Tehnomaterjalide stenogramm (0)

Tallinna Tehnikaülikool
2014/2015 õ.a
Materjalitehnika instituut
Materjaliõpetuse õppetool
Stenogramm
aines tehnomaterjalid

Üliõpilane:
Üliõpilaskood:
Rühm:
Materjalide füüsikalised ja mehaanilised omadused
Metallide ja sulamite liigitus tiheduse järgi:

• ρkergmetallid ja – sulamid ;
  
• 5000
• ρ > 10000 kg/m3 - raskmetallid ja -sulamid.
  

Metallide ja sulamite liigitus sulamistemperatuuri järgi:

• kergsulavad metallid ja sulamid - TS ≤327°C (Pb sulamistemperatuur ) - Pb, Sn, Sb;
  
• kesksulavad metallid ja sulamid - TS =327- 1539 °C - Mn, Cu, Ni, Ag jt;
  
• rasksulavad metallid ja sulamid - TS >1539°C (Fe sulamistemperatuur) – Ti, Cr, V, Mo, W.
  

Plastsusnäitajad
Plastsus on materjali võime purunemata muuta talle rakendatud väliskoormuse mõjul oma kuju ja mõõtmeid ning säilitada jäävat (plastset) deformatsiooni pärast väliskoormuse lakkamist.

• A – katkevenivus ehk suhteline pikenemine pärast katkemist (%).
  
• Z – katkeahenemine ehk suhteline ahenemine pärast katkemist (%).
  

Jäikusnäitajad
Elastsus on materjali võime omandada oma esialgne kuju peale koormuse eemaldamist

• E – normaalelastsusmoodul, annab hinnangu materjali jäikusele (GPa;N/mm2).
  

Tugevusnäitajad (ühik kõigil N/mm2 või MPa)
Tugevus on materjali võime purunemata taluda koormust, ebaühtlast temperatuuri vms.

• Voolavuspiir - pinge, mis vastab voolavusjõule.
  
• ReH - jõule FeH vastav ülemine voolavuspiir.
  
• ReL - jõule FeL vastav alumine voolavuspiir.
  
• Rp0,2 - enamiku sulamite tõmbediagrammil voolavusplatvorm puudub, mistõttu voolavuspiiri asemel kasutatakse tinglikku voolavuspiiri. Tinglik voolavuspiir määratakse reeglina jõu F0,2 juures, mis kutsub esile teimiku jääva pikenemise 0,2% võrra.
  
• Rm - tõmbetugevuspiir e. tõmbetugevus , maksimaalsele jõule vastav pinge.
  

Sitkusnäitajad
Sitkus on materjali omadus koormamisel taluda enne purunemist olulist deformeerimist. Löögisitkus on materjali vastupanuvõime prao tekkele ja arengule dünaamilisel koormamisel.
Charpy löökpaindeteim - määratakse teimiku purustustöö KU või KV J vastavalt U-soonega või V-soonega teimiku puhul. Materjali hapruse suurenemist (löögisitkuse vähenemist) madalatel temperatuuridel nim. külmahapruseks. Habras purunemine jätab jämedateralise läikiva pinna, sitke purunemine aga kiulise mati purunemispinna. Terastel on külmahapruslävi (TKHL) vahemikus + 50...-150 °C. T50 - temperatuur, mille puhul purunemispildis on vähemalt 50% kiulist pinda. T90 - temperatuur, mille puhul vähemalt 90% purunemispinnast on kiulise struktuuriga.
Kõvadusnäitajad
Kõvadus on materjali võime vastu panna kohalikule plastsele deformatsioonile, kui tema pinda
tungib suurema kõvadusega keha. Materjalide põhilised kõvadusarvu määramise meetodid:

• Brinell – surutakse uuritava materjali pinda kõvasulamkuul. Brinelli kõvadus määratakse kuulile toimiva jõu ja tekkiva sfäärilise jälje pindala suhtena. Kõvaduse väärtusele järgneb tähis HBW, selle järel aga katsetingimused (kuuli läbimõõt, koormus ja koormamise kestus).
  
