Efteruddannelse i Materialeteknologi Kursus S 6 Materialeval g Stål, rustfrit stål, aluminium Kursusmateriale udviklet under lov 271 om efteruddannelse i et samarbejde melle m Danmarks Ingeniørakademi, Dansk Teknologisk Institut, FORCE Institutterne, Forskningscenter Risø m.fl. 1992
Materialeval g Stål, rustfrit stål, aluminiu m 1. udgave, 1. oplag, 199 2 Undervisningsministeriet lov 27 1 Grafisk design : Grethe Jensen og Inger Vedel, DTI/Grafi k Sats : Repro-Sats Nord, Skage n Tryk : Omslag : Reproset, Københav n Indhold : DTI/Tryk, Taastru p Dansk Teknologisk Institut Forlaget ISBN 87-7756-150-3 Kopiering i uddrag tilladt med kildeangivelse
Materialevalg - stål, rustfrit stål, aluminiu m Materialevalg - generel t 1 1.1 2 2.1 2.2 2.2.1 2.3 Materialevalg 1 1 Kvalitetsdimensioner og kvalitetsfaktorer 1 1 Systematisk materialevalg - arbejdstrin og hjælpemidler 1 5 Systematisk materialevalg i konstruktion - en model 1 6 Kravspecifikation til komponenten 1 8 Udarbejdelse af kravspecifikation 1 8 Konvertering af kravspecifikationen 2 1 2.4 2.4.1 2.4.2 Grovsortering af materialer -»tværfaglig t materialevalga 22 Ide 23 Introduktion til materialevalgskort 23 2.4.3 Anvendelse af materialevalgskort 24 2.5 2.5.1 2.5.2 Udvælgelse af materialer - datamatstøttet materialevalg 25 Generelle faktuelle materialedatabaser 26 Specifikke faktuelle materialedatabaser 28 2.5.3 Sammenfatning 28 3 3.1 3.2 3.3 3.4 4 4.1 4.2 Livscyklus-vurdering 31 Hvorfor bekymre sig om et produkts miljøbelastning 32 Miljøbelastning og materialevalg 32 Materialevalg under hensyn til miljøbelastning - et eksempel 33 Sammenfatning 33 Prisforhold 35 Plader 35 Stangstål 38
4.3 4.4 Bygningsstål 39 Ror 39 4.5 4.6 4.7 Abne koldvalsede profiler 39 Blankstål 39 Prissammenligning 39 4.8 Rustfrit stål 42 4.8.1 Prissammenligninger - rustfrit stål 43 4.9 Aluminium 43 4.9.1 Legeringstillæg 44 4.9.2 Dimensionstillæg 44 5 5.1 5.2 5.3 5.4 6 6.1 Materialeegenskaber og materialedata 47 Krav og vurdering af materialedata 47 Sliddata 50 Korrosionsdata 5 1 Mekaniske egenskabsdata 52 Fra kravspecifikation til materialespecifikation 55 Slid 55 6.2 Korrosion 6 2 6.2.1 Almen korrosion 6 2 6.2.2 Pitting (grubetæring) 6 3 6.2.3 Spaltekorrosion 6 4 6.2.4 Spændingskorrosion 64 6.2.5 Galvanisk korrosion 6 5 6.2.6 Selektiv korrosion 66 6.2.7 Turbulenskorrosion 66 6.2.8 Korrosionsudmattelse 67 6.3 Belastning 67 6.3.1 Fra belastning til mekaniske spændinger 69 6.3.2 Eksperimentel bestemmelse af deformatione r og spændinger 72 6.4 7 7.1 7.2 Myndighedskrav, normer og standarder 73 Fremgangsmåde for materialeval g - indledende trin 77 Informationskilder 79 Stål - rustfrit stål - aluminium 80
Materialevalg - stå l 8 Valg af stål - Tværgående materialekrav 83 8.1 Konstruktionsstål 85 8.1.1 Bygningsstål 90 8.1.2 Maskinstål 9 1 8.1.3 Stål til plader, rør og tråd 95 8.2 Højstyrkestål 98 8.2.1 Svejsbare højstyrkestål (finkornstål) 99 8.2.2 HSLA-stål 100 8.2.3 DP-stål 100 8.3 Støbelem og-stål 10 1 9 Valg af stål set i relation til 11 1 9.1 Fremstillingsproces 11 1 9.1.1 Konstruktørens indflydelse på materiale i relation til proces 11 1 9.2 Massiv overflade sandwich 112 9.2.1 Rå plader (sorte plader) 11 2 9.2.2 Overfladebelagte plader 11 2 9.2.3 Laminerede plader 11 3 9.3 Sammenføjningsmetoder 115 9.3.1 Svejsning 115 9.3.2 Lodning 12 0 9.3.3 Nagling og nitning 12 2 9.3.4 Skruesamling 12 3 9.3.5 Limning 12 4 9.3.6 Støbning 12 6 Materialevalg - rustfrit stå l 10 Valg af rustfrit stål 12 7 10.1 Generelt 12 7 10.2 Hensyn til fysiske egenskaber 12 7 10.2.1 Mekaniske egenskaber 12 7 10.2.2 Termiske egenskaber 13 0 10.2.3 Elektriske egenskaber 13 1 10.2.4 Magnetiske egenskaber 13 1 10.3 Hensyn til overfladeegenskaber 132 10.3.1 Overfladetyper 132 10.3.2 Visuelle krav 134
