Konstruksjonsmaterialer 8256226358 [PDF]

Zitiervorschau

Anders Bjårbo

Konstruksjons­ materialer Oversatt og faglig bearbeidet av Øivind Husø

Bokmål

NB Rana DePotbiblioteket

NKI Forlaget

Orginaltittel: Konstruktionsmaterial © 1994 Anders Bjårbo och Liber Utbildning AB Oversatt og faglig bearbeidet av Øivind Husø

Norsk utgave: © NKI Forlaget 1995 1. utgave 1. opplag 1996 Utgiver: NKI Forlaget, Hans Burums vei 30 Postboks 111,1341 Bekkestua Telefon: Sentralbord 67 58 88 00 Ordrekontor 67 58 89 00

Sats: Prepress as Trykk: GCS

Godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter 5.2.96

Det må ikke kopieres fra denne bok i strid med åndsverkloven og eller avtaler om kopiering inngått md KOPINOR, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndrag­ ning og kan straffes med bøter eller fengsel.

ISBN 82-562-2635-8

Innhold Innledning .......................................... 6

Faseomdanninger ............................... 57 Drivende kraft...................................... 58 Diffusjon................................................ 59 Gitterstrukturer.................................... 61 Kimdanning.......................................... 62 Homogen kimdanning.................... 63 Heterogen kimdanning ................... 63 Tilvekst .................................................. 63

6

Størkning.............................................. 65 Fasediagram ......................................... 66 Seigringer.............................................. 68 Kimdanning og tilvekst ...................... 69 Eutektiske fasediagrammer................ 71 Eutektikum........................................ 71 Proeutektisk utskilling .................... 72 Peritektiske fasediagrammer ............. 75

7

Faseomdanninger i fast tilstand .... 81 Forutsetninger...................................... 82 Utskilling fra fast fase ......................... 82 Eutektoide omdanninger.................... 84 Utskillingsherding............................... 87 Oppløsningsbehandling.................. 87 Eldring ............................................... 87 Diffusjonsløse omdanninger.............. 88

8

Strukturomdanninger ........................ 91 Fase- og strukturomdanninger .......... 92 Rekrystallisasjon .................................. 93 Kornvekst.............................................. 95 Koalesens .............................................. 97

9 10 12 13 15 15

1

Plastisk deformasjon ....................... Gitterstrukturer.................................. Plan og retninger ............................... Glidning.............................................. Mekanisk tvillingdanning................ Glødingstvillinger .............................

2

Herdingsmekanismer...................... 19 Dislokasjoner........................................ 20 Korngrenseherding ............................ 23 Løsningsherding................................ 24 Partikkelherding.................................. 26 Deformasjonsherding ......................... 26

3

Mekaniske egenskaper...................... 31 Elastisk deformasjon......................... 32 Plastisk deformasjon........................... 33 Strekkprøve .......................... 34 Strekkfasthet (bruddgrense) (Rm) . 35 Bruddforlengelse (A)....................... 35 Kontraksjon (Z) ................................ 36 Flytegrense (Re) ................................ 36 0,2-grense (Rp0;2)............................... 37 Sant spenning-tøyningsdiagram .. 37 Hardhet............................................... 38 Brinellprøving ................................ 38 Vickersprøving............................... 38 Rockwellprøving............................ 38 Brudd .......................... 39 Seigt brudd ..................................... 39 Sprøtt brudd ................................... 39 Mohrs sirkler .................................... 40 Slagseighetsprøving ....................... 41 Bruddmekanikk ............................... 42 Varmebestandighet ..................... 44 Varmflytegrense ............................... 44 Krympegrense .................................. 45 Krympebruddgrense....................... 45 Dimensjonering................................ 45 Materialegenskaper ......................... 46 Utmatting.............................................. 46 Kjervvirkning ................................... 47 Tøyningsutmatting.......................... 48 Spenningsutmatting ...................... 49

4

5

Mikroskopering.................................. 51 Korn og korngrenser......................... 52 Lysmikroskop....................................... 53 Mikrostruktur ...................................... 54

9 Jern og stål............................................ 99 Jern-karbon-diagrammet.................. 100 Eutektoid omdanning ....................... 101 Ferrittutskilling .................................102 Sementittutskilling ............................ 103 Martensittdanning........................... 107 Restaustenitt..................................... 108 TTT-diagram....................................... 109

10 Varmebehandling av stål............... 113 Normalisering ....... 114 Mykgløding ...................................... 115 Herding av karbonstål ..................... 116 Herding av legerte stål...................... 120 Anløpning..................... 122 Overflateherding................................ 123 Settherding.................................... 123 Oppkulling...................................... 123

Herding ......................................... 123 Anløpning..................................... 124 Overflatehardhet og settherdingsdybde............................................. 124 Karbonitrering.............................. 124 Nitrering........................................ 125 Gassnitrering ................................ 126 Nitrokarburering.......................... 126 lonenitrering................................. 126 Saltbadsnitrering.......................... 126 Induksjonsherding....................... 126 Flammeherding............................ 126

11 Stål...................................................... 129 Vanlige konstruksjonsstål............... 130 Bruk................................................ 130 Kjemisk sammensetning............. 131 Holdfasthet-flytegrense .............. 131 Kvalitetsklasser ............................ 132 Holdfasthetsklasser ..................... 132 Leveransetilstand......................... 132 Seigherdete vanlige konstruksjons­ stål .................................................. 132 Kaldformingsstål ......................... 133 Materialvalg.................................. 133 Tilpasningsnormer....................... 134 Maskinstål ........................................ 134 Kjelestål.............................................. 135 Seigherdingsstål............................... 135 Settherdingsstål ............................... 136 Automatstål...................................... 137 Fjær stål............................................... 137 Verktøystål........................................ 137 Karbonstål..................................... 137 Legerte stål.................................... 137 Klassifisering av verktøy stål ...... 138 Rustfrie stål ...................................... 139 Nye ståltyper.................................... 140 12 Støpejern .......................................... Hvitt støpejern ................................. Gråjern ............................................... Seigjern............................................... Aduserjern ....................................... Mekaniske egenskaper ...................

