Materjalid (0)

Autorid: Priit Kulu Jakob Kübarsepp Enn Hendre Tiit Metusala Olev Tapupere
Materjalid
Tallinn 2001
© P.Kulu, J.Kübarsepp, E.Hendre, T.Metusala, O.Tapupere; 2001 SISUKORD
SISSEJUHATUS ................................................................................................................................................ 4 1. MATERJALIÕPETUS.............................................................................................................................. 5 1.1. Materjalide struktuur ja omadused ...................................................................................................... 5 1.1.1. Materjalide aatomstruktuur ........................................................................................................... 5 1.1.2. Materjalide omadused .................................................................................................................. 6 1.2. Metalsed materjalid ........................................................................................................................... 14 1.2.1. Rauasüsinikusulamid ................................................................................................................. 14 1.2.2. Alumiinium ja alumiiniumisulamid .............................................................................................. 30 1.2.3. Vask ja vasesulamid ................................................................................................................... 33 1.2.4. Nikkel ja niklisulamid .................................................................................................................. 35 1.2.5. Titaan ja titaanisulamid ............................................................................................................... 36 1.2.6. Magneesium ja magneesiumisulamid ........................................................................................ 36 1.2.7. Tsink , plii, tina ja nende sulamid ................................................................................................ 37 1.2.8. Metallide markeerimine .............................................................................................................. 38 1.3. Mittemetalsed materjalid.................................................................................................................... 40 1.3.1. Tehnoplastid ............................................................................................................................... 40 1.3.2. Tehnokeraamika ......................................................................................................................... 43 1.4. Komposiitmaterjalid ........................................................................................................................... 46 1.4.1. Komposiitmaterjalide struktuur ja liigitus .................................................................................... 46 1.4.2. Metallkomposiitmaterjalid ........................................................................................................... 47 1.4.3. Plastkomposiitmaterjalid ............................................................................................................. 47 1.4.4. Keraamilised komposiitmaterjalid............................................................................................... 48 1.4.5. Süsinikkomposiitmaterjalid ......................................................................................................... 48 2. METALLIDE TEHNOLOOGIA ............................................................................................................... 49 2.1. Metallurgia ......................................................................................................................................... 49 2.2. Valutehnoloogia ................................................................................................................................. 49 2.2.1. Liigitus ........................................................................................................................................ 49 2.2.2. Metallide valuomadused............................................................................................................. 50 2.2.3. Valu kordkasutusega vormidesse .............................................................................................. 51 2.2.4. Valu korduvkasutusega vormidesse .......................................................................................... 53 2.3. Survetöötlus....................................................................................................................................... 