Materiallære : oppbygging og egenskaper for keramiske, metalliske, polymere og komposittmaterialer

359 Pages·1988·167.169 MB·Norwegian

by  Hornbogen, Erhard

Erhard Hombogen
Materiallære
oppbygging og egenskaper for
keramiske-, metalliske-, polymere- og komposittmaterialer.
Denne boken er oversatt fra tysk etter avtale med professor Hombogen. Vedrørende kopiering
av boken se vanlige bestemmelser lenger nede på siden. Tekster innenfor figurene er ikke over­
satt til norsk, heller ikke vedlegg bakerst i boken. Et begrenset antall eksemplarer er trykket for
å prøve om boken passer til undervisning i materiallære ved norske høgskoler.
Oversettelse Paul Storvik, Agder Ingeniør og Distrikshøgskole Grimstad
Layout, sats Keller - desktop design, Grimstad
Trykk AB Trykk, Arendal
Dr.-Ing. Erhard Hornbogen
o. Professor, Lehrstuhl Werkstoffwissenschaft, Ruhr-Universitat Bochum
UniversitatsstraBe 150,4630 Bochum-Querenburg
ISBN 3-540-17122-3 4. Aufl. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York
ISBN 0-387-17122-3 4th ed. Springer-Verlag New York Heidelberg Berlin
ISBN-3-540-11702-4 3. Aufl. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York
ISBN 0-387-11702-4 3rd ed. Springer-Verlag New York Heidelberg Berlin
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Hornbogen. Erhard
Werkstoffe: Aufbau und Eigenschaften von Keramik,
Metallen, Polymer- und Verbundwerkstoffen
Erhard Hornbogen - 4., iiberarb. Aufl. -
Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo: Springer 1987
ISBN 3-540-17122-3 (Berlin ...)
ISBN 0-387-17122-3 (New York ...)
Das Werk ist urheberrechtlich geschutzt. Die dadurch begrtindeten Rechte, insbesondere die der Uberset-
zung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomecha-
nischem oder åhnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur aus-
zugsweiser Verwertung, vorbehalten.
Die Vergiitungsanspruche des §54, Abs. 2 UrhG werden durch die «Verwertungsgesellschaft Wort«, Mun-
chen, wahrgenommen.
© Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 1979, 1983 und 1987
Printed in Germany
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buche berech-
tigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zur Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzei-
chen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu bctrachten waren und daher von jedermann benutzt wer­
den diirften.
Sign. 1
Innholdsfortegnelse
0. Oversikt 1
01. Begrepet materialer 1
02. Materiallære 2
03. De fire materialgrupper 4
04. Materialens oppbygging 4
05. Mekaniske egenskaper 8
06. Prøving, normer og betegninger 11
07. Historisk utvikling og verkstedteknisk betydning 13
Materialiens oppbygging
1. Oppbygging av enfasige faste stoffer 18
1.1. Atomer 18
1.2. Atombindinger 22
1.3. Krystaller 32
1.4. Feil i krystaller 37
1.5. Glass 47
2. Oppbygging av flerfasige stoffer 49
2.1. Blandkrystaller og faseblandinger 49
2.2. Hetrogene likevekter 52
2.3. Kimdannelse, krystalldannelse i smelter 64
2.4. Metastabile tilstander 68
2.5. Anvendelse av tilstandsdiagram 70
2.6. Fasegrenser, overflater og adhesjon 71
3. Grunnlag for varmebehandling 75
3.1. Diffusjon 75
3.2. Heling og rekrystallisasjon 82
3.3. Glassdannelse 87
3.4. Omvandlinger og utskilninger 88
3.5. Termisk stabilitet og metastabil tilstand,termo-mekanisk behandling 93
3.6. Martensittisk omvandling 96