10.4 Hensyn til korrosionsbestandighed 135 10.4.1 Specifikation af korrosionsmiljø 135 10.4.2 Vurdering af levetidsbestemmende korrosionsform 137 10.4.3 Fremskaffelse af korrosionsdata 138 10.4.4 Vurdering af korrosionsforhold 142 10.4.5 Vurdering af økonomi og leveringsforhold 144 10.5 Hensyn til fabrikationsmetoder 144 10.5.1 Forarbejdningsmetoder 144 10.5.2 Sammenføjning 145 Materialevalg - aluminium 11 Valg af aluminium 149 11.1 Kendetegn aluminium 149 11.2 Datasugning, rådgivning 154 11.3 Valg af aluminiumlegeringer 158 11.3.1 Komponenter med lav vægt 158 11.3.2 Komponenter udsat for høje eller lave temperaturer 162 11.3.3 Komponenter udsat for svingende belastning 163 11.3.4 Komponenter udsat for korrosion 166 11.3.5 Komponenter, som skal støbes 169 11.3.6 Komponenter, der skal anodiseres 170 11.3.7 Komponenter, som skal sammenføjes 172 11.3.8 Komponenter, der skal plastisk formgives 177 11.3.9 Komponenter, som skal spåntages 180 Stikord 183
Forord Denne lærebog indgår i et omfattende, modulopbygget syste m af efteruddannelseskurser,»efteruddannelse i Materialeteknologi«, som har til formål at ruste dansk erhvervsliv til a t arbejde optimalt med såvel nye som kendte materialetyper. Systemet dækker således alle materialetyper fra støbejern, stål, rustfrit stål, aluminium og diverse metallegeringer ove r plast, fiberforstærket plast og sandwichmaterialer til keramiske og pulvermetallurgiske materialer. For hver materiale - type vil der være kurser i relevante emner som grundlæggende materialekendskab, materialevalg, forarbejdning og konstruktion, nedbrydningsformer og tilstandskontrol m.m.m. Tanken med det modulopbyggede efteruddannelsessyste m er, at virksomheder - eller enkeltpersoner - har mulighed for at sammensætte et kursusforløb som er tilpasset det aktuelle behov, hv.ad enten det drejer sig om at gå i dybden med et materialeområde, eller man ønsker at udvide sin e kvalifikationer til flere materialetyper f.eks. inden for e t emne som forarbejdningsprocesser. Det er naturligvis vore s håb, at denne lærebog enten i forbindelse med det pågældende kursus - eller ved selvstudium - vil være et godt bidrag til en sådan opgradering af kvalifikationerne hos de n enkelte. For at bogen kan tjene både som kursusmateriale, opslagsbog og kilde til supplerende viden, er den forsynet me d mange figurer, der underbygger teksten, samt margentekste r og index, der letter opslag. Visse afsnit i teksten vil være skrevet med andre typer, samt forsynet med en grå streg langs margin som indikation af, at det pågældende afsni t specielt henvender sig til læsere med ingeniørmæssig bag - grund el.lign.. I forbindelse med kurser vil bogen blive led - saget af en arbejdesmappe indeholdende supplerende mate - rialer, øvelsesvejledninger, opgaver m.v. Kurserne er udviklet i et konsortium bestående af Danmarks Ingeniørakademi (maskinafdelingen), Dansk Teknologis k Institut, FORCE Institutterne og Forskningscenter RIS Ø samt en række danske virksomheder. I denne forbindelse 7
skal der lyde en tak til de mange rundt omkring i virksom - hederne, der har bidraget til udviklingsarbejdet i form af klarlægning af behov og løbende vurdering af materialet ve d deltagelse i følgegrupper m.v. (ingen nævnt - ingen glemt!). Udviklingsarbejdet er foretaget med støtte fra Undervisningsministeriet (Lov 271 - Lov om Efteruddannelse) og her - under har Indsatsgruppen for Materialeteknologi samt de tilknyttede referee's ligeledes ydet en god indsats med henblik på afstemning mellem erhvervslivets behov og materialets indhold. Taastrup, september 1991 På konsortiets vegne - Lorens P. Sibbesen (projektadministrator) 8
