Page 1

KARLEBO

KARLEBO

studerande på tekniska utbildningar och yrkesverksamma ingenjörer inom flera industrigrenar. I Materiallära finner läsaren utförliga uppgifter om konstruktionsmaterialens tekniska och fysikaliska egenskaper och metoder för tillverkning, prov, bearbetning och konstruktion. I denna femtonde reviderade upplaga är bildmaterialet helt omarbetat och alla uppgifter uppdaterade enligt de senaste europeiska standarderna. Ett nyskrivet kapitel om nanoteknik har tillfogats. Redaktör och huvudansvarig för revideringen av den nya upplagan är civilingenjör och teknologie doktor Willy Leijon som har lång erfarenhet inom fordons- och stålindustrin med ett flertal chefsbefattningar inom material- och hållfasthetsområdet. Till sin

M ATERI A LL Ä R A

M AT E R I A L L Ä R A är ett utmärkt verktyg för

KARLEBO

M ATERI A LL Ä R A Willy Leijon (red.)

hjälp har han anlitat några av Sveriges främsta experter som medförfattare och granskare av texten. Karlebo-serien består av kvalificerade tekniska handböcker som blivit ett begrepp inom svensk industri och utbildning. I Karleboserien ingår även Karlebo handbok och Karlebo svetshandbok.

Best.nr 47-10005-7 Tryck.nr 47-10005-7

9789147100053c1c.indd All Pages

12/19/13 11:05 PM


ISBN 978-91-47-10005-3 © 2014 Författarna och Liber AB Redaktör: Sören Carlsson Formgivning: Nette Lövgren Ombrytning: OKS Prepress Services Femtonde upplagan 1 Repro: OKS Prepress Services Tryck: Egypten 2014

KOPIERINGSFÖRBUD Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen! Kopiering, utöver lärares rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt BONUS-avtal, är förbjuden. BONUS-avtal tecknas mellan upphovsrättsorganisationer och huvudman för utbildningsanordnare t.ex. kommuner/universitet. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig erlägga ersättning till upphovsman/rättsinnehavare. Liber AB, 113 98 Stockholm Tfn 08-690 90 00 www.liber.se Kundservice tfn 08-690 93 30, fax 08 690 93 01 E-post kundservice.liber@liber.se

9789147100053b1-520c.indb 2

12/19/13 7:20 PM


Förord till utgåva 15 År 1948 utkom den första utgåvan av Karlebo Materiallära, författad av teknologie doktor Sven Brennert. Från och med utgåva 12 har civilingenjör Erik Ullman svarat för revideringar och kompletteringar. Erik var i många år vd för Metallnormcentralen och har skrivit flera böcker om material, speciellt olegerade konstruktionsstål. Från och med utgåva 15 bad han mig att ta över ansvaret för boken, som har varit till stor hjälp för tekniker inom såväl företag som undervisning. Den snabba tekniska utvecklingen inte minst inom materialområdet kräver fortlöpande omarbetningar. Ambitionen har varit att få med utvecklingen på såväl europeisk som global nivå. Samtidigt ger boken information om traditionell materialkunskap och tjänar därmed uppgiften som handbok för verksamma materialtekniker. Även inom standardiseringsområdet sker en ständig utveckling. Därför har stor möda lagts på att uppdatera standarder för samtliga material i boken. Speciellt bör de framväxande europeiska standarderna nämnas. På de områden där europeisk samordning inte är klar eller saknas gäller fortfarande svensk standard eller firmabeteckning för inte standardiserade material. För att säkerställa att rätt standard används bör man dock alltid kontrollera läget med SIS, Swedish Standards Institute. Materialläran omfattar många specialområden. För att klara detta har några av Sveriges främst experter anlitats i arbetet, dels som medförfattare till egna kapitel eller avsnitt och dels som granskare av texten. Medförfattarna är följande: Teknologie doktor Bertil Ahlblom, SSAB EMEA AB Teknologie doktor Per-Erik Augustsson, SSAB EMEA AB Teknologie doktor Martin Bellander, Scania CV AB Teknologie licentiat Magnus Bergström, tidigare Scania CV AB Professor Roger Carlsson Ph D Hans-Erik Ekström, SAPA Technology Ingenjör Ingvar Essinger, Johnson Metall AB Ph D Per Hansson, Product Manager SSAB EMEA AB

9789147100053b1-520c.indb 3

12/19/13 7:20 PM


M Sc Annikki Hirn, MD Nordic Galvanizers Civilingenjör Bengt Johansson, Scania CV AB M Sc Christer Jönsson, SAPA Technology Avdelningschef Christer Karlsson, SIS Vd Mikael Lesser, Nordic Brass Danmark A/S Bergsingenjör Magnus Lindenmo, Surahammars Bruk Bergsingenjör Ulf Lundell, Sandvik Materials Technology Civilingenjör Christer Lundemo, Scania CV AB Adjungerad professor Susanne Norgren, Sandvik Mining and Construction Utvecklingsingenjör Sven-Erik Stenfors, Scania CV AB Marianne och Rolf Sundberg, tidigare Outokumpu Copper R&D Teknologie licentiat Barbro E M Svensson, Vascaia AB M Sc Jan Tengzelius, Höganäs AB Jag vill tacka alla medförfattare för deras gedigna insatser och flera andra experter för värdefulla kommentarer. Speciellt vill jag rikta ett stort tack till Christer Karlsson, SIS, som förutom att ha skrivit två kapitel också har gått igenom standardiseringsfrågorna i övriga kapitel. Förlaget riktar också ett varmt tack till de författare som genom åren medverkat till att hålla detta verk levande från upplaga till upplaga. I synnerhet tackar vi de författare i föregående upplaga vars texter lever kvar i mer eller mindre bearbetad form: Civilingenjör Ulf Bengtson Överingenjör Kurt Edsmar Professor Claes I Helgesson Teknologie licentiat Åke Karlsson Professor Bertil Thunell Södertälje i oktober 2013 Willy Leijon

9789147100053b1-520c.indb 4

12/19/13 7:20 PM


Innehåll 1. 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14

Grundläggande materiallära . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Introduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Materialtekniska grunder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Bindningstyper och egenskaper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Periodiska systemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Kristallografi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Störningar i kristallgittret. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Fasta lösningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Fasdiagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Härdningsmekanismer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Seghet – sprödhet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Utmattning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Krypning och krypmekanismer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Legeringssystem och värmebehandlingssystem för stål . . . . . . . . . . . . . 72

2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

Materialstandarder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Stålprodukter – vad hände med 1312 och 2333?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Aluminium och koppar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Gjutlegeringar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Europeiska metallbeteckningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Amerikanska metallbeteckningar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Icke-metalliska material. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

3. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

Provningsmetoder för metalliska material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Dragprovning vid rumstemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Varmdragprovning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Krypprovning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Hårdhetsprovning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Utmattningsprovning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Slagprovning i Charpy-hejare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Djuppressningsprovning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Oförstörande provning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Barkhausentest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

4. 4.1 4.2 4.3 4.4

Stål. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Definition av järn och stål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tillverkningsmetoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Olegerade och legerade stål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kolstålens värmebehandling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9789147100053b1-520c.indb 5

112 113 114 122 123

12/19/13 7:20 PM


4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19

Stålens härdning och anlöpning (praktiska anvisningar) . . . . . . . . . . . . 136 Kolstålens egenskaper och behandling i övrigt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Legerade stål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Konstruktionsstål och verktygsstål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 Svetsning av konstruktionsstål. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Olegerade och mikrolegerade konstruktionsstål (inklusive maskinstål) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Tryckkärlsstål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Seghärdnings-, sätthärdnings- och nitrerstål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 Automatstål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Fjäderstål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Kallformning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Övriga konstruktionsstål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Stål och andra material för magnetiska ändamål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Verktygsstål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Rostfria stål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

5. 5.1 5.2 5.3 5.4

Gjutjärn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Inledning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Gråjärn, segjärn och vitjärn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Aducerjärn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 Kompaktgrafitjärn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

6. 6.1 6.2 6.3 6.4

Gjutstål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Tillverkningsmetoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Gjutstålsorter och standarder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Värmebehandling av gjutstål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 Struktur och egenskaper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

7.

Nickel och nickellegeringar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

8. 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 8.10 8.11

Aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 Användningsområden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 Framställning av aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 Gjutgods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 Legerings- och tillståndsbeteckningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 Legeringar för plastisk bearbetning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 Gjutlegeringar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 Värmebehandling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 Hållfasthet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 Formbarhet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 Skärande bearbetning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 Fogning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

9789147100053b1-520c.indb 6

12/19/13 7:20 PM


8.12 8.13 8.14

Korrosionsegenskaper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 Ytbehandling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 Materialstandarder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

9. 9.1 9.2

Övriga lättmetaller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 Magnesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 Titan och titanlegeringar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

10. 10.1 10.2 10.3 10.4.

Koppar och kopparlegeringar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 Koppar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 Mässing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 Bronser och rödmetaller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 Metaller – hälsa och miljö . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300

11. 11.1 11.2 11.3

Zink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 Zinkkvaliteter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 Framställning och egenskaper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 Användningsområden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304

12. 12.1 12.2

Tenn och bly. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 Tenn och tennlegeringar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 Bly och blylegeringar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

13.

Lagermetaller för glidlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

14. 14.1 14.2

Lödmetaller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 Mjuklödning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 Hårdlödning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324

15. 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5

Pulvermetallurgiska material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 Pulvermetallurgi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 Tillverkningsmetoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 Sinterstål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 Sinterbrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 Hårdmetall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334

16. 16.1 16.2 16.3 16.4

Korrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 Definitioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 Korrosionsteori med tillämpningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 Korrosionsskydd – principer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 Korrosionsprovning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357

17. 17.1 17.2

Ytbeläggningar på stål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 Rengöring före ytbehandling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 Icke-metalliska oorganiska beläggningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363

9789147100053b1-520c.indb 7

12/19/13 7:20 PM


17.3 17.4

Organiska beläggningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 Metalliska beläggningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369

18. 18.1 18.2 18.3 18.4 18.5 18.6 18.7

Plast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376 Historik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 Grundläggande definitioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 Klassificering av polymerer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381 Mekaniska egenskaper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 Tillverkningsmetoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 Plastmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 Återvinning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406

19. 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7

Elaster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408 Indelning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409 Historik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409 Tillsatser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410 Bearbetning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411 Mekaniska egenskaper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 Gummityper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420 Termoelaster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425

20. 20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6 20.7

Keramer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 Definitioner, allmänna egenskaper och tekniska tillämpningar . . . . . 431 Tillverkningsprocesser för keramer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 Några olika keramer, tillverkning och användningsområden . . . . . . . . 439 Mekaniska egenskaper hos keramer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452 Termiska egenskaper hos keramer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 Konstruera med keramer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465 Keramers egenskaper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466

21. 21.1 21.2 21.3

Trä . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468 Struktur och allmänna egenskaper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469 Fysikaliska och tekniska egenskaper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480 Produkter av trä . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490

22. 22.1 22.2 22.3 22.4

Produktansvar och leveranskontroll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494 Allmänna leveransbestämmelser för material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495 Ackreditering och certifiering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496 Produktskador och produktansvar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497 Kvalitetssäkring och kvalitetsledning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498

23. 23.1 23.2

Nanoteknik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500 Introduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501 Tillverkningsmetoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501

9789147100053b1-520c.indb 8

12/19/13 7:20 PM


23.3 23.4 23.5

Tillämpningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 Hälso- och miljöaspekter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506 Utveckling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508

Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510

9789147100053b1-520c.indb 9

12/19/13 7:20 PM


10

1. GRUNDLÄGGANDE MATERIALLÄRA

1. Grundläggande materiallära FÖRFATTARE: CIVILINGENJÖR ULF BENGTSON, UTBILDNINGSKONSULT

9789147100053b1-520c.indb 10

12/19/13 7:20 PM


11

1.1 Introduktion Förmågan att förutse och behärska händelser i naturen har genom vetenskaper, såsom fysik och kemi, omsatts i teknologier, som i grunden förändrat livsvillkoren för hela mänskligheten. Materialteknik intar på sätt och vis en särställning, genom att först under senare hälften av 1900-talet hitta sina förbindelselänkar mellan de vetenskapliga landvinningarna och industrisamhällets strävanden efter förverkligandet av nyttigheter. Materialtekniska frågeställningar ställer stora krav på förmåga att identifiera och särskilja de reaktionsförlopp som på grund av olika belastningar pågår i ett material. Materialtekniska frågeställningar kräver också insikter i att materialet i sig självt utgör en av hörnpelarna vid värderingen av produktansvar. I detta avsnitt, Grundläggande materiallära, presenteras viktiga generella modeller, som beskriver hur material kan förväntas reagera på värmebehandling och mekaniska laster. Framställningen bygger på förenklade atommodeller och utgår från grundämnenas periodiska system, metallernas kristallstrukturer, grundläggande mekanismer som metallernas löslighet, förekommande defekter som vakanser och dislokationer. I avsnittet fasdiagram (1.9) beskrivs de mest elementära begreppen som krävs för att förstå utskiljningshärdning och stålets värmebehandling. Vidare beskrivs i avsnittet om härdningsmekanismer (1.10) fyra grundläggande principer för att påverka de mekaniska egenskaperna. Avsnitten om seghet/sprödhet, utmattning och krypning (1.11–1.13) avser att dels göra konstruktören uppmärksam på fenomenen, dels anlita och förstå experthjälp. Avslutningsvis beskrivs grundläggande principer för stålets värmebehandling och några olika legeringssystem som ligger till grund för verktygsstål och rostfria material. Genom ett antal teori- och exempel-rutor anvisas några strategier, liksom metodik för val av material under konstruktionsarbetet. Efter varje större avsnitt återfinns en sammanfattning av de viktigaste begreppen.

9789147100053b1-520c.indb 11

12/19/13 7:20 PM


12

1. GRUNDLÄGGANDE MATERIALLÄRA

1.2 Materialtekniska grunder Eftersom ingen med egna ögon har sett en atom, kan man göra sig en modell av atomens byggnad enbart med utgångspunkt från de egenskaper som man kunnat observera indirekt. Den vedertagna modellen är i stora drag följande: Nästan hela atomens massa är koncentrerad till en atomkärna. Kärnan är uppbyggd av partiklar med positiv elektrisk laddning, protoner, samt oladdade partiklar, neutroner. Antalet protoner bestämmer vilket grundämne atomen tillhör. Koppar har 29 positivt laddade protoner. Detta antal kallas atomnumret. Antalet neutroner kan däremot variera mellan atomkärnor i ett och samma grundämne. Protonen och neutronen har lika stora massor. Grundämnets relativa atommassa (atomvikt) anger summan av atomens protoner och neutroner i förhållande till den så kallade atommassenheten. Summan av antalet protoner och antalet neutroner kallas ämnets masstal. De flesta kopparatomer innehåller 34  neutroner i kärnan. Variationen i antalet neutroner ligger till grund för begreppet isotop, det vill säga ett och samma grundämne med olika masstal. Kärnan omges av en svärm av elektroner, partiklar med cirka 1/2 000 av protonens massa. Se figur 1.1. De har en negativ laddning, som är lika stor som protonens positiva laddning. Antalet elektroner i elektronhöljet är för den neutrala atomen lika med antalet protoner eller atomnumret.

atomkärna

elektron

FIGUR 1.1. Den förhärskande bilden av atomers uppbyggnad grundar sig på en kärna som innehåller elektriskt neutrala neutroner samt positivt laddade protoner. Kring kärnan uppträder negativt laddade elektroner.

9789147100053b1-520c.indb 12

12/19/13 7:20 PM


1.2 MATERIALTEKNISKA GRUNDER

13

Elektronhöljet indelas i olika skal, inifrån räknat kallade K-skalet, L-skalet etcetera, som kan vara mer eller mindre fyllda med elektroner. Atomer som har helt fyllda skal tillhör gruppen ädelgaser och är mycket stabila. Elektroner i olika skal har olika energi. Dessutom finns inom varje skal olika energinivåer: s, p, d och f. Se figur 1.2. 3p 3d

3p

3p N M

4s

L

3s

3s

K

4s

3p

3p

3p

FIGUR 1.2. Skandiumatomens elektronfördelning. – Elektronerna kring atomkärnan fördelar sig på ett antal elektronskal: K, L, M och N. Inom varje skal finns olika energinivåer, exv. 3s och 3p i M-skalet (=3:e skalet).

De atomer som tillsammans bygger upp ett materials struktur samverkar med varandra på olika sätt. Man talar då om olika typer av atombindningar. Mellan atomer verkar krafter med dels attraherande, dels repellerande verkan. Den resulterande kraften mellan två atomer kan liknas vid två klot som samverkar genom en fjäder. Fjäderkonstanten kan ses som ett uttryck för materialets elasticitetsmodul. Figur 1.3. Mellan de attraherande och repellerande krafterna uppstår ett jämviktsläge där atomerna minimerar den resulterande kraften.

fjäderkonstant E

FIGUR 1.3. Alla atomer utför en slumpmässig svängningsrörelse kring den egna tyngdpunkten. Ämnets elasticitetsmodul E kan illustreras med fjäderkonstanten för de resulterande krafterna mellan atomerna.

9789147100053b1-520c.indb 13

12/19/13 7:20 PM


14

1. GRUNDLÄGGANDE MATERIALLÄRA

I jämviktsläget svänger atomerna slumpmässigt kring sin egen tyngdpunkt med en amplitud som beror på temperaturen. Eftersom energikurvan inte är symmetrisk kommer jämviktsläget att förskjutas i takt med ökande temperatur. Figur 1.4. Häri ligger förklaringen till ämnenas längdutvidgning. Energikurvornas utseende bestämmer även materialens elastiska egenskaper. Branta energikurvor visar att ämnet har hög elasticitetsmodul – styva fjädrar – och hög smälttemperatur. Flacka energikurvor tyder på låg elasticitet – mjuka fjädrar – och låg smälttemperatur. Alla grundämnen utom ädelgaserna har mer eller mindre instabila elektronstrukturer, som strävar efter att bli lika stabila som ädelgaserna. För att uppnå detta kan en atom antingen avge eller fånga upp elektroner och övergår då till en laddad partikel – en jon. Ett annat sätt för atomen att uppnå detta tillstånd är att dela elektroner med någon eller några andra atomer. Därvid uppstår en molekyl. Potentiell energi

Repulsion

Atomavstånd ro

Temperatur K Smälttemperatur

0K

Attraktion

FIGUR 1.4. Vid absoluta nollpunkten befinner sig atomerna i fullständig vila. Med stigande temperatur ökar svängningarnas amplitud – medelavståndet mellan atomerna ökar – varvid materialet förlänger sig.

9789147100053b1-520c.indb 14

12/19/13 7:20 PM


1.3 BINDNINGSTYPER OCH EGENSKAPER

15

1.3 Bindningstyper och egenskaper Jonbindning De atomer som har ett litet antal elektroner i sitt yttersta skal, exempelvis natrium, avger lätt dessa yttersta elektroner för att efterlikna ädelgasstrukturen. Atomen övergår då till en positivt laddad jon. De atomer som saknar någon eller några elektroner för att fylla ett skal fångar på motsvarande sätt in elektroner och bildar negativa joner, exempelvis klor. Vanligt koksalt NaCl kan förekomma i både vattenlösning med fritt rörliga joner och i kristallform där jonerna ordnat sig i regelbundet mönster som hålls samman av elektrostatiska krafter. Detta är även den dominerande bindningstypen hos keramer. Figur 1.5.

FIGUR 1.5. Jonbindning. NaCl-kristall.

Kovalent och metallisk bindning För att närma sig ädelgasstruktur delar många atomer på en eller flera elektroner. Syreatomen föredrar att samverka med en annan syreatom, för att dela elektroner med denna. På liknande sätt strävar metallatomerna efter att dela elektroner mellan sig i den metalliska bindningen. Figur 1.6 och 1.7.

FIGUR 1.6. Kovalent bindning. Syrgasmolekyl.

9789147100053b1-520c.indb 15

FIGUR 1.7. Metallisk bindning. Kopparkristall.

12/19/13 7:21 PM


16

1. GRUNDLÄGGANDE MATERIALLÄRA

van der Waals bindning Utöver beskrivna bindningstyper uppträder flera svaga bindningskrafter, då atomerna kommer nära varandra. De enskilda molekylkedjorna i en polymer hålls samman av kovalenta bindningar, medan kedjorna sinsemellan i huvudsak binds samman av van-der-Waals-krafter. Detta bindningsförhållande ligger till grund för plastens unika deformationsegenskaper. För olika bindningstyper gestaltar sig de tidigare energimodellerna olika. Kurvan i figur 1.8 för van der Waals bindning visar att material som företrädesvis sammanhålls av denna bindningstyp bör ha hög utvidgningskoefficient, låg elasticitetsmodul och låg smälttemperatur. Kurvan för jonbindning visar på motsvarande sätt låg utvidgningskoefficient och hög elasticitetsmodul och hög smälttemperatur. Som synes intar metallerna ett mellanläge mellan plaster och keramer. I figur 1.9 visas energikurvorna för dels bly och dels volfram. Energikurvorna representerar indirekt även kraftjämvikten mellan atomerna i kristallgittret. Bly har en grund och flack energikurva och når snabbt upp till smälttemperaturen, det vill säga den temperatur där krafterna mellan atomerna inte längre förmår hålla samman kristallen. Medelsvängningsläget förändras med stigande temperatur. Värdet a i figuren, det vill säga medelsvängningslägets förskjutning i sidled, ökar snabbt för varje grads temperaturökning, vilket är liktydigt med en hög längdutvidgningskoefficient. För volfram, som har en djup och brant energikurva, innebär en motsvarande förändring av temperaturen endast en liten förändring av medelsvängningsläget – värdet b i figur 1.9. Volfram med sin höga smälttemperatur har en låg längdutvidgningskoefficient. Potentiell energi

Potentiell energi

van der Waals’bindning – plaster

Metallisk bindning – metaller a

Jonbindning – keramer

Atomavstånd Atomavstånd Pb

Temperatur ˚K Smälttemperatur

0 ˚K W

Temperatur ˚K

b

0 ˚K

FIGUR 1.8. Energikurvor för olika bindningstyper.

9789147100053b1-520c.indb 16

FIGUR 1.9. Olika metalliska grundämnen uppvisar olika energikurvor beroende på bindningskrafterna mellan atomerna. Bly har till skillnad från volfram en flack energikurva och når snabbt upp till smälttemperaturen.

12/19/13 7:21 PM


1.4 PERIODISKA SYSTEMET

17

1.4 Periodiska systemet Trots den stora mångfald av material som finns är antalet olika atomer som utgör byggstenarna i material starkt begränsat. Något över ett hundra olika atomslag har identifierats och beskrivs i grundämnenas periodiska system. Se figur 1.10. Grundämnena till vänster – Li, Na etcetera – har lätt för att avge elektroner och således bilda positiva joner. Ämnena till höger – F, Cl etcetera – fångar upp elektroner för att fylla sina skal och övergår då till negativt laddade joner. Viktiga materialegenskaper för konstruktions- och produktutvecklingsarbetet kan hämtas från det periodiska systemet. Tidigare har nämnts elasticitetsmodul, längdutvidgningskoefficient och smälttemperatur. Det är viktigt att komma ihåg att dessa egenskaper som är förankrade på atomnivå inte kan påverkas genom värmebehandling eller kallbearbetning. Elasticitetsmodulen är lika stor för det härdade fjäderstålet med sträckgränsen 1 300 MPa, som för samma stål i glödgat tillstånd med sträckgränsen 300 MPa. På insidan av bakre pärmen i denna bok återfinns periodiska systemet med information om bland annat grundämnenas fysikaliska och termiska egenskaper.

