Luento 2. Kon Teräkset DI Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikka Aalto-yliopisto

Transkriptio

1 Luento 2 Kon Teräkset DI Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikka Aalto-yliopisto

2 Rauta-hiili -tasapainopiirros Honeycombe & Bhadeshia s Uudistettu Miekk oj s

3 Rauta (Fe) hiili (C) -tasapainopiirros (stabiili)

4 Rauta (Fe) hiili (C) -tasapainopiirros (stabiili) Rauta esiintyy 3 faasina: Deltaferriitti (TKK) merkitään d Austeniitti (PKK) merkitään g Alfaferriitti (TKK) merkitään a Hiili esiintyy grafiittina Lisäksi kaksifaasialueita Edellisten yhdistelmiä

5 Rauta-sementiitti -tasapainopiirros

6 Sementiitti (Fe 3 C)? Erityisesti matalilla hiilipitoisuuksilla grafiittiytimien (100 %C) muodostuminen on hankalaa. Grafiitin sijaan ydintyy raudan ja hiilen metastabiili karbidi Fe 3 C Vaatii pienemmän hiilikonsetraation (1/4 grafiitista). Myös monet seosaineet suosivat sementiitin muodostumista Sementiitti Metastabiili rakenne (hajoaa, jos siihen edellytykset esim. korkeissa lämpötiloissa) 25 a-% ts. 6,68 p-% C Ortorombinen kiderakenne (12 Fe- ja 4 C-atomia) Kova ja hauras rakenne.

7 Rauta (Fe) sementiitti (Fe 3 C) tasapainopiirros (metastabiili)

8 Rauta (Fe) sementiitti (Fe 3 C) tasapainopiirros (metastabiili) Rauta esiintyy 3 faasina: Deltaferriitti (TKK) merkitään d Austeniitti (PKK) merkitään g Alfaferriitti (TKK) merkitään a Hiili esiintyy sementiittinä Merkitään Fe 3 C Lisäksi kaksifaasialueita Edellisten yhdistelmiä

9 Fe-C ja Fe-Fe 3 C piirrosten erot

10 Rauta-hiili ja rauta-sementiitti - tasapainopiirrokset Valurautojen kohdalla käytetään usein tarkastelun lähtökohtana rauta-hiili tasapainopiirrosta. Terästen kohdalla käytetään rauta-sementiitti tasapainopiirrosta. Reaalimateriaaleille todellisuus on yhdistelmä molempia Jäähtymisnopeudesta, seostuksesta ja koostumuksesta riippuen hiili voi esiintyä sekä karbidina että grafiittina.

11 Fe-Fe 3 C tasapainopiirroksen tasapainopisteet Peritektinen piste d+l fig Eutektinen piste L fig+fe 3 C Eutektoidinen piste: g fia+fe 3 C

12

13 Alieutektoidinen seos

14 Ylieutektoidinen seos

15 Esieutektoidinen reaktio

16 Fe-Fe 3 C tasapainopiirroksen nimetyt rajat A 1 A 2 A 3 A 4 A cm A 0

17 Fe-Fe 3 C tasapainopiirroksen nimetyt rajat A 1 eutektoidinen reaktio A 2 a-ferr. Curiepiste A 3 austeniitti - a-ferr. A 4 austeniitti - d-ferr. A cm sementiitti - austeniitti A 0 sementiitin Curiepiste

18 Miten diffuusio liittyy austeniitin hajaantumiseen? A 1 faasirajalla austeniitti muuttuu epästabiiliksi ja muuttuu ferriitiksi ja sementiitiksi. Austeniitin hajaantuminen kahdeksi faasiksi edellyttää hiilen jakaantumista uudelleen rakenteessa diffuusion avulla. Hiilen täydellinen diffuusio vaatii aikaa ja korkean lämpötilan toimiakseen. Austeniitin hajoamisen lopputulosta riippuu siitä, miten hiilen diffuusio ehtii tapahtua eli lämpötilan muutosnopeuden mukaan. Austeniitti Perliitti + esieutektoidiset faasit Bainiitti Martensiitti Hidas jäähdytys Keskinopea jäähdytys Nopea jäähdytys

19 Hiilen liukoisuus Fe-rakenteeseen Ferriitin ja austeniitin välillä on merkittävä ero kyvyssä liuottaa hiiltä. Ferriitti liottaa hyvin vähän hiiltä =>Hiilen diffuusionopeus ferriitissä on suuri. =>Hiili kykenee liikkumaan diffuusion avulla ja pyrkii muodostamaan oman faasirakenteensa.

