Metallit

Transkriptio

1 Metallit 2005

2 Lämpökäsittely Austenointi tehdään hyvin korkeassa lämpötilassa verrattuna muihin teräksiin Liian korkea lämpötila tai liian pitkä aika voivat aiheuttaa vetelyjä, rakeenkasvua, murtovenymän pienenemistä, lujuuden laskua (etenkin pikateräksillä jotka austenoidaan lähellä solidusta) Liian matala lämpötila aiheuttaa kovuuden ja kulumiskestävyyden pienenemisen Kappaleen kulmat halkeilevat sammutuksen yhteydessä jos keskiosa on kylmempi kuin reunat Hiilenkatoa ei saa esiintyä 2

3 Lämpökäsittely Austenointi Austenointi tehdään kaksifaasialueella. Karbidien pieni koko ja iso tilavuusosuus pitää austeniitin raekoon pienenä. Ne seosaineet jotka eivät sitoutuneet karbideihin ovat liuenneina austeniittiin. Austeniitin koostumusta säädellään karbideilla. Austeniitin koostumus vaikuttaa karkenevuuteen, Ms lämpötilaan, jäännösausteniitin määrään ja sekundääriseen karkenevuuteen 3

4 Lämpökäsittely Austenointi Liian nopea lämmitys voi aiheuttaa halkeilua ja vetelyjä. Yksi tai useampia esilämmityksiä. Pitoaika lopullisessa austenointi lämpötilassa on mahdollisimman lyhyt. Hiilenkato halutaan välttää. Kappale upotetaan sulaan suolaan Sammutus Jäähtymisnopeus säädellään sammutusväliaineella. Tavoitteena martensiittinen rakenne. Seostuksella vaikutetaan perliitti- ja bainiittireaktion alkuun. Etappikarkaisulla saadaan tasattua jäähtymisen aiheuttama lämpötilaero ja vähennettyä jännityksiä 4

5 Lämpökäsittely Päästö Ensimmäisessä päästössä syntyvät karbidit pienentävät jäännösausteniitin hiilipitoisuutta (ja M s lämpötilaa), jolloin päästön jälkeisessä hitaassakin jäähtymisessä syntyy uutta martensiittia Uusi martensiitti pitää päästää. Jäännösausteniitin määrää tarkastetaan päästöjen aikana. Päästöjä jatketaan kunnes uutta martensiittia ei enään synny. Usein 2-3 kertaa riittää, mutta neljääkin käytetään 5

6 6

7 7

8 Maraging teräkset Suuri lujuus, mutta pieni hiilipitoisuus Martensite age hardening (martensiitin erkautuskarkaisu) Eri laatujen myötölujuus sijoittuu välillä MPa Pienen hiilipitoisuuden takia karkaisun jälkeisen martensiitin kovuus on matala HRC Pehmeässä tilassa voidaan koneistaa mutkikkaita muotoja Hyvä hitsattavuus, hyvä murtumissitkeys Hiili muodostaa helposti ei toivottavaa titaanikarbidia (TiC) Lujuus, murtovenymä ja sitkeys laskevat 8

9 Maraging teräkset Seosaineet Nikkeli, koboltti ja molybdeeni Nimeäminen 18Ni(200) Nikkelipitoisuus 18% Myötölujuus 200 ksi = 1380 MPa Maraging teräkseen muodostuu martensiittinen rakenne lähes aina vaikka jäähtymisnopeus olisi hyvin hidas Nikkeli ja molybdeeni laskevat M s lämpötilaa Koboltti lisäyksellä voidaan käyttää suurempia seosainepitoisuuksia, sillä se nostaa M s lämpötilaa 9

10 Maraging teräkset Lämpötilan nostaminen mahdollistaa niukkahiilisen martensiitin hajaantumisen 3-9h C Ennen tasapainopiirroksen mukaisen rakenteen mudostumista syntyy nikkelipitoisia erkaumia jotka nostavat kovuutta (ja lujuttaa) Liian pitkä lämpökäsittely aiheuttaa erkauminen koon kasvamista, austeniitin muodostumista, erkaumien liukenemista -> kovuus laskee 10