Forord til 56 Denne bog samt en tilhørende arbejdsmappe udgør kursus - materialet til modulet S6»Materialevalg - metaller «Kursets formål er at fremme kendskabet til materialeteknologiens anvendelse og betydning for et produkt, og at give deltagerne viden om de særlige forhold, der knytter sig til val g af stål, rustfrit stål og aluminium. I overensstemmelse hermed falder bogens 11 kapitler i følgende afsnit : Materialevalg - generelt Materialevalg - stål (minus værktøjsstål ) Materialevalg - rustfrit stål Materialevalg - aluminium Som forfattere har følgende medvirket : Bent Bay, Danmarks Ingeniørakademi Maskinafdelingen ; Ebbe Rislund, Force In - stitutterne ; Erik Kaag, SCS Stål A/S ; Søren Ahrensberg og Kirsten Arndal Rotvel, Danmarks Teknologiske Institut. Århus, januar 1992 Kirsten Arndal Rotvel Civilingeniør 9
Materialevalg 1 Hvis en brugers krav og forventninger til et produkt ikke opfyldes, vil brugeren sandsynligvis være utilfreds med produktet, og brugeren vil næppe genkøbe eller anbefale pro - duktet til andre. Dette lyder banalt, og er det for såvidt også. Ikke desto mindre glemmes denne banale lærdom ofte. Konstruktøren, som er den person, der typisk er ansvarlig for materialevalg, kan have tendens til at ignorere kundernes behov og gældende markedsvilkår. Årsagen er sandsyn - ligvis, at konstruktørens traditionelle ansvarsområde er løsning af tekniske problemer. Kundernes behov og de gældende markedsvilkår er imidlertid afgørende for produktets succes, og det er væsentligt, at konstruktøren er opmærksom på, hvordan hans beslutninger har indflydelse herpå. Et produkt skal både opfyld e brugerens krav og forventninger Konstruktørens roll e Konstruktøren skal være opmærksom på kunderne s behov og markedsvilkå r Dette er baggrunden for, at foreliggende kompendium indle - des med et afsnit, som anskuer materialevalg ud fra et virksomheds synspunkt i modsætning til materialevalg som en teknisk isoleret disciplin. Nedenstående tager udgangspunkt i ref. 1, hvortil der henvises for yderligere information. Kvalitetsdimensioner og kvalitetsfaktorer Internationale undersøgelser af et stort antal succesrige pro- Et produkts kvalitet ka n dukter peger på, at et produkts kvalitet kan vurderes ud fra vurderes ud fra 8 grundlæg - 8 grundlæggende kvalitetsdimensioner, som er : Bende kvalitetsdimensione r Ydeevne. Brugeren ønsker at produktet skal besidde viss e funktioner og egenskaber. Hvor mange af disse funktione r og egenskaber kan produktet yde? Brugsvenlighed. Hvor let og sikkert er det for brugeren at anvende og betjene produktet? Pålidelighed. Hvor lang er produktets tekniske levetid, hvor driftsikker er produktet, og hvor godt holder det sin e specifikationer? 1. 1 11
Servicevenlighed. Hvor ofte skal der ydes service på pro - duktet? Hvor lang tid tager det at udføre service? Hvilke n indflydelse har service på brugerens mulighed for at an - vende produktet? Samt hvor lang tid tager det at reparer e et fejlende produkt? Anskaffelsesomkostninger. Hvilke omkostninger er de r forbundet med produktets anskaffelse? Herunder eventuelle omkostninger til installation, indkøring og oplæring a f personale. Anvendelsesomkostninger. Hvilke omkostninger er der forbundet med produktets normale brug og vedligeholdelse? Kompatibilitet (= forenelighed). Hvor foreneligt og fleksibelt er produktet med hensyn til at passe sammen med o g indgå i de systemer og omgivelser, som brugeren allered e har etableret eller påtænker at etablere? Designludseende. Hvor godt tiltaler produktets design o g udseende brugeren. Disse kvalitetsdimensioner er generelle og anses for at gælde for alle typer af produkter. Kvalitetsdimensioner opdeles i kvalitetsfaktorer Hver af disse kvalitetsdimensioner kan opdeles i en række kvalitetsfaktorer, der beskriver det aktuelle produkt. Der laves en prioritering af kvalitetsfaktorerne i 3 grupper : Nøgle kvalitetsfaktorer (maks. 9). D.v.s. kvalitetsfaktorer, som er afgørende for produktets kvalitetsniveau inden for produktstandarden. F.eks. det, der