Materialteknikk : grunnbok [4 ed.] 8256215089 [PDF]

Zitiervorschau

B. Arne Gustafsson

MATERIALTEKNIKK

Grunnbok

Bokmål

Originalens tittel: Materiallåra

© B. Arne Gustafsson og Liber Yrkesutbildning, Stockholm Norsk utgave © NKI Forlaget 1987

1. utgave

1. opplag 1987 2. opplag 1991 3. opplag 1995 4. opplag 1999

Utgiver:

NKI Forlaget, Hans Burums vei 30 Postboks 111, 1319 Bekkestua Tlf.: Sentralbord: 67 58 88 00 Ordrekontor: 67 58 89 00 Telefaks: 67 58 19 02 Internett: http://www.nki.no/forlaget/ E-post: [email protected]

Oversettelse: Odd Hammertoft Konsulent: Oddvar Susegg Omslag: Brian Albers, omslagsbilde Henning Gulbrandsen, Oppland Arbeiderblad Printed in Norway by LOBO Grafisk as Godkjent til bruk i den videregående skolen for 5 år 27.11.1991 Godkjent som brevkurs til 25.6.1992

Det må ikke kopieres fra denne bok i strid med åndsverkloven eller avtaler om kopiering inngått med KOPINOR, Interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopiering i strid med lov eller avtale kan føre til erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel. ISBN 82-562-1508-9

Forord Materialteknikk gir en bred innføring i alle viktige metalliske materialer og plastmaterialer. Gummi, glass og en del keramiske materialer blir også omtalt. Det blir lagt spesiell vekt på framstillingen, egenskapene og bruksområdene til materialene.

Studieveiledning For deg som studerer «Materialteknikk» som brevkurs, har vi nedenfor angitt hvordan du bør arbeide med kurset.

Kursmaterialet Kursmaterialet består av denne boka og en arbeidsbok.

Kursinnhold Kurset behandler alle viktige metalliske materialer og plastmaterialer. Gum­ mi, glass og en del keramiske materialer blir også omtalt. Det er i første rekke materialenes framstilling, egenskaper og bruksområder som blir behandlet.

Inndeling i studieeenheter Kurset er delt inn i 12 studieenheter: Studieenhet

Studieenhet Studieenhet

Studieenhet

1: Kapittel Kapittel 2: Kapittel 3: Kapittel Kapittel

4: Kapittel 4

Kapittel Kapittel Kapittel Kapittel Kapittel Kapittel Studieenhet 10: Kapittel Kapittel Studieenhet 11: Kapittel Kapittel Studieenhet 12: Kapittel Kapittel Kapittel Studieenhet Studieenhet Studieenhet Studieenhet Studieenhet

5: 6: 7: 8: 9:

Arbeidsboka: Studieenhet 1: Studieenhet 2: Studieenhet 3: Studieenhet 4: Studieenhet 5: Studieenhet 6: Studieenhet 7: Studieenhet 8: Studieenhet 9: Studieenhet 10: Studieenhet 11: Studieenhet 12:

4

1 2 2 3 4

5 5 5 5 6 7 8 9 10 11 11 12 13

Innledning Materialprøving, side 17—28 Materialprøving, side 29—50 Standardisering av materialer Metallenes indre oppbygning eller struktur, side 55 — 67 Metallenes indre oppbygning eller struktur, side 68—89 Jern og stål, side 91 — 115 Jern og stål, side 116—134 Jern og stål, side 135 — 156 Jern og stål, side 157—180 Tungmetaller og tungmetallegeringer Lettmetaller og lettmetallegeringer Sintrede metalliske materialer Korrosjon Overflatebelegging av metaller Plast side 238—255 Plast side 256—264 Elastomerer - Gummi Glass og Keramikk

Øvingsoppgaver Øvingsoppgaver Øvingsoppgaver Øvingsoppgaver Øvingsoppgaver Øvingsoppgaver Øvingsoppgaver Øvingsoppgaver Øvingsoppgaver Øvingsoppgaver Øvingsoppgaver Øvingsoppgaver

1— 12 13— 38 39— 54 55— 85 86—110 111 — 147 148—173 174—208 209—229 230—246 247—264 265—273

Studieteknikk Før du begynner selve lesingen, bør du skaffe deg en oversikt over stoffet i boka. Slå opp i innholdsfortegnelsen og bla litt i boka for å gjøre deg kjent med hvordan stoffet er ordnet. Når du leser bør du streke under viktige ord og setninger. Dessuten kan du gjeme notere dine egne kommentarer og stikkord i margen eller i en egen bok. Du blir en aktiv leser og du lærer bedre. Det vil også bli lettere for deg når du skal repetere stoffet, hvis du på forhånd har trukket ut det vesentligste ved hjelp av understrekninger og notater.