11 Mangaaniteräkset Hadfieldin mangaaniteräkset. Mn- pitoisuus %, C- pitoisuus %: Rakenne metastabiilina austeniittina pysyvä huoneenlämpötilassa (martensiittireaktion alkamislämpötila huoneenlämpötilan alapuolella) Korkea austenointilämpötila (karbidien liuottaminen); rakeenkasvu seurauksena, jonka vuoksi kehitetty niukemmin hiiltä ja mangaania sisältävät versiot ( n. 6% Mn) Vesisammutus (karbidierkaumien estäminen) 11

12 Martensiittireaktion alkamislämpötila 12

13 Mangaaniteräkset Voimakkaasti kuluttava iskumainen kuormitus lujittaa teräksen pintaa sitä mukaa kuin kuluminen edistyy ja uutta pintaa paljastuu kulumiselle alttiiksi; erittäin hyvä kulumiskestävyys perusluonteeltaan sitkeällä materiaalilla Kulutuksen oltava riittävän voimakasta; hankaava kulutus ei riitä Metastabiili austeniittinen rakenne on sitkeää ja muodonmuutoskykyistä Metastabiilisuudesta johtuen austeniitti voi voimakkaassa muokkauksessa muuttua osittain martensiitiksi. Kun tähän yhdistyy austeniitille tyypillinen muokkauslujittuminen, lujittuu teräksen pinta voimakkaasti muokkauksen ansiosta (työstökarkeneminen). Kovuus nousee arvosta 200 HV jopa arvoon 600 HV 13

14 Teräkset korkeisiin käyttölämpötiloihin

15 Jako käyttötarkoituksen mukaan Tulenkestävyydellä tarkoitetaan metallin kykyä kestää hapettumista korkeissa lämpötiloissa lämpötila jopa luokkaa 1300 C rakenteen ei tarvitse kantaa kuorimia, mekaanisilla ominaisuuksilla ei yleensä väliä Kuumalujat materiaalit kestävät jännityksiä korkeissa lämpötiloissa alle 550 C lämpötiloissa hapettuminen ei yleensä aiheuta ongelmia korkeammissa lämpötiloissa myös hapettumisen kestävyys tulee huomioida 15

16 Hapetumminen Korkeissa lämpötiloissa metalli hapettuu ja muodostaa oksidia. Mikäli syntyvä oksidikerros suojaa hapettumiselta on metalli tulenkestävä (vertaa korroosioon). Suojavaikutukseen vaikuttaa oleellisesti oksidikerroksen rakenne huokoinen kerros -> ei suojaa hilseilevä kerros -> ei suojaa tiiviskerros -> suojaa 16

17 Esimerkki raudan hapettumisesta 17

18 Hapettuminen Huokoinen kerros muodostuu kun syntyvän oksidin tilavuus on pienempi kuin hapettuvan metallin. Koska tilavuus on pienempi jää kerrokseen rakoja joiden kautta happi pääsee kosketuksiin metallipinnan kanssa. Jos syntyvän oksidin tilavuus on huomattavasti suurempi kuin hapettuvan metallin, syntyy puristusta minkä seurauksena oksidi lohkeaa pois. Happi pääsee kosketuksiin metallin kanssa. 18

19 Hapettuminen Tiiviin kerroksen edellytys on että syntyvällä oksidilla on sama tilavuus tai hieman suurempi tilavuus kuin hapettuvalla metallilla. Jotta hapettuminen jatkuisi täytyy elektronien, hapen ja metallin kulkea syntyneen oksidikalvon läpi. Koska kalvon paksuus kasvaa, hidastuu hapettuminen aikaa myöten. hapettuminen ei siis täysin lakkaa, mutta sen eteneminen on hallittua. 19

20 Seosaineet ja tulenkestävyys Tulenkestävyyttä parannetaan lisäämällä metalliin seosaineita jotka muuttavat syntyvän oksidikerroksen ominaisuuksia tilavuus oksidikalvon sähkönvastus metallin diffuusio hidastuminen hapen diffuusion hidastuminen 20

21 Tulenkestävän teräkset Kromin lisääminen teräkseen aiheuttaa Cr 2 O 3 oksidin muodostumisen teräksen pintaan. Suurempi kromipitoisuus aiheuttaa paksumman ja suojaavamman kerroksen. Tyypillinen kromipitoisuus on 25%. Kromi suojaa terästä paremmin, jos sen hiilipitoisuus on matala. Muutoin kromi muodostaa mielellään kromikarbideja ja suoja vaikutus häviää. 21