141 142 143 144 145 145

13 Kobber og kobberlegeringer........ Kobber............................................... Kobber med små legeringstilsetninger .................................... Messing............................................. Bronse................................................ Kobbernikkel....................................

147 148

149 149 151 151

14 Lettmetaller........................................ 153 Aluminium og aluminiumlegeringer ............................................ 154 Renaluminium................................ 154 Presslegeringer ............................... 155 Støpelegeringer .............................. 156 Magnesium og magnesiumlegeringer ............................................ 157 Titan og titanlegeringer .................... 157

15 Sveisemetallurgi ............................... 159 Trykksveising .................................... 160 Smeltesveising av stål ....................... 160 Mikrostruktur..................................... 160 Sveisegods....................................... 161 Overopphetet sone......................... 162 Normalisert sone............................ 162 Martensittdanning ......................... 162 Sprekkdanning................................... 163 Varmsprekker ............................. ...163 Krympesprekker ............................ 164 Sveisbarhet til stål.............................. 165 Grunnmateriale ............................ 165 Tilsetningsmateriale....................... 165 Forvarming ..................................... 166 Sveisbarhetsprøving.......................... 166 Sveisbarhet til austenittiske rustfrie stål ...................................... 167 Prøving av sveiste konstruk­ sjoner ................................................ 167

16 Korrosjon............................................ 169 Korrosjonstyper ................................. 170 Galvanisk korrosjon ...................... 170 Vanlig korrosjon ............................. 172 Vanlig korrosjon på stål i fuktig atmosfære................. 172 Punktkorrosjon............................... 172 Interkrystallinsk korrosjon ........... 173 Spaltekorrosjon............................... 173 Erosjonskorrosjon........................... 173 Slitasjekorrosjon ............................. 173 Spenningskorrosjon ....................... 174 Korrosjonsutmatting...................... 174 Oksidasjon..................................... 174 Korrosjonsbeskyttelse ....................... 175 Endring av metallet ....................... 175 Endring av det korrosive mediet 175 Endring av potensialet mellom metall og omgivelse....................... 175 Endring av metallets overflate ... 176 Konstruksjonens utforming........ 177

17 Keramer............................................ Tilvirkning........................................ Oppbygning ..................................... Plastisk deformasjon....................... Dislokasjoner.................................... Herdingsmekanismer ..................... Termisk herding ........................... Armering....................................... Sekundærfase ............................... Faseomdanning............................ Mekaniske egenskaper ................... Statistiske synspunkter ............... Bøyeprøving ................................. Dimensjonsavhengighet ............. Avhengig av belastningstilfelle ... Smeltefassintring ............................. Bruk .................................................... Skjærende verktøy........................... Hardmetall.................................... Keramiske skjær........................... Moderne keramer............................ Aluminiumoksid.......................... Zirkoniumdioksid........................ Kiselkarbid.................................... Borkarbid ...................................... Kiselnitrid ..................................... Bornitrid ........................................

179 180 181 181 182 182 183 183 183 183 184 184 185 185 185 186 186 187 187 188 189 189 189 189 189 189 189

18 Plaster ............................................... Plastenes oppbygning..................... Kjemisk binding........................... Valens vinkler................................ Atomavstand ......................... Vribarhet - rotasjon...................... Krystallinske og amorfe materialer ...................................... Plastmolekylenes form................ Termoplaster................................. Herdeplaster ................................. Fysikalske egenskaper ................ Vanlige termoplaster....................... Polyeten-PE................................ Polypropen - PP........................... Polyvinylklorid - PVC .............. Polystyren - PS............................. Polyamid - PA.............................. Polyakrylat.................................... Polyformaldehyd - POM .......... Polykarbonat - PC ....................... Polyfluoreten ................................ Konstruksjonsplaster................... Vanlige herdeplaster ....................... Fenoplast.......................................

191 192 192 193 193 193 194 194 195 196 196 197 197 197 197 197 198 198 198 198 199 199 199 199

Karbamidplast og melaminplast 199 Polyester .......................................... 200 Termoplastenes mekaniske egenskaper ....................................... 200 Spenning-tøyningskurver .............200 Kryping............................................ 201 Tidsavhengig deformasjon ...........201 Krypmodul...................................... 203 Isokrone spenning-tøyningsdiagram............................................ 204 Kritisk tøyning................................ 206 Spenningsrelaksasjon .................... 206

19 Fiberkomposittmaterialer ............. 209 Mekaniske egenskaper...................... 210 Strekkfasthet ................................... 210 Stivhet ............................................ 211 Kritisk fiberlengde ....................... 211 Fibermaterialer................................... 212 Glassfiber......................................... 212 Karbonfiber ..................................... 212 Silisiumkarbidfiber ........................ 213 Matrisematerialer .............................. 213 Polyester .......................................... 213 Epoksyplast..................................... 213 Aluminium...................................... 213 Magnesium ..................................... 214 Titan ................................................. 214 Plastkomposittmaterialer ................. 214 Metallkomposittmaterialer........... . 215 Brudd............................. 216 20 Materialvalg..................................... 217 Kravprofil............................................ 218 Mekaniske krav .............................. 219 Egenskapsprofil ................................. 219 Holdfasthet ..................................... 220 Stivhet .............................................. 221 Vektbesparing .................................221 Utmatting ...................................... 222 Seighet.............................................. 224 Støpbarhet .......................................224 Kaldformbarhet ..............................224 Skjærbarhet ..................................... 224 Sveisbarhet......................................225 Formbarhet til polymerer............ 225 Optimering .........................................226 Datasøking................. 227

Fasit til øvingsoppgavene .....................229 Stikkordregister......................................237

Innledning Ofte får vi spørsmål om hva gjenstander er laget av. I dagligtale besvarer vi gjerne slike spørsmål med enkle samlebegreper som jern, kopper, aluminium, plast og gummi. Begrepene jern og stål brukes ofte om hverandre i dagligtale, men en teknisk kyndig person vil bare bruke ordet jern om støpejern. I andre sammenhenger er stål det riktige ordet. Stål og støpejern er begge jernlegeringer. Det vil si jern der andre stoffer, som karbon og silisium, er tilført for at en skal oppnå bestemte egenskaper. Rent jern blir ikke brukt som teknisk konstruksjonsmateriale, fordi det er mykt og ikke sær­ lig sterkt. Det er altså ikke presist nok å skille mellom stål og støpejern fordi det finnes så mange ulike varianter av begge.

