Fe - Nb - C ja hienoraeteräkset

Transkriptio

1 Fe - Nb - C ja hienoraeteräkset

2 0.10 %Nb 0.08 NbC:n liukoisuus austeniitissa γ + NbC 1200 C C γ %C Tyypillinen C - Nb -yhdistelmä NbC alkaa erkautua noin 1000 C:ssa 900 C 1000 C

3 NbC austeniitissa Tyypillisillä koostumuksilla aihion NbC erkaumat liukenevat kun aihio kuumennetaan kuumavalssausta varten Kuumavalssauksessa lämpötila laskee ja koostumuksesta riippuen tyypillisesti noin 1000 C:n alapuolella NbC erkaumia muodostuu Osa Nb:sta jää liuokseen austeniittiin mutta erkautuu myöhemmin kun austeniitti muuttuu ferriitiksi

4 Termomekaaninen käsittely SSAB:n Raahen tehtaalla Kuumanauhalinja Aihioiden kontrolloitu koostumus ja kuumennus Kontrolloitu valssaus Kontroll. jäähdytys: Ilmajäähdytys Nopeutettu jäähdytys Suorakarkaisu Kvarttolinja

5 Termomekaaninen valssaus Klaus Hulka

6 TM-käsittelyn metallurgiset ilmiöt Kuumanauhalinja Mikroseosaineiden liukeneminen. Rakeenkasvu RX raekoko (?) Rakeiden litistyminen Mikroseosaineiden erk. Faasimuutokset Erk. ydint. & kasvu Toipuminen Kvarttolinja

7 Rakeenkasvu kuumennuksessa Raerajalla atomisidokset osittain rikki => teräksen sisäinen energia on korkeampi raerajalla => puhutaan raerajaenergiasta (J/m2). Materiaali pyrkii pienentämään sisäistä energiaan vähentämällä raerajapinta-alaa => raekoko pyrkii kasvamaan lämpötiloissa, joissa atomit pysty liikkumaan diffuusiolla, koska isolla raekoolla on vähemmän raerajapinta-alaa / m3 terästä.

8 Rakeenkasvu aihion kuumennuksessa

9 Rakeenkasvu aihion kuumennuksessa Erkaumat kuten AlN, NbC, TiN aikaansaavat jarrutusvoiman P Raekoko Aika

10 Rakeenkasvu aihion kuumennuksessa Raekoko ilman erkaumia (tai erkaumat liuoksessa) Erkaumat liukenevat (riippuu erkauman kemiasta ja M ja X -pitoisuuksista) Raekoko erkaumien läsnäollessa

11 Kuumamuokkaus korkeissa lämpötiloissa => rekristallisaatio => raekoon hienontaminen

12 Termomekaaninen valssaus Klaus Hulka

13 Kuumamuokkaus korkeissa lämpötiloissa => rekristallisaatio => raekoon hienontaminen 2. Plastisesti muokatut dislokatoituneet korkeaenergiset rakeet D o 1. Dislokaatiovapaat rakeet 3.Uusia dislokaatiovapaita rakeita ydintyy (Rekristallisaatio alkaa) % Rekristallisoitunut 5. Rekristallisoitunut raekoko kasvaa (raerajojen kokonaisenergia pienenee) Yllä oleva sekvenssi toistuu pisto pistolta ja raekoko vähitellen pienenee (ideaalitapauksissa)

14 Rekristallisaatio ydintyy vanhoilla raerajoilla Austeniitti muokattu (dislokoitu) sisäinen energia korkea Uuden rakeen ydin - pieni dislokaatiovapaa alue Austeniitti rekristallisoitunut (dislokaatiotiheys pieni) sisäinen energia matala

15 Piston reduktion vaikutus rekristallisoituun raekokoon S Cai & J D Boyd, Mechanism of microstructural banding in hot-rolled microalloyed steels, Materials Science Forum Vols (Nov. 2005) pp , Trans Tech Publications, Switzerland D o Iso reduktio => raekoko pienenee, mutta pienillä reduktioilla raekoko kasvaa rekristallisaation kautta!

16 Kuumavalssaus alhaisissa lämpötiloissa

17 Termomekaaninen valssaus Klaus Hulka

18 Rekristallisaatio ja NbC:n erkautuminen Rekristallisaatio alkaa Rekristallisaatio loppuu RLT RST Nb-mikroseos. teräksessä NbC:n erkautuminen muokatussa austeniitissa alkaa ja pysäyttää rekristallisaation! RLT= recrystallization limit temperature, RST= recryst. stop temp.

19 Ideaalisesti ei valssata osittaisrekrist. alueella Täydellinen rekristallisaatio o C osittainen rekrist. erkautuminen ei rekrist. RLT RST Koostumus, reduktio, pistojen välinen aika

20 Rekristallisaatio ja NbC:n erkautuminen Mikroseosaineista Nb on tehokkain nostamaan RST - lämpötilaa RLT= recrystallization limit temperature, RST= recryst. stop temp.

