Materialval: Begränsningar, Mål och Produktion

Välja Material

• Vid materialval bör man först klargöra kraven, undersöka möjliga material, rangordna dem, dokumentera tidigare användning och slutligen välja material.

Vanliga Begränsningar och Mål

• Vanliga begränsningar inkluderar massa, kostnad, styvhet, styrka, termisk och elektrisk ledningsförmåga samt korrosionsbeständighet.
• Mål kan vara att minimera massa, kostnad, volym och miljöpåverkan eller att maximera energilagring och värmeflöde.

Exempel på Materialval

• Material för tänder till en grävskopa bör bryta loss stenar i tuffa miljöer och vara slagtåliga samt korrosionsbeständiga.
• En energieffektiv kastrull bör värma mat utan att försämra kvalitén och ha hög termisk konduktivitet, vara korrosionsbeständig, giftfri, inte för tung och ha ergonomisk design.

Produktionstekniska Egenskaper

• Produktionstekniska egenskaper att beakta är skärbarhet, formbarhet, gjutbarhet och svetsbarhet.

Avyttring

• Material kan avyttras genom återvinning, deponering eller förbränning, vilket kan bilda giftiga biprodukter.

Materialhistorik

• Tidiga material inkluderar sten, trä, fiber, lera och sand, medan moderna material inkluderar cement, stål, aluminium och plast.

Materialfamiljer och Bindningar

• Metaller har metallbindning, jonföreningar (salter) har jonbindning, och molekylära ämnen har kovalentbindning samt dipol-dipol-bindningar..

Funktionella Material

• I flygindustrin används kolfiberkompositer och superlegeringar.
• Titanlegeringar, rostfritt stål, plast och minneslegeringar används inom biomedicin.
• Inom elektronik används Al, Cu, Si, GaAs och ledande polymerer.
• Energi/Miljö använder Ni-Cd, Li och solceller.
• Magnetiska material inkluderar Fe, NiZn och Co-Pt.
• Optiska material inkluderar glas, SiO2 och GaAs.
• Smarta material inkluderar PZT och polymera geler.

Materialens Egenskaper

• Fysikaliska egenskaper inkluderar termisk konduktivitet, smältpunkt, magnetism och elektrisk ledningsförmåga.
• Kemiska egenskaper inkluderar korrosionsbenägenhet, syra-basbeständighet, UV-känslighet och miljöpåverkan.
• Mekaniska egenskaper inkluderar hållfasthet, brottseghet, slagseghet, nötningsbeständighet och duktilitet.

Materialtyper och Deras Egenskaper

• Metaller är styva, duktila och goda ledare, men kan vara korrosionskänsliga, exempelvis stål och aluminium.
• Keramer är styva, hårda och nötningsbeständiga men spröda och kan vara korrosionsbeständiga, exempelvis betong.
• Glas är hårt, sprött, transparent, korrosionsbeständigt och isolerande.
• Polymerer har låg densitet, är mjuka, formbara och temperaturkänsliga, exempelvis gummi.
• Elastomerer är mycket elastiska, mjuka men sega.
• Kompositer kombinerar flera material för att uppnå bra egenskaper men är svåra att återvinna.

Materiens Partikelnatur

• Materia består av små partiklar i rörelse med tomrum mellan dem.
• Material upplevs som fasta på grund av att elektronerna i atomerna repellerar varandra.

Atomen

• Atomen består av protoner (+), neutroner (0) och elektroner (-).
• Valenselektroner är elektronerna i det yttersta skalet, och de rör sig i sannolikhetsmoln istället för i fasta banor.

Kemiska Bindningar och Materialstruktur

• Metallbindning innebär delokaliserade elektroner mellan metalljoner.
• Jonbindning innebär elektronöverföring mellan metall och icke-metall.
• Kovalent bindning innebär delning av elektronpar mellan icke-metaller.

Intermolekylära Bindningar

• Dipol-dipol bindning sker mellan polära molekyler.
• Vätebindning är en stark dipol-dipol bindning (exempelvis i vatten).
• Van der Waals bindning är en svag tillfällig dipolbildning.

Kristallina och Amorfa Material

• Kristallina material har en regelbunden struktur, exempelvis metaller, salter och diamant.
• Amorfa material har en oregelbunden struktur, exempelvis glas och plaster.

Kristallina Strukturer

• FCC (Ytcentrerad kubisk) har hög duktilitet (exempel: Cu, Ni, Al, Fe vid hög temperatur).
• BCC (Rymdcentrerad kubisk) har hög skjuvspänning och är formbart (exempel: Fe vid låg temperatur, Cr, Mo, W).
• HCP (Hexagonal kompakt) har låg duktilitet och är sprött (exempel: Zn, Mg, Ti).