Inndeling av tekniske materialer Vi snakker om - metalliske materialer, for eksempel stål, støpejern, kopper, aluminium og lege­ ringer av disse - materialer som ikke inneholder metall, for eksempel gummi, asbest, hud og plast Blant metallene er gruppen stål og støpejern så omfangsrik at vi skiller mellom to grupper metaller: - gruppen der jern er hovedbestanddel, de såkalte jernmetallene - gruppen som ikke har jern som hovedbestanddel, de såkalte ikkejernmetallene — Konstruksjonsstål Maskinstål [—Stål -----Verktøystål Støpestål

0-0,3 % C 0,3-0,6 % C 0,6-1,5 % C 0,2-0,5 % C

r— Jernmetaller -----

Støpejern r— Metaller

Metaller som — ikke baseres på jern

Tekniske materialer —

r— Naturmaterialer

L Ikke-metaller —

— Hvitt støpejern Grått lamellstøpejern Kulegrafittjern — Legert støpejern

— Kopper Bly ...., , Nikkel *— Krom i— Aluminium *— Lettmetaller ----- Magnesium L- Titan

i—Tungmetaller— a

— Tre Lær — Gummi

L- Kunstig framstilte materialer --------------Plast

Oversikt over tekniske materialer

6

2,5-4 % C

Innledning

Jernmetaller Jernmetallene kan vi dele inn i to grupper: stål og støpejern. • Stål Stål er legering av jern, karbon og andre elementer der karboninnholdet ikke over­ stiger 2 %. Stål blir nesten alltid valset i stål verkene.

Utvalsingen er en prosess som er med på å gi stålet de mekaniske egenskapene. Stålet kan også støpes. Da bruker vi ordet støpestål om det. Støpestål har et kar­ boninnhold fra 0,2 til 0,5 %.

• Støpejern Støpejern er en legering av jern, karbon og nesten alltid silisium og andre elemen­ ter. Karboninnholdet ligger vanligvis mellom 2,5 og 4 %, men kan i spesielle tilfel­ ler være høyere. Støpejern framstilles, som navnet sier, gjennom en støpeprosess.

Metaller som ikke inneholder jern Disse materialene deler vi ofte inn i to grupper som vi kan kalle tungmetaller og lettmetaller.

• Tungmetaller Dette er metaller som har en høy massetetthet (p < 5000 kg/m3). Det fornemste er kopper, Cu, dersom vi ser bort fra gull og sølv, som ikke regnes som konstruk­ sjonsmaterialer. Kopper blir sjelden brukt i ren form,men mest som kopperlegeringer. De legeringene som det finnes mest av, er bronse, som består av kopper og tinn (Sn), og messing, som består av kopper og sink (Zn). Andre eksempler på tunge ikkejernmetaller er bly, tinn, nikkel og krom. • Lettmetaller Lettmetaller er ikkejernmetaller som har en massetetthet p < 5000 kg/m3. Vanlige eksempler er magnesium og aluminium. Aluminium brukes bare i legert form som konstruksjonsmateriale. Vanlige legeringselementer er silisium, kopper og magne­ sium. Ulegert magnesium blir ikke brukt til tekniske formål, men magnesiumlegeringer blir blant annet brukt i sportsutstyr og i motorsagdeler. Titan brukes lite i tek­ nisk sammenheng fordi det er svært kostbart. Det er et materiale som har lav vekt samtidig som styrkeegenskapene er gode. Derfor blir det brukt innenfor romfart og til bygging av racerbiler.

7

Innledning

Materialer som ikke er metaller Som overskriften sier, er dette tekniske materialer som ikke kommer fra metaller. De kan forekomme i naturen eller være framstilt på kunstig vis. Derfor deler vi ofte disse materialene i to grupper, nemlig de naturlige tekniske materialene og de tekniske materialene som er kunstig framstilt. • Naturlige tekniske materialer Eksempler her kan være lær, olje og naturgummi. Dersom disse materialene skal kunne brukes i teknisk sammenheng, må de bearbeides videre fra sin naturlige til­ stand. • Kunstige tekniske materialer Dette er tekniske materialer som har framkommet gjennom kjemiske prosesser. Med et samlebegrep kaller vi disse materialene plast.

Materialer og miljø Når vi hører ordet miljø, tenker vi med en gang på forurensninger rundt oss. Foru­ rensningen av vann, jord og luft er en følge av den raske industrialiseringen som har skjedd. Med miljøteknikk forsøker vi å rette opp de feilene vi har gjort, og vi prøver å unngå nye feil. Miljøteknikken har for eksempel ført til utviklingen av en etterbrenner eller katalysator som gjør utslippene fra biler mindre skadelige. Slike og lignende tek­ niske apparater gjør at skadelige og giftige stoffer etterhvert må vike plassen for mer miljøvennlige materialer. Etter lang tid har det lykkes fabrikantene av glidelagre og rullingslagre å lage så glatte lagre at de kan smøres med vann i stdet for olje. Det reduserer mengden av spillolje og er et eksempel på den miljøvennlige utviklingen som er i gang.

8

Plastisk deformasjon Når du har arbeidet med dette kapittelet, skal du kunne gjøre rede for disse begrepene:

• Gitterstrukturer • Plan og retninger • Glidning • Mekanisk tvil li ngdanning • Glødingstvillinger

9

1 Plastisk deformasjon

Gitterstrukturer Metalliske materialer består av mange små krystaller, såkalte korn. Grenseflatene mellom kornene kaller vi korngrenser. Figur 1.1 viser en modell av en krystallkornstruktur. Ved å stable likedannete polygoner på hverandre kan vi fylle ut rommet helt. Kuben er et annet polygon som kan fylle ut rommet ved stabling, men overflatespenningen i korngrensene favoriserer slike korn som vi ser på figur 1.1. Figur 1.2 viser virkelige krystallkorn. Det er en kobberlegering som er spesialbehandlet og har fått svært store korn.

