MEF 1000 Materialer og energi Kap 8 Mekaniske

MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 8 Mekaniske egenskaper og konstruksjonsmaterialer Kurs-uke 8 Mekaniske egenskaper Spenning Deformasjon Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap Universitetet i Oslo Forskningsparken Gaustadalleen 21 N-0349 Oslo Konstruksjonsmaterialer Metalliske Keramiske Polymerer m. m. truls. norby@kjemi. uio. no MEF 1000 – Materialer og energi Foto: http: //Sandlund. net

Krefter, spenning og deformasjon • Spenning Enhet N/m 2 = Pa = ”Trykk” For faste stoffer: • Normalspenning • Skjærspenning MEF 1000 – Materialer og energi

Krefter, spenning, deformasjon • Legeme i ro: • Skjærkrefter og skjærspenning, eksempel: MEF 1000 – Materialer og energi

Spenningskomponenter • Ortogonalt system x (1), y (2), z (3) • 3 x 3 matrise • ij betyr spenning på flate med normal i, retning j. • • 11 betyr spenning på plan normalt på x, i retning x, dvs. en normalspenning. 12 betyr spenning på plan normalt på x, i retning y, dvs. en skjærspenning 12 MEF 1000 – Materialer og energi 11 12 13 21 22 23 31 32 33 xx xy xz yx yy yz zx zy zz

Deformasjon • Deformasjon = relativ dimensjonsendring • Spenning = Kraft / startareal • Sann spenning = Kraft / sant areal • Elastisk deformasjon – E = Youngs modulus • Plastisk deformasjon – avhenger av metode – Elastisk grense – Flytgrense (yield strength) (0. 2% irreversibel deformasjon) – Tensil styrke – strekkfasthet • Brudd – Duktilt – (Sprøtt) MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: M. A. White: Properties of Materials, A. Almar-Næss: Metalliske Materialer

Elastisk deformasjon • Elastisk deformasjon: Forandrer avstander, men får ikke nye naboer • Poissons forhold: MEF 1000 – Materialer og energi Figur: A. Almar-Næss: Metalliske Materialer

Elastisk deformasjon; interatomiske potensialer • Hooke (harmoniske fjærer): • Generelt: • E-modulus: MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: M. A. White: Properties of Materials

Termisk ekspansjon • Skyldes anharmonisitet i interatomisk potensial • Oppgis som relativ økning i dimensjon per grad K • Typisk 10*10 -6 /K – Noen materialer har nær null termisk ekspansjon – Noen stoffer har negativ termisk ekspansjon MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: M. A. White: Properties of Materials

Plastisk deformasjon • Plastisk deformasjon – avhenger av metode – Elastisk grense – Flytgrense (yield strength) (0. 2% irreversibel deformasjon) – Tensil styrke – strekkfasthet • Grovt sett proporsjonal med E-modulus – Hardhet • Duktilt brudd – Duktilitet (plastisitet) MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: M. A. White: Properties of Materials

Plastisk deformasjon • Skyldes skjærspenninger • Foregår i tettpakkede plan glideplan MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: A. Almar-Næss: Metalliske Materialer

Plastisk deformasjon • Foregår ved dannelse og bevegelse av dislokasjoner MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: A. Almar-Næss: Metalliske Materialer

Mobilitet av dislokasjoner - herding • Flere mekanismer hindrer dislokasjoner i å bevege seg: – Fremmedatomer og andre punktdefekter – Utfellinger – Korngrenser – Dislokasjoner hekter hverandre • Mekanismer for å omgå hindrene – Frank-Read-kilder – Vakansklatring – Diffusjon MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: A. Almar-Næss: Metalliske Materialer

Deformasjon ved tvillingdannelse MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: A. Almar-Næss: Metalliske Materialer

Termospenninger • Herding ved rask avkjøling: Sammentrekning i overflaten Flyt av materiale Kompresjonsspenninger ved lavere temperatur = Herding • Temperatursvingninger i anisotrope materialer Korn utvider seg forskjellig i forskjellige retninger Spenninger OK ved høy temperatur: dislokasjoner + diffusjon Sprekkdannelser ved lave temperaturer Små korn + porer kan hjelpe MEF 1000 – Materialer og energi Foto: C. Haavik, Ui. O

Brudd • • Duktilt brudd Sprøbrudd • Bruddseighet = spenning ved brudd • Forutsigbart i metaller + plaster – men obs: materialtretthet • Uforutsigbart i keramer – Defekter – Overflatefinish – Transformasjonsstyrking – Kompositter MEF 1000 – Materialer og energi