• Rockwell - määratakse materjali kõvadus otsaku (kõvasulam/teraskuuli või teemantkoonuse, mille tipunurk on 120°), materjali sissesurumise teel. Katsetamisel surutakse otsak materjalisse eeljõuga ja fikseeritakse asend. Seejärel surutakse otsak materjalisse lisajõuga, peale mida jällegi taastatakse esialgne survejõud . Rockwelli kõvadust iseloomustab kuuli või koonuse materjalisse tungimise sügavuste vahe.
  
• Vickers - põhineb teemantpüramiidi surumisel uuritava materjali pinnasse. Vickersi kõvadust iseloomustab koormuse ja teemantpüramiidi jälje diagonaali suhe.
  

Kõvadusmeetodi valik: HV, HRB, Barcol , HRM, HRR
Sile
HB, Barcol, HRM
Kare
Paksus
0,8%, struktuur P + T".
C-sisalduse suurenedes kasvab T kogus terase struktuuris ning koos sellega terase kõvadus, tõmbetugevus Rm ja voolavuspiir Rp; vähenevad aga plastsus –ning sitkusnäitajad.
Malmid (C-sisaldus üle 2,14%)
Malmil on madalam sulamistemperatuur ning ta struktuuris esineb peamiselt grafiit (v.a valgemalm ). Malmil on võrdlemisi head valuomadused. Suurest süsinikusisaldusest tulenevast grafiidist vaba grafiidiga malmides ja tsementiidist valgemalmis ei ole malm sepistatav.
Fe-Fe3C faasidiagramm ja sulamite struktuuriosad toatemperatuuril
Terased ja teraste termotöötlus (TT)
Termotöödeldavuse eeldused ning TT liigutus
TT eeldused:

• struktuurimuutus tardolekus;
  
• lahustuvuse muutus või faasimuutus tardolekus.
  

TT liigitus:

• protsessitermotöötlus – terase lõõmutus (rekristalliseeriv, tavalõõmutus);
  
• tugevdav TT – terase karastamine (+ noolutus ).
  

TT põhimoodused

• Lõõmutus - terast kuumutatakse üle faasimuutuste temperatuuride Ac1, Ac3 (Acm) või üle Trekr järgneva aeglase jahutamisega, tavaliselt koos ahjuga. Aeglane jahutamine lõõmutamisel peab kindlustama austeniidi lagunemise perliidiks. Lõõmutamine on tavaliselt esmane TT viis, mille eesmärgiks on kas kõrvaldada eelmiste kuumtöötluse operatsioonide defekte või valmistada struktuuri ette järgnevateks operatsioonideks.
  
• Normaliseerimine - on selline TT viis, mille korral terast kuumutatakse 30...50 °C üle faasipiiri Ac3 (Acm), seisutatakse sellel temperatuuril ja jahutatakse siis õhus. Normaliseerimise tulemusel vähenevad sisepinged ja toimub terase faasiline ümberkristalliseerumine, mis muudab valandite , sepiste ja keevisõmbluste jämedateralise struktuuri peeneteralisemaks.
  
• Karastus - terase karastamisel, mil austeniit muutub martensiidiks, saavutatakse suur kõvadus – see on karastuse põhieesmärk. Eristatakse mitmeid karastustviise: tava- (detaili kuumutamisega kogu ulatuses) ja pindkarastust, laus- (jahutamisega kogu detaili ulatuses) ja kohtkarastust jt.
  

Tavakarastus eeldab järgmisi etappe :
- terase kuumutamine üle faasipiiride Ac1 või AC3, et tagada lähtestruktuuris vajaliku
austeniidi teke;
- seisutamine sellel temperatuuril, et tagada kogu detaili ulatuses antud temperatuurile vastava homogeense struktuuri teke;
- jahutamine kiirusega, mis on karastatava terase kriitilisest jahtumiskiirusest suurem, et vältida austeniidi laguproduktide (F ja T) teket.

• Noolutus - seisneb terase kuumutamises temperatuurideni alates 200 °C, seisutamises sellel (vähemalt tunni) ja jahutamises (tavaliselt õhus). Selline noolutus sobib eriti tööriistaterastele, millelt nõutakse suurt kõvadust - sellist, mis veel ei vähene järgneva noolutuse käigus. Noolutus tõstab märgatavalt terase sitkust. Konstruktsiooniteraste korral põõeldakse suurema sitkuse ja tugevuse poole. See saavutatakse suhteliselt kõrgel temperatuuril noolutusega (450...650 °C, jahutus õhus). Sellist karastust järgneva kõrgnoolutusega nimm . parendamiseks (hardening and tempering ). Saadakse ferriidipõhjal teraline tsementiidiosakestega struktuur.
  