Figur 1.1 Modell av krystallkornstruktur

Figur 1.2 Virkelige krystallkorn

I hvert korn er atomene ordnet i et regelmessig mønster. De vanligste gitterstrukturene ser vi på figur 1.3. Et romsentrert kubisk gitter har en kubisk enhetscelle med ett atom i hvert hjørne og ett atom i sentrum. I kubisk flatesentrert gitter er enhetscellen også en kube med ett atom i hvert hjørne. Dessuten er det ett atom i sentrum på hver av flatene.

Kubisk flatesentrert gitter, fcc

Figur 1.3 De vanligste gitterstrukturene

10

Heksagonalt gitter, hcp

1 Plastisk deformasjon Figur 1.4 viser et diagonalplan i en kubisk flatesentrert enhetscelle. Dette planet, som er tettpakket, ser vi også på figur 1.5, men nå tegnet i papirplanet. Atomene ligger i hjørnene av likesidete trekanter. Den kubisk flatesentrerte gitterstrukturen kan vi se på som parallelle diagonalplan som er stablet på hverandre.

Figur 1.4 Diagonalplan

Figur 1.5 Diagonalplan

Når neste diagonalplan (B) pakkes over det første, se figur 1.6, blir atomene lig­ gende i sentrum av likesidete trekanter. Legg merke til at bare halvparten av de likesidete trekantene blir fylt. Resten av trekantene blir fylt i det tredje diagonalplanet (C), se figur 1.7. Diagonalplanet er altså stablet i sekvensen ABCABC, der samme atomposisjon kommer igjen i hvert tredje plan. Dette er den tetteste måten å pakke på, og den kubisk flatesentrerte gitterstrukturen kaller vi derfor kubisk tettpakking.

Figur 1.6 A- og B-plan

Figur 1.7 A-, B- og C-plan

I den heksagonale gitterstrukturen er det basisplanet som er tettpakket. Atomene er plassert i hjørnene av likesidete trekanter på samme måte som i diagonalplanet med den kubiske tettpakkingen. Den heksagonale gitterstrukturen har de tettpakkete planene stablet i sekvensen ABAB, der en atomposisjon kommer igjen i annethvert plan. Gitterstrukturen kaller vi heksagonal tettpakking.

11

1 Plastisk deformasjon

Plan og retninger De forskjellige krystallplanene har stor betydning for plastisk deformasjon. For å kunne identifisere krystallplanet bruker vi et betegnelsessystem som blir kalt Millers indeks:

1 2 3 4

Les av planets skjæringspunkter på x-, y- og z-aksene. Inverter disse verdiene. Multipliser med en faktor som gir små hele tall. Millers indeks oppgis med tre siffer innenfor parentes, for eksempel (112).

Millers indeks for planet på figur 1.8 finner vi slik: 1) 1

1

00

1

1

T

1 1

3) 1

1

2)

4)

00

0

(110) Figur 1.8 Plan (110)

Noen ganger må vi også kunne angi retninger langs et krystallplan. En retning oppgir vi på denne måten: 1 2 3 4

La retningen begynne i origo. Les av x-, y- og z-koordinatene. Multipliser med en faktor som gir små hele tall. Retningen oppgis med tre siffer innenfor en hakeparentes.

Retningen på figur 1.9 blir 1) 1

2

1

2) [121]

For alle likeverdige plan, for eksempel kubesidene, bruker vi betegnelsen { }. For likeverdige retninger bruker vi betegnelsen < >. Negative verdier oppgir vi med strek over sifrene. Legg merke til at et plan får samme indikasjon som retningen til normalen til planet.

12

Figur 1.9 Petningen [121]

1 Plastisk deformasjon

Glidning Plastisk deformasjon skjer i hoved­ sak ved glidning. Glidningen fore­ går langs visse krystallplan, såkalte glideplan. Disse planene har lett for å bevege seg i forhold til hverandre, fordi de er tett besatt med atomer. Glideplanene er altså tettpakkete. Figur 1.10 viser krystallplanene A og B. Glidning skjer lettest langs planet A, fordi det er tettest besatt med atomer som ligger relativt langt fra hverandre.

Figur 1.10 Glideplan

Glideplanene flytter seg i forhold til hverandre i bestemte retninger, såkalte glideretninger. Også glideretningene er tettpakkete. Med et glidesystem mener vi kom­ binasjonen av et glideplan og en glideretning. I kubisk tettpakking skjer glidningen langs de tettpakkete {lll}-planene og i de tettpakkete -retningene, se figur 1.11. Fire plan og tre retninger i hvert plan gir tolv glidesystemer. Heksagonal tettpakking har bare ett glideplan, basisplanet med betegnelse (0001), se figur 1.12. Dette planet har tre glideretninger, og det blir bare tre glide­ systemer.

Figur 1.11 Glidesystem i fcc

Figur 1.12 Glidesystem i hcp

I kubisk romsentrert gitterstruktur skjer glidningen i de tettpakkete - retnin­ gene. Det finnes flere forskjellige typer av glideplan, se figur 1.13. De vanligste er {110}, men også {112} og {123} forekommer. Det gir et stort antall glidesystemer, se figur 1.13.

13

1 Plastisk deformasjon

En betingelse for plastisk deformasjon ved glidning er at det finnes minst fem aktive glidesystemer. Det skaper vanskeligheter for heksagonal tettpakking, som bare har tre glidesystemer. I metaller med heksagonal tettpakking skjer den plas­ tiske deformasjonen også ved mekanisk tvillingdanning, se neste avsnitt. De vanlig­ ste metallene med heksagonal tettpakking er magnesium, sink og kadmium. Ved glidning i et korn endrer kornets ytre form seg. Det kan vi se i mikroskopet som et linjemønster på over­ flaten. En slik linje kaller vi glidelinje, og den utgjør skjæ­ ringen mellom et glideplan og prøveoverflaten. Det som i mikroskopet ser ut som en glidelinje, kan i mange tilfel­ ler være et glidebånd, som er Figur 1.14 Glidelinjer og glidebånd flere tettliggende glidelinjer, se figur 1.14. Figur 1.15 viser glidelinjer i metallkorn.