1a

2a

3b

4b

5b

6b

7b

8b

1b

2b

3a

4a

5a

6a

7a

8a

H

He

1

0,3 –

0,9 –

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

2

1,3 1,6

1,1 1,1

0,9 1,0

0,8 0,9

0,7 0,9

0,7 –

0,6 –

1,3 –

Na Mg 3 1,55 1,4

4

5

Al

Si

P

S

Cl

Ar

1,3 1,4

1,2 1,3

1,1 1,3

1,0 1,3

1,0 –

1,7 –

1,9

1,6

K

Ca Sc

Ti

V

Cr Mn Fe Co

Ni

Cu Zn Ga Ge As Se

Br

Kr

2,0 2,4

1,7 2,0

1,3 1,4

1,2 1,3

1,2 1,25

1,4 1,2

1,35 1,25

1,1 –

1,9 –

1,4 1,7

1,2 1,2

1,2 1,2

1,3 1,2

1,3 1,3

1,3 1,5

1,2 1,4

1,2 1,4

1,1 1,4

Rb

Sr

Y

Zr

Nb Mo Tc

Ru Rh Pd Ag Cd

In

Sn Sb

Te

I

Xe

2,1 2,5

1,9 2,3

1,6 1,8

1,45 1,6

1,3 1,4

1,3 1,3

1,4 1,7

1,4 1,55

1,4 1,6

1,3 1,6

1,3 –

2,1 –

Cs Ba La

Hf

Ta

W

Re Os

1,7 1,45 1,85 1,6

1,3 1,5

1,3 1,4

1,3 1,35

6

2,3 2,8

2,0 2,2

Fr

Ra Ac

7

– 2,9

– 2,3

1,3 1,35

– 1,3

1,3 1,3

1,3 1,3

1,3 1,3

1,5 1,4

1,5 1,5

Ir

Pt

Au Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

1,3 1,3

1,35 1,4

1,5 1,4

1,5 1,9

1,5 1,95

1,5 1,8

1,5 1,8

– –

2,15 –

1,5 1,5

– 2,0

FIGUR 1.10. Periodiska systemet. Övre siffran anger kovalent radie, undre siffran atomradien för metallisk bindning. Det skuggade området markerar metallerna.

9789147100053b1-520c.indb 17

12/19/13 7:21 PM


18

1. GRUNDLÄGGANDE MATERIALLÄRA

1.5 Kristallografi Kristallina och amorfa material Bland tekniskt intressanta material kan man urskilja två huvudgrupper, nämligen kristallina (metaller) och amorfa (glas och många plaster). Beroende på hur atomerna orienterar sig i förhållande till varandra, grundläggs flera tekniskt intressanta egenskaper på denna mikronivå. De kristallina ämnena byggs upp av ett regelbundet tredimensionellt mönster – kristaller – medan det i amorfa material saknas regelbundenhet. De amorfa ämnena har stor likhet med trögflytande vätskor. Se figur 1.11. A

B

FIGUR 1.11. Tvådimensionell bild av (A) kristallstruktur – metaller och (B) amorf struktur – glas och keramik. Observera metallens regelbundna byggnad.

De flesta metalliska grundämnen kristalliserar i enkla strukturer. Vid rumstemperatur uppvisar cirka 70 % av dem kubisk eller hexagonal tätpackning medan cirka 25 % föreligger i kubiskt rymdcentrerad struktur. FCC

Kubisk ytcentrerad – face centred cubic. Figur 1.12. Exempel: koppar och aluminium. BCC Kubisk rymdcentrerad – body centred cubic. Figur 1.13. Exempel: järn och krom. HCP Hexagonal tätpackad – hexagonal closed-packed. Figur 1.14. Exempel: zink och titan. Kristalltyperna som visas i figur 1.12–1.14 kallas för enhetsceller. Dessa kan liknas vid geometriska kroppar med atomerna som runda sfärer. Atomerna intar bestämda platser, beroende på atomslag. Atomernas utrymme definieras genom deras atomradier och cellens gitteravstånd. Dessa storheter återfinns i periodiska systemet. Se figur 1.10.

9789147100053b1-520c.indb 18

12/19/13 7:21 PM


1.5 KRISTALLOGRAFI

FIGUR 1.12. Kubisk ytcentrerad kristall – FCC. Koppar, nickel och guld.

FIGUR 1.13. Kubisk rymdcentrerad kristall – BCC. Järn, krom och volfram.

19

FIGUR 1.14. Hexagonal tätpackad kristall – HCP. Zink och magnesium.

För många tekniska processer spelar kristalltypen en avgörande roll. Se periodiska systemet. Exempelvis övergår rent järn vid 910 °C från BCC-struktur (alfajärn, ferrit) till FCC-struktur (gammajärn, austenit). Detta har en avgörande effekt på hur mycket kol som kan lösas i järn. Under 910 °C i BCC-struktur är lösligheten endast några hundradels procent. I FCC-struktur kan den uppgå till 2 %. I figur 1.15 och 1.16 visas BCC- och FCC-kristaller med atomernas verkningsradier representerade som sfärer. Håligheterna i kristallerna – interstitiallägena – är utmärkta platser för mindre atomer, såsom kol och väte. Man kan geometriskt visa att FCC-strukturen har större håligheter än BCC-strukturen. Detta, i kombination med hög temperatur som exempelvis hos austenit, är orsaken till austenitens mycket stora löslighet för kol.

FIGUR 1.15. Atommodell av BCC-kristall.

9789147100053b1-520c.indb 19

FIGUR 1.16. Atommodell av FCC-kristall.

12/19/13 7:21 PM


20

1. GRUNDLÄGGANDE MATERIALLÄRA

TEORI

Plan och riktningar i kristaller I en kristall som plastiskt deformeras glider hela atomplan mot varandra. Det finns i kristallerna riktningar och plan som har större packningstäthet än andra. I figur 1.17 visas att FCC-kristallen har tre fördelaktiga riktningar som är kopplade till plan vilka uppträder i 4 möjligheter. Antalet glidsystem sägs vara 3 . 4 = 12 stycken. I HCP-kristallen (figur 1.18) finns också 3 riktningar, men bara ett fördelaktigt plan. Antalet glidsystem är 3 . 1 = 3 stycken. Antalet glidsystem är ett uttryck för hur lätt det är att deformera en metall, utan att den spricker. Koppar, aluminium och nickel (FCC) har 12 glidsystem, medan zink, magnesium och kadmium (HCP) har 3. För att en metall ska kunna deformeras utan att sprickor uppstår i korngränserna, måste det finnas minst 5 glidsystem. I figur 1.19 visas hur enkristaller av FCC respektive HCP-kristaller påverkas vid skjuvning. HCP-metallerna (Mg, Zn och Cd) uppnår de kritiska skjuvspänningarna då glidning av hela atomplan inträffar långt före FCC-metallerna (Cu, Ni och Al).

Skjuvspänning MPa FIGUR 1.17. Glidriktningar och glidplan i FCC-kristall.

Cu 60

Ni 45 Al

30 FIGUR 1.18. Glidriktningar och glidplan i HCP-kristall.

Mg 15

Zn

Cd 0 1

2

3

4

5 Skjuvning

FIGUR 1.19. Kritisk skjuvspänning för FCC- och HCP-metaller.

9789147100053b1-520c.indb 20

12/19/13 7:21 PM


1.6 STÖRNINGAR I KRISTALLGITTRET

21

1.6 Störningar i kristallgittret De rena grundämnena och enkristallerna har liten praktisk användning. Det är först när störningar av olika slag införs i kristallbyggnaden, som intressanta tekniska egenskaper erhålls. Tekniskt är det de mekaniska spänningarna som störningarna förorsakar i gittret som ger förändrade egenskaper. Naturen bidrar själv med vissa av dessa störningar. Se figur 1.20. En vakans i ett kristallgitter innebär att en atom saknas. Den tomma platsen kan naturligtvis besättas av en näraliggande grannatom, men detta betyder bara att den tomma platsen flyttat sig ett steg. Vakanser kan genereras från kristallytan och utövar viss attraktionskraft på varandra. Detta betyder att flera vakanser genom anhopning kan skapa defekter i ett material, som på sikt startar sprickor. En atom kan också lämna sin ordinarie gitterplats och inta interstitialläge. En kombination av en vakans och en atom i interstitialläge kallas Frenkeldefekt. Se figur 1.20. Antalet vakanser är beroende av temperaturen och ökar med stigande temperatur. substitutionsatomer

vakans

frenkel defekt

interstitial

FIGUR 1.20. Några vanliga kristalldefekter. Det är de elastiska störning-

arna i form av töjningar, som påverkar egenskaperna.

Främmande atomer förekommer i alla tekniska material, antingen som föroreningar eller som legeringselement. I princip kan dessa atomer välja plats i gittret på två olika sätt: antingen på en ordinarie gitterplats som substitutionsatom eller i ett tomrum i gittret som interstitial. Det är vanligen atomer med liten radie, kolatomer, väteatomer etcetera, som intar interstitiallägen. Ett undantag utgörs av material som har utsatts för radioaktiv strålning. I dessa fall har mycket energirika partiklar trängt in i kristallstrukturen utan hänsyn till gitterplatser. Dessa partiklar förorsakar kraftiga störningar i gittret, vilket innebär att material i reaktorsammanhang ständigt genomgår en förändring.

9789147100053b1-520c.indb 21

12/19/13 7:21 PM


22

1. GRUNDLÄGGANDE MATERIALLÄRA

TEORI

Fasta lösningar. I en metallkristall kan främmande atomer placera sig i värdgittret, utan att kristalltypen ändras. Lösligheten styrs främst av att: 1.

Skillnaden i atomradier ska vara så liten som möjligt.

2. Värdgitter och inlösta atomer ska helst vara av samma kristalltyp. 3. De ingående atomslagen ska inte bilda nya kemiska föreningar – låg kemisk affinitet. 4. Lösligheten ökar ofta med stigande temperatur. Se figur 1.21. I det enfasiga området har metallen en enhetlig kristallstruktur. Radieskillnaden kan beräknas enligt följande formel:

δ=

r0 − r r0

δ = procentuell radieskillnad r0 = värdämnets atomradie r = inlösta atomernas radie

100%

– Om radieskillnaden är mindre än cirka 8 % föreligger möjlighet för fullständig löslighet. – Om radieskillnaden ligger mellan 8 och 15 % är lösligheten begränsad. – Om radieskillnaden är större än 15 % är lösligheten mycket liten. Temperatur

Enfasigt område

Tvåfasigt område

100% A 0% B

FIGUR 1.21. Värdgittrets förmåga att placera främmande atomer i det egna gittret (enfasigt område) ökar med temperaturen.

% löst B

En annan typ av defekt som genereras av naturen själv är dislokationer. Dessa kan i sin enklaste form liknas vid ett extra plan av atomer som avslutas mitt inne i kristallstrukturen. Se figur 1.22. Dislokationer uppträder ofta i slutna slingor. Man skiljer på kant- och, skruvdislokationer beroende på var i slingan man betraktar dem. Alla metalliska material innehåller ett mycket stort antal dislokationer. Dessa återfinns i kristallstrukturen i alla möjliga riktningar och befinner sig i ett passivt tillstånd, så länge som materialet inte deformeras.

9789147100053b1-520c.indb 22

12/19/13 7:21 PM


1.6 STÖRNINGAR I KRISTALLGITTRET

23

FIGUR 1.22. Förenklad modell av en kristall med ett halvt extra atomplan som skapar en dislokation. Dislokationen är ett linjefel som sträcker sig långt in i kristallen.