Metalliske materialer • Rene metaller – Bløte – Høy elektrisk ledningsevne – I bruk som elektriske ledere • Cu, Al – Høytemperaturmaterialer • W, Mo, Ta – W i glødelamper • Th. O 2 -partikler dispergert • Pulvermetallurgisk forming MEF 1000 – Materialer og energi Figur: E. Hornbogen: Werkstoffe

Legeringer – oversikt over herdbare legeringer og støpelegeringer • Løsningsherdbare legeringer • Utskillningsherdbare legeringer • Omvandlingsherdbare legeringer • Støpelegeringer MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: A. Almar-Næss: Metalliske Materialer

Løsningsherdbare legeringer • • Enfase Dislokasjoner hindres av fremmedatomer MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: M. A. White: Properties of Materials, A. Almar-Næss: Metalliske Materialer, W. D. Callister jr. : Materials Science and Engineering

Utskillningsherdbare legeringer • • • Høyere innhold av legeringselement Tofaseområde Dislokasjoner hindres av utfellinger MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: W. D. Callister jr. : Materials Science and Engineering, A. Almar-Næss: Metalliske Materialer

Utskillningsherdbare legeringer MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: A. Almar-Næss: Metalliske Materialer

Utskillningsherdbare legeringer MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: A. Almar-Næss: Metalliske Materialer

Superlegeringer • Utskillningsherdbare legeringer • Hovedkomponent Cr, Ni, Co, Fe • Legeringselementer Al, Si, Ti, Mo, Nb, W – herdende sekundærfaser – beskyttende oksidlag • Cr 2 O 3, Al 2 O 3, Si. O 2 • Faste og korrosjonsbestandige ved høye temperaturer – rotorblader for jetmotorer og gassturbiner – Rettet størkning, enkrystaller, belegg, osv. øker temperaturbestandigheten ytterligere MEF 1000 – Materialer og energi Figur: W. D. Callister jr. : Materials Science and Engineering

Omvandlingsherdbare legeringer - stål • Martensittisk (diffusjonsløs) omvandling av metastabilt austenittisk stål (” 2” i figuren) til martensitt i stedet for en blanding av ferritt og cementitt. MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: W. D. Callister jr. : Materials Science and Engineering, E. Hornbogen: Werkstoffe

Støpelegeringer • • • Høyere legeringsinnhold Hardere, sprøere Lavere smeltepunkt MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: A. Almar-Næss: Metalliske Materialer

Metalliske glass • Meget hurtig avkjøling (eks. som dråper som skytes mot et spinnende, avkjølt kopperhjul • Amorfe • Eks. Fe 0. 8 B 0. 2 eller Fe 80 B 20 • Nye egenskaper – Mekaniske – Magnetiske – Katalytiske MEF 1000 – Materialer og energi Figur: W. D. Callister jr. : Materials Science and Engineering

Tradisjonell keramikk: Oksidkeramikk • Brente, leirbaserte materialer – Stabile; syre+base – alkali-, jordalkali- og aluminiumsilikater – leirkeramikk – porselen: • Kaolinitt, feltspat, kvarts – Suspensjon av kaolinitt i vann – tyktflytende væske – Forming ved dreiing eller slikkerstøping – Brenning – Glasering – Porsgrund Porselen, Norsk teknisk porselen MEF 1000 – Materialer og energi Figur: W. D. Callister jr. : Materials Science and Engineering

Ildfastmaterialer • Høytemperaturbruk i smelteovner og lignende, samt i andre tekniske og vitenskapelige sammenhenger • Tradisjonelle, silikatholdige sammensetninger < 2000°C • Renere oksider < 3000°C • Be. O, Mg. O • Zr. O 2 • Th. O 2 • Termiske barrierer MEF 1000 – Materialer og energi Figur: W. D. Callister jr. : Materials Science and Engineering

Keramiske skjæreverktøy • Transformasjonsstyrket tetragonalt Y-stabilisert Zr. O 2 – Metastabil tetragonal form – Går over til stabil monoklin form i sprekkfronten: Sprekk og energi avledes; sprekken stanser • Kniver for fileteringsroboter • Hardere enn stål MEF 1000 – Materialer og energi Foto: Kyocera

Hydratiserbare silikater: Sement og betong Kalsiumsilikater og –aluminater Brent ved 1400°C (fri for H 2 O og CO 2) = Sement + sand = Mørtel + pukk etc. = Betong Herding omfatter reaksjoner med vann (hydratisering) og CO 2 (karbonatisering) Kan herdes under vann Norsk spesialitet: mikrosilika(Si. O 2)tilsetninger Armert betong Spennarmert betong MEF 1000 – Materialer og energi Fra http: //www. fesil. com/microsilica. htm

