BK10A3500 Materiaalitekniikka Raimo Suoranta I periodi h. 1215 F Timo Kärki II periodi Materiaalit muokkaavat ihmiskunnan kehitystä Ihmisen selviytyminen on materiaalien kehittymisen ansiota? Kivikausi luonnossa esiintyvät materiaalit Erikoiskivet, nahka, puu, savi (keramiikka) Pronssikausi kupari Valaminen, takominen Rautakausi (valurauta) Korkean lämpötilan uunit Teräskausi Lujuuden kasvu Ei-rautametallit, konstruktiokeraamit, polymeerit Alumiini, Titaani ja Nikkeli (superseokset) Pii Muovit ja komposiitit Eksoottiset materiaalit? Nano-materiaalit, Bio-materiaalit 1
Materiaalitekniikka Materiaalitekniikka on insinööritiede, joka tutkii erilaisten materiaalien valmistusta, koostumusta, ominaisuuksia ja sovelluksia Opintojakson päätavoitteet I-periodilla, 1. Oppia metalliopissa käytettävää terminologiaa 2. Oppia eri metallien valmistuksen perusteita 3. Oppia fysikaalisen metallurgian perusteita 4. Opastaa perusteita materiaalien ja eri valmistusmenetelmien yhteensopivuudesta 2
Opintojakson toteutus 1. Luennot 1. periodi 1. Välikoe Kirjallinen 2. Luennot 2. periodi 2. Välikoe Kirjallinen 3. Harjoitukset 2. periodilla 4. (TENTTI) Sisällön painopisteitä 1. Yleistä materiaaliominaisuuksista ja niiden mittaamisesta 2. Metalliopin alkeet 3. Teräkset, nimitykset ja peruskäsittelyt 4. Alumiinit 5. Valuraudat I-periodi 6. Muita metallisia materiaaleja 3
Kurssimateriaali Kirjallisuus Laitinen: Konetekniikan materiaalioppi Netti, esim. TTY:n materiaaliopin laitos LÄHDEKRITIIKKI Kurssimateriaali Kooste kalvoista NOPASSA Kalvoilla esitettyjen asioiden selitykset luennoilla 4
Materiaalien ominaisuuksia ja vertailun perusteita I MATERIAALIEN PÄÄLUOKITTELU METALLIT KOMPOSIITIT EPÄMETALLISET AINEET RAUTAMETALLIT TERÄKSET VALURAUDAT EI-RAUTAMETALLIT MUOVIT JA KUMIT KERAAMIT RASKASMETALLIT KEVYTMETALLIT 5
Materiaalien luokittelu Oli materiaaliryhmä mikä tahansa, pääasiassa niitä arvioidaan tyypillisesti kolmen eri ominaisuuden mukaan Mekaaniset ominaisuudet Fysikaaliset ominaisuudet Kemialliset ominaisuudet Miksi on tärkeää tietää perusasiat materiaalitekniikasta Materiaali Valmistus Seostus Lämpökäsittely Mikrorakenne Ominaisuudet Ongelma: Laaja kirjo materiaaleja, joilla on käytännössä samat mekaaniset ominaisuudet, MUTTA VALMISTETTAVUUS, KESTOIKÄ, KUSTANNUKSET? 6
Kovuus Valmistus ja käsittely Rakenne Ominaisuudet (d) 600 30 m 500 (c) 400 (b) (a) 4 m 300 30 m 200 30 m 100 0.01 0.1 1 10 100 1000 Cooling Rate (C/s) Käsittely muuttaa rakennetta => erilaiset ominaisuudet Materiaaliominaisuuksia SUORAAN MITATTAVISSA 1. LUJUUS 2. KOVUUS 3. KIMMO- JA LIUKUMODUULIT 4. VENYMÄ JA SITKEYS 5. LOVIHERKKYYS 7
Materiaaliominaisuuksia EPÄSUOREMMIN MITATTAVISSA 1. LASTUTTAVUUS 2. HITSATTAVUUS 3. MUOVATTAVUUS 4. VALETTAVUUS 5. VÄSYMISLUJUUS 6. KORROOSIONKESTO 7. KULUMINEN 8. LÄMPÖTILAN KESTO KUSTANNUKSET Materiaalin lujuus Materiaalitekniikassa materiaalin lujuus on Kyky vastustaa kuormitusta ilman vaurioitumista Kuormitus aiheuttaa kappaleeseen jännityksen Jännitys voi olla vetoa-, puristusta-, tai leikkausta Jännitys saa aikaan kappaleessa muodonmuutoksen, joka voi olla elastinen, tai plastinen Elastinen = palautuva Plastinen = pysyvä 8
Lujuusominaisuudet Koetulosten perusteella mm. vetolujuus puristuslujuus taivutuslujuus väsymislujuus Vetokoe Monet peruslujuusominaisuuksista ilmoitetaan vetokokeen perusteella saatavien tulosten avulla Kokeen periaate Dimensioiltaan ja geometrialtaan tunnettua koesauvaa vedetään aineenkoetuskoneessa niin, että sen pituus kasvaa vakionopeudella Samalla rekisteröidään muodonmuutokseen tarvittava voima koesauvan pituuden muutoksen funktiona 9
Vetokoe Mittakärjet OR 10