adskiller Porche fra Jaguar. Basis kvalitetsfaktorer. D.v.s. kvalitetsfaktorer, som er afgørende for produktets generelle standard. F.eks. det, der adskiller Porche fra Skoda. Mindre væsentlige kvalitetsfaktorer. Sammenhængen mellem kvalitetsdimensioner, kvalitetsfaktorer, basisfaktorer og nøglefaktorer er illustreret i fig. 1.1. Kvalitetsfaktorerne er afgørende, såfremt kundens produkt - valg udelukkende beror på egenskaber ved produktet selv. Dette er imidlertid ikke altid tilfældet. Andre motiver og kriterier kan ligge til grund for kundens endelige produktvalg. 12
Kvalitetsdimensioner Ydeevne Kvalitetsfaktorer imp< ow alp Basi s Kvalitetsfaktorer Nøgl e Kvalitets - faktore r Fig. 1. 1 Sammenhængen melle m kvalitetsdimensioner, kvalitets - faktorer, basis kvalitetsfaktore r og nøgle kvalitetsfaktorer. (Ref. 1). Brugsvenlighed alo omp Pålidelighed 410 40 Servicevenlighed ~~~~~= Anskaffelsesomk. 40e Anvendelsesomk. Kompatiblitet Design / udseende 110~ Som eksempel herpå kan virksomhedens image spille in d på kundens produktvalg. Andre og meget aktuelle eksempler er energiforbrug, genanvendelsesmuligheder og miljøpåvirkning, som behandles i kapitel 3. Sammenfattende kan det anføres, at kundens sociale og følelsesmæssige motive r kan være afgørende for det endelige produktvalg. Såfremt disse påvirkningsfaktorer kan identificeres bør d e naturligvis indgå i det videre arbejde helt parallelt me d basis- og nøglefaktorerne. Påvirkningsfaktore r Identifikation af kvalitetsfaktorerne bør udføres på et tidligt stadium i produktudviklingen og af en gruppe med repræ - 1 3
sentanter fra udvikling, marketing, produktion og salg samt ledelsen. Kobling mellem kvalitetdimensioner og materialevalg Det væsentlige i denne sammenhæng er, at konstruktøre n må være opmærksom på sammenhængen mellem materiale - valget og produktets kvalitetsfaktorer. Som åbenbare eksempler herpå kan nævnes»anskaffelsesomkostninger«, hvori råvareprisen f.eks. indgår og»design / udseende«som f.eks. er bestemt af overfladefinish m.v. Det er derfor yderst vigtigt, at konstruktøren (og virksomheden) investerer tid og ressourcer i materialevalg som mod - sætning til at lade tilfældighederne råde : Hvilke materialer har vi på lager? Hvad plejer vi at vælge? Hvilke materialer anvender konkurrenten? Konstruktørens retningslinier Med en oversigt over produktets basis- og nøglekvalitetsfaktorer får konstruktøren mulighed for at bidrage til produktets succes, idet han skal henholde sig til : at produktet blot skal opfylde et vist minimumkrav for basis kvalitetsfaktorerne, idet en yderligere forbedring herud - over ikke vil øge produktets attraktivitet for kunderne og derfor oftest blot medfører øgede omkostninger. Eksempel : Cykelstel til børn. Her vil stellets vægt typisk være en basiskvalitetsfaktor. at den teknologiske udvikling, som har relation til nøgle kvalitetsfaktorer konstant overvåges og nyttiggøres i produktet. Eksempel : Cykelstel til professionelle cykelryttere. Her vil stellets vægt typisk være en nøglekvalitetsfaktor. Reference r 1. Henning C. Juhl :»Håndbog i Markedsorienteret Teknologiplanlægning«, Dansk Teknologisk Institut, 198 8 14
Systematisk materialevalg - arbejdstrin og hjælpemidle r 2 Flertallet af materialevalg sker pr. tradition efter princippet»støbejern GG25 har altid fungeret godt til lignende komponenter, hvorfor vi hellere må vælge dette materiale«. Denne enkle materialevalgsfilosofi er på ingen måde uberettiget ud fra en teknisk synsvinkel, idet værdifulde erfaringe r nyttiggøres, men fra et helhedssynspunkt er metoden stærk t kritisabel, da denne fremgangsmåde ikke tager hensyn til produktets kvalitetsfaktorer, som beskrevet i kapitel 1. Mange konstruktører kender dog eksempler på den modsat - te situation, hvor funktionskrav i en avanceret