22 Tulenkestävät teräkset Kromin ja nikkelin lisääminen (25% Cr ja 12% Ni) saa aikaan austeniittisen rakenteen joka on ferriittistä rakennetta sitkeämpi kaikissa lämpötiloissa ja lujempi korkeissa lämpötiloissa. Austeniittisen teräksen lämpölaajeneminen on voimakkaampaa kuin ferriittisen. Lämpötilan muutokset aiheuttavat jännityksiä jotka voivat rikkoa suojaavan oksidikerroksen ja aiheuttamaan hilseilyä. Pii ja alumiini seostus parantaa edelleen ferriittisten ja austeniittisten laatujen tulenkestoa. 22

23 Kuumalujat teräkset Niukkahiiliset teräkset sopivat paremmin kuumalujuutta vaativiin käyttökohteisiin, sillä hiilen aikaansaama lujuus häviää korkeissa lämpötiloissa. Lujuutta saadaan lisää 0.5-1% Mo lisäyksellä (kardibierkaumat, Mo suotautuminen raerajoille). Molybdeeni ei paranna hilseilyn kestävyyttä, joten usein käytetään pientä (1%) kromilisäystä Suurempaa kromipitoisuutta käytetään korroosionkeston parantamiseen. Myös martensiittiset ruostumattomat teräkset sopivat korroosion-, hilseilynkeston perusteella kuumalujiksi teräksiksi. 23

24 Austeniittiset ruostumattomat teräkset Austeniittinen kiderakenne kestää virumista ferriittistä paremmin, sillä virumisille ominainen dislokaatioliike on pkk rakenteessa hankalampaa kuin tkk rakenteessa. Austeniittisissa teräksissä ei tapahdu muita mikrorakenne muutoksia kuin rakeenkasvu, joka puolestaan hidastaa virumista. Rakenteessa mahdollisesti oleva ferriitti heikentää ominaisuuksia, joten tavallisesti kuumalujiin austeniittisiin teräksiin lisätään austentiittia suosivia ylimääräisiä seosaineita (Mn, N). 24

25 Teräksen haurausilmiöt Puhtaan raudan raerajamurtuman (intergranular) aiheuttavat epäpuhtaudet Suotautuvat raerajoille esimerkiksi jähmettymisen yhteydessä Happi, rikki, fosfori, seleeni ja telluuri Sinihauraus (blue brittleness) Korkeassa lämpötilassa tapahtuva myötövanheneminen (strainaging) Dislokaatioiden lukkituminen välisija-atomeihin Sammutusvanheneminen (quench ageing) Ferriitti jäähdytetään yksifaasiselta alueelta nopeasti, jolloin hiili jää ylikylläiseksi liuokseksi Vähitellen hiiltä kertyy dislokaatioihin, jolloin kovuus ja lujuus nousevat ja murtovenymä pienenee 25

26 Päästöhauraus Päästölämpötilan nostaminen kasvattaa murtovenymää lineaarisesti kun taas iskusitkeys voi laskea Iskusitkeyden alenemisesta käytetään nimitystä (alempi)päästöhauraus (tempered martensite embrittlement, TME) Ilmiö tapahtuu tyypillisesti lähellä 300 C ja siitä käytetään nimitystä alempi päästöhauraus Ilmiö ei näy myötö- tai murtolujuudessa Syynä voi olla austeniitin raerajoille kertyneiden epäpuhtauksien aiheuttama sementiitin muodostus ja/tai sementiitin muodostuminen martensiittin raerajoille Ilmiö korostuu fosforipitoisuuden kasvaessa 26

27 Alempi päästöhauraus 27

28 Päästöhauraus Seostetun teräksen transiitiolämpötila nousee, jos sitä pidetään pitkään lämpötila-alueella C. Ilmiöstä käytetään nimitystä ylempi päästöhauraus (temper embrittlement) Pienet pitoisuudet tinaa, antimonia, fosforia yhdessä seosaineiden (kromi ja/tai mangaani) altistavat seostetun teräksen ylemmälle päästöhauraudelle. Hiiliteräksissä sitä ei esiinny Syynä ajatellaan olevan edellämainittujen aineiden kertyminen austeniitin raerajoille 28

29 Ylempi päästöhauraus 29

30 Ylempi päästöhauraus Transiitiolämpötilan muuttuuminen teräkselle

31 Vety Vedystä ei ole mitään hyötyä teräksissä, mutta haittaa sitäkin enemmän. Vetyä voi tulla teräkseen Jähmettymisen yhteydessä (vedyn liukoisuus pienenee) Petsauksessa Elektrolyyttisissä pinnoituksissa Vetypitoisista nesteistä tai kaasuista Atomaarinen vety diffudoituu kiderakenteen väljiin kohtiin ja muodostaa vetymolekyylin Sisäinen paine heikentää metallin (Myös muita haitallisia mekanismeja esiintyy) 31