Figur 1.15 Glidelinjer i metallkorn. x 3000

14

1 Plastisk deformasjon

Mekanisk tvillingdanning Ved normale deformasjonsforhold er glidning den dominerende deformasjonsmekanismen til metaller med kubisk gitterstruktur. Metaller med heksagonal gitterstruktur har et lite antall glidesystemer, og de kan derfor også deformeres ved mekanisk tvillingdanning. Deformasjonen skjer innenfor et smalt bånd mel­ lom tvillinggrensene. Atomene innenfor det forskjøvete området har blitt ordnet til en speilfigur rundt gitteret, se figur 1.16. Figur 1.17 viser linseformete mekaniske tvillinger.

Figur 1.16 Tvillingdanning

Glødingstvillinger I metaller med flatesentrert kubisk gitterstruktur forekom­ mer tvillinger med rette tvillinggrenser. De har blitt dannet ved rekrystallisasjon, og vi kaller dem derfor glødingstvillinger. Denne typen tvillinger har ikke noen sammenheng med forskyvning eller ytre formendring. Figur 1.18 viser glødingstvillinger i messing.

Figur 1.18 Glødingstvillinger i messing, x 200

15

1 Plastisk deformasjon

ØVINGSOPPGAVER

16

1 Angi Millers indeks for det inntegnete planet.

2 Angi Millers indeks for det inntegnete planet.

3 Angi Millers indeks for det inntegnete planet.

4 Tegn et (OOl)-plan

2 Plastisk deformasjon

5 Tegn et (lOl)-plan.

6 Tegn et (211)-plan.

z A

7 Angi betegnelser for retningene a, b og c.

8 Tegn inn retningene [101], [221] og [112].

z ▲

17

—2= Herdingsmekanismer Når du har arbeidet med dette kapittelet, skal du kunne gjøre rede for disse begrepene: • Dislokasjoner • Korngrenseherding • Løsningsherding

• Partikkelherding • Deformasjonsherding

19

2 Herdingsmekanismer

Dislokasjoner Glidning langs atomplan i et perfekt krystall av metall skjer under sterk motstand. Den teore­ tiske holdfastheten ved slik glidning kan bereg­ nes til E/20, og det innebærer ca. 10 000 MPa for stål. Den virkelige holdfastheten er mye lavere, og det kommer av defekter i krystallene. Defektene kan være punktformete, lineære eller todi­ mensjonale. I dette avsnittet skal vi se på lineære defekter, eller dislokasjoner. Figur 2.1 viser en kantdislokasjon. Den kan oppfattes som et ekstra atomplan som slutter med en kant i krystallet. Dette atomplanet er vinkelrett mot bildeplanet. En kantdislokasjon kan bevege seg vinkelrett mot det ekstra atom­ planet under påvirkning av svært små krefter. Dermed forskyver de to delene i krystallet seg i forhold til hverandre. Ved glidning i et perfekt krystall må alle ato­ mer forflyttes samtidig, men det krever store ytre krefter, se figur 2.2. Skjer glidningen ved dislokasjonsbevegelser, trenger bare et fåtall ato­ mer å forflytte seg samtidig, og det kan skje under påvirkning av små ytre krefter, se figur 2.3. En kantdislokasjon er en lineær defekt, der avviket skjer langs kanten på det ekstra atom­ planet. Denne kanten kaller vi også dislokasjonslinjen. Kantdislokasjonen flytter seg langs sitt glideplan og vinkelrett mot dislokasjonslinjen. Dislokasjonen symboliserer vi med I , se figur 2.1, og vi sier at den er positiv. En kantdis­ lokasjon med det ekstra atomplanet nedover symboliserer vi med | , og vi sier at den er negativ. Se figur 2.4.

Figur 2.1 Positiv kant­ dislokasjon

Figur 2.2 Glidning i et perfekt krystall

Ekstra atomplan

Figur 2.3 Glidningen ved dislokasjonsbevegelser

20

Figur 2.4 Negativ dislokasjon

2 Herdingsmekanismer Glidestrekningen ved en dislokasjonspassasje tilsvarer avstanden mellom to atomer i glideretningen. Denne strek­ ningen, b, merket med en strek på figu­ ren, kaller vi Burgers vektor. For kantdislokasjoner er Burgers vektor alltid vinkelrett mot dislokasjonslinjen, L, se figur 2.5.

Figur 2.5 Burgers vektor for kantdislokasjon

Figur 2.6 viser en skruedislokasjon. Gitteret rundt dislokasjonslinjen er ganske kom­ plisert. Dislokasjonen kan «skru» seg gjennom krystallet, og Burgers vektor er parallell med dislokasjonslinjen, L. Se figur 2.7.

Figur 2.6 Skruedislokasjon

Figur 2.7 Burgers vektor for skruedislokasjon

Både kant- og skruedislokasjoner flytter seg gjennom krystallet under påvirkning av små krefter. Spenningsfelt og tøyningsenergi skiller noe mellom de to dislokasjonstypene. En viktig forskjell er at kantdislokasjonen er bundet til sitt glideplan, mens skruedislokasjonen kan bytte glideplan, noe vi kaller tverrglidning.

21

2 Herdingsmekanismer

Dislokasjonslinjen er ofte krokete, se figur 2.8. Burgers vektor er den samme for hele dislokasjonslinjen. På visse steder kan løkken være ren kantdislokasjon, på andre ren skruedislokasjon og iblant en blanding av kant- og skruekomponenter.

Figur 2.8 Krokete dislokasjonslinje

Figur 2.9 Dislokasjonstetthet

Dislokasjonstettheten, p, er et mål på mengden dislokasjoner per volumenhet. Antall dislokasjoner med lengden L er y • y, se figur 2.9. Dislokasjonslengden i

kuben blir L L l ' l

Dislokasjonstettheten finner vi ved å dividere med volumet til kuben, L3

k.L.L P = -—1~— = l

(cm-2)

r

Dislokasjonstettheten er altså den samlete lengden dislokasjoner i centimeter per kubikkcentimeter volum. Dislokasjonstettheten til glødete metalliske materialer ligger i størrelsesorden 107 - 108 cm-2. For kraftig kaldbearbeidete materialer kan dislokasjonstettheten være opptil 1012 cm-2. Forskjellen mellom teoretisk og virkelig holdfasthet avhenger altså i stor grad av de lettbevegelige dislokasjonene. Da det ikke går an å framstille dislokasjonsfrie metaller til lave kostnader, må en økning av holdfastheten skje ved å bremse beve­ gelsene til dislokasjonene. Det skjer ved forskjellige typer herdingsmekanismer.