Vetokoe Tuloksena saadaan mm. voima - venymä käyrä jännitys venymä käyrä nimellisjännitys (alkuperäinen poikkipinta-ala) nimellisvenymä (Todellisia jännitysarvoja laskettaessa otetaan huomioon myös koesauvan poikkipinta-alan muutos pituuden kasvaessa) (Voima F) = jännitys ε = venymä σ J ä n n i t y s Vetokoekäyrän muoto Suhteellinen venymä ε 11
Tyypillinen vetokoekäyrän muoto (matalalujuuksinen rakenneteräs) σ J ä n n i t y s Murtolujuus Myötöraja Murtovenymä Tasavenymä Testikappale menee poikki (pysyvä Myötövenymä (palautuva) Suhteellinen venymä ε Tyypillinen ( aust.) ruostumattoman teräksen vetokoekäyrä σ Murtolujuus J ä n n i t y s 0,2 raja Suhteellinen venymä jännitys, joka saa aikaan 0,2% pysyvän venymän ε 12
Kimmomoduli Kimmoisella alueella suhteellinen venymä on suoraan verrannollinen jännitykseen, ε = α σ (Hooken laki) verrannollisuuskerroin on pieni => käytetään käänteisarvoa jota sanotaan kimmomoduliksi E Kimmomoduli (kimmokerroin) Kimmomoduli kuvastaa materiaalin muotojäykkyyttä Esimerkiksi palkkien taipuman määrää kimmomoduli, ei lujuus! σ y = kx <= > σ = Eε α ε 13
Sitkeys, venymä, Materiaalin kyky venyä ennen murtmista Murtovenymä A lasketaan kaavalla Lo on alkumittapituus Lu on loppumittapituus Murtokurouma S lasketaan kaavalla So on koesauvan suoran osan poikkipinta-ala ennen koetta Su on pienin poikkipinta-ala murtuneessa koesauvassa Vetokoe Hauras murtuma Sitkeä murtuma 14
Palkin poikkileikkaus (paino), kun taipuma on rajoitettu F Lujuus kasvaa 50 % Lujuus kasvaa 270 % S235 S355 S640 15
Palkin poikkileikkaus (paino), kun taipumaa ei ole rajoitettu F = -FL3 3EI I = -bh3 12 S235 S355 S640 57 kg/m 9,6 mm 47 kg/m 17,6 mm 35 kg/m 41,3 mm Kimmomoduli 16
Kovuus Kovuuden yleisenä määritelmänä pidetään materiaalin kykyä vastustaa siihen tunkeutuvaa esinettä, naarmuuntumista, kulumista tai leikkaamista kyky vastustaa paikallista plastista muodonmuutosta Terästen kovuus määritellään kyvyllä vastustaa siihen tunkeutuvaa esinettä Mitataan yleisesti Brinellin, Rockwellin ja Vickersin kovuuskokeilla Brinell kovuus Tutkitaan kovametallipallon painumista materiaaliin Paininkärki (halkaisija D) painetaan koekappaleen pintaan voimalla F Painuman halkaisija d mitataan voiman poistamisen jälkeen Brinellin kovuus on voiman ja kuulan aiheuttaman painumakalotin pinta-alan lukuarvojen suhde Koska Brinellin kovuusmittausmenetelmä jättää ison kovuusmittausjäljen se soveltuu erinomaisesti epähomogeenisille materiaaleille. 17
600 HBW Rockwell kovuus Mitataan suoraan mittakärjen uppoamaa materiaaliin Kovametallikartio Timanttikartio Soveltuu kovien aineiden rutiinitarkastukseen etuna on nopeus ja tarkkuus sekä tuloksen riippumattomuus mittaajasta. 55 HRC 18
Rockwell regular scales Scale Symbol Indenter Major Load kn Typical Applications of Scales HRB 1/16" ball 1 Copper alloys, soft steels, aluminum alloys, malleable iron HRC Timantti 1,5 Teräkset, kovat valuraudat, titaani ja muut materiaalit joiden kovuus on yli 100 HRB HRD Diamond 1 Thin steel and medium case hardened steel and pearlitic malleable iron HRE 1/16" ball 1 Cast iron, aluminum and magnesium alloys, bearing metals HRF 1/16" ball 0,66 Annealed copper alloys, thin soft sheet metals HRG 1/16" ball 1,5 Phosphor bronze, beryllium copper, malleable irons HRH 1/8" ball 0,6 Aluminum, zinc, lead Vickers kovuus Pyramidin muotoista timanttikärkeä painetaan tietyllä voimalla mitattavaan pintaan ja mitataan syntyneen painuman lävistäjät Halkaisijoiden keskiarvosta määritetään Vickers kovuus esim. 450 HV10 19
380 HV 10 (/20) 380HV10 Kuormitusaika (20 s), mikäli se poikkeaa määritellystä ajasta (10 15s) Koevoiman suuruus (kgf) Kovuuden tunnus Kovuuden arvo (mittaustulos) 20