Defekter i Kristallgitter

• Vakans innebär att en atom saknas, vilket kan leda till sprickbildning.
• Substitutionsatomer innebär att främmande atomer ersätter originalatomer.
• Interstitial innebär att små atomer förs in mellan stora atomer.
• Dislokationer inkluderar kantdislokationer (extra atomplan) och skruvdislokationer (spiralformade defekter), vilket underlättar deformation.

Mekaniska Egenskaper och Skjuvspänning

• Skjuvspänning (τ) är kraft per ytenhet och orsakar deformation.
• Material med många glidsystem (≥5) är duktila och formbara.

Diffusion i Fasta Material

• Atomer rör sig genom material via bulkdiffusion (genom kristallen), korngränsdiffusion (längs korngränser) och ytdiffusion (längs materialets yta).
• Faktorer som påverkar diffusionen: temperatur, atomstorlek, materialstruktur och diffusionskoefficienten ( D = Doe-Q/RT ).

Fasomvandlingar

• Material kan vara i fast, flytande eller gasform.
• Smältning/stelning sker vid konstant temperatur.
• Kokning/kondensering innebär att bindningar bryts/skapas.
• Fasdiagram illustrerar temperatur och fas.

Kemiska Omvandlingar

• Fällningsreaktioner bildar svårlösliga salter (exempelvis rost och kalkfällning).
• Syrabasreaktioner innebär att H+ flyttas mellan ämnen (exempelvis matlagning och kalkning).
• Redoxreaktioner innebär elektronöverföring (exempelvis förbränning, fotosyntes och batterier).

Vad är Korrosion?

• Korrosion är nedbrytning av material genom kemisk reaktion, oftast en elektrokemisk reaktion (redoxreaktion).
• Det är ett stort ekonomiskt problem, där 5% av ett lands BNP går till att motverka korrosion.
• Korrosion sker när metaller återgår till sin naturliga mineralform.

Korrosion i Olika Miljöer

• I luft påverkar luftfuktighet, föroreningar och atmosfärstyper.
• I vatten påverkar syrehalt, syror, salter, temperatur och strömningshastighet.
• I jord påverkar fukt, syretillgång, resistivitet och surhetsgrad.

Kinetiken bakom Korrosion

• Hastigheten avgör om korrosionen är ett problem.
• Vanliga reaktioner inkluderar fällningsreaktioner, syra-basreaktioner och redoxreaktioner.

Elektrokemiska Aspekter av Korrosion

• Oxidation: M → Mn+ + ne- (ex. Zn → Zn2+ + 2e-).
• Reduktion: Mn+ + ne- → M (ex. Fe3+ + 3e- → Fe).
• Korrosionsceller består av en anod (där oxidation sker) och en katod (där reduktion sker).
• Elektrokemiska spänningsserien avgör metallers benägenhet att korrodera.

Olika Typer av Korrosion

• Makroskopisk korrosion är synlig och jämn, exempelvis rost.
• Mikroskopisk korrosion diffunderar längs korngränser och kan orsaka plötsligt materialbrott.

Specifika Korrosionsformer

• Galvanisk korrosion uppstår när två olika metaller är i kontakt med en elektrolyt (exempelvis koppar och järn).
• Läckströmskorrosion uppstår vid elektriska ledningar och metallrör.
• Gropfrätning innebär att oxidhinnan bryts på små ytor, vilket bildar djupa frätgropar.
• Spaltkorrosion är en elektrokemisk reaktion i sprickor och skrevor.
• Selektiv korrosion innebär att en metall i en legering löses ut (exempelvis zink i mässing).
• Intergranulär korrosion innebär diffusion av syre eller joner längs korngränser.
• Spänningskorrosion uppstår vid dragspänningar i närvaro av korrosivt medium.
• Erosionskorrosion är mekaniskt slitage av ytan på grund av turbulens eller partiklar.
• Biologisk korrosion innebär att mikroorganismer ändrar jonhalten och påskyndar korrosionen.

Korrosionsskydd och Materialval

• Strategier för att motverka korrosion inkluderar materialval (korrosionsbeständiga), design (undvika skarpa hörn), ytbehandling (rostskyddsfärg), elektrokemiskt skydd (offeranoder) och miljöåtgärder (minskad luftfuktighet).

Mätning av Korrosionstakt

• Linjär nedbrytning innebär att viktförändringen är proportionell mot tiden.
• Parabolisk nedbrytning sker vid oxidskikt som skyddar metallen.
• Faradays lag beräknar mängden material som korroderar per tidsenhet.