32 Jännityskorroosio Jännityksen ja korroosion esiintymisestä yhtäaikaa käytetään nimitystä jännityskorroosio (stress-corrosion cracking, SCC) Jännitykset voivat olla vaikkapa kylmämuokkauksen aiheuttamia jäännösjännityksiä ja korroosio ilman kosteudesta Jännityskorroosiota esiintyy monilla metalleilla (messinki, karkaistu teräs, alumiini, ruostumaton teräs) Altistava yhdisteet ovat usein klorideita, mutta myös monet muut ovat haitallisia 32

33 Alumiini

34 Alumiinin valmistaminen Alumiinia valmistetaan pääasiassa bauksiitista jota syntyy trooppisissa olosuhteissa silikaattimineraalien rapautuessa. Tärkeimpiä bauksiitin esiintymisalueita ovat: Australia Brasilia Intia Kiina Länsi-Afrikka Venäjä Yhdysvallat Suomessa ei esiinny bauksiittia 34

35 Bauksiitti Jalostetun bauksiitin tyypillinen koostumus on Al 2 O % Fe 2 O 3 <28% SiO 2 <6% TiO 2 <3% H 2 O <12-30% Oksidit esiintyvät bauksiitissa hydratoituneessa muodossa eli esimerkiksi Al 2 O 3 tulee joko Al(OH) tai Al(OH) 3 yhdiste. Rautaoksidi antaa bauksiitille sille tyypillisen punaruskean värin. 35

36 Alumiinioksidin valmistus Ennen kuin bauksiitista saadaan alumiinia se jalostetaan puhtaaksi alumiinioksidiksi. Tyypillisesti käytetään Bayerin prosessia mursakaus kuivaus jauhaminen liuotus natriumhydroksidiin liukenemattomien epäpuhtauksien sakeuttaminen suodatus ja jäähdytys alumiinihydroksidin sakeutuminen natriumhydroksidin poistaminen (pesu) alumiinihydroksidin kuivaus (kalsinointi) 36

37 Alumiinioksidin valmistus 1. Bauksiitti 2. Pyörivä uuni 3. Mylly 4. Sekoittaja 5. Painesäiliö 6. Seostussäiliö 7. Sakeuttaja 8. Sekoitus- ja saostussäiliö 9. Suodatin 10. Kalsinointiuuni 11. Alumiinioksidi 37

38 Alumiinin valmistus Alumiinia ei pystytä pelkistämään hiilen avulla alumiinioksidista (vertaa raudan valmistukseen). Alumiinin ja hapen välinen sidos on vahvempi kuin mitä hiilen ja hapen, joten pelkistämisessä joudutaan käyttämään muita menetelmiä. Tyypillisesti käytetään Hall-Héroult menetelmää, missä alumiinioksidi liuotetaan elektrolyyttiin ja hajotetaan sähkövirralla. Elektrolyyttinä käytetään alumiinifluoridia AlF 3 ja kryoliitia Na 3 AlF 6 38

39 Alumiinin valmistus Katodina käytetään hiilellä vuorattua teräslaatikkoa ja anodina hiiliharkkoa Anodin ja katodin välinen jännite on noin 5V ja virta luokkaa ka Alumiinioksidi hajoaa Al 3+ ja O 2- ioneiksi sähkövirran ja elektrolyytin avulla. Happiionit kulkevat anodille ja reagoivat siellä hiilen kanssa. Hiilimonoksidi poistuu uunista 39

40 Alumiinin valmistus Alumiini-ionit kulkevat katodille ja pelkistyvät alumiiniksi. Sula alumiini on tiheämpää kuin elektrolyytti joten alumiinisulaa kertyy uunin pohjalle. Alumiinioksidia lisätään jatkuvasti kunnes riittävä määrä alumiinia on valmistettu 40

41 Alumiinin valmistus 1000 kg alumiinia tarvitaan 2000 kg alumiinioksidia (eli 4000 kg bauksiittia) kwh sähköenergiaa 550 kg anodihiiltä 30 kg alumiinifluoridia 25 kg kryoliittiä Koska alumiinin valmistamiseen tarvitaan paljon sähköä, valmistetaan alumiinia halvan sähköenergian (vesivoiman) maissa (Norja, Islanti, Kanada, Venezuela) 41