teknologi el - ler omkostningsaspekter ved masseproduktion nødvendig - gør en yderst detaljeret analyse af materialespørgsmålene. Ud fra et helhedssynspunkt er faldgruben her, at konstruktøren ikke er bevidst om kundernes behov eller markedsvilkårene og derfor er tilbøjelig til at forbedre og raffinere u d over det nødvendige. Reference 1 redegør for resultatet af en undersøgelse bland t industrivirksomheder, og sammenfatter følgende typisk e baggrunde for materialevalgsopgaver : 5 årsager til materialeval g Produktudvikling - d.v.s. udvikling af et nyt produkt. Produktmodifikation - d.v.s. hvis et af firmaets produkte r skal kunne anvendes under ændrede betingelser. Produktrevision - når et ændret materialevalg kan give et produkt med en lavere pris. Nye materialer kan give mulighed for udvikling af nye produkter. Begrænsede eller strategisk vigtige råstoffer. Uanset baggrunden for en materialevalgsopgave, kan materialevalg som arbejdsproces ikke isoleres fra virksomhedens øvrige tekniske arbejde. Materialevalg er ikke en isoleret proces 15
Som følge heraf findes der mange modeller for, hvordan ma- terialevalg kan ses i forhold til virksomhededens øvrige aktiviteter dog hyppigst som en del af produktudviklingen. Mange modeller for materialevalg 2.1 Systematisk materialevalg i konstruktio n en model I denne lærebog samt i»materialevalg - plast«har vi valgt e n model, som viser materialevalgets placering i konstruktionsprocessen (ref. 2). Denne model er valgt, fordi : den beskriver trinene og rækkefølgen for systematisk materialevalg, den beskriver, at materialevalg er en cyklisk proces, de r normalt kræver flere gennemløb, den skitserede fremgangsmåde i kraft af opstilling af krav og materialespecifikationer vil imødekomme det stadi g voksende krav til virksomhederne om at dokumentere alle aktiviteter herunder materialevalg (ISO 9000). Modellen er vist i fig. 2.1. Den beskriver alle faser fra produktspecifikation til produktionsforberedelse med fokus p å samspillet : Konstruktio n Material e Proces Den viste model er Den viste model er en idealmodel, som er valgt som denn e en idealmodel lærebogs reference for konstruktionsprocessen. I det følgen - de vil vi begrænse os til trinene i rammen»systematisk mateiralevalg«, idet vi vil se på : Kravspecifikation til komponen t Konvertering (omsætning af krav til materialeegenskaber ) Materialespecifikation Grovsortering af materialer Udvælgelse af egnede materialer Hvordan konstruktøren praktisk kommer igennem de enkel - te trin, afhænger af mange faktorer. Det kan f.eks. være pro - duktets type, opgavens art og baggrund, arbejdets organise - ring, økonomi, tidsplan, konstruktørens erfaring/materialekendskab m.v. 16
A Kravspecifikation 1 1 Projektspecifikation /produktspecifikation Kravspecifikatio n til komponen t i B Konverteringsliste 3 Udkast til skitse Overslagsberegninge r Grovvalg af processe r i Konverterin g C L Materialedata D Ekspertviden vedr. belastningssammenfal d 5 Materialespecifikation I 6 1 Grovsortering af materialer 7 Udvælgelse af egnede materiale r 4 -- -~ J -- I I I I (\Materialevalgsmetodi kken~) Nej 1 --------------------- - 11 UDKAST1 1 0 rudkast2 1 12 rudkast3 1 Konstruktion f ~ Korrektioner og I Konstruktion Iri1 Konstruktion I Material e overslagsberegninger I Materiale I I Materiale I Proces Proces Proces Ja Nej J 15 Analytiske beregninger a f komponentens styrke og stivhed v.h.a. f.eks. fem-analyse, samt p rocestekn icke analyser I I 1 6 Optimering Optimering- - Afprøvning a f prototype r Nej 18 Valg af konstruktion, material e og produktionsproces unde r hensyntagen til økonomiske forhol d 19 Produktionsforberedelse Fig. 2. 1 Eksempel på flowdiagram for konstruktionsprocessen. Elementerne i det systematisk e materialevalg er indrammet foroven med en stiplet linie.