Sammanfattning

• Korrosion är en kemisk process som orsakar materialnedbrytning, särskilt hos metaller.
• Elektrokemiska reaktioner (redox) styr korrosionsprocessen.
• Det finns många typer av korrosion, både synliga och mikroskopiska.
• Korrosion kan förebyggas genom materialval, ytbehandling och elektrokemiskt skydd.
• Faradays lag används för att kvantifiera korrosionstakten och skyddsskiktens tjocklek.

Allmänt om Provningsmetoder

• Fysikaliska egenskaper inkluderar densitet, smält- och kokpunkt, E-modul och längdutvidgningskoefficient.
• Mekaniska egenskaper inkluderar styrka, hårdhet, seghet och styvhet.
• Mätmetoder inkluderar lastceller, extensometrar och dragprovningsmaskiner.

Deformation och Hållfasthet

• Elastisk deformation är reversibel, materialet återgår till sin ursprungliga form efter belastning.
• Plastisk deformation är irreversibel, och materialet behåller deformationen efter belastning.
• Formändring (ε) beräknas som förhållandet mellan förändringen av längden och ursprunglig längd.
• E-modul (elasticitetsmodul, GPa) mäter materialets förmåga att fjädra, beskriver styvhet.
• Skjuvspänning (τ) är en vinkelförändring snarare än en längdförändring.

Dragprovning och Spänning-Töjning

• Dragprovning mäter hur ett material reagerar på dragkrafter tills brott uppstår och illustreras i ett spännings-töjningsdiagram.
• Sträckgräns (Re) är den maximala spänningen innan plastisk deformation.
• Brottgräns (Rm) är den högsta spänningen innan brott.
• Brottförlängning (A5) är procentuell ökning av längd innan brott.
• Kontraktion (Z) är minskningen av tvärsnittsarea vid brott.

Duktilitet och Seghet

• Duktilitet är materialets förmåga att genomgå plastisk deformation utan att spricka (mäts i %).
• Seghet är materialets förmåga att absorbera energi innan brott (J/m³).
• Spröda material har hög E-modul och liten deformation innan brott.
• Segt brott innebär att materialet förändrar form innan brott och absorberar mer energi.
• Sprött brott sker plötsligt med liten eller ingen plastisk deformation.

Slagseghet

• Mäter materialets förmåga att ta upp energi vid snabb belastning.
• Charpy-V provning är en metod där en hammarpendel slår av provstaven, och energiupptaget mäts i Joule.
• Omslagstemperatur är temperaturen där materialet går från segt till sprött brott.
• Högre kolhalt minskar slagsegheten, medan nickel ökar den.

Brottseghet (KIC)

• Brottseghet mäter motstånd mot spricktillväxt under last.
• Sega material har höga KIC-värden, spröda material har låga KIC värden.

Hårdhet

• Hårdhet definieras som kraft per yta.
• Olika mätmetoder inkluderar Mohs, Rockwell, Vickers och Brinell.

Materialutmattning

• Materialutmattning är mekanisk försämring på grund av upprepade belastningar.
• Vanlig orsak till maskinhaverier som kan delas in i tre faser: initial spricka, spricktillväxt och brott.
• Utmattningsprovning mäter antalet cykler till brott vid varierande belastning och illustreras i ett Wöhlerdiagram (S/N-diagram).

Oförstörande Provning

• Icke-destruktiva metoder inkluderar visuell inspektion, ultraljud och röntgen.

Löslighet

• Ingen löslighet innebär att två ämnen inte löser sig i varandra, exempelvis olja och vatten.
• Begränsad löslighet innebär att en viss del kan lösas i varandra, exempelvis propanol i vatten.
• Obegränsad löslighet innebär att en enda fas bildas oavsett blandningsförhållande, exempelvis etanol i vatten.

Villkor för Löslighet

• "Lika löser lika": ämnen med samma intermolekylära bindningar löses i varandra.
• Detta gäller särskilt för molekylära ämnen med vätebindning, dipol-dipol-bindning eller Van der Waals-bindning.

Fasomvandling

• Rena ämnen stelnar vid en specifik temperatur (smältpunkt).
• Legeringar stelnar över ett temperaturintervall mellan likvidus- och soliduslinjen.
• Fasdiagram visar temperatur och sammansättningens påverkan på faser.

Isomorfiskt Fasdiagram (Cu-Ni)

• Likviduslinjen: Ovanför denna är legeringen helt i smälta.
• Soliduslinjen: Under denna är legeringen helt i fast form.
• Mellan linjerna: Både fast och smälta existerar samtidigt.