Bruk øvingsoppgavene i arbeidsboka når du repeterer. Prøv å løse oppgavene på egen hånd. Er det noen oppgaver du ikke greier å besvare, bør du lese stoffet en gang til. Du kan kontrollere dine svar ved å sammenlikne med løs­ ningene bakerst i arbeidsboka. Først når du er helt sikker på at du behersker stoffet i en studieenhet, løser du innsendingsoppgavene. Disse sender du til NKI-skolen hvor de vil bli rettet og kommentert.

5

Innhold 1 Innledning ...........................................................................................

9

2 Materialprøving.................................................................................. Strekkprøving ..................................................................................... Sigeprøving........................................................................................... Trykkprøving ........................................................................................ Bøyeprøving........................................................................................ Hardhetsprøving.................................................................................. Skårslagprøving.................................................................................. Utmattingsprøving ............................................................................ Teknologisk materialprøving.............................................................. Ikke-destruktiv materialprøving........................................................

17 18 26 29 29 29 41 43 46 48

3 Standardisering av materialer ...........................................................

51

4 Metallenes indre oppbygning eller struktur...................................... Krystall- og mikrostrukturer hos metaller ...................................... Binære legeringer og deres tilstandsdiagram.................................... Formendringer i metaller og legeringer............................................

55 55 68 84

5 Jern og stål........................................................................................... Framstilling av jern............................................................................. Framstilling av stål............................................................................. Karbonstål — Ulegert stål................................................................. Jern — karbondiagrammet................................................................. Varmebehandling av stål.................................................................... Bearbeiding av karbonstål og dets øvrige egenskaper..................... Inndeling av stål — Legeringselementer ......................................... Konstruksjonsstål............................................................................... Verktøystål........................................................................................... Rustfrie stål ........................................................................................ Andre ståltyper..................................................................................... Støpejern.............................................................................................. Støpestål ..............................................................................................

91 94 104 116 119 126 151 157 159 168 171 174 175 179

6 Tungmetaller og tungmetallegeringer............................................... Kopper................................................................................................. Sink...................................................................................................... Tinn...................................................................................................... Bly......................................................................................................... Nikkel.................................................................................................... Messing................................................................................................. Bronse.................................................................................................... Kopper-nikkellegeringer....................................................................... Sinklegeringer ..................................................................................... Motstandslegeringer............................................................................ Varmefaste legeringer.......................................................................... Lagermetaller........................................................................................ Loddemetaller.....................................................................................

181 181 184 185 186 187 187 190 192 192 193 193 193 194

7 Lettmetaller og lettmetallegeringer .................................................. Aluminium........................................................................................... Aluminiumlegeringer ......................................................................... Magnesium og magnesiumlegeringer ............................................... Titan og titanlegeringer.......................................................................

195 295 197 203 204

6

8 Sintrede metalliske materialer.......................................................... Formdetaljer av sintermetall............................................................. Hardmetall...........................................................................................

206 206 211

9 Korrosjon.............................................................................................. Korrosjonstyper.................................................................................. Korrosjonsbeskyttelse......................................................................... Korrosjonsegenskapene til de mest vanlige metallene — Oversikt

214 215 224 226

10 Overflatebelegging av metaller.......................................................... Forarbeiding av overflaten................................................................ Metalliske overflatebelegg ................................................................ Overflatebehandling............................................................................ Maling og lakkering............................................................................ Belegging med plast eller gummi........................................................

229 230 231 234 235 237

11 Plast...................................................................................................... Polymerer............................................................................................. Framstilling av plast............................................................................ Termoplast........................................................................................... Vanlige termoplastmaterialer ............................................................. Herdeplast........................................................................................... Vanlige herdeplastmaterialer............................................................. Tilvirkning av plastprodukter..........................................................

238 238 242 245 250 256 258 261

12 Elastomerer — Gummi...................................................................... Egenskaper og kvaliteter ...................................................................

265 267

13 Glass og keramikk............................................................................... Noen vanlike keramiske materialer.................................................. Stikkordregister ..................................................................................

271 273 276

7

Figur 1.1

Mjøsbrua veier 50 000 tonn og kontraktsummen for selve brua er 97.1 millioner kroner.

Figur 1.2

Passasjerfly B-737-500(Boeing Aircraft Co). Flyet veier 28 tonn og prisen er ca. 162 millioner kroner.

