />
• Sprött brott:<br />
Ingen plastisk<br />
deformation<br />
innan brott<br />
Lektion 9<br />
Lektion 9<br />
Olika brottmekanismer/brottyper<br />
• Duktilt brott<br />
• Sprött brott<br />
• Utmattningsbrott<br />
• Spänningskorrosion<br />
• Krypbrott<br />
• Obs, alla brott initieras av defekter i <strong>material</strong>et<br />
och inte genom att perfekta atombindningar<br />
slits isär.<br />
• Duktilt brott:<br />
-- Ett deformerat<br />
<strong>material</strong>stycke<br />
-- Stor plastisk<br />
deformation<br />
• Sprött brott:<br />
-- Många bitar<br />
-- Liten plastisk<br />
deformation<br />
Duktilt – Sprött brott<br />
Delvis duktilt brott (Kopp-konbrott)<br />
• Steg till brott:<br />
Midjebildning<br />
σ<br />
σ<br />
Partiklar fungerar<br />
som kärnbildningsplatser<br />
för sprickor<br />
Kärnbildning<br />
av porer<br />
50 μm<br />
Radiell spricktillväxt<br />
Lektion 9<br />
Lektion 9<br />
Glidning vid<br />
ytan, i 45° mot<br />
dragriktningen <strong>Brott</strong><br />
100 μm<br />
Lektion 9<br />
3
Sprött brott<br />
Ett sprött brott karakteriseras av en mycket liten<br />
plastisk deformation och en hög utbredningshastighet<br />
(sprött brott i lågkolhaltigt stål).<br />
Betydelsen av defekter för brott<br />
• Ett vanligt fönsterglas har en brottspänning på<br />
ca, σ B= 15-150 MPa.<br />
– En glastråd med en tvärsnittsarea av 1 mm 2 kan då<br />
belastas med 1-15 kg innan brott. (1 MPa = 1 N/mm 2 =<br />
0,1 kg/mm 2 ).<br />
Lektion 9<br />
• Samma glastråd etsad i fluorvätesyra medför en<br />
brottspänning på ca, σ B= 3500 MPa.<br />
– Nu klarar tråden att belastas med 350 kg innan brott.<br />
• Samma tråd under speciella omständigheter och<br />
låg temperatur får en brottspänning på ca, σ B=<br />
16000 MPa.<br />
– Nu kan tråden belastas med 1.6 ton ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !<br />
Lektion 9<br />
Materialfel koncentrerar spänningar!<br />
• Elliptisk hålighet i<br />
en plåt: σo<br />
2a<br />
• Spänningskonc faktor: Kt = σ<br />
max /σ<br />
o<br />
• Stora Kt gynnar brott:<br />
Inte<br />
så<br />
dåligt<br />
• Spänningsdistribution framför spetsen:<br />
σ<br />
⎛<br />
σmax ≈ σ ⎜<br />
o ⎝<br />
2<br />
a ⎞<br />
+ 1⎟<br />
ρt ⎠<br />
ρt<br />
Kt=3 Dåligt! Kt>>3<br />
Lektion 9<br />
• Interkristallin<br />
(i korngränserna)<br />
4 mm<br />
1 mm<br />
Ytorna vid sprödbrott<br />
304 rostfritt<br />
stål (metal)<br />
Polypropylen<br />
(polymer)<br />
• Dragprovkurvor (rumstemp):<br />
σ<br />
E/10<br />
E/100<br />
316 rostfritt<br />
stål. (metal)<br />
Al Oxid<br />
(keram)<br />
• Transkristallin<br />
(genom korn)<br />
160μm<br />
σB konstruktions<br />
<strong>material</strong><br />
3μm<br />
Ideala kontra verkliga <strong>material</strong><br />
Perfekt <strong>material</strong> utan fel<br />
Högkvalitativ glasfiber<br />
typisk keram Typisk härdad metal<br />
Typisk polymer<br />
ε<br />
Historisk notis ...<br />
• Leonardo DaVinci (för 500 år sedan)<br />
observerade...<br />
-- Desto längre en vajer är, ju<br />
mindre last kan den bära<br />
innan den brister.<br />
•Orsak:<br />
-- Defekter orsakar de flesta brott.<br />
-- En större <strong>material</strong>mängd har fler<br />
defekter!<br />
Geometri, last och <strong>material</strong><br />
• Villkor för spricktillväxt:<br />
K ≥ Kc<br />
Spänningsintensitets faktor:<br />
-- Beror på last och geometri.<br />
•VärdenpåKförnågra standardfall:<br />
σ<br />
σ<br />
2a<br />
Enhet för K<br />
MPa m<br />
K =σ πa K = 1.1σ πa<br />