54 2.3.1. Liigitus ........................................................................................................................................ 54 2.3.2. Metallide survetöödeldavus........................................................................................................ 54 2.3.3. Survetöötlemise mahtvormimisprotsessid.................................................................................. 55 2.3.4. Survetöötluse lehtvormimisprotsessid........................................................................................ 57 2.4. Keevitamine , jootmine , termolõikamine ja - pindamine ...................................................................... 59 2.4.1. Keevitusprotsesside liigitamine .................................................................................................. 59 2.4.2. Metallide keevitatavus ................................................................................................................ 59 2.4.3. Tähtsamad keevitusmeetodid .................................................................................................... 60 2.4.4. Jootmine ..................................................................................................................................... 64 2.4.5. Termolõikamine ja -pindamine ................................................................................................... 64 2.5. Lõiketöötlemine ................................................................................................................................. 65 2.5.1. Lõikeprotsessi üldpõhimõtted..................................................................................................... 65 2.5.2. Lõikamise põhiprotsessid ........................................................................................................... 66 2.5.3. Mittetraditsioonilised töötlusmeetodid ........................................................................................ 71 2.6. Pulbermetallurgia ............................................................................................................................... 72 2.6.1. Pulbertoodete valmistamine ....................................................................................................... 72 2.6.2. Pulbermaterjalid ......................................................................................................................... 73 3. ELEKTRIMATERJALID ......................................................................................................................... 74 3.1. Sissejuhatus ...................................................................................................................................... 74 3.2. Dielektrikud ........................................................................................................................................ 74 3.2.1. Dielektrikute põhiomadused ....................................................................................................... 74 3.2.2. Isoleermaterjalid ja nende kasutusala........................................................................................ 78 3.3. Pooljuhid ............................................................................................................................................ 83 3.4. Elektrijuhid ......................................................................................................................................... 84 3.5. Magnetmaterjalid ............................................................................................................................... 85 SISSEJUHATUS
Kõik, mis meid ümbritseb, koosneb ainetest. Miks ühe saega saab saagida isegi metalli, aga Eestikeelne sõna materjal tuleneb ladinakeelsest teine nürineb juba kõva tammepuu saagimisel ? sõnast materia, mis tähendabki ainet. Milline terasemark võtta, kui jalgratta esirattale oleks Materjalid, mis on pärit loodusest endast, on vaja treida uus võll? Kui kõrget temperatuuri kanna- looduslikud materjalid. Inimene kasutab neid, kui tab elektrimootori mähise isolatsioon ? Mille poolest vaja, oma huvides, ent ta on loonud väga palju erineb malm terasest ? materjale ka ise ­ selliste omadustega, nagu ühe või Mistahes materjali omadused olenevad teise asja jaoks on tarvis. Tehnikas kasutatavad kõigepealt tema koostisest, struktuurist ja saamis - materjalid ­ tehnomaterjalid ­ ongi enamikus nii- viisist. sugused materjalid. Materjaliõpetus, mis moodustab käesoleva Masinates ja aparaatides, mistahes tehno - õpperaamatu esimese osa, käsitleb peamiselt seda, seadmetes ja -riistades on peamised materjalid missugune on