8

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- STUDIEENHET 1

1 Innledning Mål Når du har lest dette kapitlet, skal du kunne:

— gjøre rede for den historiske utviklingen til en del viktige materia­ ler — forklare hvordan vi deler inn materialene i grupper — nevne de teknisk viktigste metaller og ikke-metaller — gjøre rede for oppbygningen av jordskorpa — definere begrepene legering, mineral, bergart og malm — forklare de fysikalske grunnbegrepene densitet (tetthet) og smelteeller størknepunkt

Materialenes utvikling Med materiale mener vi et emne eller stoff som brukes til framstilling av gjenstander. Materiale kommer av det greske ordet materia som opprinnelig betydde emne, tømmer eller trevirke. Ordet betegner også det jordiske og det kroppslige i motsetning til det åndelige. Materialenes historie henger nøye sammen med teknikkens historiske utvik­ ling. Vi kjenner til tre epoker i menneskehetens forhistoriske tid: steinalderen, bronsealderen og jernalderen. Disse tre kulturstadiene var mer eller mindre basert på materialene stein, bronse og jern. Av disse materialene ble det fram­ stilt enkle verktøy, redskap, våpen, smykker osv. Tallrike funn som vi kan studere på museer, vitner om det.

Jemfunn i pyramidene viser at egypterne kjente metallet jern allerede år 3000 f.Kr. Dette jernet var antakelig meteoijem. En regner med at den egentlige jernalderen med framstilling av jern fra jernmalm begynte i Lilleasia omkring år 1500 f.Kr. Her i Norden begynte framstillingen av jern fra myrmalm for ca. 2500 år siden.

Vi lever fremdeles i en slags jernalder, eller rettere sagt i en «stål-, lettmetallog plastalder». Se figurene 1.1 —1.3. Personbilen på figur 1.3 veier ca. 1300 kg og består i det store og hele av: 450 300 150 175 50 40 50 25 60

Figur 1.3

Personbil Mercedes 200/220.

kg kg kg kg kg kg kg kg kg

stålplater legert stål støpejern og stålstøpegods gummi og plastmaterialer glass kitt, lim og andre masser lettmetaller lakk og farge stopp og fyllmaterialer

STUDIEENHET 1---------------------------------------------------------------------------------------

Helt fram til midten av 1800-tallet var tre, tegl og naturstein de viktigste kon­ struksjonsmaterialene, men behovet for støpejern og smistål var sterkt øken­ de.

1 den siste halvdelen av 1800-tallet ble stål framstilt ved hjelp av bessemer- og martinmetodene. Det nye, billige stålet førte til industrialismens definitive gjennombrudd med alt dette innebar av tekniske, økonomiske og sosiale omveltninger. Siden har det gått slag i slag med materialer som stålstøpegods, lettmetaller, lav- og høylegerte stål, bakelitt og andre plastmaterialer, moderne byggemate­ rialer, elastomerene osv. Utviklingen på materialområdet går nå så hurtig at en kan snakke om en materialrevolusjon som grunnlag for det moderne pro­ duksjonslivet.

Vi skiller mellom materiale og materiell. Materiale er (rå)emner, (rå)stoff som en lager noe av, mens materiell er utstyr, redskaper, verktøy, maskiner og liknende, som kreves til en viss virksomhet, for eksempel undervisningsmate ­ riell.

Som det framgår av tabell 1.1, inntar jern som metall fremdeles en domine­ rende stilling innenfor den moderne teknikken. Tabell. 1.1 Verdensproduksjonen av de viktigste metallene år 1984. Metall

Produksjonen i 1000 tonn

Aluminium Bly Kopper Krom Mangan Nikkel

15.900 5.375 9.550 5.500 9.500 745

Metall Råjern og ferrolegeringer Stål Sølv Tinn Uran

Produksjonen i 1000 tonn 633.300 460.600 11 160 38

Det kan videre nevnes at verdensproduksjonen av gull i 1983 var ca. 1 450 000 kg. Den norske gullproduksjonen er ubetydelig.

Valg av materiale Den moderne konstruktøren kan velge mellom et tusentall av forskjellige materialer, men slik har det ikke alltid vært. Se figur 1.4.

Tre

Nå for tiden er det ofte vanskelig å velge det rette materialet når en skal lage et produkt. Blant annet av økonomiske grunner utnyttes materialenes egenska­ per til det ytterste. Det arbeides med små sikkerhetsmarginer. Dette forutset­ ter at konstruktøren har gode kunnskaper i materiallære og fasthetslære. Det er også nødvendig at de som skal bearbeide og gi materialene form (bore, dreie og sveise), har godt kjennskap til deres ulike egenskaper.