22

2 Herdingsmekanismer Figur 2.10 viser et metallkorn i stor forstørrelse med et glideplan og en dislokasjon. Dislokasjonen kan bli bremset av en korngrense, korngrenseherding, av frem­ mede atomer, løsningsherding, av små partikler, partikkelherding, og av andre dislokasjoner, deformasjonsherding.

Den plastiske deformasjonen begynner når den kritiske skjærspenningen r0 er nådd: = t +'Ck + Tl + Tp

der r* xk Tq Tp

= friksjon på grunn av bindekrefter = herdingsbidrag på grunn av korngrenseherding = herdingsbidrag på grunn av løsningsherding = herdingsbidrag på grunn av partikkelherding

Når den kritiske skjærspenningen er overskredet, oppstår det et herdingsbidrag på grunn av deformasjonsherding: W =To + Td 0,5 % C. Høyt innhold av restaustenitt tyder på overeutektoid stål. Grafisk bestemming, se figur 9.17, gir ca. 1,3 % C.

Kapittel 10 1

a) Kjernen er overanløpt ved nitreringen og har blitt myk. b) Tiltak: Reduksjon av nitreringstempera turen (og samtidig økning av nitrertiden for at nitreringssjiktet ikke skal bli for tynt).

2

Mikrostruktur uten foregående gløding: Sammenhengende sprø korngrensesementitt og martensitt. Korngrensesementitten gir sprøhet.

Mikrostruktur med foregående mykgløding: Runde sementittkorn i martensitt. Materialet blir seigere.

Kapittel 18 o =

1

20-0,16-6

= 15 Mpa

4 • 0,005 • 0,008“

2

Diagrammet i oppgaven gir: £ = 0,0099

E =- = 1515 MPa c

8

3

8 = _______ 20 °-16:_______ , = 5,3 mm 4- 1515- 106 ■ 0,005 ■ 0,008 3

3

6 = 0,002 =------------ ---------------------- 3 gir F = 7,58 N 4-1515-10 -0,005-0,008 o =

7-58-0,16-6

= 5 69 Mpa

4 • 0,005 • 0,008“

e - 0,0028 (diagram) E = - = 2032 MPa c

8

Første iterasjon: F = 10,16 N

ø = 7,62 MPa

8 = 0,0041

Ec = 1859 MPa

Andre iterasjon: F = 9,30 N

o = 6,98 MPa

8 = 0,0037

Ec — 1886 MPa

Svar: 9,30 N

235

Fasit

Kapittel 19 1

Rm = Vf • £f • £ f,maks + U ~ Vf) ' Em ’ £f,maks der ef maks = A = bruddforlengelsen Rm = 0,30 • 310 000 • 0,02 + 0,70 • 6000 • 0,02

Rm= 1860 + 84

Rm=1944 MPa 2

Rm - *1 ’ Vf • Ef ■

8f,maks +

(1 — Vf) • Em •

£f/maks

Rm = 0,5 -1860 + 84

Rm = 1014 MPa 3

E = Vf • Ef + (1 - Vf) • Em

E = 0,60 • 85 000 + 0,40 • 4800 E = 52 920 MPa 4

E = 0,60 • 310 000 + 0,40 • 4000

E = 188 400 MPa

5

F ^2 cjR • jr • D

---------4

Fiberkraft:

A

> Sett like Skyvematrisekraft:

T

_ n c

_ 50 • 10”6 3500 2-tM 2 ' 155 °b

Lc = 0,57 mm (565 pm)

6

Lc

20 3300 2 ’ 500

Lc = 66 pm

236

M• n t - --------------

Stikkordregister 0,2-grensen 37 oc-messing 149 acetalplast 198 adusering, aduserjern 145 akrylplast 198 aluminium 154, 213 aluminiumbronse 151 aluminiumkomposittmaterialer 215 aluminiumlegeringer 154 aluminiumoksid 189 amidplast 198 amorfe elementer 194 amplitudespenning 46 anisotrope krystaller 73 anløpning 122 anvisningsfaktoren 48 armering 183 armert plast 200 atomavstand 193 ausforming 140 austenitt 100 austenittiske rustfrie stål 140 automatmessing 150 automatstål 137 avkjøling 144

bainitt 102 bainittdanning 109 bivalensbinding 192 borkarbid 189 bornitrid 189 brinellprøving 38 bronse 151 brudd 39, 216 bruddforlengelse 35 bruddgrense 35 bruddmekanikk 42 bruddseighet 43, 224 Burgers vektor 21 burgersmodell 202 byggsveisnormer 134 bøyeprøving 185 CCT-diagram 119 Charpy-metoden 41 Coffins relasjon 48 cottrelleffekten 25 CT-stav 43

datasøking 227 deformasjonsenergi 219 deformasjonsgrad 95 deformasjonsherding 23, 26 deformasjonsherdingseksponent 38 dempningsevne 145 dendritter 61 dendrittisk utskilling 74 diagonalplan 11 diffusjon 59 diffusjonsavstand 63 diffusjonshastighet 59 diffusjonskoeffisienten 60 diffusjonsløs omdanning 88 dimensjoneringskurve 45 dimensjonsavhengig 185 direkteherding 123 dislokasjoner 20,182 dislokasjonstetthet 22, 93 dobbel tbinding 192 dobbeltherding 124 drivende kraft 58, 82,115 dybdetrykksmessing 150 effektivitetsfaktor 210 egenskapsprofil 219 ekvikohesjonstemperatur 44 elastisitetsmodul 32, 221 elastisk deformasjon 32, 201 elastisk energi 219 eldring 87,155 elektrisk ledningsevne 148, 171 elektrodedimensjon 165 elektrokjemisk korrosjonsbeskyttelse 175

