Kappaleen molekyylien käyttäytyminen mekaanisessa työstössä

[Huhmare]

Minua on kiinnostanut jo pitkään, että miten tietyn kappaleen molekyylit käyttäytyvät mekaanisessa työstössä.

Esimerkkinä lattaraudan sahaus, jossa saha poistaa mekaanisesti hankaamalla materiaalia. Mitä siellä molekyylitasolla oikein tapahtuu? Poistuvatko molekyylit yksiselitteisesti kokonaisina, vai voiko sillä tasolla tapahtua myös sitä, että esim. elektronit valitsevat atomit joihin mennä. Tapahtuuko tällaisessa työstössä sähkövarauksia, jotka määrittelevät elektronien paikan?

Tämänkaltainen työstö aiheuttaa monesti kappaleeseen lämpövaikutuksia, joka muokkaa molekyylirakennetta. Esimerkiksi sorvaus, jyrsintä, kulmahiomakone, yms. Nämä muokkaavat kappaleen molekyylirakennetta. Esimerkkinä jos puukkoa "terottaa" smirgelillä, niin terä helposti kuumenee liikaa ja rakenteen ominaisuudet kärsivät.

Saatan olla asiassa ihan hakoteillä, mutta tuo oli se ensimmäinen tuumailu asian suhteen.

Entäs jos työstetään jotakin kappaletta äärimmäisen suurella nopeudella? Mitä valonnopeudella työstäminen saa aikaan kappaleelle?(mahdotonta mutta silti ajatuksellisesti?)

[Wisti]

Kyllähän metallille jotain tapahtuu, kun se kuumenee ja vaikkapa karkaisussa molekyylirakenne muuttuu. Tämä näkyy töntgenkuvissa.
Työstökoneet ja molekyylit eivät ole oikein veljeksiä. Esimerkiksi milligramman tuhannesosan kokoinen rautahiukkanen sisältää 10^16 rauta-atomia.

[Neutroni]

Minua on kiinnostanut jo pitkään, että miten tietyn kappaleen molekyylit käyttäytyvät mekaanisessa työstössä.

Esimerkkinä lattaraudan sahaus, jossa saha poistaa mekaanisesti hankaamalla materiaalia. Mitä siellä molekyylitasolla oikein tapahtuu? Poistuvatko molekyylit yksiselitteisesti kokonaisina, vai voiko sillä tasolla tapahtua myös sitä, että esim. elektronit valitsevat atomit joihin mennä. Tapahtuuko tällaisessa työstössä sähkövarauksia, jotka määrittelevät elektronien paikan?

Työstössä revitään atomaarisessa skaalassa suuria kappaleita. Mutta repeäminen on atomitason asia. Kun raudan hilaan vaikuttaa liian suuri voima, atomien väliset sidokset venyvät ja lopulta rikkoutuvat ja syntyy repeämä. Käsittääkseni se on detaljitasolla erittäin monimutkainen asia.

Tämänkaltainen työstö aiheuttaa monesti kappaleeseen lämpövaikutuksia, joka muokkaa molekyylirakennetta. Esimerkiksi sorvaus, jyrsintä, kulmahiomakone, yms. Nämä muokkaavat kappaleen molekyylirakennetta. Esimerkkinä jos puukkoa "terottaa" smirgelillä, niin terä helposti kuumenee liikaa ja rakenteen ominaisuudet kärsivät.

Tuollainen repiminen saa atomit värähtelemään hilassa. Hilavärähtelyt ovat käytännössä lämpöä. Karkaisu perustuu siihen, että raudan hilaan muodostuu hyvin pieniä karbidikiteitä, jotka vahvistavat kidettä. Kuumennettaessa liikaa karbidikiteet hajoavat ja osa hiilestä liukenee tasaisemmin rauta-atomien väliin.

Entäs jos työstetään jotakin kappaletta äärimmäisen suurella nopeudella? Mitä valonnopeudella työstäminen saa aikaan kappaleelle?(mahdotonta mutta silti ajatuksellisesti?)