Materialgrupper Stål

Vi skal i dette kurset gjennomgå de teknisk sett viktigste materialgruppene og spesielt behandle materialenes framstilling, egenskaper og bruksområde. Figur 1.4

Materialene kan fra et kjemisk synspunkt inndeles i to grupper: organiske materialer og uorganiske materialer. 10

Jernbeslåtte treredskaper i form av hakke og spade fra en tid da stål var et dyrt materiale som måtte brukes med sparsomhet

STUDIEENHET 1

Organiske materialer omfatter de såkalte karbonforbindelsene og har ofte en meget komplisert kjemisk sammensetning. De andre materialene kalles uorganiske. De har en enklere kjemisk sammen­ setning og kan til og med bestå av et grunnstoff, for eksempel et metall. Vi skal behandle disse stoffene i neste kapittel.

For å kunne danne seg et helhetsbilde av nåtidens store utvalg av materialer, kan det være nyttig å gruppere dem etter oppbygning og egenskaper som i følgende skjema. Se også figur 1.5. • • • •

Metaller • Fibrer Silikater og karbonater (bergarter) • Lær Tre og tremasse • Limstoffer Polymerer, plastmaterialer og • Farger og lakker elastomerer • Smøremidler

Figur 1.5 viser hvordan de materialene som brukes innenfor teknikken, kan deles opp i to hovedgrupper og et stort antall undergrupper. De to hovedgrup­ pene er metaller og ikke-metaller. Metallene kan på sin side inndeles i jern og ikke-jernmetaller. — — — — — — — — _ _ '_ _ — — — — _ _ _ —

_ Silikater og karbonater >_ ra

Polymerer — — plastmaterialer elastomerer

® _ Tre og E tremasse o>----— Fibermaterialer 2 o> E

i

— Lær —

Limstoffer

_

Farger og lakker — Smøremidler

Antimon (Sb) Bor(B) Cerium (Ce) Germanium (Ge) Gull (Au) Iridium (Ir) Kadmium (Cd) Kobolt (Co) Kvikksølv (Hg) Mangan (Mn) Palladium (Pd) Platina (Pt) Rhodium (Rh) Selen (Se) Sølv (Ag) Tantal (Ta) Tellur (Te) Thorium (Th) Vismut (Bi) Wolfram (W)

— Beryllium (Be) — Hafnium (Hf)

— Niob (Nb) — Rubidium (Rb)

— Titan (Ti) — Zirkonium (Zr) — Aluminium (Al) — Bly (Pb) — Kopper (Cu)

— Krom (Cr) — Magnesium (Mg) — Molybden (Mo) — Nikkel (Ni) — Tinn (Sn)

— Vanadium (V) —

Sink (Zn)

Grått og hvitt støpejern Seigjern Aduserjern Karbonstål Lavlegert stål Høylegert stål

Støpestål

Råjern

Figur 1.5

Oversikt over og inndeling av ulike materialer som brukes innenfor teknikken

11

STUDIEENHET 1

Grunnstoffer eller elementer Alle stoffer vi har rundt oss cr bygd opp av grunnstoffer eller elementer. Grunnstoffenes viktigste egenskap er at de ikke kan spaltes på kjemisk måte, men bare ved atomspalting. De kan heller ikke dannes ved å blande andre stoffer.

Vi kjenner nå 103 grunnstoffer. Av disse finnes 92 i naturen, mens de andre kan framstilles kunstig. Av grunnstoffene er ca. 2/3 metaller. Tabell 1.2 omfat­ ter 60 grunnstoffer. Tabell 1.2 Teknisk viktige metaller og ikke-metaller; kjemisk betegnelse og atomnummer. Metaller: Aluminium Antimon Barium Beryllium Bly Bor Cerium Cesium Gallium Germanium Gull Hafnium Indium Iridium Jern Kadmium Kalsium

Al Sb Ba Be Pb B Ce Cs Ga Ge Au Hf In Ir Fe Cd Ca

13 51 56 4 82 5 58 55 31 32 79 72 49 77 26 48 20

Kalium Kobolt Kopper Krom Kvikksølv Litium Magnesium Mangan Molybden Nikkel Niob Osmium Palladium Platina Plutonium Radium Rhodium

K Co Cu Cr Hg Li Mg Mn Mo Ni Nb Os Pd Pt Pu Ra Rh

19 27 29 24 80 3 12 25 42 28 41 76 46 78 94 88 45

Rubidium Selen Sink Strontium Sølv Tallium Tantal Tellur Thorium Tinn Titan Uran Vanadium Vismut Wolfram Ytterbium Zirkonium

Rb Se Zn Sr Ag TI Ta Te Th Sn Ti U V Bi W Yb Zr

37 34 30 38 47 81 73 52 90 50 22 92 23 83 74 70 40

Ikke-metaller (metalloider)

Arsen Fosfor Hydrogen

As 33 P 15 H 1

Karbon Klor Nitrogen

C 6 Cl 17 N 7

Oksygen Sisilium Svovel

O 8 Si 14 S 16

Grunnstoffene deles inn i to hovedgrupper: metaller og ikke-metaller. De siste kalles også metalloider.

