Luento 4 Karkenevuus ja pääseminen. Kon Teräkset DI Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikka Aalto-yliopisto

Transkriptio

1 Luento 4 Karkenevuus ja pääseminen Kon Teräkset DI Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikka Aalto-yliopisto

2 Karkenevuus Honeycombe & Bhadeshia ch 8 s Uudistettu Miekk oja luku 10 karkenevuus s

3 Jäähtymisnopeuden ja seosaineiden yhteisvaikutus Jäähtymisnopeuden nostaminen muuttaa syntyvän perliitin määrää rakenteessa, joka näkyy lujuuden nousuna

4 Karkenevuus Teräksen kykyä muuttua martensiitiksi kuvataan termillä karkenevuus. Mitä parempi on teräksen karkenevuus, sitä hitaammalla jäähdytyksellä se kykenee muuttumaan martensiitiksi. Käytetään termejä matalaan ja syvään karkenevat teräkset

5 Karkenevuuden merkitys Nuorrutuskäsittelyllä saavutetaan teräkselle erinomaisten mekaanisten ominaisuuksien yhdistelmä: Hyvä lujuus ja sitkeys Hyvät väsymisominaisuudet Suuri murtumissitkeys Hyvä iskusitkeys myös matalissa lämpötiloissa. Paras nuorrutettu mikrorakenne syntyy, kun kappale karkenee sammutuksessa täysin martensiittiseksi. Rakenteessa ei ferriitttä eikä perliittiä. Bainiittinen rakenne voidaan sallia kappaleen keskilinjalla.

6 Seostuksen vaikutus karkenevuuteen Seosaineiden lisääminen hiiliteräkseen vaikeuttaa austeniitin hajaantumista Perliitti- ja bainiittireaktio alkaa myöhemmin ja tapahtuu hitaammin M s ja M f lämpötilat siirtyvät alemmas Myös seosaineiden jakautuminen faasien keskellä vaatii aikaa Vaikutus sitä voimakkaampi, mitä enemmän reaktio riippuu diffuusiosta

7 Karkenevuus ja S-käyrät Karkenevuuden kasvaminen näkyy S-käyrissä: Reaktioiden alkamisrajojen siirtymisellä Eli perliittinenän ja bainiittileuan siirtymisellä t-akselilla pitempiin aikoihin.

8 Karkenevuus ja TTT-kuvaajat C45-teräs 50CrMo4-teräs

9 Seosaineiden vaikutus karkenevuuteen Lähes kaikki seosaineet hidastavat perliittireaktion alkua, jolloin ne samalla lisäävät teräksen karkenevuutta. Hiili (C) lisää voimakkaasti teräksen karkenevuutta Voimakkaasti karkenevuutta nostavia seosaineita ovat: mangaani (Mn), kromi (Cr) ja mobybdeeni (Mo). Nikkelin (Ni) ja piin (Si) vaikutus karkenevuuteen on edellisiä seosaineita pienempi. Niiden lisääminen kuitenkin parantaa karkenevuutta jonkin verran. Muista seosaineista boorin (B) karkenevuutta nostava vaikutus on suuri jo hyvin pienilläkin pitoisuuksilla (0,001%). Alumiinin ja vanadiinin esiintyminen yhdisteinä kiihdyttää perliittireaktiota, jolloin teräksen karkenevuus laskee. Fosforin ja rikin merkitys karkenevuuteen on vähäinen.

10 Seosaineiden vaikutus karkenevuuteen Käytetään hyväksi koneenrakennuksen perusteräksissä Nuorrutus- ja hiiletysteräksissä

11 Seosaineet vaikuttavat karkenevuuteen myös pienillä pitoisuuksilla Seostusaste kasvaa Käytetään hyväksi HSLA ja AHSS teräksissä!

12 Seosaineiden sekoittuminen Seosaineet nostavat karkenevuutta vain mikäli ne ovat vapaina. Erilaisiin yhdisteihin sitoutuneet seosaineet eivät osallistu reaktioihin. Stabiilit karbidit tai nitridit Esimerkiksi runsaasti seostettu teräs, jossa on liukenemattomia karbideja käyttäytyy karkaisussa kuten hiiliteräs. Jotta seosaineet saataisiin liukenemaan takaisin austeniittiin on austenitointilämpötilaa nostettava. Austenitointilämpötilan vaikutus vanadiiniteräksen karkenevuuteen. Vasemmalla T = 815 C ja oikealla T = 1050 C.