Glass og glasskeramer • • • Amorfe Keramiske ved lav temperatur Mykner ved glasstemperaturen Tg • Kvartsglass (smeltet Si. O 2) • • Sodaglass (Na 2 CO 3 + Si. O 2) Sodakalkglass (+Ca. O) Borsilikatglass (+B 2 O 3) Blyglass (+Pb. O) • • Glassull, mineralull – isolasjon Glassfiber – for kompositter • Glasskeramer; Smeltes og størkner som glass, krystalliserer til keram MEF 1000 – Materialer og energi Figur: E. Hornbogen: Werkstoffe, http: //www. uni-koeln. de

Elementære og ikke-oksidiske keramiske materialer • C og Si • To eller flere ikkeoksidiske grunnstoffer • Diamant hardeste kjente materiale; slipe- og skjæreverktøy • Harde: Si. C, Si 3 N 4, Al. N, WC, Ti. B 2 • Grafitt er et viktig konstruksjonsmateriale for mange tekniske applikasjoner • Myke (skjærbare): BN tm = 3750°C • Karbonglass, karbonglassfiber MEF 1000 – Materialer og energi Figur: http: //www. alibaba. com

Polymermaterialer • • Råstoffer i hovedsak fra olje/gass (petrokjemi), samt i enkelte tilfeller fra naturen Polymerer fra monomerer Eksempel: Polystyren fra styren Fordeling av kjedelengder n og molekylvekt MP • Strekkfasthet avtar med synkende MP: MEF 1000 – Materialer og energi Figur: W. D. Callister jr. : Materials Science and Engineering

Polymerisering • Addisjon – Monomerer – Eksempler n • polyetylen • polystyren – Kopolymerer • n. A + m. B = -[An. Bm]- Kondensasjon MEF 1000 – Materialer og energi

Kopolymerer • Homopolymer (fra addisjon, kondensasjon) • Kopolymerer – Blokk – Forgrenet (grafted) – Alternerende – Tilfeldig MEF 1000 – Materialer og energi

Molekylære strukturer • Lineær • Forgrenet – Korte grener: Hindrer krystallisering – Lange grener: Endrer plastisiteten betydelig • Nettverk – Stigekoblede – Monomer med 3 bindinger – Krysskoblede (cross-linked) kjeder – o. a. MEF 1000 – Materialer og energi Figur: W. D. Callister jr. : Materials Science and Engineering

Krystallinitet • Kjedefolding gir områder av krystallinitet • Økt hardhet • Amorfe og krystallinske plaster er sprø ved svært lave temperaturer, gjennomgår en mykning ved en Tg og smelter til slutt ved høy temperatur dersom de ikke er krysskoblede. MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: W. D. Callister jr. : Materials Science and Engineering

Hovedkategorier av polymermaterialer • Smelteplaster (termoplaster) – Ikke krysskoblede – Myke, skjærbare – Smeltes og omsmeltes; støpbare • Herdeplaster (duromere) – danner nettverk ved høy temperatur eller ved additiver (tokomponentplaster og -lim) – Harde – Ikke smeltbare (dekomponerer) • Gummielastiske polymerer (elastomere) – Oppviklede og innfiltrerte kjeder – Ofte naturlig gummi (kautsjuk) som viktig ingredient MEF 1000 – Materialer og energi

Komposittmaterialer • Isotrope – Legeringer – Cermets, hardmetall • Fiber – Fiberforsterket plast – Trematerialer – Armert betong • Laminater – Trematerialer – Honeycomb • Overflate – Herding – Korrosjonsbeskyttelse MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: E. Hornbogen: Werkstoffe, W. D. Callister jr. : Materials Science and Engineering, http: //www. trbonders. co. uk/products. html

Kompositter er ofte sterke og seige; Testing av vindmøllevinge MEF 1000 – Materialer og energi

Materialsvikt • Duktilt eller sprøtt brudd • Materialtretthet • Korrosjon • Spenningsindusert korrosjon MEF 1000 – Materialer og energi

Oppsummering • Krefter – spenning – Normal, skjær • Deformasjon – Elastisk, plastisk, brudd – Dislokasjoner – Herding • • Fremmedatomer Utfellinger Dislokasjonshekting Korngrenser Metalliske materialer Keramiske materialer Polymermaterialer Kompositter MEF 1000 – Materialer og energi Figur: W. D. Callister jr. : Materials Science and Engineering