eri materjalide liigitus, nende koostis metallid, plastid , keraamilised ja komposiitmaterjalid. ja struktuur, kuidas sellest oleneb materjali tugevus Nendre liike ja sorte on väga palju. Enam levinumalt ja teised omadused. Teine osa on metallide kasutatakse näiteks vähemalt 400 sorti terast ja tehnoloogia, milles vaadeldakse metallide ja nende malmi, samapalju värvilismetallide sulameid , üle 200 sulamite tootmist, töötlemisviise ja otstarbekat liigi plaste, 50 keraamilise materjali liiki jne. rakendamist. Kolmandas osas on vaatluse all Elektriliste seadete puhul on tegu elektrimaterjalide, elektrimaterjalid. joodiste , pooluhtidega, optikariistade puhul optilise Raamat "Materjalid" on mõeldud nii klaasiga jms. õppurile, praktikule kui ka õpetajale, sisaldab Et tehnikaasjust aru saada, tuleb materjale rohkesti illustratsioone (selesid) ja ka asjaomast tunda. käsiraamatulikku andmestikku, mida eestikeelses kirjanduses pole või on vähe leida.
Tänapäeva automaatfotoaparaat. See on mehhatrooniline seade, milles on ühitatud mehaanika , elektroonika, optika ja infotehnoloogia ning mis sisaldab palju erisuguseid tehnomaterjale
-4- 1. MATERJALIÕPETUS Aatomituum
Prooton 1.1. Materjalide struktuur ja omadused Neutron
1.1.1. Materjalide aatomstruktuur Kõikide tehnomaterjalide põhiliseks struktuuri-ühi- kuks on aatom , mis koosneb positiivselt laetud tuumast ja seda ümbritsevast elektronkattest. Aatomituum koosneb prootonitest ja neutronitest , mille arv võrdub aatomnumbriga (järjenumbriga). Aatommass määrab tahke aine e. tahkise tiheduse, elektrijuhtivuse, soojusmahtuvuse, mõjub aga vähe selle tugevusomadustele. Aatomkristallilise või lihtsalt kristallilise struk - Elektron tuuri all mõeldakse aatomite (ioonide) omavahelist paigutust reaalselt esinevas kristallis. Metallis paik- nevad aatomid kindla seaduspärasuse järgi, moo- dustades korrapärase kristallivõre. Selline aatomite Sele 1.1. Aatomi ehitus paigutus vastab aatomite omavahelise mõju mini- maalsele energiale (aatomite ideaalsele paigutusele). Kristallivõret iseloomustavad suurused a) võre periood ­ teljesihiline aatomite vaheline Kristalliline struktuur kaugus (on vahemikus 0,1...0,7 nm); b) võrebaas ­ võreelemendi kohta tulevate aatomite arv; Aatomite paigutust kristallis võib kujutada ruumiliste c) võre koordinatsiooniarv ­ võreelemendi mis- skeemide abil, nn. võreelementide näol. Võre- tahes aatomile lähimal ja võrdsel kaugusel ole- elemendi all tuleb mõista vähimat aatomite komp- vate aatomite arv (on aluseks ka kristallivõrede leksi, mille paljukordne kordumine ruumis jäljendab tähistamisel: kuupvõre koordinatsiooniarvuga ruumilist kristallivõret. Võreelemendi servade 8 - K8, koordinatsiooniarvuga 12 - K12 jne.); pikkusest ja servadevaheliste nurkadest olenevalt d) aatomiraadius (on vahemikus 0,05...3 nm); eristatakse mitmeid kristallivõre tüüpe. e) võre kompaktsusaste ­ võreelemendi kohta tulevate aatomite ruumala suhe võreelemendi Kristallivõre tüübid ruumalasse. Kristallivõred (võreelemendid) võivad olla a) primitiivsed e. lihtsad ­ aatomid paiknevad Polümorfism ainult võreelemendi sõlmpunktides (tippudes); Mõnedel metallidel on sõltuvalt temperatuurist enam b) ruumkesendatud ­ lisaks võreelemendi tippudes kui üks kristallivõre tüüp. Seda erinevate kristalli- olevaile aatomeile paikneb üks aatom võre- võrede esinemist ühe metalli korral nimetatakse elemendi sees; polümorfismiks. Tuntumaks näiteks võib tuua raua c) tahkkesendatud ­ lisaks võreelemendi tippudes ja titaani. Raua kristallivõre muutub temperatuuril olevaile aatomeile paiknevad aatomid iga tahu 911 °C ruumkesendatud kuupvõrest tahkkesen- keskel; datuks ja temperatuuril 1392 °C tagasi ruumkesen- d) põhitahkkesendatud ­ lisaks võreelemendi datuks. tippudes olevaile aatomeile paiknevad aatomid põhitahkude keskel. Eri kristallivõre tüüpides võib paikneda enam Metall ­ mittemetall aatomeid kui neid mahub kristallivõre sõlmpunkti- desse. Enamikul kasutatavatel metallidel on kuubi- Metallid on ained, millel on tahkes olekus line või heksagonaalne kristallivõre: iseloomulik läige, hea elektri- ja soojusjuhtivus ning - ruumkesendatud kuupvõre: Cr, Fe, Mn, Mo, tavaliselt ka hea mehaaniline töödeldavus, suur V, W ; plastsus ja elastsus . Metallide omadused on - tahkkesendatud kuupvõre: Ag, Al, Cu, Co, Cu, seletatavad aatomi tuumaga nõrgalt seotud vabade Fe, Ni, Pb, Pt, Sn; elektronide (valentselektronide) olemasoluga nende - kompaktne heksagonaalvõre: Be, Cd, Co, Cr, kristallivõre aatomite välimises elektronkihis. Mg, Ti, Zn. Metallid loovutavad kergesti väliskihi elektrone, mis on omakorda mõjutatavad välise elektriväljaga, andes korrapärase elektronide voolu ja hea elektrijuhtivuse. Metallide hulka kuulub keemilistest elementidest 80%, kusjuures kõik metallid peale