42 Alumiinin kierrätys Alumiini on ihanteellinen materiaali kierrätettäväksi koska sen uudelleen sulattaminen vaatii vain 5% primäärialumiinin valmistamiseen tarvittavasta energiasta. Alumiinin erottelu muista metalleista on helppoa Rauta metalleihin käytetään sähkömagneettia Muut metallit erotetaan tiheyden perusteella Suomessa valmistetaan vuosittain noin tonnia kierrätysalumiini ja 80-90% alumiinivaluista tehdään kierrätetystä alumiinista 42

43 Alumiinin etuja Keveys (tiheys 2.7 g/cm3) Kohtalainen ja laajalla alueella säädettävissä oleva lujuus Hyvä lujuus/painosuhde Soveltuvuus muokattaviksi ja valettaviksi seoksiksi Korroosionkestävyys Poikkileikkaukseltaan monimutkaisten profiilien valmistusmahdollisuus (pursotus) Hitsattavuus Sitkeyden säilyminen matalissakin lämpötiloissa Hyvä sähkön- ja lämmönjohtavuus Kipinöimättömyys Kohtuullisen edullinen hinta 43

44 Alumiinin heikkouksia Alhainen kovuus Heikko kulumiskestävyys ja taipumus tarttumiskulumiseen Alhainen kimmomoduli ja rakenteiden riittämätön jäykkyys Alhainen lämpötilan kesto Alhainen väsymislujuus Alumiinivaluseosten usein alhainen sitkeys Voimakas lämpölaajeneminen vaikeuttaa mm. hitsausta 44

45 Standardit Seosten merkintä: merkintään kuuluvat seuraavat elementit: EN (Euronormi), A (alumiini), W (muokattava seos) tai C (valettava seos), väliviiva, nelinumeroinen tunnus, jonka ensimmäinen numero yksilöi pääseosaineen ja muut numerot kemiallisen koostumuksen, tarvittaessa kansallista poikkeamaa osoittava kirjain sekä toimitustilaa osoittava tunnus esim. EN AW-5052A T4 tai SFS-EN AC T6 Merkintä voi myös perustua kemialliseen koostumukseen siten, että alku on sama kuin edellä, mutta sen jälkeen tulevat seosaineiden kemialliset merkit ja niiden pitoisuus painoprosentteina (pitoisuudeltaan suurin ensiksi mainittuna). Pitoisuus pyöristetään kokonaisluvuksi ja alle prosentin pitoisuutta ei tavallisesti merkitä esim. SFS-EN AW-AlCu4SiMg T4 45

46 Toimitustilat Seoksen tyypin lisäksi ilmoitetaan mahdolliset muokkaus- tai lämpökäsittelyt, sillä niillä on suuri ominaisuuksiin F - Valun tai kuumamuokkausen jälkeinen tila O - Pehmeäksi hehkutus H1x - Muokkauslujitettu, muokkausasteiden merkintöjä H12 20% H14 40% H16 60% H18 80% W - Liuoshehkutettu 46

47 Toimitustilat T1 - Jäähdytetty valmistuksen jälkeen huoneenlämpöön ja vanhentunut luonnollisesti T2 - Kuten T1, mutta kappaletta pn muokattu ennen luonnollista vanhenemista T3 Liuoshehkutettu, kylmämuokattu ja luonnollisesti vanhentunut T4 Liuoshehkutettu ja luonnollisesti vanhennettu T5 - Jäähdytetty valmistuksen jälkeen huoneenlämpöön ja keinovanhennettu T6 Liuoshehkutettu ja keinovanhennettu T7 Liuoshehkutettu ja ylivanhennettu tai stabiloitu T8 Liuoshehkutettu, kylmämuokattu ja keinovanhennettu T T

48 Alumiinin lujittaminen

49 Alumiinin lujittaminen Puhtaan alumiinin mekaaniset ominaisuudet ovat vaatimattomat Myötölujuus 10 MPa Murtolujuus 45 MPa Murtovenymä 50% Mahdolliset lujitusmekanismit Liuoslujitus Kylmämuokkaus Dispersiot Erkaumat 49

