Keskinopea jäähtyminen: A => Bainiitti

Transkriptio

1 Keskinopea jäähtyminen: A => Bainiitti Fe 3 C F = Bainiitti (B) C ehtii diffundoitua lyhyitä matkoja. A A A A Lämpötila laskee è

2 Austeniitti Ferriitti Austeniitti => ferriitti muutos : atomit siirtyvät samanaikaisesti austeniittijärjestyksestä ferriittijärjestykseen (Bainiittinen ferriitti = Bainiitti)

3 Bainiitti tai bainiittinen ferriitti Austeniitti (bainiittinen) ferriitti -rintama samankaltainen kuin austeniitti martensiitti -rintama Hiiliatomit eivät ehdi liikkua yhtä nopeasti kuin ferriitti austeniitti rintama Hiili joutuu jäämään hetkeksi liuokseen ferriitissä Hiili erkautuu Fe3C:ksi joko liikkumalla myöhemmin faasirintamaan (yläbainiitti) tai erkautumalla bainiitin sisään (alabainiitti) faasimuutoksen aikana

4 Bainiitinkin muodostuminen aiheuttaa leikkausmuodonmuutoksen Austeniitti Bainiitti bainiittikiteen väärä muoto aiheuttaa mikrojännityksiä ja dislokaatioita

5 Bainiitti FESEM -mikroskoopissa (yläbainiitti)

6 Monenlaista bainiittia kyllä löytyy! (S. Zajac)

7 Bainiittiset teräkset Bainiitti löytyy kuumalujista teräksistä Rautatiekiskoista Öljy- ja kaasuputkista Rakenneteräksista (Ruukin Optim 960 QC)

8 CCT-diagrammi Continuous Cooling Transformation Diagram

9 CCT-diagrammi Lämpötila Austeniitti Faasimuutos korkeassa lämpötilassa. Laajenema ei aiheuta sisäisiä jännityksiä Ferriitti + perliitti Ms-lämpötila Bainiitti Martensiitti Aika Hiiliatomit liuoksessa => sisäisiä jännityksiä Leikkausmuodonmuutos ja laajenema matalassa lämpötilassa => enemmän jännityksiä enemmän dislokaatioita pienemmät kiteet (alirakenne)

10 Suuri lujuus ja kovuus Nopea jäähdytys Faasimuutos alhaisessa lämpötilassa Suuri määrä kidevirheitä, sisäisiä jännityksiä, raerajoja, aliraerajoja, hiiltä liuoksessa Suuri lujuus ja kovuus Paras tulos jos 100 % martensiittia

11 CCT -diagrammi Lämpötila Austeniitti Martensiitti Enemmän seosaineita (C, Mn, Cr, Mo, B ) kriittinen jäähtymisnopeus pienempi Aika Hiiliekvivalentti kasvaa (CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15) Hitsattavuus huononee

12 100% martensiittia Kovuus ja lujuus säädetään hiilipitoisuudella 370HB: 0.09%C (Optim 960 QC) 400HB: 0.13%C (Raex 400 tai Optim 1100 QC) 500HB: 0.24%C (Raex 500) HRC = (%C) Muut seosaineet määräävät tarvittavan jäähtymisnopeuden 100%:n martensiitin saamiseksi mutta eivät vaikuta martensiitin kovuuteen

13 Martensiitin lämpökäsittely Martensiitti ferriitti jossa paljon sisäisiä jännityksiä kiteen virheellisyysaste suuri kova, kulutuskestävä sitkeys rajallinen mutta matalahiilipitoisuuksilla (<0.1%) aika hyvä Päästö / Nuorrutus lämpökäsittely n. 600 C:ssa parannetaan martensiitin sitkeyttä (>0.1%C) hyvä rakenneteräksille

14 Termomekaaninen valssaus + kontrolloitu jäähdytys Raahen NJ-levyt Optim 500ML Also called pancaking Raahen suorakarkaistut teräkset esim. Optim 960QC, Raex Raahen DQT teräs Optim 700QL Klaus Hulka

15 Austeniitti => Ferriitti -muutoksen ydintyminen Ferriitti Atomjärjestysmuutos helpoin austeniitin raerajoilla missä vapaata tilaa... Austeniitti... tai siellä missä on paljon dislokaatioita

16 TM -valssaus + kontrolloitu jäähdytys

17 TM -valssaus + kontrolloitu jäähdytys Pähkinäkuoressa: Pienempi austeniittiraekoko => pienempi ferriitiraekoko tai bainiitti- tai martensiittirakenne jäähdytyksen jälkeen. Lisäksi: nopeampi jäähdytys => pienempi ferriittiraekoko. Pienempi raekoko => korkeampi lujuus ja iskusitkeys

18 Mikroseosaineiden erkautuminen Ruukin Optim MC nauhat: hienot NbCtai VC- tai TiC-erkaumat muodostuvat ferriittiin kun kelauslämpötila n. 600 C Ruukin Optim MC nauhat: esim. 420 MC Klaus Hulka

