Plastmaterialer anvendes til mange formål sammen med og i stedet for de forskellige metaller. Derfor er der også en fyldig beskrivelse af plastmaterialer, deres struktur, bearbejdningsmuligheder og anvendelsesområder. Også keramiske materialer gennemgås nærmere.
ISBN 978-87-7082-507-8
9 788770 825078
61016-1_Materialelaere-omslag.indd 1
Bogen er udarbejdet til undervisningen ved erhvervsskoler, erhvervsakademier, ingeniørhøjskoler m.fl., hvor der kræves indgående viden om materialeteknologi. Bogen er et nyttigt opslagsværk, som er rar at have ved hånden – også efter endt uddannelse.
Materialelære for metalindustrien
Materialelære for metalindustrien giver en systematisk indføring i strukturen, fremstillingen og bearbejdningen af de gængse materialer, der bruges inden for metalindustrien. Bogen belyser både gammelkendte og nyere metaller samt legeringer, støbeteknikker, hærdemetoder og anvendelsesformål.
Materialelære for metalindustrien
Mogens Rasmussen Finn Monrad Rasmussen
3. udgave
praxis.dk
varenr. 61016-1
PRAXIS – Erhvervsskolernes Forlag
21-05-2015 15:39:38
MaterialelĂŚre for metalindustrien
Mogens Rasmussen Finn Monrad Rasmussen
Materialelaere-bog.indb 1
01-06-2015 12:48:16
Materialelære for metalindustrien 3. udgave, 1. oplag 2015 © PRAXIS – Erhvervsskolernes Forlag 2015 Forlagsredaktør: Michael B. Hansen, mh@praxis.dk Omslag: Jane Staal Hansen/Strunge Grafik Omslagsfoto: Colourbox Tegninger: Mette Nielsen Grafisk tilrettelæggelse: Jane Staal Hansen Dtp: Jane Staal Hansen Tryk: PNB Print ISBN: 978-87-7082-507-8 ISBN: 978-87-7082-508-5 (e-bog) Varenummer: 61016-1 Bogen er sat med Minion Pro og FoundrySans Bogen er trykt på 115 g Arctic Silk Alle rettigheder ifølge gældende lov om ophavsret forbeholdes. Kopiering fra denne bog må kun finde sted på institutioner, der har en aftale om kopiering med Copydan Tekst & Node, og kun inden for aftalens rammer. Se mere på www.copydan.dk
PRAXIS – Erhvervsskolernes Forlag Munkehatten 28 5220 Odense SØ info@praxis.dk praxis.dk Tlf. +45 63 15 17 00
Materialelaere-bog.indb 2
01-06-2015 12:48:16
Forord Denne bog giver en systematisk indføring i strukturen, fremstillingen og bearbejdningen af de gængse materialer, der bruges i industrien. Stort set alle materialegrupper beskrives, såsom stål, metallegeringer, plastmaterialer, elastomerer, kompositmaterialer og teknisk keramik. Læseren kan således tilegne sig en solid baggrundsviden med henblik på at bearbejde, designe og foretage optimale valg af materialer. Bogen henvender sig til teknikere, teknisk designere, produktionsteknologer, maskinmestre, ingeniører og lignende faggrupper og studerende. Bogen er også velegnet til projektarbejde og undervisning i de gymnasiale uddannelser. Den kan bruges både som undervisningsbog og opslagsbog. Til sidstnævnte brug kan især fremhæves en række tabelværker, som kan anvendes i praksis. Ved udarbejdelse af 2. udgave er der tilføjet nye kapitler og stofgrupper, eksempelvis hårde, slidfaste overfladebelægninger og højstyrkestål. Endvidere er en del tabeller blevet revideret i overensstemmelse med gældende standarder. Bogen fremstår i et nyt, farvelagt layout med en del nye figurer og fotos samt rentegninger af bogens oprindelige skitser. Materialelære for metalindustrien udkom første gang i 1990 med Mogens Rasmussen og Boris Pedersen som forfattere samt Poul Henning Olesen som emnekoordinator. Målgruppen for bogen var