En dislokation innebär, på samma sätt som de tidigare beskrivna defekterna, lokala spänningskoncentrationer i kristallen. På dislokationens översida uppstår tryckspänningar och på undersidan dragspänningar. Eftersom kristallen töjs på undersidan ökar också utrymmet i interstitiallägena. Därmed blir utrymmet under dislokationen speciellt attraktivt för små lättrörliga atomer. Vid stora spänningar i kristallen kommer en nyalstring av dislokationer att ske genom så kallade dislokationsgeneratorer. Utsätts ett material för drag- eller tryckkrafter uppstår det skjuvspänningar i kristallstrukturen. Figur 1.23. Om dessa spänningar uppnår ett visst värde, kommer dislokationen genom den elastiska deformationen i kristallen att byta atomplan, och stegvis förflytta sig en sträcka motsvarande ett atomavstånd i kristallen. Om skjuvspänningen bibehålls och om inte några hinder stoppar dislokationen, kommer den att genomlöpa hela kristallen. Det har uppstått en permanent förändring – kristallen har plasticerats.

9789147100053b1-520c.indb 23

W

W

W

W

W

W

W

W

W

W

W

FIGUR 1.23. Vid en tillräckligt stor deformation kommer det extra atomplanet vid dislokationen att överta bindningen från närmaste atomplanet.

W

12/19/13 7:21 PM


24

1. GRUNDLÄGGANDE MATERIALLÄRA

Alla defekter påverkar den omgivande kristallen med drag- eller tryckspänningar. Dislokationen skapar ett spänningsfält omkring sig. Det är rörligheten hos dislokationens spänningsfält i samverkan med de fasta spänningsfälten (som andra defekter, vakanser, främmande atomer erbjuder) som ligger till grund för materialens deformationsegenskaper. Genom att hindra dislokationerna från att röra sig kan man avsevärt utöka ett materials elastiska område. TEORI

I en prismatisk stav som utsätts för enaxlig dragning uppstår det både skjuvspänningar och dragspänningar i plan som inte ligger vinkelrätt mot dragriktningen. Observera att stavens bredd är 1 längdenhet. F

Kraften som drar i staven: F = σ · (AB) D'

Skjuvkraftkomposanten i planet A’BCD’: A'

Fr = F · cosα

σα

α

1 C

D

Skjuvspänningen i planet A’BCD’: τ =  

σ τ

B

A

F ⋅ cos α (A 'B )

Härav följer att:

F

τ =   σ  ⋅ (AB ) ⋅ 

cos α

FIGUR 1.24. I en dragbelastad stav uppträder skjuvspänningar i plan som inte är vinkelräta mot dragriktningen.

(A 'B )

och med: (AB ) (A 'B )

= sinα ⇒ τ = σ ⋅ sinα ⋅ cosα

Om planets vinkel får variera mellan 0° och 90° antar skjuvspänningen maximalt värde vid vinkeln 45°. I figur 1.25 visas skjuvspänningens värde som funktion av vinkeln α. Eftersom det är skjuvspänningarna som driver fram dislokationerna vid en deformation är det alltså de plan som bildar 45° med dragriktningen som först aktiveras. τmax = 0,5 · σ

τ

τmax

FIGUR 1.25. Dragspänningen i en stav förorsakar både drag- och skjuvspänningar i plan som inte ligger vinkelrätt mot dragriktningen. 0°

9789147100053b1-520c.indb 24

45°

90° ∝

12/19/13 7:21 PM


1.6 STÖRNINGAR I KRISTALLGITTRET

25

Hårdhet. Vid mätning av hårdhet, som principiellt definieras som kraft/yta, pressas en kropp in i materialet, och deformationen – intrycket i kroppen – utgör ett mått på materialets hårdhet. De största skjuvspänningarna uppträder i 45° vinkel mot tryckkraften. Se figur 1.26. u √2

F

u

u 2 I

A

FIGUR 1.26. När en kropp pressas mot en yta uppstår maximala skjuvspänningar i plan som ligger i 45° vinkel mot tryckkraften.

u√2

A √2

A

A

FIGUR 1.27. Kroppen som pressas in i materialet utför ett deformationsarbete genom förskjutning av bredvidliggande prismor.

En förenklad bild av deformationerna kring den inträngande kroppen visas i figur 1.27. Arbetet som krävs för att pressa ner det prisma som ligger under den inträngande kroppen samt förskjuta bredvidliggande prismor kan uttryckas som:

F ⋅ u   =  2 ⋅ 

A

⋅  τ  ⋅ u   2   +  2 ⋅  A  ⋅  τ  ⋅ u   +   4  ⋅ 

2

A

2

⋅  τ  ⋅

u 2

och efter förenkling F=2·A·τ+2·A·τ+2·A·τ

F A

= 6 ⋅ τ

Eftersom hårdheten definieras som kraft/yta och skjuvspänningen maximalt kan uppgå till halva drag-/tryckspänningens värde kan resultatet ovan uttryckas som:

H = 6 ⋅ 

Re A

⇒ H =  3 ⋅ Re

där H = materialets hårdhet och Re = materialets sträckgränsvärde.

SAMMANFATTNING ■ Alla material är uppbyggda av atomer. ■ I atomens kärna återfinns neutroner och positivt laddade protoner. ■ Kring atomkärnan uppträder negativt laddade elektroner på bestämda avstånd – elektronskal. ■ Atomer som har överskott eller underskott av elektroner uppträder som laddade joner.

9789147100053b1-520c.indb 25

12/19/13 7:21 PM


26

1. GRUNDLÄGGANDE MATERIALLÄRA

■ Atomer samverkar med varandra genom olika bindningstyper – jonbindning, kovalent bindning eller metallisk bindning. Atomerna i metaller ordnar sig i kristallgitter – främst FCC, BCC och HCP. ■ Alla kristallina material är behäftade med speciella defekter: – Vakans innebär en obesatt plats i kristallgittret. – Substitutionsatom är en främmande atom på ordinarie gitterplats. – Interstitial är en främmande atom i kristallens hålrum. – Dislokation är ett byggfel i kristallgittret. ■ Det är inte defekterna i sig som ger förändrade mekaniska egenskaper, utan de spänningar som de ger upphov till i kristallen och som försvårar dislokationernas rörelser.

1.7 Fasta lösningar En kristalls förmåga att ta till sig främmande atomer, antingen som substitutionsatomer eller som interstitialer, är som regel begränsad. Flera faktorer inverkar på lösligheten. Främst beror lösligheten på de främmande atomernas radie. Om radien skiljer sig för mycket från värdgittrets atomradier (vid substitutionsatomer), begränsas lösligheten. Olika kristallstrukturer, FCC-strukturer som blandas med HCP-strukturer, begränsar lösligheten. Även hög kemisk affinitet – atomerna föredrar att bilda en ny stabil kemisk förening till exempel Fe3C – begränsar lösligheten. Endast ett fåtal legeringssystem uppvisar fullständig löslighet för de ämnen som ingår. Exempel är guld–koppar (över 400 °C) och koppar–nickel. I dessa legeringssystem samsas atomerna om en enhetlig kristallstruktur – FCC – oavsett blandningsförhållandet. I andra system, exempelvis aluminium–koppar, som inte har fullständig löslighet för de ingående atomslagen, kan så kallade intermediära faser uppträda. Dessa är enfasiga, det vill säga de har enhetlig och ofta komplicerad kristallstruktur och är vanligen hårda och spröda. I figur 1.28 visas kolets löslighet i BCC-järn. Genom kolatomens avsevärt mindre atomradie uppträder den som interstitial på mellanrumsplatser i järnets BCC-kristall. Som diagrammet visar är lösligheten försvinnande låg vid rumstemperatur, för att med stigande temperatur uppgå till cirka 0,010 % C vid 600 °C. Genom att järn ändrar sin kristallstruktur vid 910 °C från BCC till FCC uppstår en språngvis förändring i lösligheten för kol. Över 910 °C är lösligheten för kol cirka 100 gånger större i FCC-strukturen än i BCC-strukturen. Just detta förhållande utgör grunden för de värmebehandlingsprocesser som gör det möjligt att härda stål. Löslighetsbegreppet är av central betydelse inom materialtekniken. Redan under framställningen av stål visar det sig att gaser såsom syrgas, kvävgas och koloxid löser sig i det smälta järnet.

9789147100053b1-520c.indb 26

12/19/13 7:21 PM


1.7 FASTA LÖSNINGAR

27

Temperatur C°

600 500 400 300 200 100

0.005

0.010

0.015

C%

FIGUR 1.28. Lösligheten av kol i BCC-järnkristaller är mycket liten vid rumstemperatur.

I FCC-struktur (austenit) kan lösligheten uppgå till cirka 2 %.

En behandlingsmetod såsom utskiljningshärdning grundar sig på att vissa legeringar vid högre temperaturer fullständigt löser tillsatsämnet, men uppträder som övermättade fasta lösningar vid lägre temperaturer. Vid korrosion är det inte vattnet som är den grundläggande orsaken till rostangreppen, utan det i vattnet lösta syret, som främst styr korrosionsförloppet. Övre och undre sträckgräns Fenomenet med dislokationer, vakanser och främmande lösta atomer i kristaller (se avsnitt 1.6) visar sig praktiskt hos stål i en övre och undre sträckgräns. En dislokation är inte bara en geometrisk störning i kristallen. Den förorsakar även komplicerade spänningsbilder i sin omgivning. Se figur 1.29. Med hjälp av vakanserna och hålrummen i kristallen kommer främmande atomer att söka sig till området kring dislokationen. Mot undersidan av dislokationen, där gittret redan är uttöjt, kommer både vakanser och främmande atomer

tryckspänningar

skjuvspänning

skjuvspänning

dragspänningar

9789147100053b1-520c.indb 27

FIGUR 1.29. Spänningsförhållandet kring dislokationen utgör grund för förändrade mekaniska egenskaper. I dislokationens underkant uppstår en töjning i kristallgittret.

12/19/13 7:21 PM


28

1. GRUNDLÄGGANDE MATERIALLÄRA

att söka sig. Detta innebär att dislokationen låses hårdare fast i sitt läge och skjuvspänningen, som normalt skulle få den att röra sig, måste öka. Har dislokationen väl lösgjort sig från föroreningsatomerna, krävs en lägre spänning för att dislokationen ska förflytta sig genom kristallen. Fenomenet utgör förklaring till varför det i stålmaterial uppträder både en undre och en övre sträckgräns, och går under beteckningen Cottrell-atmosfär. Fenomenet är tidsberoende, såtillvida att det krävs tid för att atomerna ska diffundera fram till dislokationerna. Detta fenomen kan i vissa fall förorsaka problem vid till exempel plåtbockning. I figur 1.30 visas två dragprovkurvor för ett lågkolhaltigt stål. Den vänstra kurvan visar hur spänningen först når upp till övre sträckgränsen ReH (punkten a). Här lossnar ett antal dislokationer ur Cottrell-atmosfären, varvid spänningen snabbt sjunker till ett lägre värde, undre sträckgränsen ReL. Om spänningen tillåts öka, kommer materialet att deformeras genom dislokationsrörelser. Avlastas materialet i punkten b, avstannar dislokationsrörelsen och materialet övergår i det elastiska området med en viss kvarvarande permanent deformation. Vid en omedelbar ny pålastning krävs en spänning motsvarande det tidigare värdet i punkten b för att dislokationerna ska fortsätta sin rörelse. Materialet har deformationshårdnat. Om materialet får vila en längre period (veckor, månader) kommer vid en förnyad pålastning en ny övre och undre sträckgräns att utbildas då atomer under lagringstiden hunnit diffundera fram till dislokationerna och på nytt låst dessa. Se högra kurvan i figur 1.30. I områden, där dislokationerna frigjort sig från Cottrell-atmosfären, krävs det alltså lägre spänning för deformation än i de kringliggande områdena. I figur 1.31 visas detta tydligt hos den högra lågkolhaltiga ståltråden, där de väl synliga knäna markerar att deformationen fortsätter inom det område, där den en gång börjat. Det krävs här lägre spänning för deformation. I den vänstra koppartråden föreligger inte fenomenet, varför deformationen fördelar sig jämnt över hela tråden. Liknande fenomen uppstår vid deformation av lågkolhaltig järnplåt. Plåtar som lagrats en längre tid, kan vid pressningstillfället utveckla flytzoner. För att eliminera dessa fenomen genomförs så kallade trimvalsningar (plåten utsätts för små deformationer), med syfte att frigöra dislokationerna från Cottrell-atmosfären. Spänning FIGUR 1.30. Belastas och avlastas stål samt på nytt belastas, reagerar det enligt det vänstra diagrammet. Om stålet får vila, hinner atomer diffundera fram och låsa dislokationerna, varvid ny övre och undre sträckgräns bildas.