20 Faasimuutoksen ajava voima

21 0,5 %C, Fe Fe 3 C mukaisesti

22 Alieutektoidisen teräksen mikrorakennemuutokset tasapainon mukaisessa jäähtymisessä: a) 1600 C:ssa teräs (0,5 %C) on sulaa. b) Teräs alkaa jähmettymään noin 1500 C:ssa d- ferriitiksi. c) 1493 C:ssa syntynyt d- ferriitti muuttuu austeniitiksi ja jähmettyminen jatkuu lämpötilan laskiessa. d) Noin 1425 C:ssa seos on jähmettynyt kokonaan austeniitiksi. d-ferriitti g a Sula b Sula+d-ferriitti c Sula + austeniitti d Austeniitti

23 Esieutektoidiset reaktiot ja rakenteet Jäähtymisnopeudesta riippuen esieutektoidiset rakenteet voivat olla tasa-aksiaalisia tai suuntautuneita. Lisäksi syntyvän rakenteen alijäähtymisestä riippuen uusien ytimien muodostuminen voi tapahtua heterogeenisesti tai homogeenisesti. Ydintymismekanismista riippuen uudet kiteet syntyvät perinnäisen austeniitin raerajoille ja/tai sen sisälle Kideorientaatiosuhde austeniitin ja ferriitin välillä (allotriomorfinen rakenne Kurdjumov-Sachs orientaatio)

24 Esieutektoidinen ferriitti

25 Esieutektoidisessa reaktiossa syntyvät ferriittirakenteet jäähtymisnopeuden mukaan

26 Esieutektoidinen sementiitti

27 Esieutektoidisessa reaktiossa syntyvät sementiittirakenteet jäähtymisnopeuden mukaan

28 Perliittireaktio Honeycombe & Bhadeshia s Uudistettu Miekk oj s

29

30 Perliittireaktio. Jos hiilen diffuusiolle on edellytykset, eli jäähtyminen on riittävän hidasta, hajoaa austeniitti ferriitin ja sementiitin lamellimainen seokseksi => PERLIITTI. Perliitin muodostumisalue noin C. Mitä alemmassa lämpötilassa perliitti muodostuu, sitä hienojakoisempi lamellirakenne muodostuu. Hienojakoinen rakenne lisää lujuutta ja sitkeyttä.

31 Perliittireaktion kinetiikka Kun lämpötila laskee riittävästi alle A 1 lämpötilan, ydintyy stabiili sementiitti- tai ferriittiydin austeniittikiteen raerajalle tai sulkeumaan. Oletetaan, että syntyvä ydin on ferriittiä. Ferriitin hiilipitoisuus on pieni, joten kasvava ydin pakottaa hiilen siirtymään kiderintaman edessä austeniittiin. Austeniitin hiilipitoisuus kasvaa. Kun austeniitin hiilipitoisuus kasvaa riittävän suureksi, ydintyy sementiittiydin. Sementiitti köyhdyttää austeniittia hiilestä. Kasvavan sementiittikolonian edellä austeniitin hiilipitoisuus laskee. Kun hiilipitoisuus laskee riittävän alas, ydintyy ferriittiä. Sementiitti ja ferriitti vuorottelevat, jolloin syntyy lamellimainen rakenne. Lamellien etäisyys riippuu hiilen diffuusionopeudesta eli viime kädessä lämpötilasta.

32

33 Perliittikolonian kasvumekanismi

34 Perliittikolonian kasvu

35 Perliitti (eutektoidinen rakenne)

36 a + Fe 3 C Hyvin matalalla hiilipitoisuudella sementiitti saattaa esiintyä pallomaisena rakenteena. Lisäksi sementiitti saatetaan lämpökäsitellä pallomaiseen muotoon.

37 0,5 %C, Fe Fe 3 C mukaisesti

38 e) 850 C:ssa koko rakenne on austeniittia. f) Austeniitin raerajoille muodostuu esieutektoidista ferriittiä 770 C:ssa. Välillä f-g esieutektoidisen ferriitin määrä kasvaa rakenteessa austeniitin määrä vähentyessä. Austeniitin ja esieutektoidisen ferriitin koostumukset muuttuvat faasirajojen mukaisesti. g) Lopulta austeniitti on saavuttanut eutektoidisen koostumuksen. Esieutektoidisen ferriitin muodostuminen loppuu. h) Eutektoidisessa lämpötilassa austeniitti hajoaa eutektoidisella reaktiolla ferriitin ja sementiitin muodostamaksi lamellimaiseksi rakenteeksi, eli perliitiksi. Esieutektoidinen ferriitti ei osallistu eutektoidiseen reaktioon. Eutektoidisen lämpötilan alapuolella tapahtuu enää pieniä koostumusmuutoksia. e f g h

39 0,25 %C, Fe Fe 3 C mukaisesti

40 Perliitti Esieutektoidinen ferriitti

41 1,1 %C, Fe Fe 3 C mukaisesti

42

43

44 d +L d (ferriitti) peritektinen piste L d+ g g+l eutektinen piste g (austeniitti) L+Fe 3 C A cm g+fe 3 C a+g A 3 a (ferriitti) A 1 eutektoidinen piste a+fe 3 C Fe 3 C (sementiitti)

45 Kuva: Teräskirja, Metallinjalostajat ry

46 Austeniitin hajoamisen kinetiikka Austeniitin hajoaminen perliitiksi on luonteeltaan ydintymis- ja kasvuprosessi. TS. muutos on tasapainoilua ydintymistä ajavan voiman ja diffuusionopeuden suhteen Rakenteen muutosnopeudella maksimikohta, jossa uusien kiteiden ydintyminen ja hiilen diffuusionopeus ovat maksimissaan. Matalammassa lämpötilassa kasvu hidasta hitaan diffuusion vuoksi. Korkeammassa lämpötilassa ydintyminen hidastuu. Muodostuu C-kirjaimen muotoinen kuvaaja T-t kuvaajassa. NS. PERLIITTINENÄ.