oprindelig teknikere i metalindustrien, men bogen har vist sig også at være velegnet som undervisningsbog på en del højere læreanstalter på grund af bogens faglige bredde og indsigt. En særlig tak rettes til redaktør Michael B. Hansen, Erhvervsskolernes Forlag, som har været en stor hjælp ved valg af illustrationer og korrekturlæsning. Maj 2010 Mogens Rasmussen Finn Monrad Rasmussen Forord til 3. udgave Kapitel 5 om tilstandsdiagrammer er blevet gennemskrevet og fremstår dermed som et helt nyt og udvidet kapitel. Der er blevet tilføjet et nyt afsnit til kapitel 21, Plast, om stereolitografi, den fremstillingsproces, man i daglig tale kalder 3Dprintning. Herudover er der foretaget enkelte justeringer og rettelser igennem hele bogen. Forlaget har besluttet at udelade den dvd med en film om metallurgi og kontrolmetoder, som fulgte med 2. udgaven. Der kan findes tilsvarende film via internettet. Juni 2015 Finn Monrad Rasmussen Mogens Rasmussen
3
Materialelaere-bog.indb 3
01-06-2015 12:48:16
I forbindelse med udformningen af bogen rettes hermed tak til en række firmaer, som har været behjælpelig med billedmateriale: ■■ AVK GUMMI A/S ■■ Brock & Michelsen A/S ■■ CemeCon Scandinavia A/S ■■ Elektro-Isola A/S ■■ Fiberline Composites A/S ■■ GIBOTECH A/S ■■ Holm og Holm A/S ■■ Pressalit A/S ■■ Struers A/S ■■ Vestas A/S ■■ Vink A/S ■■ Wavin ■■ Zwick/Roll
Materialelaere-bog.indb 4
01-06-2015 12:48:17
Indhold Indledning . . . . . . . . . . . 9 1. Materialernes byggesten . . 11 Molekyle . . . . . . . . . . . . . . 11 Atom . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Grundstof . . . . . . . . . . . . . 14 Kemiske forbindelser . . . . . . . 16 2. Materialernes tilstandsform 19 Faser . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Bindinger . . . . . . . . . . . . . 22 3. Metallernes krystalgitre . . 31 Kubisk rumcentreret . . . . . . . 32 Kubisk fladecentreret . . . . . . 32 Hexagonal . . . . . . . . . . . . . 33 Tetragonal . . . . . . . . . . . . . 33 Kuglepakninger . . . . . . . . . 33 Slip og slipplaner . . . . . . . . . 34 Gitterfejl . . . . . . . . . . . . . . 36 4. Korndannelse . . . . . . . . 39 Korndannelse ved størkning . . 40 Korndannelse i størknet materiale 41 5. Tilstandsdiagrammer . . . . 43 Faser . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Afkølingskurver . . . . . . . . . . 43 Tilstandsdiagram, fuld blandbarhed i fast tilstand . . . 45
Aflæsning af to-faseområdet . . . 46 Vægtstangsreglen . . . . . . . . . 47 Eutektisk diagram, ingen opløselighed i fast fase . . . . . 48 Den eutektiske omdannelse . . . 49 Afkølingsforløb i Bi/Cd-diagrammet . . . . . . . 50 Eutektisk diagram, begrænset opløselighed i fast fase . . . . . 51 Afkølingsforløb i Cu/Ag-diagrammet . . . . . . . 52 Krystalsejring . . . . . . . . . . . 54 Sammensatte diagrammer . . . . 54 Jern/kulstof-diagrammet . . . . . 56
6. Materialeprøvning . . . . . 59 Standarder . . . . . . . . . . . . 60 Hårdhedsprøvning . . . . . . . . 60 Styrkeprøvning . . . . . . . . . . 66 Trækprøvning . . . . . . . . . . . 68 Prøver for tryk, bøjning og deformation . . . . . . . . . . . 77 Materialetræthed og udmattelsesprøvning . . . . . . 83 Ikke-destruktiv prøvning . . . . 88 Strukturundersøgelse . . . . . . . 91 7. Jern og stål . . . . . . . . . 97 Fremstilling af råjern . . . . . . . 97 Ildfaste materialer og slagge . . . 102 Stålfremstilling . . . . . . . . . . 102