Det som først og fremst kjennetegner metallene, er «metallglansen» og evnen til å lede varme og elektrisitet. De er ofte smibare. Av grunnstoffene er det ca. 70 metaller. De utgjør altså den største gruppen. Metall kommer av de greske ordene metallon, som betyr gruve og metallan, som betyr etterforske. Alle metaller, med unntak av kvikksølv, er faste ved romtemperatur. Kvikksølv er flytende og har et smeltepunkt på —38,9 °C. Til gruppen ikke-metaller hører for eksempel karbon, svovel og fosfor, som ved vanlig temperatur er i fast form. Blant gassformete ikke-metaller kan nev­ nes oksygen, nitrogen og klor.

Legeringer Med en legering mener vi et sammensatt stoff som har metalliske egenskaper og som består av to eller flere grunnstoffer hvorav minst ett må være et metall. Grunnstoffer som inngår i en legering, kalles komponenter. Til sammen dan­ ner komponentene et system. Vi kan framstille legeringer med ulike egenskaper ved å tilpasse blandingene på forskjellige måter. Eksempler på teknisk viktige legeringer er messing (kop­ per og sink), bronse (kopper og tinn), nysølv (kopper, sink og nikkel) og lett­ metaller (aluminium, kopper, sink osv.). Vi skal befatte oss mye med legerin­ ger i fortsettelsen! 12

STUDIEENHET 1

Forekomster av metaller i jordskorpa Jorda ble antakelig dannet for omtrent tre milliarder år siden ved at en stor glødende gasståke som ble slynget ut fra sola, trakk seg sammen og størknet. Etter hvert fikk den en fast overflate.

Det ytterste skallet til jorda, jordskorpa eller siallaget, har nå størknet til en gjennomsnittlig tykkelse på 150 km på kontinentene, se figur 1.6. På de største havdypene er det noe tynnere. Siallaget har fått sitt navn etter Si = silisium og Al = aluminium som er to av hovedkomponentene i jordskorpa. Geologi er vitenskapen om hvordan jord­ skorpa har blitt til, og hvordan den er bygd opp.

Jordskorpa er hovedsakelig bygd opp av bergartene granitt og gneis. Hoved­ komponentene i disse er grunnstoffene silisium, oksygen, aluminium, kalium og natrium. Det finnes også små mengder av de fleste andre grunnstoffer både i jordskorpa og i jordas glødende indre, som for det meste består av jern og nikkel. Av metallene forekommer lettmetallet aluminium (Al) med sine 8 % i størst vektmengde i jordskorpa. Jern, med 5 % vektmengde, er det dominerende blant de teknisk viktige tyngre metallene. Studer figur 1.7. Legg merke til at de grunnstoffene som det er mest av i jordskorpa, er oksygen (O) og silisium (Si) med henholdsvis 46,6 % og 27,7 °/o i vektmengde.

Figur 1.6

Den faste jordskorpa og jordas glødende indre (magmaen)

Mineraler, bergarter og malmer Med mineraler mener vi metaller som forekommer i naturen enten i rein form, gedigne, eller bundet til hverandre eller til andre grunnstoffer, først og fremst oksygen og svovel, som kjemiske forbindelser.

I rein tilstand opptrer edelmetallene gull og platina og iblant også sølv. De uedle metallene kopper, kvikksølv og vismut kan forekomme i rein tilstand, men de fleste uedle metallene finnes bare som kjemiske forbindelser. De mest vanlige mineralene, malmmineralene, er oksygenforbindelser (oksider) og svovelforbindelser (sulfider eller svovelmetaller).

Eksempler på viktige oksidmineraler er først og fremst visse jernmalmer. • Rødjemstein Fe203 • Tinnstein SnCh

• Magnetitt (magnetjemstein) FesCL • Rød koppermalm Q12O

Mineraler av de fleste teknisk viktige metallene forekommer i naturen i form av svovelforbindelser. Disse kalles enten kiser, blender eller glanser. Eksempler på viktige sulfider eller svovelmetaller er: • Kopperkis CuFeS2

• Sinkblende ZnS

• Blyglans PbS

Det maksimale metallinnholdet i noen viktige mineraler er.