3.7. Materialens struktur 98
4. Materialens egenskaper 100
4.1. Mekaniske påkjenninger og elastisitet 100
4.2. Krystallplastisitet og strekkforsøk 105
4.3. Siging
115
4.4. Brudd og utmatting 120
4.5. Indre spenninger 130
4.6. Gummielastisitet 131
4.7. Viskositet 132
4.8. Viskoelastisitet 135
4.9. Flerakset påkjenning, mekanisk anisotropi 139
4.10 Teknologiske prøvemetoder 142
5. Fysikalske egenskaper 147
5.1. Kjernefysiske egenskaper 147
5.2. Elektriske egenskaper, materialer ie lektroteknikken 153
5.3. Varmeledningsevne 163
5.4. Ferromagnetiske egenskaper, bløt- og hardmagnetiske materialer 164
5.5. Optiske egenskaper 171
5.6. Termisk utvidelse 174
6. Kjemiske egenskaper 177
6.1. Reaksjoner i overflaten 177
6.2. Elektrokjemiske egenskaper 178
6.3. Forbrenning 184
6.4. Spenningskorrosjon 186
Fire Materialgrupper
7. Keramiske materialer 188
7.1. Generell karakteristikk 188
7.2. Enatomige keramiske materialer 189
7.3. Ikke-oksydiske forbindelser 191
7.4. Krystallisk oksydkeramikk 194
7.5. Hydratiserbare silikater, betong 198
7.6. Anorganiske "ikkemetallisk" glass 204
8. Metalliske materialser 209
8.1. Generell karakteristikk 209
8.2. Rene metaller, elektriske ledere 210
8.3. Blandkrystall-legeringer, messing, bronser 212
8.4. Utskillingsherdbare legeringer 220
8.5. Omvandlingsherdbare legeringer, stål 228
8.6. Støpejern 244
8.7. Metallisk glass 246
9. Plaster 249
9.1. Generell karakteristikk 249
9.2. Termoplaster eller plastomerer 256
9.3. Duromerer 263
9.4. Elastomerer 265
9.5. Spesielle plaster 266
10 Komposittmaterialer 272
10.1 Egenskaper for faseblandinger 272
10.2 Fiberforsterkede materialer 276
10.3 Jembetong og spennbetong 283
10.4 Hårdmetall og cermets 285
10.5 Overflatebehandling 289
10.6 Tre 293
Materialteknikk
11 Materialer, bearbeiding og konstruksjon 295
11.1 Bearbeiding av halvfabrikata og konstruksjonsdeler 295
11.2 Fremstilling 295
11.3 Bearbeiding 303
11.4 Skjærende bearbeiding 311
11.5 Sammenføyning 311
11.6 Materialvalg og dimensjonering 317
11.7 Skadetilfeller 324
12. Vedlegg 327
12.1 Det periodiske system 327
12.2 Betegnelser for elektroner for elementene 1 til 96 328
12.3 Størrelser og enheter 332
12.4 Materialbetegnelser 337
12.5 ASTM - komstørrelser 341
12.6 Nye normer for målestørrelser i den mekaniske materialprøving 342
Litteratur 343
Saksregister 349
0. OVERSIKT
0.1 Begrepet materialer
Alle tekniske materialer er faste stoffer. Faste stoffers fysikk, fysikalsk kjemi og
noen spesialområder innenfor disse fagområdene - som krystallografi - har til oppga­
ve å beskrive dannelse, oppbygging og egenskaper til disse stoffene. Vi sikter ikke
inn i denne bok mot teknisk utnyttelse av egenskapene men heller mot en forståelse
av fysikalske årsaker til egenskapene. Fysikalske egenskaper er f.eks. elektrisk led-
ningevne, varmeledningsevne, tetthet, smeltetemperatur, kjemisk reaksjonsevne,
elastiske deformasjon og plastisk formbarhet. I disse områder i naturvitenskapen blir
det forsøkt å finne en sammenheng mellom egenskaper og materialenes struktur (dvs.
atomordningen i faste stoffer).
Tekniske materialer er faste stoffer som er anvendbare i konstruksjoner. I mange
tilfeller gjør spesielle egenskaper et materiale praktisk anvendbart. Den gode elektris­
ke ledningsevne for kopper er årsaken til mer enn 50% av bruken av dette elementet.