50 Alumiinin lujittaminen Liuoslujitus Kertaus: hilaan liuenneet eri kokoiset atomit vääristävät hilaa ja aiheuttavat jännityskentän joka hidastaa dislokaation liikkumista Alumiinilla ei ole aukotonta liukoisuutta muiden alkuaineiden kanssa (kokoero, kiderakenne, elektronegatiivisuusero ja valenssi ei täsmää) Myös seosaineiden liukoisuus huoneen lämpötilassa on pientä Edellytykset liuoslujitukselle pienet (vertaa kupariseoksiin) 50

51 51

52 Alumiinin lujittaminen Liuoslujittamista käytetään pääasiassa 5000 sarjan seoksissa 1060 (99.60 Al min) 5005 (0.8Mg) 5457 (1.0Mg-0.30Mn) 5050 (1.4Mg) 5052 (2.5Mg-0.25Cr) 5154 (3.5Mg-0.25Cr) 5086 (4.0Mg-0.4Mn-0.15Cr) 5182 (4.5Mg-0.35Mn) 5083 (4.4Mg-0.7Mn-0.15Cr) 5056 (5.0Mg-0.1Mn-0.1Cr) 5456 (5.1Mg-0.8Mn-0.12Cr) 52

53 Alumiinin lujittaminen Kylmämuokkaus Kertaus: plastinen muodonmuutos lisää dislokaatioden lukumäärää, dislokaatiot huomaavat toistensa jännityskentän ja haittaavat toistensa liikettä 53

54 Alumiinin lujittaminen Kylmämuokkaus Lujuuden nostaminen kylmämuokkaamalla laskee murtovenymää (yllätysyllätys) toisin kuin liuoslujituksessa Luonnollisestikin liuoslujitettuja seoksia voidaan myös kylmämuokata Muokkausasteen merkitsemiseen käytetään tunnuksia Hx1-Hx9 54

55 Alumiinin lujittaminen Raekoon pienentäminen Kertaus: raerajat haittaavat dislokaatioiden liikettä. Monirakeisessa materiaalissa rakeiden muodon täytyy muuttua yhtäaikaa Hall-Petch yhtälö: σ y = σ 0 +k y d

56 Alumiinin lujittaminen Raekoko saadaan pienemmäksi Nopeammalla jäähdyttämisellä Ydintymistä lisäävillä seosaineilla (Ti+B) Eutektisen rakenteen kasvua häiritsesillä seosaineilla (valuseoston modifioinnit) Raerajojen liikkuvuutta laskevilla partikkeleilla 56

57 Alumiinin lujittaminen Kaksifaasirakenne Jähmettymisessä (tai muulloin) syntynyt (kova ja luja) sekundäärinen faasi nostaa lujuutta ja kovuutta Sekundääristä faasia syntyy aineista joiden liukoisuus alumiinin on erittäin pienät (Fe, Ni, Ti, Mn, Cr). Tyypillisesti ne muodostavat metallienvälisen yhdisteen alumiinin tai muiden seosaineiden kanssa. Pienentävät usein sitkeyttä ja korroosion kestoa (jalousero alumiinin nähden) Erkaumakarkaisu Erkaumat voivat aiheuttaa hilarakenteen vääristymisen ja jännityksiä (aivan samoin kuin erikokoiset seosatomit) Dislokaatioliike vaikeutuu 57

58 Erkautuminen Erkaumakarkaisussa lujittavat erkaumat muodostuvat ylikylläisestä jähmeästä liuoksesta Kiderakenne on lähäs sama kuin muualla metallissa, koostumus ja hilamitat muuttuvat tyypillisesti hiukan Erkauman syntymekanismi, koko, muoto ja jakautuminen vaikuttavat seoksen fysikaalisiin, kemiallisiin ja mekaanisiin ominaisuuksiin Kaikki erkaumat eivät ole lujittavia Kaksi faasisen rakenteen syntymisen taustalla on lämpötilan muuttuminen tasapainopiirroksessa yksi faasialueelta kaksi faasiselle Kaikki faasimuutoksen yksi faasisesta kaksi faasiseen eivät ole erkautumisia (esimerkiksi teräksen perliittireaktio) 58