Magnetitt (magnetjemstein) Blodstein (rødjemstein) Blyglans Kopperkis Sinkblende Scheelitt

72.4 °/o jem 70,0 °/o jem 86,6 % bly 34.5 % kopper 67,0 % sink 60,0 % wolfram

13

STUDIEENHET 1--------------------------------------------------------------------------------------

Mange metaller opptrer også i naturen i forbindelser med arsen og antimon, lor eksempel arsenkis FeAs, og antimonsølv Ag2Sb2. Mange viktige mineraler forekommer i form av salter, som en kan framstille metaller av, for eksempel sinkkarbonatet galmeie ZnCCh og sølvmincralet hornsølv, sølvklorid AgCl, og noen kopperforbindelser.

En finner sjelden større forekomster av malmmineraler i rein tilstand i natu­ ren. De materialene, malmene, som utgjør råvaren for framstilling av metal­ ler, er som regel en blanding av flere ulike mineraler og bergarter, hvorav en del er verdiløse i metallurgisk forstand.

Disse verdiløse bergartene kalles ikke-malmholdige bergarter eller gangbergarter og består vanligvis av kvarts, silikater, kalkstein og dolomitt. Vekt­ prosent i jord­ skorpa

‘

Noen ikke-metaller i jordskorpa:

8.0 -

46,6 % 27,7 % 0,14% 0,009 %

O...................................... Si...................................... H...................................... C......................................

7,0 ■

6,0 -

5,0

Na 2,8 %

Mg 2,1 % 4,0

Rb 0,03 % 3,0

Sr 0,03 % Ni 0,008 %

2,0

Cu 0,007 % Sn 0,004 % Pb 0,0016 %

1,0

U 0,004 %

Ag 0,00001 % 0,0

Metall Figur 1.7

Når vi snakker om en malm, mener vi en slik opphopning av et visst mineral i bergarten at det lar seg utnytte praktisk til å utvinne et metall.

Eksempler: • Magnetittmalm er ofte blandet med fosformineralet apatitt eller kvarts, slik at jeminnholdet vanligvis blir 40—60% i stedet for det teoretisk mulige 72,4 %.

• Kopperkis med omtrent 34 % kopper i malmmineralet kan i den brutte malmen inneholde så store mengder av andre mineraler at gjennomsnittsinnholdet bare blir 2—3 %. Til og med kopperkis med et kopperinnhold på bare 0,4 % kan være brytverdig på grunn av kopperets høye metallverdi.

14

Forekomster av de mest vanlige metallene i jordskorpa

STUDIEENHET 1

Framstilling av metaller Metallurgi (av gresk metallon som betyr gruve og ergon som betyr arbeid) er den delen av teknikken som omfatter framstilling, raffinering og smelting av metaller. Framstilling av metaller på grunnlag av deres kjemiske forbindelser (minera­ ler) betyr kjemisk sett en reduksjon. Som reduksjonsmiddel brukes kol på grunn av den lave prisen (for eksempel ved framstilling av råjern).

Når metallene er vanskelige å redusere, må en bruke elektrolyse.

Vi skal behandle metallframstillmgen mer utførlig i forbindelse med de enkel­ te metallene.

Smeltetemperatur i °C

3500 -Wolfram (W) ...

3000---------------------------- Tantal (Ta)

2500 --

2000—-

1500 -■■

1000--

500

0

....

Molybden (Mo) . Niob (Nb).......... Iridium (Ir) ........

3380°

3000° ± 50°

2620° ± 10° 2468° ± 10° 2420° ± 25°

-Bor(B).......... ^Rhodium (Rh) ^Vanadium (V) — Krom (Cr) ... —Zirkonium (Zr) _ Platina (Pt) .. _Titan (Ti) ....

2150° 1985° 1900° 1875° 1852° 1772° 1668°

Jern (Fe) .... Kobolt (Co) .. Nikkel (Ni) ...

1555° 1534° 1495° 1453°

Beryllium (Be) Mangan (Mn)

1285° 1243°

Kopper (Cu) .

1083°

Sølv (Ag) ....

961°

±50° ± 20° ± 25° ±15° ± 5° ± 5° ± 5°

/Aluminium (Al).. ^—-Magnesium (Mg) ----- Antimon (Sb) ...

660,1° 651° 630°

-Sink(Zn).......... -Bly(Pb)............ —------ Kadmium (Cd) .. -------- Vismut (Bi) .... —Tinn (Sn).......... Selen (Se)........

419,5° 327,4° 320,9° 271,0° 231,9° 220,0°

Kvikksølv (Hg) ..