Stelning och Kärnbildning

• Homogen kärnbildning: Kärnor bildas spontant i vätskan (ovanligt, kräver hög energi).
• Heterogen kärnbildning: Kärnor bildas på orenheter eller ojämna ytor (vanligare, kräver mindre energi).
• Finkornig struktur: Många kärnor ger mindre korn och högre hållfasthet.
• Underkylning: När smältan inte stelnar trots att smp har passerats.

Hävstångsregeln (Beräkning av fasandelar)

• Används för att bestämma mängden av respektive fas vid en given temperatur.
• Mängd i fast form (S) % = IB/(IA + IB)
• Mängd i smälta (L) % = IA/(IA + IB)

Eutektiska Legeringar

• Eutektisk punkt: Den sammansättning där legeringen smälter vid en specifik temperatur utan att bilda mellanliggande faser (exempel: Pb-Sn och Cu-Ag).
• Består av lameller av två faser (α och β) som påverkar de mekaniska egenskaperna.

Under- och Övereutektiska Legeringar

• Undereutektisk: Legeringar med mer av det lågsmältande ämnet än den eutektiska sammansättningen.
• Övereutektisk: Legeringar med mer av det högsmältande ämnet än den eutektiska sammansättningen.

Exempel: Pb-Sn Legeringar

• Blyrik fast fas börjar bildas vid 305°C - 270°C, tennrik fas utskiljs vid 150°C.
• Euteknisk sammansättning (61,9% Sn) ger den lägsta smältpunkten.

Fasreaktioner vid Diffusion

• Diffusion av legeringsämnen sker under stelning.
• Segring: Ojämn sammansättning inom kornen.
• Lösning: Efterglödgning kan homogenisera strukturen.

Avsvalningskurva för Undereutektisk Legering

• Diagrammet visar hur legeringens sammansättning påverkar stelningstemperaturen och faser som bildas.

Draghållfasthet i Eutektiska Legeringar

• Mekaniska egenskaper påverkas av mikrostrukturen och halten legeringsämnen, ofta högre hållfasthet än rena metaller pga. lamellär mikrostruktur.

Spännings-Töjningsdiagram och Brottstyper

• Segt brott: Materialet genomgår plastisk deformation innan brott.
• Sprött brott: Inträffar utan plastisk deformation, ofta vid sprickor eller defekter.

Sprickbildning och Spricktillväxt

• Små sprickor bildas vid dislokationer, korngränser och spänningskoncentrationer.
• Sprickväxt sker om spänningskoncentrationen vid sprickspetsen når ett kritiskt värde (σm).

Maximal spänning vid sprickspetsen

• Formler för sprickspänning: elliptisk spricka och lång, smal spricka.

Brottseghet (KIC)

• Mäter materialets förmåga att motstå spricktillväxt.
• Höga KIC-värden indikerar hög brottseghet, låga indikerar spröda material.

Krypmekanismer

• Permanent deformation som uppstår under långvarig belastning, påverkas av spänningens storlek och temperatur.
• Två huvudmekanismer: dislokationsrörelser och diffusion.

Utmattningsbrott

• Orsakas av upprepade laster, även vid låga spänningsnivåer.
• Faser av utmattningsbrott: initial spricka, spricktillväxt och plötsligt brott.

Utmattningshållfasthet

• Definieras som materialets förmåga att motstå brott efter många spänningscykler, påverkas av plasticitet, sträckgräns och ytfinhet.

Förebyggande av Utmattningsbrott

• Materialval (hög brottseghet och hårdhet), design (undvik skarpa kanter), bearbetning (kallbearbetning) och korrosionsskydd.

Kristallstruktur hos Järn (Fe)

• FCC-järn (γ-järn, austenit) finns vid temperaturer > 910 °C, kan lösa upp till 2 % kol.
• BCC-järn (α-järn, ferrit) förekommer vid < 910 °C, löser mycket lite kol, mjukt och formbart.

Vad är Stål?

• Smidbar legering av järn (Fe) med kol (C) som viktigaste legeringsämne.
• Olegerade stål (kolstål) innehåller endast små mängder av andra ämnen.
• Legerade stål innehåller förutom kol även Cr, Mo, V etc, kolhalter mellan 0,4–2 % gör stålet härdbart.

Stålsorter och Användning

• Exempel på stålsorter är: sätthärdningsstål, automatstål, allmänna konstruktionsstål, tryckkärlsstål, seghärdningsstål, fjäderstål, verktygsstål och gjutjärn.