• Termokeemiline töötlus - toimub pinnakihi keemilise koostise muutus, millest tulenevad ka difusioonist tingitud pinnakihi struktuurimuutused.
  

Tsementiiditavad, tööriista- ja konstruktsiooniterased

• Tsementiiditavate teraste hulka kuuluvad madalsüsinikterased, mille tüüpiline termotöötluse režiim on tsementiitimine, karastamine ja madalnoolutus. Sellise termotöötluse tulemusena saadakse kõva (58...62 HRC) ja kulumiskindel pinnakiht ning sitke ja keskmise kõvadusega (30...42 HRC) südamik .
  
• Süsiniktööriistaterased – suure kõvadusega (57-65 HRC) ning süsinikusisaldusega 0,64-1,35% terased.
  
• Süsinikkonstruktriooniterased – C-sisaldus 0,17-0,65%, sitkemad ja plastsemad kui tööriistaterased.
  

Teraste markeerimise põhimõtted
Teraste tähistamisel Eurostandardi järgi kasutatakse kahte tähist: terase margitähist ja terase tunnusnumbrit. Lähtudes tähistuse eesmärgist liigitatakse margitähised 2 põhilisse gruppi:
I - terased, mille tähistus põhineb nende kasutusel ja mehaanilistel või füüsikalistel
omadustel,
II - terased, mille tähistus põhineb nende keemilisel koostisel.
I grupi terastest markeeritakse voolavuspiiri järgi ehitusteraseid (täht S margi ees, millele järgneb voolavuspiir N/mm2, nt. S335J0), masinaehitusteraseid (täht E) jt., tugevuspiiri järgi relsiteraseid (täht R margi ees, millele järgneb tugevuspiir Rm N/mm2) jt.
II grupi teraste põhilised margitähiste sümbolid on:
- mittelegeerterased (v.a. automaaditerased) Mn-sisaldusega 1) täht C,
2) C-sisaldus x 100
nt. C35 (35 - C%x100)
- mittelegeerterased Mn-sisaldusega ≥ 1%, mittelegeerautomaaditerased ja legeerterased
(legeeriva elemendi sisaldus 1) C-sisaldus x 100,
2) legeerivate elementide keemilised sümbolid sisalduse alanemise või võrdse sisalduse
korral tähestikulises järjestuses,
3) legeerivate elementide sisaldust näitavad numbrid x kordaja.
nt 28Mn6 (28 - C%x100, Mn 1,5%)
- legeerterased (v.a. kiirlõiketerased), milles vähemalt ühe legeeriva elemendi sisaldus on ≥ 5%;
1) täht X
2) C-sisaldus x 100,
3) legeerivate elementide keemilised sümbolid sisalduse alanemise või võrdse sisalduse korral tähestikulises järjestuses,
4) legeerivate elementide sisaldust näitavad numbrid
nt. X5CrNi18-10
- kiirlõiketerased
1) tähed HS,
2) numbrid, mis näitavad legeerivate elementide sisaldust järgmises järjestuses volfram (W) – molübdeen (Mo) – vanaadium (V) – koobalt (Co).
nt. HS 2-9-1-8 (2%W, 9%Mo, 1%V, 8%Co)
Malmid
Malmide liigitus
Malmid liigitatakse süsiniku oleku järgi kahte gruppi:
1) malmid, kus kogu süsinik on seotud olekus tsementiidi (Fe3C) kujul. Need on seotud süsinikuga malmid e. valgemalmid;
2) malmid, kus kogu süsinik või suurem osa sellest on vabas olekus. Need on vaba grafiidiga malmid, tuntud eelkõige hallmalmidena.
Valgemalmid liigitatakse alljärgnevalt:
- alaeutektsed, struktuuriga P + T” + Le (joon. 2.11a),
- eutektsed, struktuuriga Le (joon. 2.8),
- üleeutektsed, struktuuriga Le + T (joon. 2.11b).
Vaba grafiidiga malmid jagunevad omakorda järgmiselt:

• liblegrafiitmalm e. hallmalm, kus kogu süsinik või suurem osa sellest esineb vabas olekus liblegrafiidi kujul;
  

• keragrafiitmalm , kus kogu süsinik või suurem osa sellest on vabas olekus keragrafiidina sellise kujuga grafiidi teket soodustab eelkõige spetsiaalsete lisandite – modifikaatorite (nt Mg) sisseviimine sulamalmi.
  