5
Materialelaere-bog.indb 5
01-06-2015 12:48:17
8. Stålets strukturelementer . 113 Undereutektoide stål (konstruktionsstål) . . . . . . . 115 Overeutektoide stål (værktøjsstål) 116 Normalstrukturer . . . . . . . . 117 9. Stålets legeringsstoffer . . 119 Følgestoffer . . . . . . . . . . . . 119 Urenheder . . . . . . . . . . . . . 119 De egentlige legeringsstoffer . . . 120 Legeringsmængder . . . . . . . . 120 Karbiddannere . . . . . . . . . . 120 Grafitdannere . . . . . . . . . . . 121 Nitriddannere . . . . . . . . . . 121 Oversigt over de vigtigste legeringsstoffer . . . . . . . . . 121 10. Varmebehandling af stål . 127 Normalisering (normalglødning) . . . . . . . 129 Blødglødning eller sfæroidisering 131 T-T-T-diagrammer . . . . . . . . 133 CCT-diagram . . . . . . . . . . . 138 Martensithærdning . . . . . . . . 138 Bainithærdning . . . . . . . . . . 148 Overfladehærdning . . . . . . . 148 Indsætningshærdning . . . . . . 151 Nitrering . . . . . . . . . . . . . . 157 Afspændingsglødning . . . . . . 160 Varmdeformation . . . . . . . . 167 Ældning af stål . . . . . . . . . . 168 Krybning . . . . . . . . . . . . . 169
Maskinbygningsstål . . . . . . . 192 Værktøjsstål . . . . . . . . . . . . 194
13. Stålstøbegods og jernstøbegods . . . . . . . 199 Støbning . . . . . . . . . . . . . . 199 Stålstøbegods . . . . . . . . . . . 206 Støbejern . . . . . . . . . . . . . 208 14. Aluminium og aluminiumlegeringer . . . . . 219 Aluminium . . . . . . . . . . . . 219 Ulegeret aluminium . . . . . . . 221 Aluminiumlegeringer . . . . . . 222 Støbelegeringer . . . . . . . . . . 227 Specielle Al-legeringer . . . . . . 230 SAP-legeringer . . . . . . . . . . 230 Ledningsmateriale . . . . . . . . 230 Svejsning og andre sammenføjningsmetoder . . . 231 Skærbarhed . . . . . . . . . . . . 231 Udmattelse og slagsejhed . . . . 232 15. Magnesium og magnesiumlegeringer . . . . . 233 Magnesium . . . . . . . . . . . . 233 Magnesiumlegeringer til støbegods . . . . . . . . . . . 235 Anvendelsesområde . . . . . . . 235
11. Hårde, slidfaste overfladebelægninger . . . . 171 Slidtyper . . . . . . . . . . . . . . 171 Overfladebelægninger . . . . . . 174
16. Titan og titanlegeringer . 237 Titan . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Ulegeret titan . . . . . . . . . . . 239 Legeret titan . . . . . . . . . . . 239 Bearbejdningsegenskaber . . . . 240 Anvendelsesområder . . . . . . . 241
12. Ståltyper . . . . . . . . . 181 Strukturforandringer ved svejsning af stål . . . . . . . . . 182 Konstruktionsstål . . . . . . . . 183 Rustfrie stål . . . . . . . . . . . . 188
17. Kobber og kobberlegeringer . . . . . . . 243 Kobber . . . . . . . . . . . . . . 243 Ulegeret kobbers egenskaber . . 245 Kobberlegeringer . . . . . . . . . 247
6
Materialelaere-bog.indb 6
01-06-2015 12:48:17
18. Zink og zinklegeringer . . 255 Zink . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Zinklegeringer . . . . . . . . . . 256 19. Bly og tin . . . . . . . . . 257 Bly . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 Tin . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 Legeringer med bly og tin . . . . 260 20. Andre metaller . . . . . . 263 Nikkel . . . . . . . . . . . . . . . 263 Krom . . . . . . . . . . . . . . . 264 Wolfram . . . . . . . . . . . . . . 264 Molybdæn . . . . . . . . . . . . . 265 Ædelmetaller . . . . . . . . . . . 