Særlig i tre land oppsto det på 1700-tallet egne sentre for materialviten; i Italia, Frankrike og England. Engelske Royal Society var ivrige, pluss læresetene Oxford og Cambridge. Kunnskapene vokste – med Opplysningstiden – bra også for bilteknikk.
Bildet øverst: Nye BMW iX3 er i stor grad basert på resirkulert aluminium fordi så mye nå er gjenbrukt – takket være initiativ fra Norsk Hydro. Resirkulert AL koster bare ca 5% av ny.(Foto: BMW)
Av Stein Bekkevold
Innsatsen for å øke effektivitet i biler, busser, lastebiler og tog, og senke forbruk og utslipp, viser viktigheten av materialvitenskap; poenget er å lage lettere saker.
Bilene måtte på 1970-tallet senke utslippene (CAFE) og trengte lavere vekt. Dette påvirket aluminium-, plast- og stålselskaper; 40 til 50 millioner biler og lastebiler bygges årlig. Materialforskere måtte bidra til bedre biler med lavere utslipp.
Når en BMW lages av resirkulert aluminium må de sjekke at alt er riktig presset – på tideler av en millimeter. Pressene justeres etter formingsegenskapene – gjenbrukt metall kan ha ulik tilbakefjæring (spring back) i pressene. (Foto: BMW)
Forskning
Industrien tok dette på alvor, og kom med opplegg for å utvikle bedre materialer. Aluminium Co of America (Alcoa) åpnet Senter for aluminiumbil, det samme gjorde Reynolds Metals. De laget metall og prosess for 3D-rammer av profiler og plater.
Alcan Canada drev programmet ASVT om limte platekarosserier. Og plastindustrien ville skifte ut metalldeler, og startet D&S Plastics Int. i Detroit, med tre selskaper. De skulle skaffe viten om limte deler; paneler og støtfangere. En ny 4000-tonns presse halverte kostnadene, og plast i bil ble mer attraktivt. Stål ble sakte skjøvet ut.
Metallene
Bruken av metall kom med bronsealderen – i Mesopotamia ca 3500 før år Null. Hos oss varte den fra ca 1700 til 500 før Null. Bronse avløste kobberbruken – bronse er en hard og slitesterk legering av kobber og tinn, pluss litt sink – til redskaper og våpen; kobber og sinkblir messing, og begge er kobbermetall.
Bronse ble foreldet med Jernalderen. Den kom ca 1500 år før Null i Midtøsten, og 700 år senere til Europa – Norden brukte jern fra ca 500 år f.N.
Det var den industrielle revolusjon i England som satte fart på det, og kong Charles II fikk i 1660 startet Royal Society – verdens eldste vitenskapsakademi. Det startet med Robert Boyle med folk som Francis Bacon, Chr. Wren, Robert Hooke (Boyles elev), Isaac Newton og Thomas Young, noen av mange hundre. Andre land fikk sine sentra, men ingen ble så toneangivende – med slik virksomhet og gjennomslagskraft.
Revolusjon
Svært mye av det som ble vist i Royal Society brukes nå i bil. Derfor: I tiltak for å skape bedre biler har materialforskere med kunnskap om nye metaller, ny plast og ny keramteknologi ledet til at nye behov ble identifisert og tiltak utført.
Aluminium veier en tredel av stål, så da er vel lurt å bruke det for å senke vekten? Men ikke uten å se på ulikheter – stål er tre ganger stivere. Vi må granske materialegnethet ut fra kravene; for aluminium mot stål sjekket man paneler – dører, panser, bagasjeromlokk og tak – ca 60 prosent av bilens vekt – og konstruerte om alt.
To sentrale egenskaper ved metall er nemlig Hookes flytegrense – å motstå varig deformasjon – styrke/fasthet, og Youngs elastisitetsmodul, om elastisk bøying – stivhet.Hooke sa: «som forlengelsen, så kraften.» Om kraften F gir forlengelsen dx gir kraften 2F forlengelsen 2dx. Dette gjelder til materialet gir opp og blir plastisk.
En Bessemer stålkonverter i full sving – med innblåsing av luft/oksygen for å brenne vekk urenheter. (Foto: Alfred T Palmer)
Stål
Apropos Hooke og Young må vi hilse på det moderne stålets far, sir Henry Bessemer (1813 –1898) – ivrig engelsk oppfinner. Hans bessemerkonverter var nr. 1 i å lage stål på 1800-tallet – og i nesten hundre år. Han ville senke prisen på – og øke kvaliteten til – militært stål, og oppfant metoden å blåse luft gjennom smeltet råjern og brenne urenheter – i reaksjon med luftas oksygen. Dette gjorde godt stål billigere, og snudde opp ned på bruk og konstruksjoner.
Bessemer var sentral oppfinner i Den andre industrielle revolusjon, og fikk 130 patenter innen jern, stål og glass. Ulikt andre brukte han selv sine patenter og tjente seg styrtrik. I 1879 ble han slått til ridder for bidrag til vitenskapen – og ble medlem av Royal Society.
Andre har senere utviklet legeringer med svært stor styrke (fasthet) men det har mindre å si for stivheten – den styres særlig av geometrien; et A4 ark papir senket på høykant mot bordplaten krøller seg men det samme papiret formet som sylinder er stivt …
E-modul
Aluminiumlegeringer kan nå flytegrense likt karosseristål – 400/500 MPa. Men dette påvirker ikke E-modulen – de inneholder fortsatt + 95 % aluminium – med E-modul 70 GPa mot jern/stål 210. Derfor blir aluminium fort ubrukelig til store flater – panelene bulker og flagrer …Dette kan overvinnes ved å øke tykkelsen til tre ganger den i stålet, altså til 4 millimeter. Men dette øker vekten til den samme som i en lik del av stål – og vekt-poenget tapes.
Løsningen er å omkonstruere delen. Dette ble igjen vist i 1980 av to britiske materialforskere, M. Ashby og D. Jones. De påpekte at vi kan bruke aluminium som bare er litt tykkere enn stål, og fortsatt få god løsning. Vi må bare ta hensyn til at et dørpanel er begrenset av og innfestet i dørkantene. Geniet L. Euler viste midt på 1700-tallet at stivheten i staver og paneler kommer av innspenningen. Teknikken er brukt i fly i godt over 100 år. Lite er nytt under solen …
Lettere bil
Resultatet med smart bruk av legert aluminium vil være 2/3 av vekten av en stålbil. Sammenhengen mellom materialegenskaper og struktur-design er derfor sentralt i god materialvitenskap. Og det er riktig å gi flyindustrien ros – der har de forsket i dette siden brødrene Wright tok av …
Enda en viktig sak for materialforskeren er legeringsutvikling, å finne legeringer for nye bruksområder; Alcoa laget en støpelegering for aluminiumsnoder (koblingsstykker) i 3D-rammene. Normalt har metall-støpegods liten seighet, duktilitet, og får sprøbrudd med total svikt. Samlet fasthet og stivhet i en bil vil jo være begrenset av slike komponenter, så de patenterte en støpelegering med egen prosessering, og fikk større duktilitet enn i vanlige støpelegeringer. Smart. Og sånn kunne vi fortsette …
(Hovedkilder: Egne lærebøker (Maskinelementer, Materialteknikk, The New Science of Strong Materials) pluss Encyclopedia Britannica.)