enfaseområde 67 enfasete strukturer 54 enkeltbinding 192 enkeltherding 124 epoksyplast 213 erosjonskorrosjon 173 esterplast 200 etenplast 195,197 etsing 53 eutektikum 71 eutektisk koloni 72

eutektisk reaksjon 71 eutektisk stål 101 eutektiske fasediagrammer 71 eutektoid 85 eutektoid koloni 86 eutektoid omdanning 84, 101 fasediagram 66 faser 58 fasetterte krystaller 61 faseomdanning 58, 82, 92, 183 fast fase 58, 61 fast løsning 66 fenoplast 199 ferritt 54,100 ferritt-austenittiske rustfrie stål 140 ferrittisk grått støpejern 143 ferrittiske rustfrie stål 140 ferrittutskilling 102 fiberkomposittmateriale 210 fibermateriale 212 Ficks første lov 60 finkornbehandling 131 fjærstål 137 flammeherding 126 flatesentrert kubisk gitter 10 fluoretenplast 199 flytegrense 25, 35, 36, 220 flyting 35 forgrenete kjedemolekyler 194 formbarhet til polymerer 225 formbestandighet 138 formendringsevne 165 formfaktor 47 forskyving 33 forvarming 166 fri energi 69

galvanisert stålplate 176 galvanisk korrosjon 170 galvanisk spenningsrekke 171 gassnitrering 126

237

gassoppkulling 123 Gibbs frie energi 58 gjenoppretting 93 glassfiber 212 glassfiberarmert esterplast 214 glasstemperatur 195 glidebånd 14 glidelinjer 14 glideplan 13 glideretning 13 glidesystem 13 glidning 13, 20 glidning i keramer 181 gløding 173 glødingstvillinger 15 grafitt 143,145 grafitten tektikum 143 grafittiseringstemperatur 212 grunnmateriale 165 gråjern 143 grått støpejern 142 gunstige krystallplan 61 gunstige vekstretninger 61

hardhet 38 hardmetall 183,187 hardmetallskjær 187 herdbare aluminiumlegeringer 155 herdedybde 120 herdefelt 118 herdeplast 196,199 herding 107,116 herdingsmekanismer 22, 82,182 heksagonal tettpakking 11 heksagonalt gitter 10 heterogen kimdanning 63 homogen kimdanning 63 homogenisering 68 Hookes lov 32 hovedvalensbinding 192 holdfasthet 220 holdfasthetsklasser 132 hurtigstål 139 hvitt støpejern 143 hydrasin 175 hydrogensyke 148

indre spenninger 164 induksjonsherding 126 inhibitorer 175 inkubasjonstid 72

238

inntrengningssone 160 interkrystallinsk korrosjon 140,173 interstitiell løsning 25 ionebinding 181 ionenitrering 126 isokrone spenning-tøyningsdiagram 204 isotropt materiale 52

jern-karbon-diagrammet 100 jominyavstand 121 jominykurver 121 jominy prøve 120

kaldarbeidsstål 138 kaldbearbeiding 41 kaldeldring 87 kaldformbarhet 224 kaldformingsstål 133 kantdislokasjon 20 karbamidplast 199 karbonatplast 198 karbonekvi valent 131,165 karbonfiber 212 karbonfiberarmert epoksy­ plast 214 karbonitrering 124 karbon-manganstål 131 karbonstål 137 katodiskvern 175 kelvinmodell 202 keramer 179 keramiske skjær 188 keramtilvirkning 180 kimdanning 62, 69 kimdanningspunkt 73 kjedemolekyler 194 kjelestål 135 kjemisk binding 192 kjerneholdfasthet 136 kjervvirkning 47, 48 kjølingshastighet 84 klyvbrudd 39 koalesens 88, 92, 97 koalesenshastighet 46 kobber 148 kobbernikkel 151 konbrudd 39 konod 66 konsentrasjonsgradient 60 konsentrasjonsforskjeller 68 konstruksjonsplaster 199

konstruksjonsstål 130 kontinuerlige tredimensjo­ nale molekyler 194 kontraksjon 36 koppbrudd 39 korn 10,23,52 kornforstørring 118 korngrense 52 korngrenseetsing 173 korngrenseferritt 102 korngrenseherding 23 korngrensesementitt 103 korngrenseutskilling 83 kornstørrelse 55, 70, 72 kornstørrelsemåling 24 korn vekst 92, 95,162 korrosjon 170 korrosjonsbestandighet 140 korrosjonsbeskyttelse 175 korrosjonssoner 172 korrosjonstyper 170 korrosjonsutmatting 174 kovalent binding 192 kravprofil 218 kritisk deformasjonsgrad 95 kritisk fiberlengde 211 kritisk radius 62 kritisk skjærspenning 34, 40 kritisk strekkspenning 40 kritisk tøyning 206 krokete dislokasjonslinje 22 krympebruddgrense 45 krympegrense 45 krympehastighet 45 krympekurve 44, 201 krympemodul 203 krympesprekker 164 krymping 44, 201 krystallinske elementer 194 krystallorientering 52 krystallplan 12 krystallretninger 12 krystallseigring 69 kubisk tettpakking 11 kvalitets klasser 132

lamellær perlitt 105 lamellært eutektikum 72 lastopptak 219 lastveksling 46 ledeburitt 142 legering 59, 66

legerte stål 137 lettmetall 154 leveransetilstand 132 likviduslinje 66 lineær defekt 20 lysmikroskop 53 løsningsherding 23, 24 magnesium 157, 214 magnesiumlegeringer 157 magnetpulverprøving 167 maksimal fiberlengde 211 maksimal skjærspenning 34, 40 maksimal strekkspenning 40 martensittdanning 107,162 martensitteldringsstål 140 martensittisk omdanning 88 martensittiske rustfrie stål 139 maskinstål 134 massetetthet 186 materialvalg 133, 218 matrisemateriale 213 Maurers støpejernsdiagram 144 maxwellmodell 202 mekanisk tvillingdanning 12,13 mekaniske egenskaper 184, 210 mekaniske krav 219 melaminplast 199 mengdeforhold 54 merittsifre 221 messing 149 metallkomposittmaterialer 215 metallografisk prøve 53 midjedanning 35, 38 mikrolegert stål 131 mikrostruktur 54 mikrostruktur til karbon­ stål 106 Millers indeks 12 moderne keramer 189 Mohrs sirkler 34, 40 mykgløding 115 mykningstemperatur 196 nedre flytegrense 36,132 negativ dislokasjon 20 nikkelmessing 150