Siinä tapauksessa työstövoimat ovat paljon suurempia kuin atomien väliset sidokset. Rakenteellinen lujuus menettää merkityksensä ja energia muuttaa aineen plasmaksi. Esim. ydinpommien suunnittelussa koviakin metalleja käsitellään kaasuna, jolla on tietty tiheys, koska metalliatomien väliset sidokset ovat niissä oloissa merkityksettömiä.

[Susa]

Kaikki ainehan lähes pelkkää "ilmaa", tyhjyyttä. Atomin ydin on pinen pieni, mutta lähes kaikki atomin massa on siinä, ympärillä pörräävät elektronin, kaukana ytimestä.
Välissä vain tyhjyyttä.
Aurinkokuntaa voisi kuvitella atomiksi, paitsi että ytimessä on poikkeuksellisesti vain yksi protoni. Iso. Tällaisia aurinkokuntia sitten vieri viereen ja meillä on materiaalia.

[Huhmare]

Minua on kiinnostanut jo pitkään, että miten tietyn kappaleen molekyylit käyttäytyvät mekaanisessa työstössä.

Esimerkkinä lattaraudan sahaus, jossa saha poistaa mekaanisesti hankaamalla materiaalia. Mitä siellä molekyylitasolla oikein tapahtuu? Poistuvatko molekyylit yksiselitteisesti kokonaisina, vai voiko sillä tasolla tapahtua myös sitä, että esim. elektronit valitsevat atomit joihin mennä. Tapahtuuko tällaisessa työstössä sähkövarauksia, jotka määrittelevät elektronien paikan?

Työstössä revitään atomaarisessa skaalassa suuria kappaleita. Mutta repeäminen on atomitason asia. Kun raudan hilaan vaikuttaa liian suuri voima, atomien väliset sidokset venyvät ja lopulta rikkoutuvat ja syntyy repeämä. Käsittääkseni se on detaljitasolla erittäin monimutkainen asia.

Tämänkaltainen työstö aiheuttaa monesti kappaleeseen lämpövaikutuksia, joka muokkaa molekyylirakennetta. Esimerkiksi sorvaus, jyrsintä, kulmahiomakone, yms. Nämä muokkaavat kappaleen molekyylirakennetta. Esimerkkinä jos puukkoa "terottaa" smirgelillä, niin terä helposti kuumenee liikaa ja rakenteen ominaisuudet kärsivät.

Tuollainen repiminen saa atomit värähtelemään hilassa. Hilavärähtelyt ovat käytännössä lämpöä. Karkaisu perustuu siihen, että raudan hilaan muodostuu hyvin pieniä karbidikiteitä, jotka vahvistavat kidettä. Kuumennettaessa liikaa karbidikiteet hajoavat ja osa hiilestä liukenee tasaisemmin rauta-atomien väliin.

Entäs jos työstetään jotakin kappaletta äärimmäisen suurella nopeudella? Mitä valonnopeudella työstäminen saa aikaan kappaleelle?(mahdotonta mutta silti ajatuksellisesti?)

Siinä tapauksessa työstövoimat ovat paljon suurempia kuin atomien väliset sidokset. Rakenteellinen lujuus menettää merkityksensä ja energia muuttaa aineen plasmaksi. Esim. ydinpommien suunnittelussa koviakin metalleja käsitellään kaasuna, jolla on tietty tiheys, koska metalliatomien väliset sidokset ovat niissä oloissa merkityksettömiä.