Det væsentlige er, at konstruktøren under de givne betingelser : 1. Omhyggeligt dokumenterer trinene i materialevalget. 2. Afpasser materialevalget til produktets kvalitetsfaktorer. En praktisk fremgangsmåde for trin 2:»Kravspecifikation til komponent«, er beskrevet i afsnit 2.2, som er et sammen - drag af ref. 3. Konvertering omtales kort i afsnit 2.3 og uddybes i kapitel 6, hvor slid, korrosion, belastning og myndighedskrav diskuteres. I afsnit 2.4 gennemgås en nyere metode til grovsortering af materialer. Metoden er især beregnet til materialevalg i pro - duktudvikling. I afsnit 2.5 gennemgås materialedatabaser. Materialedatabaser ses her som et værktøj, der kan benyttes i lighed me d håndbøger, leverandørkataloger m.v. 2. 2 Krav- og materialespecifikationerne er værdifulde informationskilde r Dokumentation for, at intet væsentligt er overset Kravspecifikation til komponenten Omhyggeligt udarbejdede kravspecifikationer og materiale - specifikationer udgør værdifulde informationskilder, dels som dokumentation i lighed med tegninger og beregninger, dels som udgangspunkt for fremtidige ændringer eller nye anvendelsesområder for produktet. De udarbejdede specifikationer er også en naturlig del af den dokumentation, som flere og flere virksomheder har behov for i relation til krave - ne i kvalitetsstyringssystemet (ISO 9000). Den største værdi ud fra en teknisk synsvinkel er dokumentationen for, at intet væsentligt er overset i materialevalget. I det følgende gives et forslag til, hvordan opstilling af krav - specifikationen kan udføres. 2.2.1 Kravspecifikation, definition Udarbejdelse af kravspecifikatio n Kravspecifikationen til komponenten sammenfatter all e funktioner, som komponenten skal opfylde, iberegnet det miljø i hvilken den skal fungere, idet funktion og miljø op - fattes som uadskillelige faktorer. 18
Det totale funktionsmiljø omfatter mekaniske-, kemiske-, biologiske-, optiske-, elektriske - og magnetiske aspekte r (fig. 2.2). Tid (levetid) og temperatur er overordnede faktorer so m kombineres med samtlige aspekter. Baggrunden for fig. 2.2 er, at konstruktøren hyppigst sætte r fokus på det mekaniske miljø, men at det imidlertid er a f største betydning at beskrive hele funktionsmiljøet i det omfang, det overhovedet er muligt. (Ud fra et praktisk syns - punkt er det naturligvis umuligt at opstille en kravspecifikation, som er fuldstændig bl.a. p.g.a. af de usikkerheder, som knytter sig til de påvirkninger, som produktet udsættes for). For at sikre svar på alle relevante spørgsmål bør konstruktøren inddrage personer uden for konstruktionsafdelingen. Det kan f.eks. være virksomhedens sælgere, medarbejdere fra produktionen, servicepersonale, kunder m.fl. I den forbindelse er huskelister/checklister nyttige hjælpemidler, især hvis de er udarbejdet med udgangspunkt i virksomheden s Af største betydning at beskriv e hele funktionsmiljøet Konstruktøren bør inddrag e personer uden for konstruktionsafdelinge n Huskelisterkheckliste r Kravspecifikation Materialespecifikatio n I kombination med tid og temperatu r Mekaniske krav funktion Fig. 2. 2 Eksempel på hovedpunkter i e n krav- og materialespecifikatio n Formbevarend e Lastbærende spændin g spændings - koncentratio n dynamisk belastnin g slagpåvirknin g slid hårdhed, slidbestandighed, varmeudvidelses - koefficien t elasticitets- og forskydningsmodu l flydespænding /0.2-spændin g krybestyrk e brudsejhed, kærvfølsomhed, forsprødning fx ve d overfladebehandlin g udmattelsesstyrke, kærvfølsomhed ved udmattelse, korrosionsudmattelse, temperaturvekslin g (termisk udmattelse, termochock ) sprødhedsrisik o slagsejhed, omslagstemperatu r brudsejhe d slidbestandighed, hårdhed, tørsmøringsegenskaber, smøremiddelvedhæftnin g Figur 2.2 fortsættes 19