I de fleste tilfeller må flere egenskaper forenes optimalt I konstruksjoner som står på
bakken er betong å foretrekke fremfor andre materialer, på grunn av betongens gode
trykkfasthet Oppstår strekkspenninger i en konstruksjon, er stål å foretrekke fremfor
andre materialer. Ved konstruksjon av fly blir forholdet mellom styrke og tetthet den
bestemmende materialegenskap. Den lave egenvekten for aluminium gjør at dette
materialet foretrekkes i fly. Skal vi ha fly med høye hastigheter (>3 Mach) vil luft-
friksjonen varme opp overflaten til over 300 °C. Styrken på aluminium avtar sterkt
over 200 °C. For å kunne bygge fly med slike hastigheter måtte en utvikling av titan-
legeringer til. De gir tilstrekkelig styrke med lav egenvekt ved temperaturer opp til
400 °C. Vi kaller en kombinasjon av gunstige fysikalske egenskaper for tekniske
egenskaper eller bruksegenskaper. (Fig.0.1). Et større antall av egenskaper kan sam­
menfattes i form av et histogram i en egenskapsprofil for materialet.
Et materiale som har de ønskede tekniske egenskapene må imidlertid fylle to fo­
rutsetninger i tillegg for å kunne anvendes som teknisk materiale. Materialet må på
en enkel måte kunne formes til ulike typer konstruksjonsdeler f.eks. ved plastisk de­
formasjon, støping, ekstrudering, sintring eller sponskjærende bearbeiding. Dessuten
er det nødvendig å forbinde konstruksjonsdelene ved en hensiktsmessig sammenføy-
ningsmetode, som sveising, lodding eller liming. Den andre forutsetningen er altså
god bearbeidningsevne.
Den tredje forutsetningen er økonomi. Et materiale kan ha gode tekniske egenska­
per men ikke komme til anvendelse om det er for dyrt.
1
/ Mikrostruktur
2 (Makro-) Eigenschaften
3 (technische-) optimale
Werkstoffe
/Dz> Werkstoffwissenschaft
angewandle
Werkstoffwissenschaft
/U2UJ Werkstoffkunde
Flg. 0.1. Fastlegging av faget materiallære.
Dessuten må de egentlige materialomkostningene (Tab. 0.5) skilles fra bearbei-
dingsomkostningene. Et billig materiale som bare kan bearbeides ved en dyr bearbei-
dingsprosess (som f.eks .sliping) kan erstattes av et dyrere materiale som kan støpes
til endelig form.Det kan totalt sett bli billigere. I de siste tyve år har bearbeidingsom-
kostningene steget mer enn de egentlige materialomkostningene. Man forventer at
denne trend ikke fortsetter på grunn av råvareknapphet. Materialkostnadene pr. for­
delaktig egenskap ved materialvalg vil etter hvert få større betydning.
0.2 Materiallære
Som utgangspunkt for å forstå materialenes oppbyggning begynner vi med atome­
ne, molekylene og krystallene som materialet er sammensatt av. Egenskapene for ma­
terialer er avhengig av atomtype, deres romlige ordning og den kjemiske bindingen
mellom atomene. Vi har læren om bruk av materialer som et fagfelt og sammenheng
mellom oppbyggingen av et stoff og fysiske og tekniske egenskaper som et annet fag-
felt.(Fig. 0.1).
Materiallære omfatter materialvitenskap og materialteknikk. Det siste skal bygge
på materialvitenskapen og gi grunnlag for utvikling av nye materialer, formingsope-
rasjoner og sammenføyningsmetoder. I virkeligheten har til i dag ofte begge område­
ne utviklet seg uten denne sammenheng. Til en større del beror dette på at mange tek­
niske materialer ble utviklet i en førvitenskapelig periode (f.eks. stål og betong).! de
siste årene har imidlertid vitenskapelige prinsipper fått gjennomslagskraft i materia-
lutviklingen. (Fig. 0.1)
Innenfor rammen av materialtekniske problemer ligger kontakten mellom materi-
alfremstiller og materialbruker. Det er ikke alltid tilstrekkelig for en ingeniør ved ma­
terialvalg bare å stole på materialprodusentens data. En. konstruktør skal vurdere for­
nuftig egenskapene i utvalget av forskjellige materialer i forhold til de påkjenninger
2
Flg. 0.2. Delområder i materiallære.