• tempermalm, kus kogu süsinik või suurem osa sellest esineb vabas olekus pesagrafiidi kujul. Pesagrafiit tekib valgemalmis olevast tsementiidist valgemalmist valandite pikaajalise lõõmutamise tulemusena.
  

Metalse põhimassi struktuurist lähtudes jagunevad vaba grafiidiga malmid järgmistesse liikidesse:

• Perliitmalm, mille struktuur koosneb perliidist ja grafiidist. Kuna perliit on suure tugevusega, aga väikese plastsusega struktuuriosa, siis samasugused on ka malmid
  
• Ferriitmalm, mille struktuur koosneb ferriidist ja grafiidist. Ferriidi tõttu on malmil väike kõvadus ja tugevus, kuid suurem plastsus.
  
• Ferriitperliitmalm, mille struktuuris on ferriit ja perliit ning grafiidiosakesed. Niisugune struktuur on väga sagedane hallmalmi puhul.
  

Malmide saamine ja omadused
Grafiidi teket soodustab aeglane jahutamine ja lisanditest eelkõige räni.
Süsteemis Fe-Si-C toimuvad järgnevad muutused (teatud temperatuurivahemikus):
- peritektmuutus (L+F→ A),
- eutektmuutus (L→A+G),
- eutektoidmuutus (A→F+G)
Mida rohkem on Si, seda laiem on eutektmuutuse vahemik.
Valgemalm on väga kõva ja habras, hallmalmi kõvadus on tunduvalt väiksem, kuid liblegrafiidi tõttu on ta samuti habras. Tempermalmil ja keragrafiitmalmil on teatav sitkus. Mida väiksemad on grafiidiosakesed, seda paremad on mehaanilised omadused.
Tugevusnäitajate tõus ei põhjusta kõvaduse olulist suurenemist (sõltub metalsest põhimassist)
ja võib isegi parandada malmi sitkust. Malmi kõvadus sõltub eelkõige metalse põhimassi struktuurist: ferriitne 100...160 HB, martensiitne 380...600 HB, perliitne 160...220 HB, austeniitne 140...220 HB, sorbiitne 220...300 HB, perliitmartensiitne 380...550 HB, beiniitne 300...380 HB.
Malmide termotöötlus
Erinevalt terase termotöötlusest kasutatakse malmide korral nende mehaaniliste omaduste tõstmiseks termilist töötlemist harva, kuna termotöötlusega on võimalik muuta ainult metalse põhimassi struktuuri, mitte aga grafiidiosakeste suurust, kuju või jaotust.

• Lõõmutamine on põhioperatsioon valgemalmstruktuuriga valandeist tempermalmistruktuuriga valandite tootmisel. Hallmalmvalandite korral kasutatakse lõõmutamist sisepingete kõrvaldamiseks ja kõvaduse vähendamiseks töödeldavuse parandamise eesmärgil koos plastsuse ja sitkuse tõusuga.
  
• Normaliseerimise eesmärk nii hall-, keragrafiit- kui ka tempermalmide korral on mehaaniliste omaduste parandamine – tugevuse ja kõvaduse tõstmiseks ning sellega kaasneva kulumiskindluse tõus.
  
• Karastus - karastatakse perliitse või ferriitperliitse metalse põhimassiga vaba grafiidiga malme (hall-, keragrafiit- ja tempermalme). Tavakarastamisel on malmide karastustemperatuur sõltuvalt metalse põhimassi C-sisaldusest piires 850...950 oC, jahutus vees või õlis.
  
• Noolutus - nii nagu terastegi korral, noolutatakse reeglina malme karastuspingete kõrvaldamiseks ning sitkuse ja plastsuse tõstmiseks. Malmide noolutustemperatuur analoogselt terastele on piires 150...650 oC sõltuvalt nõutavast kõvadusest ja sitkusnäitajatest.
  