Spänning

b ReH ReL

a

Töjning

9789147100053b1-520c.indb 28

12/19/13 7:21 PM


1.8 DIFFUSION

29

FIGUR 1.31. Koppartråden som deformeras uppvisar ingen övre eller undre sträckgräns. Järntråden till höger visar var dislokationsrörelsen startat.

Fenomenet visar sig i pressplåt genom att de områden i plåten som först når upp till övre sträckgränsen också lättast fortsätter att plasticeras. Detta resulterar i flytfigurer – töjda zoner – Lüders band.

1.8 Diffusion I föregående avsnitt konstaterade vi att vakanser (avsaknad av atomer i kristallgittret) är naturligt förekommande i alla metaller. Antalet och rörligheten hos dessa vakanser ökar starkt med temperaturen. Eftersom en förflyttning av vakansen innebär att en grannatom intar vakansens plats, bidrar vakanser till att de ordinarie atomerna i kristallgittret hela tiden byter plats. Vi har ett diffusionsförlopp. Diffusion sker naturligtvis även av små atomer, såsom kol- och väteatomer. Dessa atomer intar normalt mellanrumsplatser i kristallen och kan därför röra sig utan hjälp av vakanser. Detta diffusionsförlopp sker avsevärt mycket snabbare än atomvandring med hjälp av vakanser. Se figur 1.35. Drivkraften i dessa förlopp är värmeenergi, som strävar efter att utjämna alla koncentrationsskillnader som kan finnas i kristallen. Se figur 1.32. Det är viktigt att komma ihåg att varje atom i metallen ständigt förflyttar sig i en slumpmässig rörelse. Den totala vägsträckan kan röra sig om tusentals meter under en timme, även om avståndet mellan begynnelse- och slutpunkt endast

FIGUR 1.32. Bilden till vänster visar en kristall med två rader vakanser. Genom atomrörligheten kommer vakanserna att fördela sig över hela kristallen, såsom i bilden till höger.

9789147100053b1-520c.indb 29

12/19/13 7:21 PM


30

1. GRUNDLÄGGANDE MATERIALLÄRA

rör sig om tusendels millimeter. Det är först vid skillnader i de ingående ämnenas koncentration som en påtaglig atomvandring kan skönjas. Hittills har vi bara nämnt möjligheten för en atom, att diffundera genom solida kristaller. Andra och snabbare vägar är diffusion utmed korngränserna och ytdiffusion. Korngränsdiffusion dominerar vid lägre temperaturer, samt vid högre temperaturer, om materialet är mycket finkornigt. Figur 1.33. Diffusionsförloppen styrs framför allt av tid och temperaturförhållandena. För att uppnå en viss diffusionseffekt – segring, glödgning eller uppkolning – är det ofta skonsammare för materialet att man i första hand ökar temperaturen och i andra hand tiden. En höjning av temperaturen med 100 °C innebär i många fall att tiden kan reduceras med en faktor 10. I figur 1.33 har ett snitt E markerats mellan de båda metallerna A och B. Atomer från den vänstra metallen diffunderar in i den högra metallen och passerar därvid snittet E. På motsvarande sätt diffunderar naturligtvis även metallen B in i metallen A. Tekniskt spelar diffusionsförloppen en central roll vid segringsförlopp – koncentrationsvariationer på grund av snabb stelning – och för sätthärdning. Diffusionsförloppet är både tid- och temperaturberoende. Efter viss tid kommer vandringen av atomer över gränssnittet att ha antagit en koncentrationsprofil enligt figur 1.34. E

c

FIGUR 1.33. Diffusion av atomer

följer tre olika vägar. Genom kristallen – bulkdiffusion (a), korngränsdiffusion (b) och ytdiffusion (c).

b b

metall A

a b

metall B

a

b E

Koncentration av komponent A

Koncentration av komponent B

FIGUR 1.34. Två olika metallstycken som pressas samman kommer efter en viss tid att diffundera in i varandra. Figuren visar koncentrationsprofiler för de båda metallerna A och B i varandra.

9789147100053b1-520c.indb 30

12/19/13 7:21 PM


1.8 DIFFUSION

31

TEORI

Kristallens genomsläpplighet för främmande atomer – diffusiviteten – bestäms av temperaturen och den energi som erfordras för att atomerna ska byta plats i kristallgittret. Diffusiviteten D bestäms av uttrycket: D = Do· e-Q/RT Do = materialspecifik konstant Q = aktiveringsenergi för ämne T = absoluta temperaturen, K R = allmänna gaskonstanten 8,314 J/mol · K Figur 1.35 visar olika atomers diffusion i ferrit. Skalan till höger anger hur lång tid det tar för en atom att vid olika temperaturer vandra 0,01 respektive 1 mm. Observera att vätgasatomer diffunderar mycket snabbt även vid lägre temperaturer. En av de viktigaste tillämpningarna på diffusionsprocessen återfinns inom sätthärdningstekniken. Vanligtvis låter man kolatomer diffundera in i ett lågkolhaltigt material, som därefter härdas på ytan. En annan viktig diffusionsprocess är diffusionsglödgning, se sidan 128, som innebär utjämning av koncentrationsvariationer – segringar – i gjutstrukturer.

Tid för atomvandring till: Ytan 1 mm

Korngräns 0,01 mm

Diffusivitet D Väte

sek

10–4

sek 1

10–3

Kväve

Kol 103 10–8

1h

1

106 Substitutionsatomer Mn, Nl, Cr

10–12

103 1h

1 år

109 106

103 år 1 år

10–16

1012 109

1200

1000

800

700

600

500

400

˚C

FIGUR 1.35. Olika ämnens diffusivitet i ferrit.

9789147100053b1-520c.indb 31

12/19/13 7:21 PM


32

1. GRUNDLÄGGANDE MATERIALLÄRA

SAMMANFATTNING ■ Olika atomer kan ingå i en och samma kristalluppbyggnad. Endast ett fåtal atomslag uppvisar fullständig löslighet i varandras kristallstruktur. ■ Lösligheten för främmande atomer i en kristall begränsas av: – stor skillnad i atomradier – olika kristallstrukturer – stor skillnad i kemisk affinitet. ■ Atomer i metallgitter förflyttar sig – diffunderar – med hjälp av vakanser. Långsam diffusion. ■ Interstitialer diffunderar över mellanrumsplatser i gittret utan hjälp av vakanser. Snabb diffusion. ■ Dislokationer skapar störningar i kristallen som resulterar i att atomer diffunderar fram till området kring dislokationerna och låser fast dem i en så kallad Cottrell-atmosfär. Detta är bakgrunden till övre och undre sträckgränsen hos stål. ■ Atomer diffunderar efter tre olika vägar: – genom kristallen – bulkdiffusion – längs korngränserna – korngränsdiffusion – efter ytan – ytdiffusion. ■ Segring och uppkolning (avkolning) är diffusionsstyrda fenomen.

1.9 Fasdiagram Stelnings- och smältningsförlopp Om man upphettar en ren metall tills den smälter och därefter låter den svalna, finner man att temperaturen förblir konstant under omvandlingsförloppet från smält fas till fast fas. En fasomvandling har inträffat. Se svalningskurvorna A(t1) och B(t6) i figur 1.36 vänstra diagrammet. Efter avslutad fasomvandling fortsätter temperaturen att sjunka. Om man i stället för en ren metall tar en blandning av två metaller, det vill säga en legering, blir stelningsförloppet annorlunda. Stelningsförloppet kommer nu inte att ske vid en konstant temperatur, utan inom ett temperaturintervall, svalningskurvorna C och D i figur 1.36. Detta intervall begränsas av två kritiska temperaturer: en temperatur när övergången till fast fas börjar (t2 och t4) och en temperatur när övergången till fast fas är avslutad (t3 och t5). Genomförs en serie svalningsförsök med varierande sammansättning på legeringarna, kan dessa kritiska temperaturer sammanbindas till dels en kurva som beskriver starttemperatur för stelnandet – likviduslinjen – och dels en kurva som beskriver avslutad stelning – soliduslinjen. Se högra bilden i figur 1.36. Låt oss beskriva stelningsförloppet i figur 1.37 för en legering som innehåller 60 % B och 40 % A. Legeringen befinner sig vid hög temperatur över likviduslinjen, i smältområdet. Om temperaturen sjunker, kommer legeringen vid t1 att ha

9789147100053b1-520c.indb 32

12/19/13 7:21 PM


1.9 FASDIAGRAM

Temperatur

33

Temperatur

t1 t2

Smälta Smälta + Fast fas

t3 t4

Likvidus

Solidus t5 Fast fas t6 B

C

D

A Tid

A

D

C

B

FIGUR 1.36. Konstruktion av fasdiagram. Det vänstra diagrammet visar svalningskurvorna för dels de rena metallerna A och B, dels legeringarna C och D. Diagrammet till höger visar fasdiagrammet för alla legeringar mellan A och B.

Temperatur

Smält fas 39% A 61% B Fast fas 70% A 30% B

Smälta

Fast fas

+

Smälta40% A 60% B

Smält fas 30% A 70% B Fast fas 60% A 40% B

Smälta

t1 t2

Fast fas Fast fas 40% A 60% B

t3 40% A 60% B

100% A 70% A Fast fas 30% B

Fast fas 60% A 40% B

Smält fas

100% B 30% A 70% B

Sammansättning FIGUR 1.37. Stelningsförloppet för en legering med sammansättningen 40 % A och 60 % B.

passerat likviduslinjen och ett stelningsförlopp börjar, det vill säga en ny fas av fasta kristaller börjar utskiljas ur smältan. Sammansättningen på dessa första små kristaller som utskiljs bestäms av soliduslinjen och är 30 % B och 70 % A. När temperaturen sjunker ytterligare till t2 kommer den delen av smältan som nu stelnar att ha sammansättningen 40 % B och 60 % A. Observera att även den

9789147100053b1-520c.indb 33

12/19/13 7:21 PM


34

1. GRUNDLÄGGANDE MATERIALLÄRA

kvarvarande smältans sammansättning förändras under stelningsförloppet. Vid t2 har smältan sammansättningen 70 % B och 30 % A. När temperaturen sjunkit under soliduslinjen till t3 befinner sig hela legeringen i området fast fas. Legeringens medelsammansättning är nu 60 % B och 40 % A. Eftersom det först stelnade materialet hade en sammansättning av 30 % B och 70 % A och den sist stelnade smältan en sammansättning av cirka 85 % B och 15 % A är legeringssammansättningen inte homogen i den fasta fasen. Ett stelningsförlopp som ger variationer i den stelnade strukturens sammansättning kallas för segring. För att en utjämning ska ske krävs att atomerna kan diffundera i legeringen, vilket för substitutionsatomer sker med hjälp av vakanser och vid höga temperaturer. Gjutstrukturer som stelnat snabbt kan därför i vissa fall kräva en efterföljande värmebehandling. Ur periodiska systemet framgår det vid vilka temperaturer grundämnena övergår från fasta till flytande faser. Blandar man två snarlika grundämnen, som koppar och nickel, visar det sig att dessa grundämnen har en fullständig löslighet i varandra. Se figur 1.38. De har samma kristallstruktur och skillnaden mellan atomradierna är liten. De flesta legeringssystem har dock begränsad löslighet för de ingående komponenterna. Om man till exempel blandar guld och nickel, visar det sig att dessa båda grundämnen inte kan lösa sig fullständigt i varandra vid temperaturer Temperatur qC

Smälta Likvidus

1400

Smälta och fast fas Solidus 1200 qC

1200

Fast fas 1000 FIGUR 1.38. Fasdiagrammet Cu-Ni visar att lösligheten mellan de båda metallerna är fullständig. 800

600

400

200 Smälta 78% Cu

Fast fas 62% Cu 0 0

10

100% Ni

9789147100053b1-520c.indb 34

20

30

40

50

60

70

80

90 100 100% Cu

12/19/13 7:21 PM


1.9 FASDIAGRAM

35

Hävstångsregeln. I många problem är det angeläget att uppskatta de ingående fasernas mängder. Genom att betrakta fasdiagrammet i figur 1.39 kan man ställa upp förhållandet mellan de ingående fasmängderna med hjälp av likformiga trianglar. Temperatur Smälta

Fast fas

a% A Smälta b% B

FIGUR 1.39. Fördelningen mellan olika faser vid bestämda temperaturer kan förenklat beräknas genom likformiga trianglar.