Kravspecifikation Materialespecifikatio n Lastfordelend e energioptagelse plastisk brudstyrken og brudforlængelsen, slagsejhe d elastisk elastisk (fjeder)energi (0,2 spændingen) 2 /E kinetisk friktionskoefficient, temperaturvekslingsbestandighed varme varmekapacitet, varmeledningsevne, varmeudvidelseskoefficient, termisk udmattelsesstyrke elektrisk modstand, magnetisk permeabilitet, ko- ercitiv kraft, mætningsinduktio n Kemisk miljø Optiske krav Elektriske/ magnetiske krav Biologiske krav korrosionsbestandighed absorbtion, reflektion, emissio n toksikologiske egenskabe r korrosionsbestandighed Uden tid o g temperaturkrav Forarbejdningsmetoder støbning (smeltepunkt, størkningsinterval, fluidi - citet, varmekapacitet og smeltevarme) plastisk formgivning : deformationshærdning, anisotropifaktor, flydespænding, brudforlængelse Erichsen-tal m.fl. skærbarhed : teknologiske testværdier for halvfabrikata/færdig form. egne produkter og afsætningsmarkeder. Ved udarbejdelsen af kravspecifikationen kan det være nyttigt at lave en over - sigt over de faser, som produktet gennemløber fra fremstil - ling til destruktion, og som kan resultere i krav, som skal med i kravprofilen. Fig 2.3. er et foreslag til, hvordan et sådan hjælpeskema kan stilles op. Når kravspecifikationen er opstillet, kan det anbefales at dele den i to grupper som hhv. repræsenterer : krav som nødvendigvis skal opfyldes, krav som bør opfyldes i størst mulig omfang, Primære og sekundære krav Den første type krav er primære krav og den anden grupp e er sekundære krav. Ved at opdele kravene i disse to gruppe r kan arbejdet med den første grovsortering af mulige mate - 20
Fig. 2. 3 Kravspecifikation i skematisk for m Krav Fase r Lag - ring Mon - tering Drift Repa - ration Fremstilling Transport Desstruktion Tota l krav - profi l Tidkrav Temperaturkra v Mekaniske krav + tid og temp. Kemisk milj ø + tid og temp. Optiske krav + tid og tem p Elektriske/magnetiske krav + tid og temp. Biologisk krav + tid og temp. Forarbejdningsmetode rialer lettes, idet konstruktøren på dette trin bør begræns e sig til at finde materialer som opfylder de primære krav. Konvertering af kravspecifikationen Når kravspecifikationen til komponenten er opstillet, skal kravene omsættes til materialeegenskaber. Formålet med denne omsætning er at få opstillet en materialespecifikation, som kan sammenlignes med leverandørens materialedata. Denne proces kaldes konvertering. 2.3 Materialespecifikationen ska l sammenlignes med leverandørens materialedata Omsætning af kravspecifikationen til materialespecifikatio - nen er enkel for simple komponenter, der f.eks. belaste s med konstante kræfter, idet man her kan udnytte simpl e formler fra styrkelæren. I almindelighed er det dog ganske kompliceret at gennemføre konverteringen selv for komponenter/produkter, som typisk anses for at være enkle - f.eks en cykellås. Hvordan ud - trykkes kravet til låsens pal»må ikke kunne sparkes op«so m materialeegenskaber (brudstyrke/slagstyrke/hårdhed)? Kompliceret at gennemføre konverterin g 2 1
Forudsætning for konverterin g er en omhyggeligt beskrevet kravspecifikatio n I sådanne tilfælde er det vigtigt at kravspecifikationen er omhyggeligt beskrevet, således at det senere er muligt at kontrollere om kravet er overholdt. Jo flere kravspecifikationer der er omsat til standardisered e materialedata, desto lettere bliver det at udføre det første trin i materialevalget»grovsortering af materialer«. 2.4 M.F. Ashby Metoden er perspektivri g Fig. 2.4 Ashby's simplificerede model for konstruktion som viser samspil - let mellem fagområderne i konstruktion og materialetekni k samt behovet for materialedatas nøjagtighed på de tilhørend e trin. Grovsortering af materialer -»tvabrfagligt materialevalg «M.F. Ashby har udviklet en materialevalgsmetode for konstruktionsprocessens indledende trin jvf. fig. 2.4. Når denne metode gøres til genstand for nærmere præsentation, er det fordi, metoden er perspektivrig, og fordi den foreløbig er den eneste metode, der anviser en praktisk fremgangsmåde for»tværfagligt«materialevalg. D.v.s. et ma - terialevalg, hvor alle materialer uanset type (plast, metaller, keramer, kompositter) bliver vurderet i relation til en given materialevalgsopgave. I henhold til flowdiagrammet fig. 2.1 kan metoden anvende s på trin 6»Grovsortering af materialer«. Markedsbehov Konstruktionsmetoder Material e valg Ingeniør fag Stati k Spændingsanalyse Fluidmekani k Varme - transmissio n Overslagsberegnin g (gennemførlighed) Modellering (funktion) Optimering (ydelse) Koncept Mode l Al le materialer (I i I le nøjagtig hed) Materiale tekni k Material e undergruppe r (større nøjagtighed) Struktu r Egenskabe r Processer Sammenføjnin g Overflader Compute r teknik Detaljeret analyse Incl. finite element etc. (Sikkerhed) Prototyp e Et material e (størst mu lige nøjagtighed) økonomi Produkt 22