265 21. Plast . . . . . . . . . . . . 269 Generelt om plast . . . . . . . . . 269 Plastens historie . . . . . . . . . 270 Plastfremstilling . . . . . . . . . . 271 Plastmaterialernes struktur . . . 275 Tilsætningsstoffer . . . . . . . . 282 Specielle plastegenskaber . . . . 285 Plasttyper . . . . . . . . . . . . . 289 Plastprocesteknologi . . . . . . . 308 Udløsning af spændinger ved opvarmning . . . . . . . . 332 Spåntagning . . . . . . . . . . . . 332 Filing, skrabning, slibning og polering . . . . . . . . . . . 334 Stansning og klipning . . . . . . 334 Koldtrækning . . . . . . . . . . . 334 Svejsning . . . . . . . . . . . . . 335 Limning . . . . . . . . . . . . . . 345 Dekoration . . . . . . . . . . . . 346 3D-printning/stereolitografi (SL) 350
23. Kompositmaterialer . . . . 375 Kompositter og kompositegenskaber . . . . . . 375 Komposittyper . . . . . . . . . . 378 Slibeskiver . . . . . . . . . . . . . 386 Bearbejdning af kompositter . . . . . . . . . . 387 24. Korrosion . . . . . . . . . 389 Definition af korrosion . . . . . . 389 Korrosionstyper . . . . . . . . . 390 Omgivelsernes indflydelse på korrosion . . . . . . . . . . . 395 Korrosionsbeskyttelse . . . . . . 396 25. Tillæg . . . . . . . . . . . 399 Stikord . . . . . . . . . . . . . 425
22. Keramik . . . . . . . . . . 355 Definition af keramik . . . . . . . 355 Råmaterialernes oprindelse . . . 357 Keramiske materialetyper . . . . 358 Produktion af keramiske emner 366 Oversigt over fremstillingsmetoder til keramik . . . . . . 373 7
Materialelaere-bog.indb 7
01-06-2015 12:48:17
4
13 5
12
9
1
6
10
7 8
11
14
2 3 s Vesta
A/S
Opbygningen af nacellen pü en Vestas vindmølle
8
Materialelaere-bog.indb 8
01-06-2015 12:48:17
Indledning
Indledning I vor dagligdag omgives vi af en række forskellige materialer. Årsagerne til, at der benyttes forskellige materialer til forskellige konstruktioner, rækker fra rent fysiske og kemiske forhold til blandt andet merkantile og miljømæssige forhold. Udviklingen inden for materialeforskningen er en accelererende proces, som indtil nu har medført, at variationen i brug af materialer er stor. Der er ingen tvivl om, at dette forhold vil blive mere kompliceret i fremtiden. Figuren overfor viser et eksempel på, hvor sammensat et moderne produkt kan være. 1+2 3 4 5 6
Grundlæggende er alle materialerne opbygget af atomer, og derfor er en del egenskaber ensartede og kan beskrives efter ens principper, uanset hvilken type materiale der er tale om. Efter en gennemgang af nogle helt grundlæggende opbygningsprincipper, det vil sige lidt materialekemi og -fysik, beskriver de følgende kapitler fire hovedtyper af materialer: metaller, plast, keramik og kompositter. Til slut er kort gennemgået nogle generelle korrosionsbegreber og -problemer.
Materialeforslag til komponenter i nacellen på en vindmølle Vand- og oliekøler Kobberlegeringer pga. kobbers store varmeledningsevne, men i et lukket system, således at korrosion af andre metaller undgås. Transformator Vindhastighedsmåler Servicekran Generator
Jern- og koboltholdige legeringer pga. gode magnetiske egenskaber. Termoplastmaterialer pga. lav vægt og lav elektrisk ledningesevne. Højstyrkestål, pga. lav vægt, stor styrke og stivhed. Hus af varmeledende materiale, fx aluminum. Kobber til elektrisk ledning. Koboltlegeringer til permanente magneter. Termoplast og keramik til elektrisk isolation.