+ Smälta

Fast fas tx

i–b

100% smältfas 100–x

x% smältfas

x

0% smältfas b–g 100% A

100% B h% A f% A Smältfas i% B g% B Sammansättning

Fastfas

Med de i figur 1.39 definierade storheterna fås sambandet:

x

=

b g

b g

⋅ 100

100 − x

x =

i g

i b

Exempel: Beräkna andelen smältfas som föreligger vid temperaturen t2 i figur 1.37.

x =

60 − 40 70 − 40

⋅ 100

x = 67 %

Vid den aktuella temperaturen gäller att legeringen till 67 % består av smälta och till 33 % av fast fas.

9789147100053b1-520c.indb 35

12/19/13 7:21 PM


36

1. GRUNDLĂ„GGANDE MATERIALLĂ„RA

under 840 °C. Guld kan vid lägre temperaturer inte lĂśsa allt tillgängligt nickel. Trots lika kristallstrukturer, bĂĽda FCC, begränsas lĂśsligheten pĂĽ grund av fĂśr stora skillnader i atomradierna. Ă–ver 840 °C har emellertid lĂśsligheten Ăśkat sĂĽ mycket att bĂĽda atomslagen kan samsas i en gemensam kristallstruktur. Det har uppstĂĽtt en sĂĽ kallad blandningslucka i det enfasiga omrĂĽdet. Se ďŹ gur 1.40, som dessutom visar att det fĂśrekommer dubbla tvĂĽfasomrĂĽden vid ĂśvergĂĽngen till smältomrĂĽdet. FĂśr legeringen guld med 18 % nickel (Au18Ni) ĂśvergĂĽr legeringen till smälta i ett steg vid temperatur 950 °C. Fasdiagram av typen Au-Ni i ďŹ gur 1.40 är sällsynta genom att blandningsluckan uppträder vid relativt lĂĽg temperatur – redan innan nĂĽgot smältfĂśrlopp pĂĽbĂśrjats. I de esta fall där det inte fĂśreligger fullständig lĂśslighet fĂśr de ingĂĽende

Atomprocent nickel

°C 10

30 40 50

60

70

80

90

FIGUR 1.40. I de fall där lÜslig-

heten mellan komponenterna inte är fullständig kan i vissa fall en blandningslucka (840 °C) uppstü med enfasig struktur.

°F

2600

1455Ëš

1400 L

2200

1200

Îą+L

1063Ëš 18

1000 800

Îą+L

1800 Îą2

~840Ëš

950Ëš

1400 Îą1

600

Îą1+Îą2

400

~340Ëš

353Ëš 1000

600 200 Au

FIGUR 1.41. De esta legeringssystem uppvisar begränsad lÜslighet fÜr de ingüende komponenterna. I ertalet system uppnüs smältomrüdet innan blandningsluckan hunnit utvecklas.

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Ni

Viktprocent nickel

Temperatur

L

D

L

L

Blandningslucka

D

D

E

D

E Eutektisk omvandling

DD

100% A

DE

Eutektisk sammansättning

100% B a)

9789147100053b1-520c.indb 36

DE

b)

c)

12/19/13 7:21 PM


1.9 FASDIAGRAM

37

ämnena, ligger blandningsluckan så högt att smältningen redan börjat. Av termodynamiska skäl kommer tillståndsdiagrammet därför att anta det utseende som fasdiagrammet i figur 1.41 c visar. Eutektisk omvandling De båda smältområdena i figur 1.41 c möts i diagrammet i en punkt med en speciell sammansättning kallad eutektisk sammansättning. Under denna temperatur – eutektisk temperatur – kan legeringen inte uppträda som enfasig blandkristall eftersom blandningsluckan ligger mycket högre. Nu utskiljs kristaller från de båda enfasiga områdena α och β i en finfördelad form – en eutektisk omvandling. För att förstå den eutektiska omvandlingen betraktar vi det principiella fasdiagrammet i figur 1.42. Betrakta en legering med 15 % B och 85 % A. När denna legering stelnar blir förloppet följande: vid t1 utskiljs i analogi med föregående fall α-kristaller med sammansättningen 5 % B. Vid t2 är B-halten i kristallerna 10 % (fullständig diffusion förutsätts) och smältan håller 45 % B. I den utskiljda α-fasen kan emellertid inte mer än 10% B lösas. Smältans sammansättning har vid temperaturen t2 närmat sig den eutektiska sammansättningen. Vid en ytterligare sänkning av temperaturen till t3 sker ett eutektiskt stelnande som innebär att det ur smältan kommer att utskiljas både α-fasen och β-fasen samtidigt. Eftersom ingen av faserna ges preferens vid stelningen kommer den omvandlade strukturen att vara en finfördelad struktur av båda faserna – ett eutektikum. Den ursprungliga legeringen består nu av den tidigare primärt utskiljda α-fasen (B-halt 10 %) och en eutektisk struktur med α-utskiljningar som innehåller 10 % B och β-utskiljningar med 80 % B. Vid en fortsatt temperatursänkning kommer inga drastiska förändringar att ske med avseende på fassammansättningen. Vissa förskjutningar beträffande löslighetsgränserna sker, så att lösligheten i α-fasen är 8 % för B vid låga temperaturer. t1 Een kvarvarande smältans sammansättning närmar sig eutektisk sammansättning när temperaturen sjunker.

t4

t2 t5 t3 α

0 100

9789147100053b1-520c.indb 37

β

Eutektisk sammansättning

20 80

40 60

60 40

t6

80 20

100%B 0 %A

FIGUR 1.42. Tillståndsdiagram med eutektisk omvandling. Observera att eutektisk omvandling även sker i legeringar som är över- och undereutektiska.

12/19/13 7:21 PM


38

1. GRUNDLÄGGANDE MATERIALLÄRA

I det andra fallet följer vi stelningsförloppet för en legering med 84 % B. När smältans temperatur sjunker under likviduslinjen t4 kommer β-fas att utskiljas. Eftersom legeringen fullständigt omvandlats – stelnat – innan den eutektiska temperaturen uppnåtts, kommer någon eutektisk omvandling icke att ske. Legeringen är vid temperaturen t5 enfasig β-struktur som löst 16 % A. Vid en ytterligare temperatursänkning uppnås löslighetsgränsen för komponenten A. Under denna temperatur t6 är legeringen övermättad med A-komponenten som, beroende på tid och temperatur, kommer att utskiljas som α-fas med cirka 8 % B. SAMMANFATTNING ■ Olika atomslag som bildar enhetliga kristaller – främmande atomer på ordinarie gitterplatser eller i mellanrummen i en värdkristall – kallas enfasig fast lösning. ■ Graden av löslighet är beroende av atomradie, kristallstruktur, de ingående komponenternas benägenhet att bilda nya kemiska föreningar samt av temperaturen. ■ En fas kan uppträda som gas, smälta eller fast form. ■ Enfasig struktur i fast tillstånd består av en enhetlig kristalltyp. ■ Tvåfasig struktur består av två enfasiga strukturer i jämvikt med varandra. ■ Legering är en blandning av olika komponenter som kan vara metaller, ickemetaller eller kemiska föreningar. ■ Fasdiagram visar fasfördelningen för olika legeringar vid varierande temperaturer. ■ Fasdiagram för två komponenter kallas binärt fasdiagram. ■ Legeringar (bortsett från grundkomponenternas enfasiga legeringar) som uppträder som enfasiga kallas intermediära faser. ■ 1-2-1-2-1-regeln säger att vid en bestämd temperatur börjar alla fasdiagram i ett enfasområde (100 % A), varpå följer ett tvåfasigt område etcetera. Varje fasdiagram avslutas i ett enfasigt område (100 % B). ■ Vissa fasdiagram uppvisar speciella minimipunkter med avseende på temperaturen. Dessa punkter kallas eutektiska vid övergång från smälta till fast fas eller eutektoida vid övergång mellan fasta faser. ■ Alla fasdiagram förutsätter en fullständig koncentrationsutjämning.

1.10 Härdningsmekanismer Som konstruktionsmaterial spelar de rena metallerna en obetydlig roll, främst på grund av att hållfasthetsegenskaperna, framför allt sträckgränsen, är så låga. Det är främst genom att manipulera med strukturen som man kan uppnå tekniskt intressanta egenskaper. Av de föregående avsnitten framgår det, att den grundläggande mekanismen för att förbättra ett materials mekaniska egenskaper står att finna i kontroll av rörligheten hos dislokationerna. Genom att skapa hinder för dislokationsrörel-

9789147100053b1-520c.indb 38

12/19/13 7:21 PM


1.10 HÄRDNINGSMEKANISMER

39

ser kan framför allt materialens hårdhets- och sträckgränsvärden kraftigt påverkas. Nedan beskrivs fyra principiella sätt att skapa dylika hinder i form av olika härdningsmekanismer. Lösningshärdning Genom inlagring av främmande atomer i det ordinarie gittret hos en metall åstadkommes spänningar i kristallen som utgör ett hinder mot dislokationsrörelsen. Inlagringen av främmande atomer kan vara både substitutionell och interstitiell. Se figur 1.43. Beroende på hur stor störning som de främmande atomerna åstadkommer i kristallgittret, uppnås större eller mindre hinder för dislokationerna. Ett exempel visas i figur 1.44 och 1.45. Koppar legerad med zink ligger till grund för olika mässingkvaliteter. Trots olika kristalltyper löser koppar (FCC) ända uppemot

Inlösta atomer (Cu)

Interstitiellt lösta atomer (C) Ordinarie atomer i gittret (Ni) A. Substitutionslösning

Ordinarie atomer i gittret (Fe) B. Interstitiell lösning

FIGUR 1.43. Genom inlagring av främmande atomer på ordinarie gitterplatser (A) eller som interstitialer (B) byggs spänningar in i kristallen som hindrar dislokationsrörelsen.

Temperatur ˚C 1100

FIGUR 1.44. Mässing utgör ett stort antal legeringar mellan Cu-Zn. Upp till 35 % Zn är mässingen enfasig. De mellanliggande intermediära faserna (β, γ och ε) är spröda.

1000 900 800 δ

700 α

600

γ

β

500 η

ε

400 300 200

0 Cu

9789147100053b1-520c.indb 39

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 Zn

12/19/13 7:21 PM


40

1. GRUNDLĂ„GGANDE MATERIALLĂ„RA

MPa

%

450

60

FIGUR 1.45. Zinkens lĂśsnings-

härdande effekt uttryckt i sträckgränsfÜrhÜjning. Observera de fÜrsämrade egenskaperna fÜr Zn-halter Üver 40 %.