Mikrostruktur i Stål

• Perlit: Lameller av ferrit och cementit (Fe3C), bildas vid 0,02–0,76 % C.
• Cementit (Fe3C): Mycket hårt och sprött.

Mikrostruktur i Stål (Fe-C-systemet)

• Eutektoidpunkt: 0,77 % C vid 727 °C.
• Undereutektoida stål (<0,77 % C): Primär fas är ferrit + perlit.
• Övereutektoida stål (>0,77 % C): Primär fas är cementit + perlit.

Härdning av Stål

• Lösningshärdning, utskiljningshärdning, martensitbildning och anlöpning är olika härdningsmetoder för stål.

Tid-Temperatur-Transformationsdiagram (TTT-diagram)

• Diagrammet visar hur mikrostrukturen förändras vid olika temperaturer och kylningshastigheter.
• Martensit bildas vid snabbkylning, medan bainit bildas vid måttlig kylning.

Värmebehandling av Stål

• Sätthärdning ger hårt ytskikt, seg kärna, och används i kugghjul och axlar.
• Seghärdning kombinerar hårdgörande och seghetshöjande processer.
• Induktionshärdning och flamhärdning skapar ett härdat ytskikt genom uppvärmning.

Rostfria Stål

• Gemensamt: Fe + Cr minst 10,5 %, <1,2% C.
• Typer av rostfria stål: austenitiskt, martensitiskt, ferritiskt och duplex.

Sammanfattning av Stål

• Kolhalten påverkar hårdhet och seghet.
• Vid olika kylningshastigheter bildas olika mikrostrukturer (perlit, bainit, martensit).
• Rostfria stål har en passiv yta som skyddar mot korrosion.
• Värmebehandling används för att styra mekaniska egenskaper.

Polymerer

• Olika typer: termoplaster, härdplaster och elastomerer.
• Termoplaster är återvinningsbara och används i förpackningar, isolering, kablar, leksaker.
• Härdplaster kan ej smältas/återvinnas och används i lack, lim och kompositer.
• Elastomerer har hög töjbarhet och används i däck, packningar och sportutrustning.
• Tillverkning av polymerer sker från råolja eller biobaserade plaster.

Lättmetaller

• Metaller med densitet < 4,5 kg/dm³: aluminium, magnesium och titan.
• Aluminium bildar skyddande oxidskikt och används i flygplan och förpackningar.
• Titan har låg densitet och hög hållfasthet/korrosionsbeständighet och används i medicinska implantat och flygindustrin.
• Magnesium har mycket låg densitet och används i mobiltelefoner och flygplan, men är brännbart vid höga temperaturer.

Kompositer

• Består av matris och dispergerad fas, ger bättre egenskaper.
• Polymermatriskompositer (PMC), metallmatriskompositer (MMC) och keramiska kompositer (CMC) är olika typer av kompositer.

Sammanfattande punkter om Polymerer, Lättmetaller och Kompositer

• Polymerer delas in i termoplaster, härdplaster och elastomerer.
• Lättmetaller används i flyg, fordon och industri.
• Kompositer kombinerar material för att förbättra styrka, hållbarhet och viktförhållande.

Kretslopp i Naturen

• Råvaror cirkulerar genom levande organismer, mark och vatten samt atmosfären.

Järnets Kretslopp

• Järnmalm bryts i form av magnetit och hematit, och fossilfritt stål ersätter koks med vätgas.
• Återvinning av järn sparar 75% energi jämfört med primärproduktion.

Aluminiums Kretslopp

• Aluminium framställs ur bauxit genom elektrolys, Island är en stor producent.
• Återvinning av aluminium kräver endast 5% av energin jämfört med primärproduktion.

Plastens Kretslopp

• Majoriteten av plast tillverkas från fossilolja och skapar mikroplaster.

Betongens Kretslopp

• Tillverkas av berg, grus, vatten och cement, cementproduktion genererar stora mängder koldioxid.

Kompositmaterialens Kretslopp

• Svåra att återvinna, oftast deponi.
• Forskning pågår för att använda biobaserade material.

Efterfrågan på Metaller och Mineraler

• Litium, nickel och kobolt används i batterier.
• Sällsynta jordartsmetaller används i starka magneter för elmotorer och vindkraftverk.
• Koppar används i elektriska ledningar och elektronik, och ökad efterfrågan har lett till kopparstölder.

Sammanfattning Kretslopp och Råvarors Tillgång

• Järn, aluminium, plast och betong är alla viktiga material med olika kretslopp och miljöpåverkan..
• Ökad efterfrågan på vissa metaller och mineraler på grund av klimatomställning.