• Villkor för spricktillväxt : K ≥ Kc<br />
a<br />
Lektion 9<br />
<strong>Brott</strong>seghet:<br />
-- Beror på <strong>material</strong>, temperatur,<br />
miljö och lasthastighet.<br />
Lektion 9<br />
KC = Yσ πa<br />
a är sprickans längd, Y är en<br />
<strong>material</strong>parameter<br />
• Den största mest spänningsutsatta sprickan växer först!<br />
-- Resultat 1: Max defektstorlek<br />
avgör designspänning.<br />
Kc σdesign <<br />
Y πamax σ<br />
Design mot spricktillväxt<br />
brott<br />
inget brott<br />
amax<br />
-- Resultat 2: Designspänning<br />
avgör max. defektstorlek.<br />
amax < 1<br />
⎛<br />
K<br />
⎞ 2<br />
⎜ c ⎟<br />
π ⎜<br />
⎝ Yσ ⎟<br />
design ⎠<br />
amax<br />
brott<br />
inget brott<br />
σ<br />
Lektion 9<br />
• Radien vid sprickspetsen<br />
är mycket<br />
liten!<br />
När början sprickan växa?<br />
σ<br />
• Resultat: spänningen vid<br />
sprickspetsen blir mycket<br />
stor.<br />
• Sprickan växer när<br />
spänningen vid spetsen är<br />
stor nog att:<br />
K ≥ Kc<br />
σ tip<br />
σ tip = K<br />
2π x<br />
I ett duktilt <strong>material</strong> kan spetsen<br />
på sprickan trubbas av genom att den deformeras.<br />
KIc(MPa · m 0.5)<br />
100<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0.7<br />
0.6<br />
0.5<br />
<strong>Brott</strong>seghet<br />
Grafit/<br />
Metaller Kompositer/<br />
Keramer/ Polymerer<br />
fibrer<br />
Halvledare<br />
Steels<br />
Ti alloys<br />
Al alloys<br />
Mg alloys<br />
Diamond<br />
Si carbide<br />
Al oxide PET<br />
Si nitride<br />
PP<br />
PVC<br />
<br />
Si crystal<br />
<br />
Glass-soda<br />
Concrete<br />
PC<br />
PS<br />
Polyester<br />
• Två möjliga utformningar...<br />
Design A<br />
-- Största defekt är 9 mm<br />
-- <strong>Brott</strong>spänning = 112 MPa<br />
K<br />
•<br />
c<br />
σc =<br />
Använd... Y πamax C-C(|| fibers) 1<br />
C/C( fibers) 1<br />
Al/Al oxide(sf) 2<br />
Al oxid/SiC(w) 3<br />
Al oxid/ZrO2(p) 4<br />
Si nitr/SiC(w) 5<br />
Glass/SiC(w) 6<br />
Y2O3/ZrO2(p) 4<br />
Glass 6<br />
ökande K<br />
1<br />
ökande<br />
atomer<br />
avstånd x<br />
från sprickspetsen<br />
Lektion 9<br />
K c metals<br />
K c comp<br />
K c cer ≈ Kc poly<br />
Designexempel: flygplansvinge<br />
• Materialet har Kc = 26 MPa*m -0.5<br />
Lektion 9<br />
Design B<br />
--använd samma <strong>material</strong><br />
--största defekt är 4 mm<br />
--brottspänning = ?<br />
• Utnyttja att: Y och Kc är samma i båda fallen.<br />
--Resultat:<br />
σ 112 MPa 9 mm<br />
4 mm<br />
( c amax )A = ( σc amax )B<br />
Svar:<br />
• Det lönar sig att minska storleken på defekterna!<br />
σ ( c)<br />
= 168MPa<br />
B<br />
Lektion 9<br />
5
Metoder att öka segheten<br />
Generellt gäller ju starkare <strong>material</strong> desto lägre seghet<br />
har <strong>material</strong>et.<br />
Materialet blir segare om man kan hindra spricktillväxten.<br />
Metoder:<br />
Introduktion av partiklar eller faser som<br />
(a) förlänger sprickans väg genom <strong>material</strong>et<br />
(b) stoppar sprickan<br />
Kom ihåg att:<br />
arbete =<br />
kraft x väg! ! !<br />
<strong>Brott</strong> vid slag (hastig belastning)<br />
• En ökande belastningshastighet, ε<br />
-- Ökar σy och σ B<br />
-- Minskar %EL<br />
σ y<br />
σ y<br />
σ<br />
σ B<br />
Lektion 9<br />
ε<br />
•Varför?<br />
En ökad deformationshastighet ger dislokationerna mindre<br />
tid att passera hinder, varför <strong>material</strong>et beter sig sprödare.<br />
Slag Energi<br />
större<br />