som opptrer i konstruksjonen. Han skal se over produksjonsmetodene og finne en
gunstig kombinasjon av verkstedteknisk bearbeiding og materialtekniske egenskaper
i produktet. Materialer får ved bearbeiding i de fleste tilfeller forandringer i sine
egenskaper. Derfor skal en materialbruker minst ha like god kjennskap i materiallære
som en materialprodusent. Dessuten er det ønskelig at materialbrukeren med sak­
kunnskap fremsetter ønsker, forslag eller krav om nye eller forbedrede materialer. I
det minste skal han være istand til å følge den hurtige utviklingen innen materialtek­
nikken. I denne forbindelse er kjennskap til materialvitenskap meget nyttig.
En forutsetning for en gunstig bruk av et materiale er en materialrettet konstruk­
sjon. Utformingen må tilpasses materialets egenskaper og bearbeidningsmulighetene.
Omvendt må materialegenskapene tilpasses konstruksjonens anvendingsområde. Det
betyr f.eks. at man ikke kan unngå krumningsradiuser på kjervømfintlig materiale. I
korroderende medium betyr det at materialer med ulike elektrokjemisk potensial ikke
må anvendes i kontaktOg at spredningen på en egenskap blir tatt hensyn til slik at
tilfeldige belastninger ikke går ut over sikkerheten. Materialet kan tilpasses krav i
konstruksjonen ved f.eks. at utsatte flater blir overflateherdet. I et komposittmateriale
kan fibrene legges i retning av de største strekkspenninger i konstruksjonen.
Kunnskap om den mikroskopiske oppbygging av materialene er av flere grunner
nyttig: for den målbrettede nyutvikling og forbedringav materialer, for utforskning av
årsaken til feil i materialer og ved materialsvikt for eksempel ved et uventet brudd.
Videre ved bedømmelse av empiriske materiallover,f.eks. de som beskriver plastisk
deformasjon.
3
0.3 De fire materialgrupper
Tekniske materialer kan inndeles i tre grupper:
Metaller som er gode elektriske ledere, reflekterer lys, er plastisk deformerbare
ved lave temperaturer og oftest er lite bestandige kjemisk.
Keramiske materialer som er dårlige elektriske ledere, ofte gjennomsiktige, ikke
plastisk deformerbare. De er kjemisk meget bestandige og de smelter først ved høye
temperaturer.
Plaster som er dårlige elektriske ledere, sprøe ved lave temperaturer men plastisk
deformerbare ved høyere temperaturer og kjemisk bestandige i luft ved romtempera­
tur. De har lav egenvekt og smelter eller oppløses ved forholdsvis lave temperaturer.
I tillegg som fjerde gruppe kommer komposittmaterialer. Komposittmaterialer er
en kombinasjon av i det minste to materialer med forskjellige egenskaper. Man får
således materialer med nye egenskaper som kan være bedre enn egenskapene til de
enkelte bestanddeler. Komposittmaterialer er f.eks. fiberforsterkede materialer som
inneholder en tynn meget sterk og sprø fase i en bløt duktil grunnmasse. Eller spenn­
betong hvor stålet opptar strekkspenningene i konstruksjonen og betongen tar trykks­
penningene. I spennbetongen beskytter også betongen stålet mot korrosjon.
I Fig. 0.3 er vist hvordan visse materialer inntar en mellomstilling: Halvledere
(uorganiske) inntar en mellomstilling mellom metalliske og keramiske materialer. Si-
likoner - fremstilt av olje, gummi eller harpiks - står mellom keramiske stoffer og
plaster. I komposittmaterialer kan vi ha en blanding av materialer fra forskjellige
grupper eller også fra samme gruppe.
Metolle Halbleiter _keromische Silikone Kunststoffe Fig. 0.3. De fire materialgruppe-
Stoffe ne. Komposittmaterialer er oftest
sammensatt av materialer fra
forskjellige grupper. Halvledere
og silikoner er ikke innordnet i
disse gruppene.
