Tenta (23-08-2022)

Seghet och brottseghet beskriver samma materialegenskaper.

Falskt.

Brottseghet = Motståndskraften mot spricktillväxt.

• Om det redan finns en spricka, växer den lätt eller stoppas den?

• Ex: Glas har låg brottseghet (spricka växer snabbt), stål har hög brottseghet (spricka stoppas ofta). 

Seghet = Hur mycket energi materialet kan ta upp innan det går av.

• På dragprovskurven så motsvarar den ytan under hela kurvan fram till brott. Ju större yta, desto segare material.

• Seghet = Energi för att hela materialet ska gå av.

Duktilitet är ett mått på ett materials förmåga att utsättas för plastisk deformation utan att sprickbildning uppstår.

Sant.

Duktilitet = Hur mycket materialet kan deformeras plastiskt innan brott/ innan sprickbildning uppstår.

Materialparametrarna sträckgräns, brottgräns, E-modul, brottförlängning och seghet kan erhållas från dragprovskurvan. 

Falskt.

En dragprovskurva visar spänning (σ) mot töjning (ε) när man drar i ett prov. Den visar:

• E-modul → Lutning i början.

• Sträckgräns → Början på plastisk deformation.

• Brottgräns → Maxpunkt.

• Brottöjning → Töjning vid brott.

Seghet → NEJ, kräver beräkning (arean under kurvan → inte direkt synligt).

Med glasomvandlingstemperatur menas den temperaturen då en polymer går från att vara seg och duktilt (över Tg) till att vara spröd och glasakti (under Tg).

Sant.

Polymer = Plastmaterial byggt av långa kedjor (texplastpåsar, gummiblad).

Tg (glasomvandlingstemperatur) = Gränstemperatur där polymeren byter beteende.

• Ex: En plastpåse i frysen blir sprött (under Tg), men i rumstemperatur är den mjuk och böjlig (över Tg).

Korslänkning av polymerer påverkar ej dess mekaniska egenskaper.

Falskt.

Korslänkning gör att materialet blir styvare och starkare, men ofta också mindre töjbart.

Korslänkning = När polymerkedjor binds ihop med varandra genom kemiska bindningar (ofta kovalenta bindningar).

• Korslänkning är som att limma ihop flera spaghetti-trådar (polymerkedjor) på vissa ställen, så att de inte kan röra sig fritt längre.

Keramer är mycket spröda material med hög draghållfasthet.

Falskt. 

Keramer har hög hårdhet och tryckhållfasthet, men låg draghållfasthet. 

• Spröd = Betyder att materialet spricker utan att deformeras först. 

Ett kompositmaterial är en sammansättning av två eller flera material.

Sant.

• Komposit = Material som kombinerar flera material för att få bättre egenskaper.

FCC- och BCC-metaller har likvärdiga materialegenskaper vid låga temperatur.

Falskt.

• BCC = Kulorna har lite luft mellan sig (mindre tätt).

• FCC = Kulorna ligger supertätt, nästan som bollar staplade i en pyramid.

Att minska dislokationsrörligheten ökar både stäckgräns och duktilitet. 

Falskt.

Om man hindrar dislokationerna blir materialet starkare (högre sträckgräns) men mindre duktilt (sprödare). 

• Dislokationer = Små “fel” i kristallstrukturen som gör det möjligt för metallen att deformeras. 

Antalet vakanser ökar linjärt med temperaturen, och det förklarar nästan helt varför material utvidgas vid temperaturhöjning.

Falskt.

När du värmer metall rör sig atomerna mer och “trycker” på varandra, därför blir metallen lite längre. Det har mycket lite att göra med de små tomrummen (vakanserna).

De är mer en bieffekt av värmen, inte orsaken till att metallen växer.

• Vakanser = Tomma platser i kristallgittret där en atom saknas.

Metaller, keramer, polymerer och kompositer tillhör olika materialgrupper med olika materialegenskaper som tills stor del beror av dess inbördes kemiska bindningar och styrka. Det finns fyra olika bindningstyper (se tabell). Rangordna deras styrka från 1 (starkast) till 4 (svagast).

Van der Waals bindningar = 4.

• Mycket svaga “klibbiga” krafter mellan molekyler.

• De håller ihop plastmolekyler, gaser, eller fettmolekyler.

Jonbindningar = 1.

• Den här är det starkaste limmet mellan atomer.

• Bildas mellan positiv och negativ jon. Starka elektriska krafter mellan laddningar.

Metallbindningar = 3.

• Positiva metalljoner som sitter i ett gitter. Elektronerna “flyter fritt” runt dem som ett elektronmoln.

• Som bollar (atomer) i ett hav av vatten (elektroner). De hålls ihop, men kan glida lite.