FCC metaller (e.g., Cu, Ni)<br />
Sprött<br />
σ B<br />
Temperaturberoende<br />
• Ökande temperatur...<br />
-- Ökar %EL och Kc (brottsegheten)<br />
Omslagstemperaturen<br />
.<br />
ε<br />
mindre<br />
BCC metaller (t.ex., järn för T < 911oC) polymerer<br />
Mer duktilt<br />
Hårdmetaller (σ y >E/150)<br />
Temperatur<br />
Omslagstemperatur<br />
(Ductile-to-brittle<br />
transition temperature)<br />
ε<br />
Lektion 9<br />
Lektion 9<br />
Metoder att öka segheten - Partikelkompositer<br />
10 μm<br />
Volframtungmetall. Partikelkomposit<br />
av Volfram i en matris av W-Ni-Fe.<br />
Slagprovning<br />
• Slagprovning: <strong>Brott</strong> vid hastig belastning<br />
-- Enkel provmetod<br />
-- Material beter sig mer sprött<br />
-- och mindre segt<br />
(Charpy)<br />
Slutlig höjd<br />
prov<br />
Lektion 9<br />
Ursprunglig höjd<br />
Lektion 9<br />
Historisk notis: Se till att man är över<br />
omslagstemperaturen!<br />
• Titanic<br />
• WWII: Liberty fartyg<br />
•Problem:<br />
Man använde stål med omslagstemperatur över rumstemperatur,<br />
vilket medförde att stålet hade en mycket<br />
låg brottseghet vid lägre temperaturer (sprött).<br />
Lektion 9<br />
6
• Utmattningsbrott = brott vid cyklisk spänning.<br />
prov<br />
lager<br />
Utmattningsbrott (fatigue)<br />
Tryck på ovansidan<br />
lager<br />
motor<br />
koppling<br />
Drag på undersidan<br />
• Spänningen varierar med tiden<br />
-- Viktiga parametrar är amplituden S<br />
och medelspänningen σm<br />
σmax • Viktigt: Utmatting ...<br />
-- Kan orsaka brott, även om<br />
σmax < σ 0.2 .<br />
-- Orsakar ~ 90% av alla brott i<br />
mekaniska apparater.<br />
σ min<br />
σ m<br />
σ<br />
räknare<br />
Utseende av utmattningsbrott<br />
S<br />
Lektion 9<br />
tid<br />
Striationer:<br />
”Vågmärken” efter<br />
utmattningsbrottets<br />
utbredning.<br />
Spricktillväxten syns i brottytan som ett<br />
solfjäder-format mönster<br />
Utmattningsbrott: ett <strong>material</strong> kan brista vid en spänning<br />
(belastning) som ligger under både sträck-, och brottgräns om<br />
denna spänning upprepas ett tillräckligt antal gånger.<br />
Lektion 9<br />
Metoder att öka utmattningsegenskaperna<br />
1. Inför tryckspänningar på ytan (för att förhindra att<br />
sprickor på ytan kan växa)<br />
-- Metod 1: “Blästring av ytan” -- Metod 2: Uppkolning<br />
shot<br />
C-rik gas<br />
utsätter<br />
ytan<br />
för<br />
tryckspänningar<br />
2. Avlägsna orsaker till spänningskoncentrationer.<br />
dåligt<br />
bättre<br />
Lektion 9<br />
Vad orsakar utmattningsbrott?<br />
• sprickor växer inkrementellt (stegvist)<br />
da<br />
dN<br />
= ( ΔK)m<br />
typ. 1 to 6<br />
~ ( Δσ)<br />
a<br />
• <strong>Brott</strong> i roterande trumma<br />
-- Sprickan växte fastän<br />
Kmax < Kc<br />
-- Sprickan växer fortare om:<br />
• Δσ ökar<br />
• Sprickan blir längre<br />
• Cyklernas frekvens ökar.<br />
• Utmattningsgräns, Sfat:<br />
-- Inget utmattningsbrott<br />
om S < Sfat<br />
• Ibland är utmattningsgränsen<br />
noll!<br />
ökning av sprickans längd per lastcykel<br />
sprickans start<br />
Designparametrar för utmattning<br />
S = spänningens amplitud<br />
Sfat<br />
säker<br />
farlig<br />
10<br />
N = Cykler till brott<br />
3 105 107 109 S = spänningens amplitud<br />
säker<br />
farlig<br />
10<br />
N = Cykler till brott<br />
3 105 107 109 Uppkolning (ythärdning)<br />
• Uppkolning (ythärdning):<br />
-- Kolatomer diffunderar in i<br />
stålet från ytterytan som<br />
står i kontakt med en kolrik<br />