19 Hienoraeteräksiä pelkällä lämpökäsittelyllä: normalisointi lämpötila A 3 A 1 Mekanismi seuraavilla sivuilla γ γ+ α α+perliitti Isorakeinen α+perliitti aika hienorakeinen α+perliitti

20 Fe - C faasidiagrammi = Faasit vain termodynaamisessa tasapainotilanteessa A 3 A 1 Austeniitti = pkk-kide, johon C liukenee hyvin. Ferriitti = tkk-kide, johon C liukenee vain vähän. Fe 3 C = monimutk. kide 0.15%C Ferrite + cementite

21 Normalisointi Kuumennuksessa ferriitti + sementiitti => austeniitiksi (vihreät rakeet) ydintyvät F:n raerajoille A3-lpt:n yläpuolella (noin 900 C). Kokonaan austeniittirakeita. Austeniitin raekoko pienempi kuin alkuperäisen ferriitin raekoko A3-lpt:n alapuolella ferriittirakeet ydintyvät austeniittiraerajoille ja kasvavat austeniitin kustannuksella Normalisoinnin lopputulos = ferriitin raekoon pienentaminen => lujempi ja sitkeämpi Huoneen lämpötilassa Punaiset rakeet: isorakeinen ferriitti Mustat alueet: sementiitti (Fe3C) Tai ferriitti + sementiitti (perliitti) Sovellus Esim hienorakeiset sitkeät rakenneteräkset esim. myötölujuus 355 MPa Alhaisemmassa lpt:ssa jäljellä oleva austeniitti muuttuu ferriitiksi + sementiitiksi = perliittiksi (ks. kuva seuraavalla sivulla

22 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

23 Martensiitin ja bainiitin lujuus ja sitkeys David Porter

24 Hiilen vaikutus Ms-lämpötilaan ja mikrorakenteeseen Huom! martensiitin mikrorakenne muuttuu hiilipitoisuuden funktiona. Lath = säle = ferriitissä suuri dislokaatiotiheys. Plate = levy = ferriitissä myös tiheästi kaksosia

25 Hiilen ja päästön vaikutus martensiitin kovuuteen Suurempi hiilipitoisuus => matalampi Ms => suurempi kovuus (lujuus) => heikompi sitkeys... Iskusitkeyden transitiolpt Kovuus / lujuus

26 Raekoko martensiitissa ja bainiittissa

27 Raekoko martensiitissa ja bainiittissa Säle (lath) sälerajat ovat pienkulmaraerajoja => ferriitin {100}-tasot ovat melkein samassa orientaatiossa rajan molemmilla puolella => lohkomurtuma etenee helposti niiden läpi Paketti (packet) & blokki (block) säleet muodostavat blokkeja joiden sisällä kiteet ja {100}-tasot ovat suurin piirtein samansuuntaisia, mutta blokkirajat ja pakettirajat ovat suurenkulman rajoja. paketin ja blokin ero liittyy säleiden orientaatiovariantiin

28 iskusitkeys, J Pääjännitys MPa Lämpötila Lämpötila Kriitinen jännitys lohkomurtuman kasvuun, σ c myötämisjännitys V-loven alla, σ m Karkeasti, σ c on riippumaton lämpötilasta, se kasvaa jos raekoko tai karbidipaksuus pienenee. σ m kasvaa voimakkaasti lpt:n pudotessa. Koko käyrä nousee kun teräksen lujuus nousee. Leikkauspiste => transitiolpt, jolloin pienempi raekoko => matalampi trans.lpt. ja lujempi teräs tai isommat karbidit => korkeampi trans.lpt

29 Martensiitin ja bainiitin iskusitkeydestä Edellisen kuvan perusteella: Lujempi teräs => taipumus korkeampaan ITT:hen Pienempi raekoko => matalampi ITT Bainiitti Martensiitin efektiivinen raekoko pienenee jos perinnäinen austeniittiraekoko pienenee => parempi iskusitkeys Yläbainiitin sitkeys heikko paksujen karbidikalvojen takia Alabainiitti sitkeys hyvä ohuiden karbidien takia yhdistettyyn pieneen efektiiviseen raekokoon iskusitkeys paranee kun %C pienenee (lujuus laskee) Martensiitti Martensiitin efektiivinen raekoko (pakettikoko) pienenee jos perinnäinen austeniittiraekoko pienenee => parempi iskusitkeys Martensiitin iskusitkeys paranee kun %C pienenee (lujuus laskee) Martensiitin päästö => lujuus pienee (hyvä iskusitkeydelle) karbidit kasvavat (huono iskusitkeydelle). Lopputulos kuitenkin positiivinen iskusitkeydelle.

30 Martensiittisiä suorakarkaistuja merkkituotteita - ks. moniste Suorakarkaistuja levytuotteita Kulutusteräkset Ruukin Raex 400, Raex 500 (Numero viittaa Brinell kovuuteen HB) Rakenneteräkset Ruukin Optim 960 QC (Numero viittaa myötölujuuteen MPa) Suorakarkaistuja ja päästettyjä levytuotteita (nuorrutusteräksiä) Rakenneteräkset: Ruukin Optim 700 QL (Myötölujuus 700 MPa) Suorakarkaistuja pitkiä tuotteita Takoteräs Imaform