7 8+9
Pladekobling Gearkasse
Hård stållegering, pga. slid og varmepåvirkning. Tandhjul af overfladehærdet stål. Hus i SG-støbejern. Tætningsringe i gummi. Lejer af bronzelegering eller kuglelejestål.
10
Skivebremse
Støbejern eller SiC-keramik til skiverne og armeret gummi til bremsebelægningerne.
11 12 13 14
Maskinfundament Vingeleje Vingenav Vinger
SG-støbejern eller aluminiumlegering pga. støbeprocessen. Kuglelejestål Stål. Kompositmateriale bestående af glasfiber/kulfiber i en matrix af epoxy/umættet polyester.
9
Materialelaere-bog.indb 9
01-06-2015 12:48:18
Materialernes byggesten Molekyle
Atom
Hvis man betragter et stykke sukker, vil man se, at det består af en mængde små korn. Knuses sukkerstykket, løsnes kornene fra hinanden, og de enkelte korn er stadigvæk sukker. Disse små korn kan ved yderlig knusning findeles til mel. Hvis man betragter dette mel i et mikroskop, vil man opdage, at man stadig har ganske små korn. Hvis man tænker sig, at man kunne blive ved med at findele, ville man opnå den mindste del af materialet sukker.
Ved kemiske processer kan man spalte molekylerne. Disse består af mindre elementer: atomer. Foretages en sådan spaltning på vores sukkermolekyle, er det ikke sukker længere, men det viser sig, at vi får helt andre stoffer ud af det, nemlig brint, ilt og kulstof. Molekylet er altså ikke den mindste byggesten i materialet sukker.
Den mindste del af et stof kaldes et molekyle.
1
Brint, ilt og kulstof er grundstoffer, som hver for sig består af samme slags atomer: brintatomer, iltatomer og kulstofatomer. Et materiale (eller stof), der kun består af én slags atomer, kaldes et grundstof.
11
Materialelaere-bog.indb 11
01-06-2015 12:48:19
Atom
Sukkeret består af flere grundstoffer og er en kemisk forbindelse. Alt materiale er opbygget af grundstoffer. Der er flere end 100 af dem, med hver sit karakteristiske atom. De indgår i kemiske forbindelser i de materialer, der findes i naturen, og i dem, vi fremstiller. Nogle naturmaterialer er rene grundstoffer, der ikke er gået i kemisk forbindelse med andre grundstoffer. Eksempelvis kan nævnes ilt og kvælstof i atmosfærisk luft og metallerne guld og platin. Men grundstoffer kan danne molekyler. I luften er et iltmolekyle dannet af to iltatomer.
Atomets bestanddele Selv om ordet ”atom” egentlig betyder ”udelelig”, ved vi i dag, at atomet kan spaltes. Atomet består nemlig af forskellige elementer. Store molekyler, som findes i æggehvidestoffer og plast, kan ses i elektronmikroskoper. Skal man have et billede af et atom, så må man ty til modeller, som fysikere har lavet på grundlag af eksperimenter. Tegning af et atom er vist på fig. 1.1. De er ikke særlig korrekte, men de kan alligevel tjene som forklaring på atomets opbygning. I centrum ses atomkernen. Uden om den bevæger elektronerne sig i cirkel- eller ellipsebaner. Man kan også forestille sig atomet som en atomkerne omgivet af en sky af elektroner. Hvor skyen er tættest, befinder elektronerne sig oftest, idet de bevæger sig i banerne med stor hastighed. Elektronerne er elektriske elementarpartikler medKerne nega+ tiv elektrisk ladning. – Atomkernen, der har meget lille udstrækning i forhold til hele atomet med – dets elektronsky, består også af partikler. De kaldes nucleoner.
Der er to slags nucleoner. Den ene kaldes neutron og den anden proton.