atmosfär.<br />
-- Exempelvis interstitiell<br />
diffusion vid uppkolning<br />
av ett kugghjul.<br />
• Resultat: Det uppkolade<br />
kugghjulet är<br />
-- Hårdare: C atomerna låser<br />
atomplanes från glidning.<br />
-- Mindre sprickbenäget: C atomerna<br />
utsätter ytterytan för tryckspänningar.<br />
Lektion 9<br />
exempel för<br />
stål (typ.)<br />
exempel för<br />
Al (typ.)<br />
Lektion 9<br />
Lektion 9<br />
7
Historisk notis - Utmattningsbrott<br />
Före ångmaskinen förekom inga utmattningsbrott. När<br />
ingenjörerna för 150 år sedan försökte förstå varför man fick<br />
brott i starka järnaxlar eller räls kunde de se faceterade brottytor<br />
motsvarande vad man får vid brott i keramiska <strong>material</strong>. Man<br />
trodde därför att cyklisk belastning medförde att metaller<br />
kristalliserade och därför blev spröda och lättare gick sönder.<br />
Krypning – Plastisk deformation vid<br />
förhöjd temperatur<br />
• Dragprov vid temperaturer > 0.4Tmelt mäter krypning.<br />
σ<br />
σ<br />
ε<br />
x<br />
.<br />
lutning= εss = stabil kryp hastighet<br />
Log(tid)<br />
• Generellt:<br />
.<br />
εkeramer ss<br />
. .<br />
Inga korngränser ger inga krypbrott !!!<br />
Turbinblad tillverkas som enkristaller för att ha maximal styrka i<br />
radiell riktning. Men avsaknaden av korngränser förbättrar även<br />
krypegenskaperna, dvs varmhållfastheten av turbinbladen.<br />
Olika <strong>material</strong>s tidsberoende<br />
• Metaller: Metalliska <strong>material</strong> påverkas ofta ganska lite av<br />
tiden vid temperaturer under 0.4T m . Korrosion är dock<br />
alltid en risk.<br />
• Keramer: Keramer kan användas längre tid vid högre<br />
temperaturer, dels för att de ofta har högre smältpunkt,<br />
dels för att deras defekter har svårare att röra på sig.<br />
Korrosion är också ett mindre problem än i metaller.<br />
• Polymerer: Plaster förändras ofta snabbare med tiden än<br />
metaller och keramer. De har också ett mycket mindre<br />
temperaturintervall där de kan användas.<br />
Lektion 9<br />
• Kompositer: Måste ofta designas för den speciella<br />
tillämpningen och dess egenskaper kan förändras snabbt<br />
om man går utanför de kriterier som den designats för.<br />
Keramer<br />
Lektion 9<br />
• Formning av keramer kan vara besvärlig<br />
eftersom keramer inte är lika formbara som<br />
metaller. Slamformning av lera, betong etc. är<br />
vanligt. Tillverkningsmetoderna medför att stora<br />
mängder defekter (sprickor, föroreningar) byggs<br />
in i <strong>material</strong>et.<br />
• Keramer är generellt hållfastare än metaller men<br />
sprödare och defekterna medför att de lätt går<br />
sönder vid slag eller plötsliga laster.<br />
Lektion 9<br />
Materials uthållighet<br />
Med ett <strong>material</strong>s uthållighet menas att egenskaperna<br />
förändras lite eller inte alls med avseende på tid,<br />
temperatur, miljö eller belastning.<br />
Det som händer med tiden...<br />
- Är att olika defekter i <strong>material</strong>et kan röra sig<br />
(dislokationer, korngränser)<br />
- Eller växa (partiklar, sprickor) och ev. orsaka<br />
spänningskoncentrationer.<br />
Inverkan av miljön kan också orsaka nötning eller<br />
korrosion<br />
Metaller<br />
Lektion 9<br />
• Vid låga temperaturer kan omslagstemperaturen<br />
(för BCC metaller, t.ex. järn) orsaka problem vid<br />
plötsliga laster.<br />
• Vid temperaturer över 40% av smälttemperaturen<br />
(i Kelvin) är dislokationer och korngränser lättrörliga<br />