Malmide markeerimise põhimõtted
Euroopa margitähistusest tulenevalt järgneb margitähises tähisele “EN” malmi tähis “GJ”, millele järgneb grafiidi struktuuri tähis.
Tähis
Grafiidiosakeste kuju
L
S
M
V
N
Liblegrafiit
Keragrafiit
Pesagrafiit
Vermikulaargrafiit
Vabagrafiit puudub (C on seotud ledeburiidis olevas tsementiidis)
Sümbolile järgnevad numbrid, mis näitavad minimaalset tõmbetugevust Rm, N/mm2 või Brinelli kõvadust.
Mitteraudmetallid ja mitterauasulamid
Mitteraudmetallide liigitus
Alumiinium ja Al-sulamid
Termotöötlus

• Alumiiniumisulamite tugevdamiseks rakendatakse karastamist ja vanandamist, ebapüsivate struktuuride ja kristallilise ehituse deformatsioonidefektide kõrvaldamiseks ka lõõmutamist.
  
• Karastamine toimub vees. Pärast karastamist on sulamitel üleküllastunud α-tardlahuse struktuur (nt. sulamites vasesisaldusega üle 5% esineb vähesel määral ka ühend CuAl2), mistõttu nad karastatult ei ole kuigi heade tugevusomadustega, ent on suure plastsusega.
  
• Vanandamine seisneb karastamisele järgnevas seisutamises toatemperatuuril mõned ööpäevad (loomulik vanandamine) või kõrgendatud temperatuuril kuni 1 ööpäev (kunstlik vanandamine). Vanandamisel tõuseb sulami kõvadus, tõmbetugevus ja voolavuspiir, seejuures väheneb aga plastsus ja sitkus.
  
• Valandite homogeniseerivat lõõmutamist kasutatakse metalli kristallide koostise ebaühtluse kõrvaldamiseks. Lõõmutatakse temperatuuril 450…520 oC kestusega 4…40 h, jahutatakse õhu käes või koos ahjuga. Rekristalliseeriv lõõmutamine viiakse läbi sõltuvalt sulami koostisest temperatuuril 350…500 oC kestusega 0,5…2 h kalestumise kõrvaldamise ja tera peenendamise eesmärgil. Karastamise ja vanandamise efekt kaob, kui viia läbi lõõmutamine temperatuuril 350…450 oC kestusega 1…2 h.
  

Deformeeritavad sulamid
Deformeeritavad alumiiniumisulamid liigitatakse termotöötluse põhjal järgmiselt:
a) sulamid, mida termotöötlusega ei tugevdata (mittevanandatavad);
b) termotöötlusega tugevdatavad sulamid (vanandatavad).
Esimesse gruppi kuuluvad Al-Mn- ja Al-Mg-süsteemi sulamid, teise Al-Cu-Mg-(duralumiiniu), Al-Cu-Ni-, Al-Mg-Si-(korrosioonikindlad), Al-Zn-Mg-Cu-(kõrgtugevad) ja Al-Li-süsteemi sulamid.
Valusulamid
Alumiiniumi valusulamite tüüpilisteks esindajateks on Al-Si-sulamid – silumiinid, mis ei moodusta ega millel ei ole koostises keemilisi ühendeid. Enamkasutatavamad Al-valusulamid sisaldavad 10…13% Si, need on eutektkoostisele ligilähedased sulamid. Reeglina on eutektstruktuur jämedateraline, tehes sulami hapraks.
Al-Mg-sulamid – magnaaliumid on väikese tiheduse, suure tugevuse ja plastsusega, hea keevitatavuse, lõiketöödeldavuse ning korrosioonikindlusega. Ent nad on halvasti valatavad, halva soojusjuhtivuse ja madala kuumustugevusega (lubatav töötemperatuur kuni 100 oC).
Tähistus
Alumiiniumi ja alumiiniumisulamite markeerimisel Eurostandardite järgi kasutatakse
kahte tähist:
1) margitähist (see määrab keemilise koostise), mis koosneb tähttähistest:
EN-AW-… deformeeritavate sulamite korral,
EN-AC-… valusulamite korral,
millele järgnevad põhikomponendi – alumiiniumi keemiline sümbol Al ning põhilisandite
keemiliste elementide sümbolid ning nende keskmist sisaldust (reeglina täisarv protsentides)
näitavad arvud, nt. EN-AW-AlCu4Mg1;
2) tunnusnumbrit:
Deformeeritavad sulamid
Valusulamid
Seeria 1000 – puhas Al
2000 – Al-Cu-sulamid
3000 – Al-Mn-sulamid
4000 – Al-Si-sulamid
5000 – Al-Mg-sulamid
6000 – Al-Mg-Si-sulamid
7000 – Al-Zn-sulamid
8000 – Al- muud elemendid
nt. EN-AW-2014
Seeria 10000 – puhas Al (min 99,0%)
20000 – Al-Cu-sulamid
40000 – Al-Si-sulamid
50000 – Al-Mg-sulamid
70000 – Al-Zn-sulamid
nt. EN-AC-44 000
Vask ja Cu-sulamid