Tämä kyseinen vastasi erittäin hyvin kysymykseeni. Kun nyt tiedetään, että raudassa on hilarakenne. Mietitään, että se on rakenne jonka rauta haluaa "säilyttää" esim. lattaraudan muodossa. Toki aineilla on tapana muuttaa muotoaan.hapettuminen(ruostuminen) (pakko sanoa, että kaupasta saatavat S235 ja S355 ovat rakenneteräksiä ja näitä on seostettu, mutta kyseisessä esimerkissä puhutaan vaan "raudasta") Kiinnostaa todella, että mitä siinä spesifisti tapahtuu, kun ensimmäinen sahanterän hammas osuu leikattavaan kappaleeseen. Sahanterän materiaali on jotain hyvin karbidipitoista yleisesti. Kuitenkin paljon kovempaa ja kestävämpää esim. hrc/hb asteikolla.

Vai onko "rautaiseen" kappaleeseen osuvalla materiaalilla mitää merkitystä? Jos oletetaan, että laitan esim. rautapalikan tämän kappaleen lähelle, niin periaatteessa voisi olettaa, että näillä kappaleilla on erilainen sähkövaraus. Toisaalta, kun kosketan tätä kappaletta on tällöin myös rautapalikka samassa potentiaalissa kuin itse kappale. Jos alan siirtämään tämän kappaleen pinnassa olevaa palikkaa hitaasti eteenpäin, niin hyvin pieni osa kappleen materiaalista siirtyy. Tästä tulee lopputuotteena rautapölyä ja ura muodostuu kappaleeseen. Jos nämä materiaalit ovat lähtökohtaisesti molemmat Fe. Se, mitä poistuu on tietty osa, se mitä jää on tietty osa. ja muokkaantuu uraksi. Jos ajatellaan, että kosketan jotakin toista kappaletta toisella, onko näin, että on erilaisia potentiaalieroja, jotka tasaantuvat kosketuksesta, joka saa aikaan kipinän? Voiko tätä ajatusta soveltaa tässä. Eli kun kosketan metallia metallilla, tapahtuu tämä jännitteen tasaus? jonka jälkeen liikuttamalla metallia eteenpäin toista vasten syntyy kitkaa ja lämpöä, myös poistaa materiaalia. Tämä kiinnostaa, että miten hilarakenne käyttätyy, poistaako rauta siitåä kuution muotoisesta hilarakenteesta yhden atomin. Mitenköhän raudan hapettuminen toimii, voisiko tällainen työstö käytännössä olla sama asia, kuin nopea ruostuminen?

[Neutroni]

Kiinnostaa todella, että mitä siinä spesifisti tapahtuu, kun ensimmäinen sahanterän hammas osuu leikattavaan kappaleeseen. Sahanterän materiaali on jotain hyvin karbidipitoista yleisesti. Kuitenkin paljon kovempaa ja kestävämpää esim. hrc/hb asteikolla.

Tuo menee jo aika erikoistuneeseen materiaalifysiikkaan.

Vai onko "rautaiseen" kappaleeseen osuvalla materiaalilla mitää merkitystä?

Se on jo arkikokemus, että lastuavassa työstössä materiaaleilla on merkitys. Terän pitää olla niin paljon kovempaa ja muuten kestävämpää (sitkeää, lämmönkestävää, korroosionkestävää jne.), että se kestää järkevän ajan lastujen irroittamista työstettävästä metallista valituilla työstöarvoilla.

Jos oletetaan, että laitan esim. rautapalikan tämän kappaleen lähelle, niin periaatteessa voisi olettaa, että näillä kappaleilla on erilainen sähkövaraus. Toisaalta, kun kosketan tätä kappaletta on tällöin myös rautapalikka samassa potentiaalissa kuin itse kappale. Jos alan siirtämään tämän kappaleen pinnassa olevaa palikkaa hitaasti eteenpäin, niin hyvin pieni osa kappleen materiaalista siirtyy. Tästä tulee lopputuotteena rautapölyä ja ura muodostuu kappaleeseen. Jos nämä materiaalit ovat lähtökohtaisesti molemmat Fe. Se, mitä poistuu on tietty osa, se mitä jää on tietty osa. ja muokkaantuu uraksi. Jos ajatellaan, että kosketan jotakin toista kappaletta toisella, onko näin, että on erilaisia potentiaalieroja, jotka tasaantuvat kosketuksesta, joka saa aikaan kipinän?