13 Karkenevuuden laskeminen Huom: Asiaa käsitellään enemmän ja syvällisemmin harjoituksissa. Perehtykää siis laskareihin huolellisesti!

14 Karkenevuuden arviointi Grossmanin menetelmällä Nopea ja helppo tapa arvioida teräksen karkenevuutta käyttökohteeseen. Karkaistava kappale idealisoidaan pyörätangoksi, jolle lasketaan kriittinen läpimitta. Nykyisin olemassa kehittyneitä laskentaohjelmia, joilla tilannetta voidaan simuloida. Suunnittelijan tulee itse tuntea ja ottaa huomioon karkaisuhalkeiluun yms liittyvät tekijät Geometrialla erittäin suuri vaikutus karkaisussa syntyviin jännityksiin.

15 Kriittinen läpimitta Pyörötangon keskilinjalla on min. 50% martensiittia. Pintaan kohti tultaessa martensiittipitoisuus kasvaa. Arvo perustuu siihen, että syövytyksellä ko. rakenne ei enää syövy. Martensiittinen rakenne ei syövy yhtä helposti kuin ferriittis-perliittinen.

16 Karkenevuuden arviointi Grossmanin menetelmällä 1. Muunnetaan geometria vastaamaan pyörötankoa 2. Lasketaan ideaalinen kriittinen läpimitta (D IC ) teräksen hiilipitoisuuden ja perinnäisen austeniitin raekoon perusteella. 3. Korjataan kriittisen halkaisijan arvoa seosaineiden määrän perusteella laskien (D I ). 4. Lasketaan sammutusväliaineen sammutustehon (H) avulla kriittinen läpimitta D Verrataan saatua kriittistä läpimittaa tavoiteltuun tilanteeseen

17

18 Grossman-menetelmä

19 Moser-Legat -kaava Alkuperäistä Grossmanin seosainekerrointa on tarkennettu useaan otteeseen. Useille teräslajeille laskettu omia seosainekertoimiaan. Yleisesti käytettävä versio on ns. Moser-Legat kaava: D D I IC 2,21 (% Mn) 1,40 (% Si) 2,13 (% Cr) 3,27 (% Mo) 1,47 (% Ni)

20 Kehitetty muunnoskäyrästöjä, joiden avulla voidaan arvioida korkeampia martensiittipitoisuuksia.

21 H-arvot Ääretön sammutusteho tarkoittaa väliainetta, jossa kappale kastamishetkellä saavuttaa väliaineen lämpötilan. Todellisissa sammutusväliaineissa sammutusteho matalampi Seisovan veden H-arvoksi on sovittu 1.

22 Tärkeimpien sammutusväliaineiden H- arvot

23 Ideaalinen väliaine Seisova vesi Öljy Hiili, seosaineet ja sammutusväliaine Ilma Hiili ja seosaineet

24

25 Jominykoe

26 Jominykoe SFS-EN ISO 642 Teräksen karkenevuuden määritys otsapinnan sammutuskokeen avulla (jominykoe) Terästen karkenevuutta voidaan mitata suorittamalla jominykoe.

27 Jominykoe Mittoihin koneistettu sauva austenitoidaan suojakaasussa Estetään hiilen kato

28 Jominykoe Toiseen päähän kohdistetaan hallittu vesisuihku. Sammutettu pää jäähtyy erittäin nopeasti n. 500 oc/s Toinen pää jäähtyy erittäin hitaasti. N. 2 oc/s

29 Jominykoe Koesauvaan muodostuu katkeamaton sarja eri jäähtymisnopeuksia. Koesauvan kylkiin hiotaan kaksi otsapintaa, joista mitataan kovuudet. Kovuudet ilmoitetaan jominykäyränä. Kovuus jominyetäisyyden funktiona.