Verbundwerkstoffe
0.4. Materialenes oppbygging
Det er en grunnleggende forskjell mellom de tre materialgruppenes i deres atomæ­
re oppbygging. Atomene i metallene strever etter en tettest mulig kulepakking. Dette
svarer til en anordning av atomene i lag slik som vist i Fig. 0.4.a. Atomlagene er stab­
let slik at påfølgende lag plasseres i åpningene mellom foregående lag. Denne anord­
ning fortsetter periodisk i rommet. Et slikt romgitter danner en krystall. Nesten alle
metaller er krystaller. Den gode plastiske deformerbarheten til metaller beror på at de
tett pakkede planene ved alle temperaturer ved hjelp av ytre krefter lett forskyves i
forhold til hverandre.
4
Byggestenene i keramiske stoffer er uorganiske forbindelser, som oftest metall-ok-
sygenforbindelser. Ved dannelse av SiO2 er f.eks. silisiumatomet omgitt av fire oksy-
genatomer som nærmeste naboer som sitter på hjørnene av et tetraeder. Disse tetrae-
deme kan liksom metallatomene være ordnet regelmessig. Et oksygenatom (toverdig)
danner alltid hjømepunktet mellom to tetraedre med silisiumatomet (firverdig) i mid­
ten. Ved periodisk gjentagelse av denne anordning oppstår en krystall, i dette tilfellet
er det kvarts (Fig. O4.b.).
I keramiske stoffer kan de atomære grunnsteinene også anordne seg i et uregel­
messig nettverk. En mulighet til å oppnå dette er hurtig avkjøling fra smeltet tilstand.
Da oppstår et glass, i dette tilfellet kvartsglass (Fig. 0.4c.)
En nyttig egenskap for glass er at lysgjennomgang ikke er retningsavhengig. Der­
for ser vi et uforstyrret bilde når vi ser gjennom et vindusglass. I gjennomsiktige
krystaller er dette ikke tilfelle. Egenskapene er retningsavhengig. Andre keramiske
materialer som f.eks. porselen, ildfast sten, sement, består hovedsakelig av mange
små krystaller og er derfor ikke gjennomsiktige.
Flg. 0.4 a - f. : Atomær og molykulær oppbygging av materialer, a Metallene har atomene i krys­
taller og fortrinnsvis i tetteste kulepakning. Figuren viser tre over hverandre liggende plan
(A,B,C). Denne strukturen har krystaller av Au, Ag, Cu, Al, Ni. b Atomene i keramiske stoffer er
ofte ikke så tett pakket. I forbindelsen SiO2 befinner Si atomene seg i midten av et tetraeder hvor
hjørnene er opptatt av O-atomer. I tilfelle denne anordning fortsetter regelmessig i rommet får vi
en kvartskrystall. c Strukturen i glass består av et uregelmessig nett av atomgrupper som her er
gitt en todimensjonal fremstilling (eksempel B2O3). d Byggelementene i plaster er molekylkjeder
som oppstår ved polymerisering. Monomeren etylen blir til pclyetylen. Høyre å verst: Forkortet
skrivemåte for polymermolekyler som er dannet av n monomerer. e Molekylkjeder i de termo­
plastiske plaster ligger uforbundet ved siden av hverandre. De kan krystallisere eller være uord­
net. Ofte forekommer begge ilstander samtidig, f I gummilignende materialer danner molekylkje-
dene et løst nett, som f.eks. ved vulkanisering, blir forbundet med svovelatomer.
5
1
11
Flg. 0.5 a-d: Strukturer i metalliske materialer, a Polykrystall i en Fe-Ni legering, a-Fe blandkrys-
taller (ferritt) og komgrenser (L.M.); b Lamellær blanding av a-Fe og Fe3C J perlitt. (Stål med 0,8
w/o C,LM); c Ferritt-perlitt struktur i et stål med 0,45 w/o C (L.M.); d Aluminiumkrystall med små
plateformede krystaller av A^Cu som gir utskillningsherding. LM, Lysmikroskop TEM, Transmi-
sjonselektronmikroskop; I, Mikroskopisk opptak; II, Skjematisk fremstilling av strukturen.
6