och diffusionen kan påverka partikeltillväxt<br />
etc. Sådana förändringar kan påverka metallens<br />
hållfasthet (krypning, överåldring).<br />
• Varierande last (utmattning) kan ge upphov till<br />
spricktillväxt och brott även vid låg temperatur och<br />
last.<br />
Polymerer<br />
• Dessa är uppbyggda av långa kolkedjor med<br />
starka kovalenta bindningar. Men kol kan lätt<br />
reagera med andra ämnen i omgivningen som<br />
syre, särskilt vid något förhöjd temperatur och<br />
medföra förändringar av egenskaperna.<br />
Lektion 9<br />
• Tvärbindningar som gör polymeren styvare kan<br />
uppstå eller brytas upp vid längre tids användning,<br />
elastiska polymerer blir styvare med tiden.<br />
• Polymerer som utsätts för en konstant belastning<br />
kan krypa, dvs förlängas i dragriktningen.<br />
Lektion 9<br />
9
Kompositer<br />
• Ett komposit<strong>material</strong> består ofta av ett hållfast<br />
<strong>material</strong> som lätt kan spricka och ett mjukare som<br />
hindrar sprickutbredningen. Det är viktigt att de<br />
olika <strong>material</strong>en kan samverka t.ex. vid temperaturförändringar.<br />
• Fiberarmerad plast har liknande egenskaper som<br />
polymerer men genom att man kan ha fibrerna<br />
orienterade i olika riktningar kan egenskaperna<br />
stabiliseras även under lång tid.<br />
• I armerad betong ger järnet draghållfastheten och<br />
cementen tryckhållfasthet, korrosionsskydd och viss<br />
värmeisolering.<br />
• Hårdmetall består av hårda partiklar (Volframkarbid)<br />
som hålls samman av en mjuk grundmassa<br />
(kobolt). Denna komposit behåller under lång tid sin<br />
hårdhet även vid de höga temperaturer man har vid<br />
skäret.<br />
Sammanfattning<br />
Lektion 9<br />
• Konstruktions<strong>material</strong> brister innan de utsätts för krafter<br />
motsvarande deras teoretiska hållfasthet eftersom:<br />
• Defekter orsakar spänningskoncentrationer som medför<br />
brott vid lägre extern last.<br />
• Spetsiga hörn orsakar stora spänningskoncentrationer<br />
och brott i förtid<br />
• Typen av brott beror på temperatur (T) och spänning (σ):<br />
•-för statisk σ och T < 0.4Tmelt, minskar brottspänningen<br />
med:<br />
- ökad storlek på defekter,<br />
- minskande T,<br />
- ökad belastningshastighet.<br />
•-för cykliska σ:<br />
antal cykler till brott minskar när Δσ ökar.<br />
•-för högre T (T > 0.4Tm):<br />
minskar tiden till brott när σ eller T ökar.<br />
Lektion 9<br />
Hur undviks katastrofer<br />
• Plötsliga laster (kollisioner): Material med viss<br />
duktilitet kan omfördela lasten och ta upp energi<br />
och minska risken för totalt brott.<br />
• Utmattning: kontroll av sprickor t.ex. i turbinblad<br />
genom ultraljudstester.<br />
• Brand: vid hög temperatur förlorar alla <strong>material</strong> till<br />
slut sin hållfasthet. Hållfastheten får inte försvinna<br />
så snabbt att man inte hinner evakuera en<br />
byggnad t.ex.<br />
• Låga temperaturer: Många <strong>material</strong> beter sig mer<br />
sprött vid låga temperaturer, t.ex. ferritiskt järn.<br />
• Översvämningar: Vatten i stora mängder som<br />
dessutom innehåller föroreningar kan ge kraftiga<br />
korrosionsskador, särskilt om <strong>material</strong>et<br />
ursprungligen var avsett för en torr miljö.<br />
Läsanvisningar<br />
Lektion 9<br />
• Kapitel 9<br />
– Sidor: 282-292, 309-318, 327-336, 337-345.<br />
– Typtal: 9.14, 9.19, 9.25, 9.30, 9.43, 9.49.<br />
Lektion 9<br />
10
Change language