Normaali lastuava työstö perustuu atomien välisiin voimiin, jotka pitävät kiinteän aineen muodossaan. Sähkövarausten siirtymisellä ei ole käsittääkseni suurta merkitystä. Varsinkaan suurienergisillä elektroneilla tai plasmalla, jota kipinät ovat. Eri metalleilla on erilaiset fermitasot (energia, joka vaaditaan ylimmän miehitetyn elektronitilan elektronin repimiseen kiteestä avaruuteen), mikä johtaa sähkövarausten siirtymisiin niiden välillä. Se voi aiheuttaa sähkökemiallista korroosiota leikkuunesteen kanssa, mutta tietääkseni sillä ei ole juuri merkitystä työstötapahtumassa.

Tämä kiinnostaa, että miten hilarakenne käyttätyy, poistaako rauta siitåä kuution muotoisesta hilarakenteesta yhden atomin.

Yhtä atomia on vaikea poistaa. Normaali työstö ei poista yksittäisiä atomeja vaan terä tungetaan niin syvälle leikattavaan kappaleeseen, että se repii kiinteää ainetta irti. Normaalit koneistuslastut ovat atomaarisessa koossa valtavia. Atomi kerrallaan poisto voi onnistua vaikka elektronisuihkulla, mutta se vaatii valtavasti energiaa irroitettuun massaan nähden, kun jokainen sidos pitää katkaista. Työstämisessä katkaistaan sidokset yhdeltä 2-ulotteiselta pinnalta (ideaalisesti).

Mitenköhän raudan hapettuminen toimii, voisiko tällainen työstö käytännössä olla sama asia, kuin nopea ruostuminen?

Ei se ole. Hapettumisessa raudasta revitään johtavuuselektroneja irti. En tiedä millä mekanismilla se sitten johtaa siihen, että kiteestä irtoaa yksittäisiä rautaioneja ja liittyy hydroksidi- tai happi-ioneihin ruosteeksi. Ruostuminen tapahtuu atomi kerrallaan, niin kuin kemialliset reaktiot aina.

[Vanha jäärä]

Olet vienyt ajattelusi mekaanisesta työstöstä aivan turhan pieniin osasiin saakka. Työstö on prosessi, jossa makroskooppisia aineosasia (lastuja) repeytyy kappaleesta irti, kun siihen kohdistetaan riittävä määrä energiaa. Työstöenergia voidaan johtaa teräsärmän voimana tai kineettisenä tms. energiana jne., menetelmiä on todella monia. Lisäksi työstöenergia voidaan johtaa kappaleeseen muullakin tavalla kuin mekaanisesti, esimerkiksi erilaisena säteilynä, aaltoliikkeenä tai kemiallisena energiana.

Leikkaavan hampaan osuessa materiaaliin osa materiaalista myötää eli siirtyy paikoiltaan. Kun myötääminen on riittävän suurta, aineen sidokset pettävät ja lastu alkaa irrota. Tarvittava voima riippuu paitsi työstettävästä materiaalista, myös työstönopeudesta, lämpötilasta ja jännitystasoista.

Kuten Neutroni tuolla kirjoitti, kiinteätkin materiaalit ryhtyvät muistuttamaan nesteitä tai jopa kaasuja, kun jännitystasoja tai lämpötiloja nostetaan riittävästi. Näin työstöprosessin simulointi saattaa mennä kohtalaisen vaikeaksi, kun tulee hallita monenlaisia toisiinsa kytkeytyneitä prosesseja. Tämä jo silloin, kun ollaan tarkastelussa vielä täysin makrotasolla.

[John Carter]

Tarkkuutta tarvitaan tuossa. Entinen metallityön opettaja sanoi yläasteella aina, että silmällä kuin helmellä, katsoa saa, mutta ei koskea.