nitrering 125 nitrogen 131 nitrokarburering 126 normalisering 114 normalisert sone 162 normer 134 nye ståltyper 140 nylon 198 nysølv 150 oksidasjon 174 oksygenholdig kobber 148 oljekjøling 118 omdanningsgrad 82 omdanningshastighet 82 omdanningssone 160 omdanningsspenninger 119 omslagstemperatur 42 opphoping 24 oppkulling 123 oppløsningsbehandling 87 optimering 226 optimering ved material­ valg 218 overeldring 88 overeutektisk legering 72 overeutektisk struktur 75 overeutektoid struktur 86 overeutektoide stål 103 overflateenergi 62, 95,115 overflatehardhet 174 overflateherding 123 overopphetet sone 162

pannvann 175 partiell omdanning 162 partikkelherding 23,26 peritektisk fasediagram 75 peritektisk reaksjon 75 perlitt 101 perlittisk gråjern 143 Petch-Hall-sammenhengen 24 plan 12 plast 192 plastenes oppbygning 192 plastformstål 138 plastisk deformasjon 33, 181 plastkomposittmaterialer 214 plastmolekyler 194 Poissons tall 32 polyakrylat 198

polyamid 198 polyester 200, 213 polyeten 197 polyfluoreten 199 polyformaldehyd 198 polykarbonat 198 polypropen 197 polystyren 197 polyvinylklorid 197 porer 184 positiv dislokasjon 20 potensialforskjell 171 presslegeringer 155 primær krymping 201 pris 225 proeutektisk utskilling 72 proeutektoid 85 proeutektoid ferritt 103 proeutektoid omdanning 85 proeutektoide utskillinger 86 propenplast 197 proporsjonalitetsgrense 35 prøving av sveiste kon­ struksjoner 167 pulveroppkulling 123 punktkorrosjon 172 PVC 197 radiografiprøving 167 rekrystallisasjon 27, 92,93 rekrystallisasjonstemperatur 93,160 relaksasjonskurve 206 renaluminium 154 rent jern 100 restaustenitt 108 resttøyningsgrense 36 rockwellprøving 38 rotasjon 193 romsentrert kubisk gitter 10 rustfrie stål 139

saltbadsnitrering 126 saltbadsoppkulling 123 sann spenning 37 seighet 224 seigherdete vanlige konstruksjonsstål 132 seigherdingsstål 135 seigjern 144 seigringer 66, 68 seigt brudd 39 sekundær krymping 201

239

sekundærfase 183 sementitt 100 sementittuts killing 103 settherding 123 settherdingsdybde 124 settherdingsstål 136 silisiumkarbid 189 silisiumkarbidfiber 213 silisiumnitrid 189 sinkplate 176 skjær 187 skjærbarhet 224 skjærende verktøy 187 skjærmodul 33 skruedislokasjon 21 slagseighet 41, 224 slitasjekorrosjon 173 smeltefassintring 186 smeltegrense 160 smelteintervall 66 smeltepunkt 58, 66 smeltesveising 160 smelting 196 soliduslinjen 66 spaltekorrosjon 173 spenning 32 spenning-tøyningskurve 36, 200 spenningsindusert faseom­ danning 183 spenningsintensitetsfaktor 43 spenningskonsentrasjon 47 spenningskorrosjon 174 spenningsrelaksasjon 206 spenningsutmatting 49 spesialmessing 150 sprekkdanning 163 sprekkdanning, risiko for 120 sprekkvekst 47 sprøtt brudd 39 stabilisering 173 statisk last 219 stivhet 211, 221 strekkfasthet 35, 210 strekkpressing 38 strekkprøve 34 struktur 54, 71 strukturomdanning 92 styrenplast 195,197

240

støpejern 142 støpelegeringer 156 støpemessing 150 størkning 58 størkningsintervall 68 størkningssprekker 163 stål 129 substitusjonell løsning 24 Sulfinuz-prosessen 126 Sur-Sulf-prosessen 126 sveisbarhet 165, 225 sveisbarhet til austenittiske rustfrie stål 167 sveisbarhetsprøving 166 sveisegods 161 sveisemetallurgi 159 sveisesoner 160 sveisesprekker 163 tekstur 52 Tenifer-prosessen 126 teoretisk holdfasthet 20 termisk herding 183 termoplaster 195,197 termoplastenes mekaniske egenskaper 200 tertiær krymping 201 tidsavhengig deformasjon 201 tilpasningsnormer 134 tilsetningsmateriale 165 tilvirkning av keramer 180 tilvirkningskostnad 225 tinnbronse 151 titan 157,214 titankomposittmaterialer 215 titanlegeringer 157 tofaseområde 67 tofasestrukturer 54 treakset spenningstilstand 34 tredimensjonalt molekyl 194 trippelbinding 192 trykksveising 160 TTT-diagram 109 tubemessing 150 tverrglidning 21 tøyning 32 tøyningsutmatting 48

ultralydprøving 167 undereutektisk legering 72 undereutektisk struktur 75 undereutektoid struktur 86 undereutektoide stål 102 underkjøling 63, 69, 72 utmatting 46, 222 utmattingsgrense 46 utmattingslast 219 utskilling 82 utskillingsherding 87,155

valens vinkler 193 vanlig korrosjon 172 vanlige konstruksjonsstål 130 vannkjøling 118 varmarbeidsstål 138 varmeldring 88,155 varmeledningsevne 148 varmespenninger 119 varmflytegrense 44 varmholdfasthet 44 varmsprekker 163 vekst 62, 63, 69 verktøystål 137 vektbesparende konstruk­ sjoner 221 vektstangregelen 67 vickersprøving 38 vribarhet 193

widmanståttensementitt 104 widmanståttenferritt 103 widmanståttenstruktur 161 widmanståttenutskilling 83 wohlerdiagram 46

ympemiddel 144 ymping 70,144 zirkoniumoksid 189 ødeleggelsestemperatur 196 øvre flytegrense 36