59 59

60 Erkautuminen Erkauman syntyminen alkaa ydintymisenä Ydin voi syntyä sekä heterogeenisesti että homogeenisesti (vertaa jähmettymiseen) Heterogeenisessä ydintymisessä ytimet syntyvät mielellään raerajoille tai rakeen sisällä oleviin kidevirheisiin Homogeenisessä ydintymisessä ytimiä syntyy kaikkialla (Erkauma voi syntyä myös ilman ydintymistä spinodaalisena hajaantumisena joka ei todellakaan kuuluu tämän kurssin alueeseen) Erkauma kasvaa kun siihen diffudoituu lisää atomeja Iso pyöreä erkauma on termodynaamisesti edullisempi kuin pieni ja litteä (vertaa perliitin palloutumiseen) 60

61 61

62 62

63 Erkautuminen Atomitasolla erkauman ja matriisin rajapinta voi olla Koherentti ilman atomitasojen siirtymistä tai orientaation muutosta (a) Koherentti ilman atomitasojen siirtymistä (b) Koherentti (c) Semikoherentti (d) Epäkohrentti (e ja f) 63

64 64

65 Koherentti erkauma Sellainen toisen faasin partikkeli hilassa, jossa hilatasot jatkuvat hilasta erkaumaan tullessa. Hilan tasot ovat samansuuntaisia sekä erkaumassa että hilassa, ja hilaparametrit ovat niin lähellä toisiaan, että hilatasot taipuvat mutteivät katkea 65

66 Epäkoherentti erkauma Toisen faasin partikkeli hilassa, jossa hilatasot katkeavat erkauman ja perushilan välissä Perushilan ja erkauman hilatasojen ei myöskään tarvitse olla samansuuntaisia 66

67 Erkautuminen Lopullisen (stabiilin) erkauman syntyminen tapahtuu tyypillisesti välivaiheiden kautta Mitä enemmän erkauma vääristää hilaa sen hankalammin erkauma syntyy Mitä suurempi erkauma on sitä kauemmin sen syntyminen kestää Ensin syntyy mielellään koherenttierkauma joka ei vääristä hilaa. Sitten hilaa vääristävä koherentti erkauma. Sitten epäkoherenttierkauma. Koherentti erkauma on tyypillisesti metastabiili Epäkoherentti erkauma on stabiili Metastabiilierkauma pyrkii muuttumaan stabiiliksi 67

68 Alumiinin erkaumat Tasapainopiirroksessa voidaan esittää metastabiilien erkaumien solvukset Metastabiilia ei esiinny erkautumisen aikana jos lämpötilan on sen solvuksen yläpuolella Tyyppiesimerkki on Al-Cu seoksen erkautuminen. Ylikylläinen jähmeäliuos GP vyöhyke θ erkauma θ erkauma θ erkauma 68

69 Erkautuminen Erkaumien lujittava vaikutus perustuu hilan vääristymiseen ja siten dislokaatioliikkeen hankaloittamiseen Mitä enemmän ja tiheämmässä erkaumia, sitä suurempi kovuus Mitä enemmän hila vääristyy (θ tehokkaampi kuin GB), sitä suurempi kovuus Erkauman koon kasvaminen pidentään niiden välimatkaa (dislokaatiot pääsevät läpi), jolloin kovuus laskee Epäkohrettierkauma ei vääristä hilaa juuri lainkaan. Niiden koko on suuri joten tiheysjakauma pieni. Kovuus laskee 69

70 Al erkautuskarkaisu 70

71 Al erkautuskarkaisu 71

72 Erkautuminen Mitä korkeammassa lämpötilassa erkaumat syntyvät sen suuremmiksi ne muodostuvat Enemmän aikaa diffuusiolle Ensimmäiset erkaumat syntyvät kauemmaksi toisistaan Pienempi maksimikovuus Maksimikovuus saavutetaan aikaisemmin, ylivanheneminen tapahtuu aikaisemmin 72

73 Al-4Cu 73

74 Alumiinin erkauma Joillain seoksilla ei esiinny erkaumia Joillain seoksilla erkaumat syntyvät itsestään huoneen lämpötilassa (luonnollinen vanheneminen) Erkaumien koon kasvaminen jatkuu kunnes ne muuttuvat liian suuriksi epäkoherenteiksi erkaumiksi (ylivanheneminen) Joillain seoksilla lämpötilaa pitää nostaa jotta erkaumia syntyisi (keinovanhennus) Erkaumat eivät enään kasva käyttölämpötilassa jolloin ylivanhenemista ei synny 74

75 Erkaumat Myös muilla kuin alumiiniseoksilla esiintyy erkautumista. Joitain esimerkkejä Cu-Be Erkautumiskarkenevat ruostumattomat teräkset Maraging teräkset Nikkelialumiinipronssi Superseokset 75