Neutronen er elektrisk neutral. Det er protonen ikke, for den har en positiv elektrisk elementarladning, der modsvarer elektronens negative elementarladning. Da atomet som helhed er elektrisk neutralt, må antallet af protoner og antallet af elektroner i et atom være lige store. Antallet af protoner i et atom kaldes for atomnummeret. Massen af en proton og en neutron er næsten ens. Praktisk taget hele atomets masse er samlet i nucle onerne, og da kernens udstrækning er meget lille, får kernen en meget stor massefylde eller densitet. Antallet af protoner plus antallet af neutroner i atomkernen kaldes atomvægten eller atommassen.
Elektron
–
Kerne
–
+
– –
Elektron
–
–
Fig. 1.1. Atommodel
12
Materialelaere-bog.indb 12
01-06-2015 12:48:19
Materialernes byggesten
Dette tal angiver massen af et atom målt med en meget lille masseenhed, nemlig massen af en nucleon. Det er antallet af protoner og antallet af elektroner, der bestemmer stoffets kemiske og en lang række fysiske egenskaber. Antallet af elektroner i atomet påvirkes ikke af, hvor mange neutroner der er i kernen. Neutronantallet i et jernatom er normalt 28 og atommassen er 56. Man har i naturen fundet stabile atomer af jern med atommasse på 54, 56, 57 og 58. Disse stoffer, der også er jern kemisk set, har forskellige antal neutroner i kernen. Stoffer med forskellige atommasser, men med samme atomnummer, kaldes isotoper af det pågældende stof.
Små størrelser og små måleenheder På fig. 1.2 er vist størrelsesforhold for molekyler og atomer. Længdeenheder,
Korn
~ 0,1 millimeter
Nanopartikel
~ 50 nanometer
Molekyle
~ 1 nanometer
Atom
~ 0,1 nanometer
Kerne
~ 10 femtometer
Nucleoner
~ 1 femtometer
Fig. 1.2. Størrelsesforhold
1
der er anført på tegningen, er enheder, som anvendes i det internationale enhedssystem (SI), hvor grundmålet er 1 meter (1 m). 1 millimeter eller 1 mm er den måle enhed, som i maskinindustrien anvendes på maskintegninger. Den er en tusindedel meter. ■■ 1 millimeter = 1 mm = 10–3 m ■■ 1 nanometer = 1 nm = 10–9 m ■■ 1 femtometer = 1 fm = 10–15 m
En anden lille enhed, der anvendes til atomdimensioner, er Ångstrøm. ■■ 1 Ångstrøm = 1 Å = 10–10 m
Elektroner Elektronerne har næsten ingen masse. De bevæger sig i baner omkring kernen ligesom planeter om solen, men ordner sig i grupper, de såkaldte elektronskaller, der svarer til bestemte energiniveauer. I den elektronskal, der ligger nærmest kernen, kan der være to elektroner. I skal nr. 2 fra kernen kan der maksimalt være 8 elektroner. Antallet af elektroner tiltager med skalnummeret.
Ioner Et atom kan afgive en eller flere elektroner, som kaldes valenselektroner, fra atomets yderste elektronskal. Atomet bliver derved elektrisk positivt. Et andet atom (eller molekyle) har plads til elektroner i nogle af elektronskallerne. Det bliver derved negativt elektrisk ladet. Elektrisk ladede atomer eller molekyler kaldes ioner.
13
Materialelaere-bog.indb 13
01-06-2015 12:48:19
Grundstof
Ved lysbuesvejsning bliver gassen i lysbuen ioniseret, det vil sige, at gassens atomer og molekyler ændres til ioner og elektroner. Man kalder denne ioniserede og elektrisk ledende gas for plasma.
■■ Ikke-metallerne, der omfatter stoffer
Grundstof
For lettere at kunne skrive et navn eller betegnelse for et grundstof har man indført atom- eller grundstofsymbolet. Det består af et eller to bogstaver, hvoraf det første skrives med stort.