30 Jominykoe

31 Jominykoe Kun teräksen standardin mukaisen koostumuksen vaihteluväli otetaan huomioon, saadaan määritettyä karkenevuuden ala- ja ylärajoja. Ylä- ja alarajojen välin jää jominynauha, joka siis kuvaa kyseisen teräksen karkenevuuden vaihteluväliä. Monet jominy-piirroksista ovat anglo-amerikkalaista alkuperää. Kovuusmittaukset HRC-asteikolla Jominy-etäisyys 1/16-osatuumina. Osassa piirroksista etäisyys ilmoitetaan millimetreinä. Tarkista siis akselien yksiköt!

32 Kovuus: ilmoitetaan usein Rockwell asteikolla Jominykuvaajan tulkitseminen Usein aputietona merkitään myös tiettyä sammutusmenetelmää vastaavat akselinhalkaisijat Etäisyys sammutettavasta otsapinnasta

33 Tutkimalla jominykäyriä, havaitaan terästen jakaantuvan kahteen ryhmään: 1. matalaan karkeneviin 2. syvään karkeneviin.

34 Matalasti seostettu teräs = matalaan karkeneva teräs

35 Korkeasti seostettu teräs = syvään karkeneva teräs

36 Hiilipitoisuuden vaikutus jominykuvaajiin 0,2 % 0,4 %

37 Karkenevuus ja syntyvä kovuus (lujuus) Karkenevuus kuvaa teräksen kykyä muuttua martensiitiksi. Syntyvän martensiitin kovuus riippuu kuitenkin lähes yksinomaan teräksen hiilipitoisuudesta. Seosaineet tuovat syvyyden, hiili kovuuden!

38 Hiilipitoisuuden ja seosaineiden yhteisvaikutus

39 Karkenevuuden tarkastaminen jominykäyrän avulla Määritetään karkaistavalle kappaleelle tavoitellut kovuustasot eri syvyyksille kappaletta. Lujuus tavoitekovuudeksi. Muunnetaan kappaleen syvyydet vastaamaan jominyetäisyyksiä sopivalla kuvaajalla. Tarkistetaan jominynauhasta täyttyvätkö asetetut vaatimukset.

40 Halkaisijaltaan 75 mm tanko pitää karkaista 55 HRC:n kovuuteen 1/2 säteen syvyydellä öljysammutuksella. Riittääkö valitun teräksen karkenevuus? Kysytty syvyys vastaa siis jominyetäisyyttä 23 mm

41 Jominykoe Valitun teräksen kovuus on välillä HRC, joten karkenevuus ei riitä

42 Sammutushalkeilu Jännitysten syntyminen: 1. Termiset jännitykset Epätasaisesta jäähtymisestä pinnan ja sisäosan välillä 2. Muodonmuutoksesta johtuvat jännitykset Martensiitin syntyminen aiheuttaa voimakkaan tilavuuden muutoksen. Nämä yhdessä aiheuttavat säröilyä Lisäksi todellisissa kappaleissa geometriset epäjatkuvuudet.

43

44 Sammutushalkeilu

45 Keskeytetty sammutus! Martemperin = Sammutus pysäytetään ennen Ms lämpötilaa ja jatketaan kun sisä- ja ulkoosan välinen lämpötila on tasaantunut

46 Bainiittinen rakenne sisäosiin Etenkin paksuilla kappaleilla täysin läpikarennut martensiittinen rakenne ei aina ole edes tavoiteltava. Esimerkiksi kuormitustyypin vuoksi. Tällöin kappaleen sisäosiin voidaan sallia bainiittista rakennetta. Varmistettava, että kuormituksen kannalta kriittiset kohdat ovat riittävän lujia! Esim. taivutusväsytys pinnassa.

47 Martensiitin pääseminen Honeycombe & Bhadeshia s Uudistettu Miekk oja s

48 Päästö Martensiitti on usein käytön kannalta liian haurasta. Rakenteen sitkeyttä parannetaan suorittamalla päästökäsittely.