76 Ei erkaumakarkenevat seokset sarja Pursotetut profiilit, alumiinifolio, kemiallinen kestävyys, korroosionkestävyys, sähköjohtavuus, ulkonäköön perustuvat sovellukset Matala lujuus sarja Keskinkertaisen lujuuden seoksia, joilla on hyvä sitkeys ja erinomainen korroosionkestävyys Seostyypit: Al-Mn ja Al-Mn-Mg Folioit, katot, kattilat tyypillisesti seosta 3003 Juomatölkit seosta sarja Al-Mg Hitsatut rakenteet (tankkeja polttoaineella, maidolle, viljalle Paineastiat Korroosionkestävyys (veneet, laivojen rakenteet) sarja muut seokset Myötölujuuksia 1200-H H H MPa MPa MPa 76

77 Erkaumakarkenevat seokset 2000-sarja Al-Cu Al-Cu-Mg sarja Al-Mg-Si sarja Al-Zn-Mg Al-Zn-Mg-Cu Litium seokset Keskilujat hitsattavat seokset Al-Mg-Si Al-Zn-Mg Korkeanlujuuden vaikeasti hitsattavat seokset Al-Cu Al-Cu-Mg Al-Zn-Mg-Cu 77

78 2000- sarja Al-Cu-Mg Alfred Wilm 1906 Berliinissä, Duralumin, Al-3.5Cu-0.5Mg- 0.5Mn, Zeppelin Versio 2017 yhä käytössä 78

79 6000- sarja Al-Mg-Si seokset ovat paljon käytettyjä keskilujia seoksia. Hyvä hitsattavuus Hyvä korroosionkestävyys Ei jännityskorroosiota Pääasiassa ekstruusioita 79

80 7000- sarja Al-Zn-Mg Keskiluja seos Zn:Mg > 1 Hitsattava Suuri lämpötila-alue liuoshehkutukselle (> 350 C) Epäherkkä jäähdytysnopeudelle Vanhenee huoneenlämpötilassa Al-Zn-Mg-Cu Luja seos Korroosionkestävyys hyvä, erityisesti kun Cu ja Zn pitoisuudet pienet. 80

81 Väsyminen Käytetyillä lujittamismenetelmillä ei ole sanottavaa vaikutusta alumiinin tai alumiiniseosten pitkän kes toiän väsymislujuuteen Suhde väsymislujuus/vetomurtolujuus on alumiinilla luokkaa R w /R m = noin , kun se muilla metalleilla vaihtelee pääsääntöisesti välillä Alumiiniseoksen staattisen lujuuden kasvaessa suhdeluvun arvo huononee Korotettu lämpötila alentaa väsymislujuutta Korroosioympäristö (kloridit) vaikuttaa väsymiskestävyyteen 81

82 82

83 Hitsaus Alumiinin hitsauksessa on huomioita muutamia asioita Metalli sulaa matalassa lämpötilassa, joten lämpötilan arvioiminen voi olla hankalaa (teräkset hehkuvat punaisena) Metalli hapettuu helposti ja muodostuva alumiinioksidi sulaa vasta korkeassa lämpötilassa eikä se johda sähköä Oksidikerros poistettava ennen hitsausta Alumiini johtaa hyvin lämpöä, joten sen lämmittäminen paikallisesti sulamispisteeseen on hankalaa Alumiinin lämpölaajenemiskerroin on suuri joten lämmittäminen aiheuttaa merkittäviä muodonmuutoksia 83

84 84

85 Korroosio Korroosionkestävyys perustuu voimakkaaseen passivoitumisilmiöön; reaktiivinen metalli muuttuu hyvin ilmastollista ja makean veden korroosiota kestäväksi. korroosionkestävyys heikkenee seostuksen kasvaessa: haitallisia aineita ovat mm: kupari, rauta, nikkeli, sinkki, (pii+kupari) hyödyllisiä aineita ovat: magnesium (emäksiset + suolapitoiset ympäristöt) mangaani ja kromi (jännityskorroosio) Korroosionkestävyyttä voidaan parantaa anodisointiprosessin avulla 85

86 Anodisoinnissa syntyvä alumiinioksidikerros. 86

87 Anodisoitu alumiinioksidikerros: a) ennen tiivistystä, b) tiivistyksen jälkeen. 87