—38,9°

Figur 1.8

Smelte- og størknepunktet til noen viktige metaller

15

STUDIEENHET 1---------------------------------------------------------------------------------------

Noen fysikalske grunnbegreper Når en skal angi egenskapene til et materiale, nevner en alltid visse fysikalske egenskaper, først og fremst densitet (tetthet) og smeltepunkt eller størknepunkt. I tabell 1.3 er densiteten til noen viktige tekniske stoffer oppgitt. Figur 1.8 er en oversikt over smeltepunktene til 30 ulike metaller.

En legering får lavere smeltepunkt enn hovedkomponenten. Smeltepunktet til stål er for eksempel 1300—1400 °C, mens smeltepunktet til reint jern (Fe) er 1534°C. Ulike legeringers smeltepunkt vil bli behandlet i forbindelse med de respektive metallene.

Tabell 1.3 Densiteten til noen viktige tekniske stoffer. Stoff

Densitet i g/cm3

Stoff

Densitet i g/cm3

Aluminium, leg. Antimon Bly Bronse Fosfor Fosforbronse Gull Gummi Hardmetall Hurtigstål Karbon Kobolt Kopper Krom Kvikksølv Magnesium Mangan

2,6— 2,8 6,7 11,3 7,4— 8,9 1,8— 2,3 8,8 19,3 1,0— 2,0 11,0—15,0 8,1— 9,0 8,8 8,6— 8,9 7,1 2,3— 3,5 13,6 1,7 7,3

Messing Molybden Monellmetall Nikkel Platina Silisium Sink Støpejern Stål Svovel Sølv Tinn Tre Uran Vanadium Vismut Wolfram

8,1— 8,6 9,0—10,0 8,6 8,4— 8,9 21,4 2,3 6,9— 7,1 6,7— 7,6 7,8— 9,0 1,9— 2,1 10,5 7,2— 7,4 0,5— 1,0 18,7 5,7 9,8 19,1

Løs øvingsoppgavene 1—8 i arbeidsboka.

16

STUDIEENHET 1

2 Materialprøving Mål Når du har lest dette kapitlet, skal du kunne: — gjengi de vanligste metodene for prøving av metalliske materialer — forklare hvordan en universalprøvemaskin er bygd opp — definere begrepene flytegrense, strekkfasthet, bruddforlengelse og bruddkontraksjon og gjøre rede for hvordan vi kan bestemme disse materialegenskapene ved strekkprøving — forklare hvordan vi tegner opp et spennings-tøyningsdiagram — gjøre rede for ulike metoder for hardhetsprøving av metalliske mate­ rialer — forklare hvordan skårslagprøving for å måle seigheten til et materiale foregår i en Charpy pendelslagmaskin — forklare hvordan vi kan bestemme egenskapene til et materiale ved dynamisk belastning ved hjelp av et Wdhler-diagram — nevne forskjellige former for teknologisk og ikke-destruktiv materi­ alprøving

Innledning Det stilles nå strenge krav til konstruksjonsmaterialer. De skal ha tilstrekkelig fasthet til å kunne tåle store påkjenninger, være bestandige mot korrosjon og slitasje, kunne bearbeides med skjærende verktøy osv. Kravene til fasthet og homogenitet gjør seg mer og mer gjeldende. For å kunne kontrollere at materialet fyller kravene i ulike henseende, blir det underkastet forskjellige prøver, delvis allerede under produksjonsprosessen.

Materialprøvingen kan derfor utgjøre et ledd i produksjonen, produksjonskontroll, eller inngå som et sluttledd i form av leveransekontroll. En har til og med forskningsprøving, som har til oppgave å gi opplysninger om egenskapene til nye materialer. Materialegenskaper, materialprøving og standardisering eller normering er begrep som henger intimt sammen.

Gjennom materialprøving får vi sikrere underlag for: • valg av materiale ved tilvirkningen av et produkt • konstruktive beregninger og dimensjonering av produkter • kontroll av det ferdige produktet

Prøvingsmetoder De prøvingsmetodene som vi nå skal behandle, gjelder først og fremst for metalliske materialer. Samtlige fasthetsprøver kan imidlertid med visse foran­ dringer i metodikken også brukes for andre materialer, som tre, plast, gummi, papir og silikatmaterialer.

Prøvingsmetodene for metalliske materialer kan i første omgang inndeles i fasthetsprøving eller mekanisk materialprøving, teknologisk prøving, miljøprøving og andre prøvingsmetoder. 2 — Materialteknikk

17

STUDIEENHET 1

Fasthetsprøvingen eller de mekaniske materialprøvingsmetodene har til oppga­ ve å klarlegge fasthetsegenskapene til et materiale. Prøvene utføres på spesielle prøvestykker som er tatt ut av materialet, og resultatene uttrykkes i tallverdi­ er.