• Messingid (Cu-Zn) - Zn lisamine vasele soodustab sulami tugevuse suurenemist eelkõige tänu tsingi lahustumisele vases, samuti suureneb ka sulami plastsus. Väikestes kogustes Sn ja Al lisamine parandab messingi korrosioonikindlust merevees , 1…2% plii lisamine parandab aga messingi lõiketöödeldavust.
  
• Pronksid – Cu ja ülejäänud keemiliste elementide sulamid, nt. Cu-Sn (vedrud, mündid ), Cu-Al (klapid), Cu-Be(suurima tugevusega vasesulam ) või Cu-Si sulam .
  
• Vaseniklisulamid (Cu-Ni) – on suurepärase korrosioonikindlusega ja heade elektriliste omadustega. Vaseniklisulam Ni-sisaldusega 25% on tuntud mündimetallina.
  

Tähistus
Vase ja vasesulamite margitähistus põhineb ISO-l, nummerdussüsteem aga Eurostandardil
(EN-l), mille järgi kasutatakse kahte tähist:

• margitähist (määrab keemilise koostise),
  
• tunnusnumbrit (materjali margi numbertähis).
  

Mittemetalsed materjalid – polümeerid , plastid , plastkomposiitmaterjalid
Polümeermaterjalid
Polümeerid - kõrgmolekulaarsed ühendid ( molaarmass jääb vahemikku 1.000-2.000.000 g/mol).
Liitumispolümerisatsioon- polümeer moodustub monomeeride liitumise teel.
Polükondensatsioon- kondensatsioonipolümeer moodustub ahelreaktsioonil ahela mõlemas otsas, kusjuures igal reaktsioonil eraldub üks vee molekul või happe molekul, seega ei ole tema monomeer identne lähteaine molekuliga .
Polümeerid ei saa oma supermolekulaarse struktuuri tõttu olla gaasilises olekus, sest keemistemperatuur on üldjuhul kõrgem polümeeri lagunemistemperatuurist.
Polümeeride liigitus – kristalliinsed (korrapärane struktuur, läbipaistmatu) ja amorfsed (korrapäratu struktuur ja läbipaistev).
Plastid
Plastid on polümeeride baasil valmistatud tehismaterjalid, mille põhikomponendiks on polümeer ning mis töötlemisfaasis on plastsed, tavaliselt kõrgendatud temperatuuri ja rõhu mõjul.
Plastide liigitamine tehnomehaaniliste omaduste järgi:

• Termoplastid – Polüetüleen (PE), Polüpropüleen (PP), Polüvinüülkloriid (PVC), ABS (armatuurid)
  
• Termoreaktiivid – polüestervaigud (valamud ja vannid ), vinüülestervaigud (paadiehituses sideaine)
  
• Elastomeerid - naturaalkautšukk (NR)
  

Plastide liigitus kasutusala järgi:

• Tarbeplastid (PE, PP, PVC)
  
• Eriotstarbelised plastid (PSU, PES, PAI)
  
• Konstruktsiooniplastid (PC, PA, PMMA )
  

Plast- ja polümeerkomposiitmaterjalide valmistustehnoloogiad
Tehnokeraamika
Tehnokeraamika plussid: suur kuumus- ja termopüsivus, korrosioonikindlus , suur kõvadus ja kulumiskindlus, väike tihedus.
Tehnokeraamika miinused: väike painde- ja tõmbetugevus, suur haprus , omaduste suur hajuvus, halb töödeldavus, suhteliselt kõrge hind.