TĂśjning % 300

40 Sträckgräns MPa

150 20

0 100 % Cu

10

20

30

40

60 % Zn

50

35 % zink (HCP) i enfasig kristallstruktur, Îą-omrĂĽdet i ďŹ gur 1.44. Zinkens lĂśsningshärdande effekt framgĂĽr av ďŹ gur 1.45. Utskiljningshärdning Enstaka atomers stĂśrning i kristallgittret kan fĂśrstärkas om de tillĂĽts bilda utskiljningar i form av partiklar. Dels kan sĂĽdana tillfĂśras den rena metallen i form av ďŹ nt fĂśrdelade partiklar, en dispersion, dels kan man skapa fĂśrutsättningar, som exempelvis tillĂĽter nya faser att utskiljas under kontrollerade former. MĂĽlet i bĂĽda fallen är dock att skapa sĂĽ effektiva hinder fĂśr dislokationsrĂśrelsen som mĂśjligt. Den grundläggande fĂśrutsättningen fĂśr utskiljningshärdning är att legeringen kan ĂśverfĂśras i ett enfasigt tillstĂĽnd. FrĂĽn detta tillstĂĽnd tvingas legeringen Ăśver i ett tvĂĽfasomrĂĽde, till exempel genom snabb kylning, och kommer till att bĂśrja med att fungera som en Ăśvermättad enfasig struktur. I detta instabila tillstĂĽnd bĂśrjar en omlagring av atomer till en stabil utskiljning av en andra fas. Denna process grundar sig pĂĽ atomernas diffusion och är sĂĽledes beroende av bĂĽde temperatur och tid. Med hjälp av olika legeringars fasdiagram kan man avgĂśra om fĂśrutsättningar fĂśr ett utskiljningsfĂśrlopp fĂśreligger. Se ďŹ gur 1.46. L 1000

LÎą

L

L

575ËšC

600 400 ιβc 200

0% Be 1 100% Cu

2 % Be

3

LÎą

L+x

600

400 x+T 200

0% Cu 2 100% Al

Îą

564ËšC

x

Temperatur

Îą

Temperatur °C

Temperatur °C

800

864˚C ιβ

4

6 % Cu

8

0% Mg2Si 100% Al

ÎąMg2 Si

% Mg2Si

FIGUR 1.46. En fÜrutsättning fÜr utskiljningshärdning är att legeringen kan anta enfasig struktur. Frün den enfasiga strukturen kyls legeringen snabbt till tvüfasomrüdet.

9789147100053b1-520c.indb 40

12/19/13 7:21 PM


1.10 HÄRDNINGSMEKANISMER

41

Efter det att en övermättad lösning skapats måste atomerna ges möjlighet att röra sig i kristallen för utskiljning av stabil fas. Denna process går under beteckningen åldring. Kombinationen av tid och åldringstemperatur bestämmer det slutgiltiga resultatet. Under åldringsprocessen sker en omorientering av atomerna enligt figur 1.47– 1.49. I figur 1.47 föreligger ett överskott av främmande atomer regellöst fördelade över kristallen – litet motstånd mot dislokationsrörelser, låg sträckgräns. I figur 1.48 har utskiljning av koherenta partiklar påbörjats. Partiklarnas kristallstruktur har inte frigjort sig från grundmaterialets kristallstruktur. Stora inre spänningar i kristallen innebär stort motstånd för dislokationsrörelser – hög sträckgräns. I figur 1.49 har de utskiljda partiklarna frigjort sig från grundmaterialets kristallstruktur. De inre spänningarna minskar och dislokationsrörelserna underlättas – lägre sträckgräns.

FIGUR 1.47. Övermättad lösning. Litet motstånd mot dislokationsrörelser.

FIGUR 1.48. Åldrad lösning. Koherenta partiklar utvecklas. Mycket stort motstånd mot dislokationer.

FIGUR 1.49. Överåldrad lösning. Utskiljda icke-koherenta partiklar frigörs från kristallen. Hindret för dislokationer minskar.

I figur 1.50 visas hur en enfasig legering som snabbkyls ner i ett tvåfasområde kommer att befinna sig i ett tillstånd som inte är stabilt för legeringen. I den efterföljande värmebehandlingen – åldringsprocessen – skapas utskiljda partiklar, som beroende på tid och temperatur ger önskade egenskaper. Se figur 1.51. L L +α

Hårdhet RB

α 1.

90

T2 (40.5°C)

Temperatur

85 α+β

80 T1 (0°C) 75 T3 (99°C)

70 2. 100% A 0% B

65 0.1

FIGUR 1.50. En legering värms till det enfasiga området (1). Efter snabb kylning till (2) befinner sig legeringen i övermättat tillstånd.

9789147100053b1-520c.indb 41

1

10

100

%B

1000 Tid h

FIGUR 1.51. Åldringsprocessen – utskiljning av partiklar – styrs av tid och temperatur.

12/19/13 7:21 PM


42

1. GRUNDLÄGGANDE MATERIALLÄRA

Utskiljningshärdning och åldringsprocesser Utskiljningshärdning förekommer bland många aluminiumlegeringar. Tekniken bygger på att legeringen överförs i enfasigt tillstånd vid hög temperatur, varefter snabbkylning försätter legeringen i ett övermättat tillstånd. Genom försiktig värmebehandling kan utskiljning av den övermättade fasen påbörjas. Beroende på val av tid och temperatur kan utskiljningsprocessen drivas tills önskade egenskaper erhållits. Åldringstemperatur °C

7075

225 360 385 410

200

440

MPa 470

175

500

T 73 150

525

60

550 64 68

125

72 ksi 100 0.01

T6

76 80 0.1

1

10

100

1000

Åldringstid h

FIGUR 1.52. Iso-spänningsdiagram för tid–temperaturrelationer.

I figur 1.52 visas iso-spänningsdiagram för tid–temperaturrelationer för denna åldringsprocess för den amerikanska legeringen 7075. Två olika tillstånd T6 och T73 är markerade i de skuggade områdena. Ur diagrammet kan lätt den vanliga spänningskurvan konstrueras för bestämda åldringstemperaturer. Se figur 1.53. Förlängningsgräns Rp0.2 MPa

Åldringstemperatur 125 °C

7075

600

500

400

300

200

0.01

0.1

1

10

100

1000

Åldringstid h

FIGUR 1.53. Spänningskurva för åldringstemperatur 125 °C

9789147100053b1-520c.indb 42

12/19/13 7:21 PM


1.10 HÄRDNINGSMEKANISMER

43

Deformationshärdning För att förbättra hållfasthetsegenskaperna hos ett material, kan man låta dislokationerna själva utgöra ett hinder för varandra. Denna situation uppkommer när ett material deformeras plastiskt, det vill säga kristallerna utsätts för så stora spänningar att dislokationerna börjar röra sig på sina glidplan. Dislokationen som rör sig genom en kristall lämnar inga spår efter sig. Det är först när två dislokationer korsar varandras väg, eller forcerar något annat hinder, som kvarstående mikroskopiska spänningskoncentrationer uppstår i kristallen. Det är dessa spänningsrester som successivt kommer att utgöra ett större och större hinder för de efterföljande dislokationerna. Effekten av deformation på koppar framgår av figur 1.54. Spänning MPa

Spänning MPa

500

Kalldeformerad 40 %

400 Brottgräns 300 Sträckgräns

Mjukglödgad

200

100

0 0

20

40

60 80 Kalldeformation %

Töjning

FIGUR 1.54. Genom deformation av metallen aktiveras ett stort antal dislokationer samtidigt. Med ökande deformationsgrad förhindras dislokationsrörelsen – sträckgränsen höjs.

I mjukglödgat tillstånd är metallernas dislokationstäthet låg – 107 dislokationer/ cm . Vid en kalldeformation nyalstras dislokationer genom så kallade dislokationsgeneratorer. Dislokationstätheten i kraftigt kalldeformerat material kan uppgå till 1013 dislokationer/cm2. Genom glödgning kan den höga dislokationstätheten reduceras. Materialet återgår då till det ursprungliga mjukare tillståndet. 2

9789147100053b1-520c.indb 43

12/19/13 7:21 PM


44

1. GRUNDLÄGGANDE MATERIALLÄRA

Lösningshärdning – deformationshärdning En av de grundläggande metoderna att förbättra ett materials mekaniska egenskaper såsom sträckgräns, brottgräns och hårdhet är att skapa hinder för dislokationerna. Vid lösningshärdning uppnår man detta genom att inlagra främmande atomer på metallens ordinarie gitterplatser. Se figur 1.55.

Cu

Cu

Zn

Cu

Cu

Cu

Cu

Cu

Cu

Cu

Cu

Cu

Cu

Zn

Cu

Cu

Zn

Cu

Cu

Cu

Cu

Cu

Cu

Cu

Cu

FIGUR 1.55. Koppar med inlösta zinkatomer är lösningshärdad.

Mässing, med Zn-halt under cirka 35 %, har enfasig FCC-struktur. I figur 1.56 visas hur hårdheten – indirekt ett uttryck för dislokationernas rörlighet – ökar med ökande Zn-halt. I det högra diagrammet visas även motsvarande mässingkvalitet i hårdbearbetat tillstånd – kalldeformerade. Kurvorna för hårdhet och brottgräns löper i stort sett parallellt för ökande Zn-halt, vilket visar att två härdningsmekanismer – lösningshärdning och deformationshärdning – är additiva. Temperatur

Hårdhet HV %

Brottgräns Rm

1100 HV fjäderhårt

160

1000 140 900

Rm fjäderhårt

800 C

Enfasig B-mässing

700

600

120

500

100 HV glödgat

600

400

500

300

400

200

40

300

100

20

Rm glödgat

80 60

200 0

10

20

30

40

50 60 Zinkhalt%

10

20

30

40 Zinkhalt%

FIGUR 1.56. De mekaniska egenskaperna hårdhet och brottgräns hos mässing med varierande zinkhalt påverkas av både lösningshärdning och deformationshärdning.

9789147100053b1-520c.indb 44

12/19/13 7:21 PM


1.10 HÄRDNINGSMEKANISMER

45

Korngränshärdning Finkornbehandlat material uppvisar avsevärt bättre hållfasthetsegenskaper än grovkornigt material. Även här är det dislokationsrörelsen som ligger bakom effekten. Alla material får, under tillverkningsprocessen eller senare under någon produktionsfas, en karakteristisk utformning av sin kornstruktur. Skillnaden mellan ett grovkornigt och ett finkornigt material är, att ett finkornigt material har en sammanlagt större korngränsyta än ett grovkornigt material, och att ett finkornigt material erbjuder kortare vägar för dislokationsrörelser. A

B

s

Glidplan

FIGUR 1.57. Två dislokationer som rör sig på samma sida av glidplanet stöter bort varandra (A). Två dislokationer, en över och en under glidplanet, tar ut varandra (B).

Finkornigt material kräver en högre spänning än grovkornigt material för att deformeras, på grund av att dislokationerna som stockas upp vid korngränserna ligger på samma sida om glidplanet och kommer att repellera varandra. Härigenom byggs det upp en spänning som sprider sig allt längre och längre in i materialet, till dess att dislokationskällan stoppar. I det finkorniga materialet sker detta snabbare – kortare vägar för dislokationerna – än i det grovkorniga materialet. Det finkorniga materialet kommer därför att kräva en högre spänning för en fortsatt dislokationsrörelse, varvid materialets sträckgräns höjs. Figur 1.58 och 1.59.

T

T T s T

T

T

T

T

T

s

T

FIGUR 1.58. Om vägen fram till korngränsen är kort bromsas dislokationerna snabbt av spänningen från de framförvarande – högre sträckgräns.