49 Eri faasirakenteisiin sitoutuneita vapaaenergioita (Honeycombe 3rd ed, taulukko 9.1) Faasirakenne [Fe-0.2C-1.5Mn 300 K] Sitoutunut energia J mol Ferriitti, grafiitti ja sementiitti 0 Ferriitti ja sementiitti 70 Paratasapainoinen ferriitti ja sementiitti 385 (hiili)ylikylläinen ferriitti 1414 Martensiitti Timo Kiesi 49

50 Päästö Uudelleen kuumennettaessa martensiittinen rakenne hajoaa Mekaaniset ominaisuudet muuttuvat kovuus laskee, sitkeys nousee päästö (n. 200 C) nuorrutus ( C) martensiitin hajoaminen + Fe 3 C samat faasit kuin perliitissä ja bainiitissa, mutta eri tavalla jakautuneet (normaalisti äärimmäisen hienojakoinen rakenne) Vaiheet (-250 C) e-karbidin erkautuminen, tetragonaalisuuden pieneneminen ( C) jäännösaustenitin hajoaminen ( C) e-karbidin korvautuminen sementiitillä, tetragonaalisuuden häviäminen (350 C-) sementiitin karkeutuminen ja palloutuminen, ferriitin rekristallisoituminen Kon

51 Martensiitin tetragonisuuden muutos päästössä

52 Kovuuden lasku lämpötilan funktiona

53 Epsilonkarbidi? 0,25 1,5 %C teräksillä päästössä syntyvä sementiitin esiaste Alkaa muodostua ~40 C lämpötilassa Hajoaa sementiitiksi, kun T > ~250 C Erkautuu erittäin pienikokoisena ja hienojakoisena koherenttina säle- tai sauvarakenteena martensiittimatriisiin.

54 Kovuuden lasku lämpötilan funktiona johtuu martensiittisen rakenteen hajoamisesta ferriitiksi ja sementiitiksi.

55 Hiilen atomaarinen suotautuminen (alle 0,2 %C) tai Epsilon-karbidin muodostuminen (yli 0,2 %C) Martensiitin hiilipitoisuus pienenee

56 Epsilonkarbidin muuttuminen sementiitiksi ja jäännösausteniitin hajoaminen

57 Pallomaisen sementiittirakenteen syntyminen ja ferriitin toipuminen sekä rekristallisaatio

58 Ferriittin rekristallisaatio ja rakeenkasvu. Sementiittirakenteen karkeutuminen.

59 Martensiitin kovuus C-pitoisuuden ja päästölämpötilan funktiona

60 veteen sammutettu rakenne sammutettu ja päästetty 60

61 Martensiitin pääseminen - mikrorakenteet

62 Karkaisu ja päästö Lämpökäsittely koostuu: 1. Austenitointihehkutuksesta 2. Sammutuksesta (eli voimakkaasta jäähdytyksestä) 3. Päästökäsittelystä. Mikäli päästö suoritetaan korkeissa lämpötiloissa, käytetään käsittelystä termiä nuorrutus. Tavoitteena erityisesti väsymisominaisuusien parantaminen. [Uudistettu Miekk oja s (karkaisu) & (päästö ja nuorrutus)]

63 Martensiitin pääsemiseen liittyviä asioita Tietyt teräslajit ovat alttiita päästöhauraudelle Erityisesti iskusitkeyden romahtaminen, jos päästö kriittisellä lämpötila-alueella C Estetään Mo-seostuksella Päästön kestävyys Seosaineilla voidaan vaikuttaa siihen, kuinka paljon kovuus laskee päästön aikana Tarkemmin seosterästen yhteydessä Sekundäärinen karkeneminen Tietyillä seosteräslajeilla havaitaan kovuuden nousu päästön yhteydessä Tarkemmin seosterästen yhteydessä Timo Kiesi 63

64 Bainiitin pääseminen Bainiitti on valmiiksi ferriitin ja hienojakoisesti jakautuneen sementiitin seos. Bainiitin pääsemisessä ei tapahdu yhtä voimakkaita muutoksia kuin martensiitin pääsemisessä. Kovuuden ja lujuuden lasku huomattavasti pienempi. Päästetty bainiitin rakenne muistuttaa päästömartensiittista rakennetta Hienojakoinen -ferriitti, jossa sementiitti sulkeumia. Sulkeumien jakauma ja koko kuitenkin erilaisia.