De stoffer, som kun består af en slags atomer, kaldes grundstoffer. Man kan inddele disse stoffer i nogle hovedgrupper: ■■ Metallerne, der er langt den største
gruppe. Her findes jern, kobber, aluminium og alle de andre kendte metaller, men også en stor mængde ukendte og sjældne stoffer. ■■ Halvmetallerne (metalloiderne), der er stoffer med metallignende egenskaber. Kulstof og silicium hører til denne gruppe.
som ilt, kvælstof, fosfor og svovl samt de inaktive luftarter: helium, neon, argon og krypton. At luftarterne er inaktive betyder, at de ikke danner kemiske forbindelser med andre stoffer.
Disse symboler anvendes først og fremmest i faget kemi, men i materialelæren bruges de også, fx i nogle normer for stålkvaliteter. Det er derfor nyttigt at kende de mest anvendte atomsymboler. Navne, numre og atomvægt for en række grundstoffer fremgår af tabel 1.1.
14
Materialelaere-bog.indb 14
01-06-2015 12:48:19
Materialernes byggesten
Symbol Al Sb Ba Be Pb B H Cd Ca Ce Co P Au He O Ir Fe Cl Cu Cr C Hg Mg Mn Mo Ni Nb Pt Si S Ag Ta Te Sn Ti U V Bi W Zn
Grundstof Aluminium Antimon Barium Beryllium Bly Bor Hydrogen (brint) Cadmium Calcium Cerium Cobalt (kobolt) Phosphor (fosfor) Guld Helium Oxygen (ilt) Iridium Jern Chlor (klor) Kobber Chrom (krom) Carbon (kulstof) Kviksølv Magnesium Mangan Molybdæn Nikkel Niobium Platin Silicium Svovl Sølv Tantal Tellur Tin Titan Uran Vanadium Bismuth (wismut) Wolfram Zink
Nr. 13 51 56 4 82 5 1 48 20 58 27 15 79 2 8 77 26 17 29 24 6 80 12 25 42 28 41 78 14 16 47 73 52 50 22 92 23 83 74 30
1
Atomvægt 27 120 137 9,6 207 10,8 1,008 112 40 140 59 31 197 4 16 192 56 35,5 63,6 52 12 201 24,3 55 96 58,7 93 195 28 32 108 181 128 119 48 238 51 209 184 65
Tabel 1.1. Navne og symboler på nogle af grundstofferne
15
Materialelaere-bog.indb 15
01-06-2015 12:48:20
Kemiske forbindelser
Radioaktivitet Nogle mindre stabile atomkerner ændrer sig ved udstråling af partikler eller elektromagnetiske bølger. Denne egenskab kaldes radioaktivitet. Man skelner mellem tre former for stråling: alfastråling, betastråling og gammastråling.
Både alfa- og betastråling er stråling af partikler. Beta-partiklen er en elektron, og alfapartiklen er faktisk den atomkerne, som findes i luftarten helium, der har atomnummeret 2. Gammastråling ændrer hverken atommasse eller atomnummer. Den er nemlig ingen partikelstråling, men er af samme natur som lys- og røntgenstråling. Den er elektromagnetisk stråling med meget kort bølgelængde. Radioaktiv stråling er som bekendt sundhedsfarlig. Advarselsmærke, som man anvender på steder, hvor der er fare for radioaktiv stråling, er vist på fig. 1.3. I metalindustrien anvendes gammastråling fra radioaktive grundstoffer til undersøgelse for fejl i svejsesømme og svært støbegods, idet stråler med denne ultrakorte bølgelængde er i stand til at trænge gennem metaller.
Grundstoffernes hyppighed I jordskorpen, iberegnet havene og atmosfæren, er ilt det grundstof, der er mest af. Det udgør ca. 50 % af den samlede vægt. Af den luft, der omgiver os, er 20 % ilt. Ilt findes også i mange kemiske forbindelser med andre grundstoffer. I vand er ilten således i kemisk forbindelse med brint. Mange stenarter er kemiske forbindelser mellem ilt og bl.a. silicium. Den største bestanddel af strandsand er mineralet kvarts, der er en kemisk forbindelse mellem silicium og ilt. Silicium er det næst hyppigste grundstof i jordskorpen. Der er ca. 25 vægtprocent af dette stof i jordskorpen. Derefter følger aluminium med ca. 7,5 % og jern med 4,7 %.