FIGUR 1.59. Dislokationer som rör sig i ett grovkornigt material bromsas inte upp lika snabbt som i det finkorniga materialet – lägre sträckgräns.

I ett kalldeformerat material är dislokationstätheten avsevärt större än i ett glödgat. Samtidigt har de ursprungliga kornen kraftigt deformerats. För att återställa materialet i ursprungligt skick genomförs en värmebehandling.

9789147100053b1-520c.indb 45

12/19/13 7:21 PM


46

1. GRUNDLÄGGANDE MATERIALLÄRA

Vid lägre temperaturer sker en omorientering av dislokationerna, så att dessa i förhållande till varandra minimerar spänningarna i kristallen –polygonisering. Effekten kan studeras i materialets förändrade elektriska egenskaper. Se figur 1.60. Antalet dislokationer minskar emellertid inte, varför hårdheten förblir oförändrad.

Hårdhet Resistivitet Temperatur

Kallbearbetat

Polygonisering

Glödgat

FIGUR 1.60. Det kallbearbetade materialet har stor dislokationstäthet och är hårt. Vid glödgningen tar dislokationerna ut varandra, och den deformerade kornstrukturen ombildas – materialet mjuknar.

Vid högre temperaturer förintar merparten av dislokationerna varandra. Ett finkornigt material som upphettas strävar efter att minimera den totala korngränsytan. Detta medför att de större kornens konkava korngränsytor växer mot sina krökningscentra. De enskilda atomerna i korngränsen exponerar en mindre yta på den konkava sidan. Figur 1.61. Atomrörelsen över korngränsen innebär en förskjutning av gränsen i motsatt riktning.

korngränsens rörelse

atomförflyttningar

FIGUR 1.61. Atomlägena på den konkava sidan erbjuder minsta ytenergin, varför atomerna söker sig dit. Korngränsen vandrar i motsatt riktning (van Vlack).

9789147100053b1-520c.indb 46

12/19/13 7:21 PM


1.11 SEGHET – SPRÖDHET

47

Rekristallisation Vid kallbearbetning sker en deformation av gittret och en ökning av antalet dislokationer. Om deformationsgraden varit tillräckligt stor, strävar gittret att ombilda sig till ett nytt gitter, det vill säga bilda nya kristaller. Samtidigt mjuknar materialet genom att antalet dislokationer återgår till normalt antal. Denna process måste ske vid förhöjd temperatur, på grund av atomernas långsamma diffusion vid rumstemperatur. Vid mycket små deformationer sker ingen nyorientering av gittret. Först vid den så kallade kritiska deformationsgraden sker en omlagring till ny kornstruktur. Ju större deformationen har varit, desto flera kristaller bildas, och desto finkornigare blir strukturen genom rekristallisationen.

SAMMANFATTNING ■ Ett materials sträckgränsvärde (elastisk gräns) uppnås när skjuvspänningen i materialet tvingar dislokationerna att börja glida. ■ Inlagrade atomer i enfasig fast lösning hindrar dislokationsrörelsen – lösningshärdning. ■ Utskiljda partiklar ur en övermättad fast lösning utgör hinder för dislokationer – utskiljningshärdning. ■ I ett deformerat material utgör de dislokationer som redan börjat glida och korsat varandras vägar hinder för ytterligare dislokationsrörelser – deformationshärdning. ■ Genom att göra kornen mindre i ett material minskas rörligheten för dislokationerna – korngränshärdning.

1.11 Seghet – sprödhet Brottseghet En metallstav enligt figur 1.62, som utsätts för en dragkraft, förlänger sig elastiskt så länge spänningen i staven inte överskrider sträckgränsen eller motsvarande gränsvärde för elastisk deformation. Den belastade staven kommer att fungera som en fjäder och – beroende på kraftens storlek – magasinera en viss mängd mekanisk energi. Se figur 1.63.

F

d L

9789147100053b1-520c.indb 47

F 'L

FIGUR 1.62. En metallstav som utsätts för en last förlänger sig som en fjäder och magasinerar samtidigt en viss mängd energi.

12/19/13 7:21 PM


48

1. GRUNDLÄGGANDE MATERIALLÄRA

Kraft N

F

G

'L

Förlängning mm

FIGUR 1.63. Om lasten F medför att spänningen inte överstiger sträckgränsen, är den upplagrade energin i staven lika med ytan G under kurvans linjära del.

Materials linjära elastiska område beskrivs av Hookes lag:

E=

σ ε

där E = materialets elasticitetsmodul, MPa σ = spänningen i materialet, MPa ε = elastisk töjning (ΔL/L) Den mekaniska energi som finns lagrad i alla belastade material kan under vissa förutsättningar förorsaka reaktioner som kan vara svåra att förutse. Den mest påtagliga reaktionen är att materialet brister trots att spänningen i materialet ligger under sträckgränsen. En orsak till detta är att ett material alltid är behäftat med felaktigheter. Det kan vara föroreningar i form av slagginneslutningar eller felaktigheter från tillverkningsprocessen som förorsakar lokala spänningskoncentrationer inuti materialet. I figur 1.64 visas en inneslutning i en dragbelastad stav. Inneslutningen har formen av en cirkelrund disk och är orienterad vinkelrätt mot dragspänningen i staven. Spänningen kring sprickan fördelar sig så, att materialet på ömse sidor om sprickan blir spänningslöst, diagram A. Spänningen i närheten av sprickspetsen, diagram B, kan däremot uppnå värden som överstiger materialets elastiska gräns. På stort avstånd från sprickan uppgår spänningen till beräknade accepterade värden. Diagram C.

9789147100053b1-520c.indb 48

12/19/13 7:21 PM


1.11 SEGHET – SPRÖDHET

A

B σ

49

C σ

σ

σ

2a

σ

FIGUR 1.64. Inneslutning i dragbelastad stav. Diagrammen visar spänningen kring sprickan (A), vid sprickspetsen (B) samt på större avstånd från sprickan (C).

Den elastiska energin i materialet fördelar sig kring inneslutningen på så sätt att ju större inneslutningen är, desto mer avlastas materialet på ömse sidor om inneslutningen – energi frigörs. Den frigjorda energin omlagras till ytenergi, så att inneslutningen kan växa. Energibalansen mellan frigjord elastisk energi och den energi som krävs för sprickans yttillväxt bestämmer det fortsatta förloppet. Krävs det tillförsel av energi för att sprickan ska tillväxa kan den anses vara stabil. Frigörs det emellertid energi vid sprickans tillväxt, kommer den att tillväxa okontrollerbart och leda till ett katastrofalt brott. TEORI

Elastisk och plastisk energi I konstruktioner som är avsedda att bära laster förutsätts alltid att någon permanent formändring inte uppstår. Från materialsynpunkt innebär detta att aktuella spänningar inte i någon punkt får överstiga materialets elastiska gräns – ofta definierad som sträckgränsen Re. Inom detta område, den linjära delen av dragprovkurvan till vänster i figur 1.65, gäller Hookes lag

E=

σ ε

där E = elasticitetsmodul σ = dragspänning ε = töjning. Om konstruktionen utsätts för spänningar som överskrider sträckgränsvärdet, plasticeras materialet. Dislokationerna börjar glida. I materialet uppkommer permanenta förändringar som kvarstår efter avlastning. Den elastiska energi som upplagras i konstruktionen kan också uttryckas som

Wel =

9789147100053b1-520c.indb 49

σ2 2 ⋅E

12/19/13 7:21 PM


50

1. GRUNDLÄGGANDE MATERIALLÄRA

I den traditionella tekniska dragprovkurvan definieras emellertid brottgränsen Rm som kraft/ursprunglig yta, vilket innebär att brottgränsen markerar högsta punkten på kurvan där midjebildningen på provstaven börjar, och inte värdet där brottet i själva verket inträffar. Brottgränsen beräknas ju alltid på den ursprungliga ytan. Om konstruktionen belastas till brottspänningen, åtgår stora mängder energi för deformationsarbetet, och i brottögonblicket frigörs den kvarvarande elastiska energin. Se figur 1.65. Det är denna frigjorda energi som i haveriögonblicket kan förorsaka stora följdskador, till exempel brustna vajrar. Energin under kurvan i figur 1.65 kan förenklat ses som det deformationsarbete som krävs vid plastisk bearbetning. Spänning

Lutning E = σ ε

Rm Re σ

Brott Deformationsenergi

Elastisk energi som frigörs vid brott

Töjning Elastisk energi p.g.a. lasten

FIGUR 1.65. Energifördelning i ett dragbelastat material.

Den heldragna kurvan i figur 1.66 visar summan av tillförd ytenergi och frigjord elastisk energi kring sprickan. Som synes krävs det tillförsel av energi så länge som sprickan är liten – mindre än ac. När sprickan nått värde ac – den kritiska sprickstorleken – kommer en fortsatt tillväxt att frigöra energi. Sprickan växer katastrofartat till dess att materialet brister. Resonemanget innebär att två nya tekniska begrepp måste införas; en ny materialegenskap som mäter materialets sprickbenägenhet, brottseghet KIC och en storhet som definierar olika sprickgeometriers spänningsintensitet KI. Materialegenskapen brottseghet KIC [Nm-3/2] bestäms med hjälp av speciella provstavar. Se figur 1.67. För att bestämma spänningsintensiteten hos olika sprickgeometrier finns färdiga formler framtagna, se figur 1.68. Kriteriet för att en spricka ska vara stabil är att spänningsintensiteten KI inte får överstiga materialets brottseghetsvärde KIC: KI < KIC Spänningsintensiteten KI varierar med sprickgeometrin samt aktuell spänning i materialet. Se formelsamling i hållfasthetslära.

9789147100053b1-520c.indb 50

12/19/13 7:21 PM


1.11 SEGHET – SPRÖDHET

51

Materials brottseghet varierar från sega material, som koppar och nickel med KIC = 100–350 MNm-3/2, till spröda material, som keramer och glas med KIC = 1–10 MNm-3/2. Tillförd ytenergi till sprickan

Energi

ac

Sprickstorlek

Frigjord elastisk energi

27,5

3,1max

60

FIGUR 1.66. På ömse sidor om en spricka avlastas materialet varvid elastisk energi frigörs. För att sprickan ska tillväxa måste energi tillföras sprickytan.

27,5 25 50

62,5

FIGUR 1.67. Provstavsutformning för att mäta ett materials brottseghet.

9789147100053b1-520c.indb 51

12/19/13 7:21 PM


KARLEBO

KARLEBO

studerande på tekniska utbildningar och yrkesverksamma ingenjörer inom flera industrigrenar. I Materiallära finner läsaren utförliga uppgifter om konstruktionsmaterialens tekniska och fysikaliska egenskaper och metoder för tillverkning, prov, bearbetning och konstruktion. I denna femtonde reviderade upplaga är bildmaterialet helt omarbetat och alla uppgifter uppdaterade enligt de senaste europeiska standarderna. Ett nyskrivet kapitel om nanoteknik har tillfogats. Redaktör och huvudansvarig för revideringen av den nya upplagan är civilingenjör och teknologie doktor Willy Leijon som har lång erfarenhet inom fordons- och stålindustrin med ett flertal chefsbefattningar inom material- och hållfasthetsområdet. Till sin

M ATERI A LL Ä R A

M AT E R I A L L Ä R A är ett utmärkt verktyg för

KARLEBO

M ATERI A LL Ä R A Willy Leijon (red.)

hjälp har han anlitat några av Sveriges främsta experter som medförfattare och granskare av texten. Karlebo-serien består av kvalificerade tekniska handböcker som blivit ett begrepp inom svensk industri och utbildning. I Karleboserien ingår även Karlebo handbok och Karlebo svetshandbok.

Best.nr 47-10005-7 Tryck.nr 47-10005-7

9789147100053c1c.indd All Pages

12/19/13 11:05 PM

9789147100053  
Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you