-5- elavhõbeda on tavalisel temperatuuril tahked ained Tabel 1.1. Elementide keemilised ( tahkised ). sümbolid ja aatomnumber Metallid ja sulamid liigitatakse koostise kahte suurde gruppi - raud ja rauasulamid (nende arvele Keemiline element Keemilise Aatomnumber tuleb u. 95% kogu maailma metallitoodangust) ning elemendi e. järjenumber mitteraudmetallid ja mitterauasulamid (tuntud tähis värvilismetallide ja -sulamitena) ­ need on kõik üle- Metallid (tahked) jäänud metallid ja nende sulamid. Teisteks liigituse Alumiinium Al 13 alusteks on tihedus ( kerg - ja raskmetallid ning Hõbe Ag 47 sulamid), sulamistemperatuur (kerg- ja rasksulavad Kaltsium Ca 20 metallid ja sulamid), keemiline aktiivsus (vääris- ja Koobalt Co 27 mitteväärismetallid). Tehakse vahet ka leelis- Kroom Cr 24 metallide, leelismuldmetallide, haruldaste ja haju - Kuld Au 79 sate, radioaktiivsete jt. metallide vahel. Magneesium Mg 12 Mangaan Mn 25 Molübdeen Mo 42 1.1.2. Materjalide omadused Nikkel Ni 28 Materjalide valikul ja nende kasutusalade määrat- Plaatina Pt 78 lemisel pakuvad eelkõige huvi materjalide oma- Plii Pb 82 dused, mis on ühelt poolt määratud nende struk- Raud Fe 26 tuuriga, teiselt poolt nende saamise ja neist detailide Tina Sn 50 valmistamise tehnoloogiaga. Materjalide omadused Titaan Ti 22 võib grupeerida füüsikalisteks, mehaanilisteks ja Tsink Zn 30 tehnoloogilisteks. Materjali kasutusomadusi iseloo- Vanaadium V 23 mustavad talitlusomadused. Vask Cu 29 Volfram W 74 Metall (vedel) Materjalide füüsikalised omadused Elavhõbe Hg 80 Poolmetallid Materjalide olulisemateks füüsikalisteks omadusteks Antimon Sb 51 on tihedus ja sulamistemperatuur, mis on ka Arseen As 53 materjalide, eelkõige metallide liigitamise aluseks. Mittemetallid (tahked) Boor B 5 Tihedus Fosfor P 15 Erinevad materjaligrupid (metallid, plastid, keraa - Räni Si 14 mika ) erinevad eelkõige oma tiheduse poolest. Süsinik C 6 3 Tiheduse ühikuks on mahuühiku mass, kg/m . Väävel S 10 3 Plastidel on tihedus 1000...2000 kg/m , keraamikal Mittemetallid (gaasid) 3 1500...2500 kg/m , enamkasutatavatel metallidel Argoon Ar 18 3 piires 1700...22 000 kg/m . Viimaste puhul erista- Hapnik O 8 takse tihedusest lähtuvalt kergmetalle ja -sulameid, Heelium He 2 3 mille tihedus on üle 5000 kg/m (liitium, berüllium, Kloor Cl 17 magneesium, alumiinium, titaan jt.), raskmetalle ja Lämmastik N 7 3 -sulameid, mille tihedus ületab 10 000 kg/m Vesinik H 1 (plaatina, volfram, molübdeen, plii, tina jt.) ning keskmetalle ja -sulameid (tihedus üle 5000 kuid alla 3 10 000 kg/m ). Tehnikas kasutatavaist metallidest kergeimaks on magneesium, raskeimaks aga plaatina.
Füüsikalised omadused Mehaanilised Tehnoloogilised Talitlusomadused omadused omadused
Tihedus Tugevus Valatavus Korrosioonikindlus Sulamistemperatuur Kõvadus Survetöödeldavus Kulumiskindlus Soojuspaisumine Sitkus Lõiketöödeldavus Pinnaomadused Soojusjuhtivus Plastsus Termotöödeldavus Tulekindlus Elektrijuhtivus Keevitatavus Soojuspüsivus Magnetism Joodetavus Ohutus Keskkonnasõbralikkus
-6- Sulamistemperatuur Tabel 1.2. Materjalide tihedus Temperatuuri, mil materjal läheb üle tardolekust vedelasse, nimetatakse sulamistemperatuuriks (Ts), Metall , kg/m 3
vastupidiselt vedelast olekust tardolekusse üle- Plastid mineku temperatuuri aga tardumis- või kristalli- Polüetüleen 950 satsioonitemperatuuriks (Tk). Metallid liigitatakse Akrüülplast 1100 sulamistemperatuuri järgi kergsulavaiks metallideks Bakeliit 1300 ja sulameiks, mille sulamistemperatuur ei ületa plii Fluorplast 2200 oma, s.o. 327 °C (tina, plii, antimon, elavhõbe jt.), Keraamika rasksulavaiks metallideks ja sulameiks, mille sula- Tellis 1800 mistemperatuur ületab raua oma, s.o. 1539 °C Betoon 2300 (volfram, tantaal , molübdeen, nioobium , kroom, Portselan 2400 vanaadium, titaan jt.) ja kesksulavateks metallideks Klaas 2500 ja sulamiteks (sulamistemperatuur üle plii, kuid alla Metallid raua sulamistemperatuuri). Kergmetallid Plastid jäävad sulamistemperatuuri poolest Magneesium 1750 alla metallidele, mistõttu enamike plastide lubatav Alumiinium 2700 töötemperatuur piirdub 100 °C. Keraamika seevastu Titaan 4540 on aga kõrge sulamistemperatuuriga , mistõttu seda Keskmetallid kasutatakse sageli ka kuumuskindlate detailide Vanaadium 6100 valmistamiseks. Kroom 7200 Tsink 7140 Soojuspaisumine Tina 7290 Soojendamisel keha mõõtmed muutuvad. Harilikult Raud 7870 iseloomustatakse soojuspaisumist ruumpaisumis- Nioobium 8600 teguriga (vedelikud, gaasid) või joonpaisumis- Nikkel 8880 teguriga (tahkised). Soojuspaisumist tuleb arvestada Vask 8930 vedelike ja gaaside mahutite ja torustike, sildade, Raskmetallid raudtee