Kemiske forbindelser I naturen finder man kun få grundstoffer, der ikke er i kemisk forbindelse med andre grundstoffer. Foruden ilten kan ædelmetaller som guld og platin samt de inaktive luftarter som helium, neon, argon og krypton findes som rene grundstoffer. De inaktive luftarter reagerer ikke
Fig. 1.3. Advarselsmærke for radioaktiv stråling Radioaktive stoffer
16
Materialelaere-bog.indb 16
01-06-2015 12:48:20
Materialernes byggesten
med andre stoffer, og ædelmetallerne påvirkes kun sjældent kemisk af andre stoffer. Når grundstoffer går i kemisk forbindelse med hinanden, opstår nye stoffer med helt andre egenskaber. Et eksempel på dette er grundstofferne natrium og klor, som tilsammen danner almindeligt salt (fig. 1.4). Natrium (Na) er et blødt, gråligt metal. Det forbrænder meget nemt i luft, og kommer det i berøring med fugtighed, danner det med vand stærkt ætsende natronlud. Det opbevares derfor under petroleum. Klor (Cl) er en meget giftig, gulgrøn luftart. Den kemiske forbindelse mellem Na og Cl kaldes natriumklorid og er det samme som kogsalt, der jo er ret ugiftigt.
Na
1
Saltmolekylet består af en natrium-ion, der er bundet til en klor-ion, og man anvender atomsymbolerne til et symbol for molekylet. Natriumklorid eller kogsalt får således betegnelsen NaCl. Et vandmolekyle består af to brint-ioner og en ilt-ion. Det har den symbolske betegnelse H2O. Totallet efter H angiver, at der er to brint-ioner i vandmolekylet. Sukker har formlen: C12H22O11. I et molekyle sukker er der altså 12 kulstof-ioner, 22 brintioner og 11 ilt-ioner. Tabel 1.2 viser flere eksempler på kemi-
ske forbindelser.
Cl
Salt
Fig. 1.4. Na+Cl = NaCl
Formel CO2 CO NH3 HCl H2SO4 NaOH
Benævnelse Kuldioxid (Kultveilte) Kulmonooxid (Kulilte) Ammoniak Saltsyre Svovlsyre Natriumhydroxid
Formel SiO2 CaCO3 Al2O3 TiO2 Fe2O3 Fe3O4
Benævnelse Siliciumilte (Kvarts) Calciumcarbonat (Kalksten) Aluminiumoxid (Korund) Titanoxid (Rutil) Hæmatit (Jernmalm) Magnetit (Jernmalm)
Tabel 1.2. Eksempler på kemiske forbindelser
17
Materialelaere-bog.indb 17
01-06-2015 12:48:20
Plastmaterialer anvendes til mange formål sammen med og i stedet for de forskellige metaller. Derfor er der også en fyldig beskrivelse af plastmaterialer, deres struktur, bearbejdningsmuligheder og anvendelsesområder. Også keramiske materialer gennemgås nærmere.
ISBN 978-87-7082-507-8
9 788770 825078
61016-1_Materialelaere-omslag.indd 1
Bogen er udarbejdet til undervisningen ved erhvervsskoler, erhvervsakademier, ingeniørhøjskoler m.fl., hvor der kræves indgående viden om materialeteknologi. Bogen er et nyttigt opslagsværk, som er rar at have ved hånden – også efter endt uddannelse.
Materialelære for metalindustrien
Materialelære for metalindustrien giver en systematisk indføring i strukturen, fremstillingen og bearbejdningen af de gængse materialer, der bruges inden for metalindustrien. Bogen belyser både gammelkendte og nyere metaller samt legeringer, støbeteknikker, hærdemetoder og anvendelsesformål.
Materialelære for metalindustrien
Mogens Rasmussen Finn Monrad Rasmussen
3. udgave
praxis.dk
varenr. 61016-1
PRAXIS – Erhvervsskolernes Forlag
21-05-2015 15:39:38