Kovalenta bindningar = 2.

• Atomer delar på elektroner för att “fylla” sina elektronskal.

• Det gör att de håller hårt ihop, men det finns ingen laddningsattraktion som i jonbindning.

Ett materials mekaniska egenskaper beror på olika sätt av felaktigheter i kristallerna: Punktfel (1), linjefel (2), ytfel (3) och volymfel (4). Hjälp oss att kombinera rätt siffra (1-4 i texten ovan) till orden genom att skriva in rätt siffra på raderna i tabellen.

1. Punktfel = Någon enskild plats i kristallgittret är fel. 

   • Typer av punktfel:

     • Vakans = En plats där en atom saknas.

     • Interstitiell atom = En extra atom som trängt sig in mellan andra.

     • Substitutionsatom = En “främmande” atom har bytt plats med den vanliga.

2. Linjefel = Ett fel längs en linje i gittret.

   • Typer av linjefel:

   • Dislokation = Är just den typen av linjefel, det är alltså ett exempel på ett linjefel.

3. Ytfel = Alla metaller (och de flesta fasta material) är byggda av kristaller. Men inte en enda jättestor kristall, utan många små kristaller som sitter ihop som små “korn”/”kristallkorn”.

   • Ett tyfel är där två kristaller möts och deras atomriktningar inte stämmer exakt.

   • Det är alltså fel som finns vid gränsen mellan två korn.

4. Volymfel = Små partiklar eller klumpar som bildats inne i materialet. De är inte enstaka punkter eller linjer, utan små områden i 3D. 

Utskiljningar = 4 (Volymfel)

• Utskiljningar = Små partiklar av en annan fas som bildas inne i materialet som har volym.

Dislokationer = 2 (Linjefel)

• Dislokationer = Ett “felspår” i kristallen längs en linje.

Korngräns = 3 (ytfel)

• Korngräns = Gränsen/ytan där två korn (små kristaller) möts, med olika riktning.

Polymer delas generellt in i tre huvudgrupper (Termoplaster, Härdplaster och Elastomerer). Placera följande polymermaterial i dess rätta huvudgrupp. Endast ett material (siffra) skall anges för varje grupp. 

1. Bakelit

2. Naturligt gummi

3. Gummigutta

4. Polyvinylklorid (PVC)

1. Bakelit = Hård, spröd, värmetålig, ej smältbar.

   • Används: Gamla telefoner, eluttag, handtag till kastruller.

2. Naturligt gummi = Töjbar, elastisk, studsar. 

   • Används: Däck, gummiband, handskar.

3. Gummigutta = Kan mjukna och formas vid värme. (Hård naturgummi-liknande plast).

4. Polyvinylklorid (PVC) = Klassisk plast, kan smältas om.

   • Används: Rör, golv, kablar, plastleksaker.

• Termoplast = 4 Polyvinylklorid (PVC)

• Härdplast = 1 Bakelit

• Elastomer = 2 Naturligt gummi

Vad betyder när följande begrepp ökar/minskar:

1. Sträckgräns

2. Brottgräns 

3. Seghet

4. Duktilitet

5. Brottseghet

1. Sträckgräns:

   • Hög sträckgräns = svårare att böja/plastiskt deformera (hårdare material).

   • Låg sträckgräns = lättare att forma eller töja (mjukare material).

2. Brottgräns 

   • Hög brottgräns = materialet tål högre belastning innan det går sönder.

   • Låg brottgräns = går sönder vid mindre belastning.

3. Seghet

   • Hög seghet = materialet kan ta upp mycket energi innan det går av (tål stötar, böjning).

   • Låg seghet = går av snabbt, utan mycket deformation (sprött).

4. Duktilitet

   • Ökad duktilitet = mer böjbart, töjbart, segt

   • Minskad duktilitet = mer sprött, går lättare av.

5. Brottseghet

   • Hög brottseghet = sprickor växer långsamt eller stoppas (spricktåligt).

   • Låg brottseghet = sprickor växer snabbt (sprött, t.ex. glas).

Vad händer i metall när den:

• Kallbearbetas?

• Glödgas?

• Kallbearbetning → hårdare, starkare, sprödare.

• Glödgning → mjukare, segare, mer töjbar.

Avsluta meningarna nedan med M (minskar), Ö (ökar) eller I (inte ändras nämnvärt). 

En typisk metall som bearbetats plastiskt vid rumstemperatur värms upp till en temperatur som ligger nära halva smälttemperaturen (T_m / 2) och får sedan svalan långsamt till rumstemperatur igen. 

1. Kallbearbetning:

Du har en metall som har bearbetats kallt, tex har du hamrat, böjt eller sträckt den vid rumstemperatur. När du gör det händer något inuti:

• Kornens form förvrängs.