47

48 Perliitin lamellivälit Ferriitti- ja sementiittilamellien välimatkan kasvaminen pienentää rakenteen sisäistä energiaa. Lamellien välimatkan kasvaminen pidentää hiilen diffuusiomatkaa. Lamelliväli on kullekin lämpötilalle ominainen optimietäisyys. Jäähtymisnopeudella voidaan vaikuttaa syntyvän perliitin lamellikokoon.

49 Austenitoituminen Uudistettu Miekk oja s

50 Austenitoituminen Lämpökäsittely aloitetaan yleensä austenitoinnilla Terästä hehkutetaan austeniittialueella, kunnes mikrorakenne muuttuu austeniittiseksi. Tavoitteena homogeeninen austeniittirakenne. Tapahtuu peritektoidinen reaktio Austeniittikide syntyy ja kasvaa ferriitistä ja sementiitistä. Lämpötilasta riippuva reaktio Korotettu lämpötila nopeuttaa homogeenisen austeniitin syntymistä. Karbidien liukeneminen austeniittiin nopeutuu lämpötilan noustessa. Liian korkean hehkutuslämpötilan vaarana austeniittirakeiden kasvu. Raerajoihin sitoutunut pintaenergia pyrkii pienemään. Suuri perinnäisen austeniitin raekoko tekee rakenteen hauraaksi. ( a + Fe3C fi g ) suurempi raekoko

51 Austenitointipiirros

52 Hiiliteräkset

53 Hiiliteräkset Pääseosaineet rauta (Fe) ja hiili (C). Lisäksi: Mn Jäännösseosaineita romusta ja rikasteesta Valmistuksen aikana käytettyjä seosaineita Deoksidointi: Si, Al.

54 AISIn määritelmä hiiliteräkselle Rauta-hiili seos, jossa: max 1,65 %Mn, max 0,6 %Si, max. 0,6 %Cu ja Ei alarajamääritelmää muille tarkoituksella lisätyille seosaineille Epäpuhtaisaineiden ylärajamääritelmä Esim max 0,05 %S ja %P.

55 Hiiliteräkset Hyvin vähän tai ei ollenkaan seostettuja teräksiä. Teräksen valmistuksen apuaineita ei lasketa seosaineiksi. Joskus C-Mn -teräkset ja mikroseostetut teräkset luetaan kuuluvan tähän ryhmään. Mekaaniset ominaisuudet syntyvät teräksen hiilipitoisuuden (%C) mukaisesti.

56

57

58 Perliitin lamellietäisyys ja perliitin lujuus

59 C-Mn terästen lujuus ja perliitin (hiilen) vaikutus iskusitkeyteen

60 Niukkahiiliset teräkset Levyt, tangot, profiilit Koneenosat, taottavat kappaleet Kuuma- ja kylmämuovatut putket, langat, ohutlevyt Syvävedetttävät tuotteet Myös hiiletyskarkaisuun Kulumiskestävyyden parantaminen

61 Kuumavalssaus Suoritetaan korkeassa lämpötilassa => dynaaminen rekristallisaatio aikaisempi raerakenne uudistuu jatkuvasti raekoko pienenee => lujuus kasvaa valssauksen jälkeinen jäähdyttäminen vaikuttaa mikrorakenteeseen

62

63 Normalisointikäsittely Koska perinteisen kuumavalssauksen lopetuslämpötila on korkea, saattaa rakenteessa tapahtua rakeenkasvua. Tämän vuoksi suoritetaan usein normalisointihehkutus: Levyn lämpötila nostetaan n. 100 C yli A 3 -lämpötilan ja suoritetaan hallittu jäähdytys ilmassa. Syntyy tasa-aksiaalinen austeniittirakenne, joka hajoaa pienirakeiseksi ferriittis-perliittiseksi rakenteeksi.

64 Raekoon pienentäminen on nopea tapa nostaa lujuutta Raekoko pienenee

65 Yleisimmät kaksi hiiliterästä Matalahiiliset S235JR ja S355J2G3

66 S235JR ja S355J2G3 Standardi Käytössä SFS EN S235JR S355J2G3 SFS-EN Fe 360 B Fe 510 D1 SFS Fe 37 B Fe 52D DIN Ennen 1969 St 37 St 52-3

67

68 SFS-EN Kemiallinen analyysi

69 SFS-EN Mekaaniset ominaisuudet

70 S235JR ja S355J2G3 S235JR: 0,08%C, 0,44%Mn S355J2G3: 0,15%C, 1,43%Mn

71 Teräslajikohtaiset seosainelisät (Ovako tammikuu, 2016)

72 Valssattujen terästen hintoja (peruslaadut, base-price) Lähde: Teknologiateollisuus ry

73 Valssattujen terästen hintoja (base-price) Lähde: Teknologiateollisuus ry

74 Seuraavalla kerralla: -Bainiittireaktio -Martensiittireaktio