Id~ Ashby's filosofi er, at alle konstruktionsmaterialer skal vurderes i konstruktionens indledende fase, da der ellers vil være risiko for, at muligheder for fornyelse eller forbedring overses. 2.4. 1 Ashby's filosof i Dette ser han i lyset af, at antallet af tilgængelige konstruktionsmaterialer er meget stort. I litteraturen estimeres såle - des et antal på ca. 50.000-80.000 forskellige. For en specifik 50.000-80.000 forskellig e opgave vil det potentielle antal konstruktionsmaterialer dog konstruktionsmateriale r være mindre, idet enhver konstruktion vil være begrænset af et eller flere primære krav til visse materialeegenskabe r f.eks. stivheden, flydespændingen eller kombinationer a f materialeegenskaber. Ved at følge en foreskreven fremgangsmåde, som uddybe s nedenfor er det muligt at isolere et antal materialer, som op - fylder de primære materialespecifikationer. De sekundære egenskabskrav kan herefter inddrages i den efterfølgend e materialevalgsproces. Muligt at isolere et begrænset antal materiale r Introduktion til materialevalgskort 2.4.2 Alle konstruktionsmaterialers egenskaber har begrænsede, karakteristiske værdier. Variationsbredden er dog meget stor. F.eks er spredningen på elasticitetsmodulet, brudsejhede n og den termiske ledningsevne ca. 100.000, hvilket afspejle r forskellene i de atomare mekanismer, som bestemmer egen - skabsværdierne. Inden for hver af hovedgrupperne : metaller, polymere, elastomere, keramer, glas og kompositter er variationsbredde n på materialeegenskaberne snævrere. For at få et overblik over denne fordeling arbejder Ashby med nogle materialevalgskort, som er en grafisk metode til præsentation af materialedata på en overskuelig måde. Materialevalgkor t Metode til præsentatio n af materialedata Ideen er illustreret i fig. 2.5. En egenskab (her stivheden = E-modulet) plottes mod en anden egenskab (her densitete n = massefylden) på logaritmiske skalaer. Akserne er afpasset således, at alle materialer - fra de letteste skum til de stivest e og tungeste materialer - kan indtegnes. Det ses, at data fo r de enkelte materialegrupper (f.eks polymere) samler sig i klynger, der omfatter alle materialer i gruppen. 23
Fig. 2.5 er et forenklet materialevalgskort. I praksis er korte - ne meget mere detaljeret og viser f.eks. også de enkelte materialetyper som f.eks. kobberlegeringers placering i»metalklyngen«. Fig. 2. 5 Eksempel på materialevalgskort, hvor elasticitetsmodulet E e r afbildet mod massefylde n (densiteten) p på logaritmiske akser. Hver materialegrupp e dækker en bestemt del af kortet. De logaritmiske akser muliggø r indtegning af ligningen v = (E/p ) som en ret linie.) loo n 100 10 P Designlinje r for materialevalg =c / Teknisk kerami k (keramer) Metallegeringe r Porøse keramer Kompositte r Træ Polymere (plastmaterialer) E '/3 / C F Polymere sku m Elastomere 0.1 1.0 1 0 Massefylde, P (Mg/m 3) 2.4. 3 Eksempel Anvendelse af materialevalgskor t Nedenstående eksempel tjener til illustration af materialevalgskortenes anvendelse. Vi tænker os et tilfælde, hvor et primært funktionskrav er materialets evne til at transmitter e lyd. Lydens udbredelse i et materiale afhænger af E-modulet o g massefylden (densiteten). Lydens hastighed (longitudinal bølger) er beskrevet ved følgende sammenhæng : eller v = / E)v 2 l P log E = log P + 2 log v For en givet værdi af hastigheden v er denne ligning en lige linie med hældningen 1, som kan indtegnes på fig. 2.5 eller i det tilsvarende detaljerede diagram. I en konkret materialevalgsopgave kan de interessante linier (designlinier) tegne s ind på kortet. Hvis der foreligger et veldefineret krav til lydens udbredelse i materialet indsætter konstruktøren denne værdi i ovennævnte ligning 2.2 og indtegner linien i diagrammet. Mulige 24