De vanlige fasthetsprøvene er:

• strekkprøving • sigeprøving • hardhetsprøving

• slagprøving • trykkprøving • utmattingsprøving

• bøyeprøving

Teknologisk materialprøving har til hensikt å klarlegge hvordan materialet oppfører seg under omstendigheter som ligger så nær opp til tilsvarende for­ hold ved bearbeiding eller bruk som mulig.

Miljøprøvingen tar sikte på å gi en viss oppfatning om materialets bestandig­ het i bestemte omgivelser. Korrosjonsprøving er en vanlig form for miljøprøving. Øvrige prøvingsmetoder kan omfatte slike materialundersøkelser som:

• kjemisk analyse • mikroskopisk undersøkelse • ikke-destruktive materialprøvingsmetoder

Strekkprøving Strekkprøven er den viktigste og mest benyttede fasthetsprøven.

Prøvestaver for strekkprøving Når det blir foretatt en strekkprøve, utsettes en prøvestav for stadig økende strekkraft inntil den ryker av.

Prøvestavene blir laget av det materialet som skal prøves. Formen kan varie­ re, men det vanlige er at prøvestavene er runde med en målelengde L$, som er 10 eller 5 ganger sta vens opprinnelige diameter d, se figur 2.1. Uttaking av prøvestaver og dimensjonene på disse må være i overensstemmelse med kra­ vene fastsatt i materialspesifikasjonene (for stål, se NS 1693).

Betegnelser ifølge NS 10 100:

d a b Lo Lc Lf Lu So Su

= diameter i måielengdeområdet = tykkelse på flat prøvestav = bredde i måielengdeområdet på flat prøvestav - opprinnelig målelengde - forsøkslengde = total lengde = målelengde etter brudd = opprinnelig tverrsnitt i målelengdeområdet = minste tverrsnitt etter brudd

a) rund prøvestav b) flat prøvestav c) rund prøvestav etter brudd Figur 2.1

Standardiserte prøvestaver for strekkprøving ifølge NS 10 100

18

STUDIEENHET 1

Strekkprøvemaskiner Prøvestaven spennes fast i en strekkprøvemaskin som vanligvis har hydraulisk drift, se figur 2.2 og figur 2.3, og belastes.

Prøvestavens forlengelse registreres ved hjelp av et apparat som tegner et belastnings-tøyningsdiagram helt til bruddet finner sted.

Betegnelser:

A B C D E F G H / K L M N O P

= = = = = = = = = = = = = =

prøvestav innspenningsbakker stillskrue snekkeveksel motor for innstilling hydraulisk pumpe hydraulisk sylinder regulator visertavle tannstang pendelmanometer trommel med registreringspapir skrivestift trekkanordning åk

Figur 2.2

Skjematisk framstilling av en universalprøvemaskin med mekanisk overføring av belastning og tøyning til registreringspapiret

Virkemåten til maskinen på figur 2.2: Prøvestaven (A) spennes inn mellom bakkene (B). Disse strammes ved hjelp av skruen (0, snekkevekselen (D) og motoren (E).

Belastningen påføres med oljetrykk fra pumpa (F) til sylinderen (0. Oljemengden per tidsenhet og dermed strekkhastigheten reguleres ved hjelp av regulatoren (77). Den påførte belastningen kan hele tiden avleses på visertavla (7). Viseren drei­ es av en tannstang som påvirkes av oljetrykket i sylinderen ved hjelp av et hydraulisk pendelmanometer (L).

Registreringsapparatet består av en trommel (å/) og en skrivestift (V). Trom­ melen dreies proporsjonalt med prøvestavens tøyning ved hjelp av trekkanordningen (O). Fordi skrivestiften står i forbindelse med tannstanga (K), er bevegelsen til stiften en funksjon av belastningen på prøvestaven. 19

STUDIEENHET 1 —

Betegnelser:

1 2 3 4 5 6

Figur 2.3

Universalprøvemaskin med strekk- og trykkraft på 400 kN. Elektrisk overføring av belastning og tøyning til registreringsapparatet ved hjelp av trådtøyningsgiver og forsterker

1 universalprøvemaskiner som er vist på figur 2.2 og figur 2.3, kan vi også utføre trykkprøving og bøyeprøving av materialer. Følgende materialegenskaper bestemmes normalt ved strekkprøving: • • • •

flytegrensen crF N/mm2 strekkfastheten crB N/mm2 bruddforlengelsen (forlengelsen) 8$ eller 5io% bruddkontraksjoncn (kontraksjonen) t/r %

Dessuten kan vi bestemme proporsjonalitetsgrensen