21 Valssaus RST alapuolella Austeniittirakeet muokkautuvat Täyttyvät dislokaatioilla Raeraja pinta-ala kasvaa Suuret dislokaatiotiheydet lähellä raerajoja ja liukunauhoissa Hyvät edellytykset saavuttaa pieni raekoko faasimuutoksen jälkeen...

22 Raekoon hallinta - jäähdytys -

23 Termomekaaninen käsittely = TM-valssaus + jäähdytys. Tässä luennossa jäähytys Kontroll. koostumus & kuumennus Kontroll. valssaus iskusitkeys o C Levy (ilma) Kontrolloitu jäähdytys lujuus Nauha Mahd. lämpökäs. Nauha/levy (DQ) Levy (NJ) time

24 Jäähdytys kuumavalssauksen jälkeen

25 Termomekaaninen valssaus Log time Klaus Hulka

26 Fe - C faasidiagrammi = Faasit vain termodynaamisessa tasapainotilanteessa! Austeniitti = pkk-kide, johon C liukenee hyvin. Ferriitti = tkk-kide, johon C liukenee vain vähän. Fe 3 C = monimutk. kide

27 Fe - C faasidiagrammi = Faasit vain termodynaamisessa tasapainotilanteessa Austeniitti = pkk-kide, johon C liukenee hyvin. Ferriitti = tkk-kide, johon C liukenee vain vähän. Fe 3 C = monimutk. kide α + Fe 3 C

28 Austeniitti => ferriitti -muutos Austeniitti Fe atomit sidottuina 12 lähinaapuriin suurempi tiheys Ferriitti Fe atomit sidottuina 8 lähinaapuriin pienempi tiheys Faasimuutos => teräs laajenee

29 Faasimuutokset jäähdytyksessä Austeniitti => Ferriitti + Fe 3 C C atomien täytyy liikkua siihen missä Fe 3 C muodostuu Liikkuminen vie aikansa ja liikkumisnopeus hidastuu kun lämpötila laskee Mitä suurempi jäähtymisnopeus sitä hienojakoisempi Fe 3 C Kun jäähtymisnopeus on riittävän suuri austeniitti => ferriitti muutos tapahtuu ilman että C liikkuu

30 Hidas jäähtyminen: A => F + Perliitti 1/100 mm Fe 3 C F = Perliitti (P) A A F A F F F Lämpötila laskee è Ferriittiä kutsutaan polygonaalinseksi ferriitiksi

31 Austeniitti Ferriitti Austeniitti => ferriitti : atomit hyppäävät yksi kerrallaan austeniittikiteestä ferriittikiteeseen faasirajan yli. Ferriitti on jännityksetön ja sisältää vähän dislokaatioita.

32 Todellinen ferriitti - perliitti mikrorakenne Perliitti = ferriitti + sementiittilevyjä (Fe 3 C) Levyjen välinen etäisyys n mikron riippuen jäähtymisnopeudesta ferriitti Fe - 1,2%Mn - 0,15%C; ilmajäähdytys

33 Täysin perliittinen mikrorakenne Jos teräksessä on noin 0,8% C mikrorakenne on täysin perliittinen ilman ferriitti. Esim. pianolangan raaka-aine. Vaalea faasi = Fe3C (sementiitti) tumma = ferriitti Cml.postech.ac.kr

34 Ferriitti perliitti teräkset Rakenneteräkset myötölujuus MPa Yksinkertaiset paineastiateräkset Muovattavat pehmeät teräkset Lujat köysiteräkset (kylmävedetty perliitti ilman ferriitti)

35 Hyvin nopea jäähtyminen: Austeniitti => Martensiitti Martensiittinen ferriitti = Martensiitti A A A A Lämpötila laskee è

36 Martensiitti C-atomi Austeniitti ferriitissä => jännitys Austeniitti => ferriitti muutos : atomit leikkautuvat samanaikaisesti austeniittijärjestyksestä ferriittijärjestykseen. Hiiliatomit jäävät paikoilleen koska ei ole aikaa diffuusiolle => jännityksiä ferriittikiteessa (Martensiitti)

37 Leikkausmuodonmuutoksen seuraukset Austeniitti Martensiitti Leikkausmuodonmuutoksen ja laajeneman takia ferriitti ei mahdu austeniitin jättämään aukkoon. Tuloksena sisäisiä jännityksiä ja kidevirheitä (dislokaatioita)

38 Martensiitti mikroskoopissa Valomikroskooppi x FESEM x A Martensiitti on kulutusterästen ja työkaluterästen perusteena suuri kovuus ja lujuus. Mitä suurempi hiilipitoisuus sitä korkeampi lujuus