65 Seosterästen pääseminen

66 Päästönkestävyys l. kovuuden säilyminen korkeissa päästölämpötiloissa Seostusaste nousee, Kovuus säilyy korkeammassa lämpötilassa.

67 Päästön kestävyys Seosaineet estävät ja hidastavat epsilonkarbidin muuttumisen sementiitiksi. Muutoksesta johtuva kovuuden lasku vasta korkeammissa lämpötiloissa Esimerkiksi Si-seostus, sementiitin muodostuminen kun T > 300 C. Seosaineet muodostavat erikoiskarbideja Esimerkiksi Mo, Cr, W, V Hitaan diffuusionopeuden vuoksi vasta kun T > 400 C

68 Seosteräksillä havaitaan kovuushuippu!

69 Sekundäärinen karkeneminen Normaalisti teräksen kovuus laskee päästölämpötilan mukaan. Tietyt seosaineet aiheuttavat päästökäyrään kovuusmaksimin, kun päästölämpötilaa nostetaan. Tällöin normaali päästömartensiittinen rakenne korvautuu erittäin hienojakoisella koherentilla karbidirakenteella. Karbideja muodostavien seosaineiden ansiota (Mo, Cr, ) Kyseinen ilmiö tunnetaan sekundäärisenä karkenemisena. Sekundäärisen karkenemisen avulla saadaan kulutusta kestävä rakenne korkeisiin lämpötiloihin.

70 Seosteräksen pääseminen Erityisesti voimakkaita karbidinmuodostajia (Cr, Mo, V, W) käytettäessä syntyvät rakenteen voivat olla hyvin monimutkaisia: Martensiitti Epsilonkarbidi Seostettu sementiitti (Fe, M) 3 C Esim kromi: 1. Epsilon 2. (Fe, Cr) 3 C Välikarbidit M x C x Stabiilit karbidit 3. Cr 7 C 3 4. Cr 23 C 6

71 Seosainekarbidien muodostuminen ja sekundäärinen karkeneminen

72 Sekundäärinen karkeneminen

73 Päästöparametri Päästön onnistuminen johtuu pitkälti käytettävästä päästölämpötilasta: Martensiitin hajoaminen riippuu hiilen diffuusionopeudesta. Ajalla pienempi vaikutus. Ajan ja lämpötilan yhteisvaikutusta voidaan arvioida päästöparametrin avulla P T( 20 log( t))

74 Sekundäärinen karkeneminen aka punakovuus Päästöparametri, eli päästölämpötilan ja lämpötilan yhdistelmä Kovuushuippu, kun Mo-seostus kasvaa!

75 Päästöhauraus ( C) Kriittinen lämpötila-alue C Erityisesti päästettäessä 500 C Teräksen sitkeys laskee. Transitiolämpötila nousee

76 Päästöhauraus Perinnäisen austeniitin raerajoja pitkin etenevä raerajamurtuma Havaitaan Cr, Mn ja Cr-Ni seostetuilla teräksillä Estetään: 1. Päästetään kriittistä lämpötila-aluetta korkeammassa lämpötilassa Mielellään noin 600 C 2. Seostetaan teräkseen molybdeeniä (0,2 0,5 %Mo) Estää epäpuhtauksien suotautumisen raerajoille.

77 Yhteenveto Karkenevuus: Teräksen hiilipitoisuus määrä maksimissaan syntyvän kovuuden Seosaineet vaikuttavat merkittävästi, miten paksu kappale voidaan karkaista 100 % martensiittiseksi. Karkevuutta voidaan arvioida laskennallisesti Grossmanin menetelmällä ja laskea tarkasti Jominy-nauhojen avulla. Pääseminen Täysin martensiittinen rakenne on liian hauras koneenrakennukseen. Päästö palauttaa teräkseen sitkeyden Päästölämpötilalla hallitaan kovuuden/lujuuden ja sitkeyden yhdistelmää Seosteräksillä tapahtuu sekundäärinen karkeneminen