• Det bildas många dislokationer (defekter).

• Allt blir trassligt inuti metallen.

2. Värmning (glödgning):

När du värmer upp metallen till ungefär halva smälttemperaturen (till ca Tₘ/2) och låter den svalna långsamt:

• Metallen får tid för dislokationer att röra sig och försvinna.

• Nya, “fina” korn växer fram.

• Materialet “nollställs och blir mjukt och formbart igen.

Det här kallas rekristallisation (nybildning av korn).

OBS: Metallen är inte bara mjuk för att den är varm, den är mjuk för att dess inre struktur förändras. 

Det är den här processen som gör att metallen mjuknar.

3. Långsam kylning:

Om du nu låter den svalan långsamt:

• Den behåller sina fina, släta korn.

• Inga nya hårda strukturer hinner bildas.

Metallen är mjuk, töjbar och lätt att bearbeta.

Jag börjar med en metall som har kallbearbetats, till exempel att man har böjt, pressat eller dragit den vid rumstemperatur.

På grund av kallbearbetningen har det bildats många dislokationer (fel i atomstrukturen), vilket gör att atomerna trasslat ihop sig.
Materialet har därför blivit hårt och sprött, men inte längre töjbart.

Om jag nu värmer upp metallen till ungefär halva dess smälttemperatur börjar rekristallisation, nya, fina korn bildas och dislokationerna försvinner.

När jag sedan låter den svalna långsamt får atomerna tid att lägga sig till rätta.
Det bildas inga nya spänningar, så materialet förblir mjukt, segt och töjbart även när det har svalnat till rumstemperatur.

Om jag däremot hade kylt den snabbt (släckning) hade atomerna “frusit fast” i en spänd struktur.
Då hade metallen blivit hård men spröd.

a) dess sträckgräns = Minskar

b) dess hårdhet = Minskar

c) dess duktilitet = Ökar

d) dess E-modul = Inte ändras nämnvärt 

e) antalet dislokationer i metallen = Minskar 

f) dislokationsrörligheten i metallen = Ökar.

En plåtdetalj, tex en bildörr som till stora delar är tillverkad i stål kan skyddas mot korrosion genom att man belägger dess yta med ett zinkskikt.

a) Beskriv vad som menas med begreppet korrosion.

b) Förklara vad som krävs för att ett material skall angripas av elektrokemiska korrosion. Beskriv med hjälp av tex korrosionstriangeln.

c) Beskriv hur zinkbeläggningen (Zn) skyddar plåtdetaljen.

d) Varför belägger man inte plåtdetaljen med tenn (Sn) istället för zink (Zn)?

a) Beskriv vad som menas med begreppet korrosion.

• Korrosion är när metall reagerar med syre och vatten och bryts ner (tex rost). Det är en elektronkemisk reaktion där metallen oxideras (ger ifrån sig elektroner).

b) Förklara vad som krävs för att ett material skall angripas av elektrokemiska korrosion. Beskriv med hjälp av tex korrosionstriangeln.

1. Anod = Där metallen rostar (oxiderar).

2. Katod = Där syre/vatten tar upp elektroner.

3. Elektrolyt = Vätska som leder joner (tex vatten).

   • Anod + Katod + elektrolyt = Korrosion.

c) Beskriv hur zinkbeläggningen (Zn) skyddar plåtdetaljen.

• Zink skyddar på två sätt.

  • Barriär = Täcker stålet så vatten/syre inte går in.

  • Offeranod = Om ytan repas, rostar zinken istället för järnet.

d) Varför belägger man inte plåtdetaljen med tenn (Sn) istället för zink (Zn)?

• Tenn är ädlare (finare) än järn, vilket betyder att tenn inte rostar själv. Om tennlagret skadas kommer därför järnet under att rosta istället.

• Tillskillnad från Zink där den är oädlare än järn, dvs den offrar sig och rostar först, vilket skyddar järnet från att korrodera.

Du har fått i uppdrag att bestämma en tillverkningsprocess för en cykelpedal som ska gjutas och sedan fräsas till slutlig form. Vilken av de två aluminiumlegeringarna A eller B ska du använda och varför? Beskriv stegen i den process du valt för att uppnå den önskade styrkan och hur de olika stegen processen fungerar. 

Legering A: Al med 10v% Si.

Legering B: Al med 3v% Cu.

Jag väljer legering B (Al–3 % Cu).
Al–Si (A) är bra att gjuta men blir hårt och sprött direkt och kan inte värmebehandlas för att öka styrkan.

Al–Cu (B) kan däremot lösningsbehandlas, släckas och åldras, vilket gör att man kan bearbeta (fräsa) delen när den är mjuk och sedan öka styrkan efteråt genom åldring.