Dislokaatiot - pikauusinta

Transkriptio

1 Dislokaatiot - pikauusinta

2 Ilman dislokaatioita Kiteen teoreettinen lujuus ~ E/8

3 Dislokaatiot mahdollistavat deformaation Kaikkien atomisidosten ei tarvitse murtua kerralla Dislokaatio etenee rakeen läpi välittäen pienen siirtymän Monta dislokaatiota => iso deformaatio 3

4 ... mutta mikä estää dislokaatioita liikkumasta Miksei deformaatio jatku pienellä jännityksellä? X Jännitys (MPa) X Venymä (µm/m) 4

5 Erilliskiteessä Aluksi dislokaatiot saavat liikkua vapaasti Lopulta jännityssuunta kääntyy ja dislokaatiot vaikeuttavat toistensa liikettä Jännitys (MPa) X X X Venymä (µm/m) 5

6 Monikiteinen materiaali Dislokaatiot joutuvat välittömästä liikkumaan toistensa lomaan Materiaalissa jo runsaasti dislokaatiota takertuneina toisiinsa ja raerajoille Materiaaliin aiheutettu liuosatomeja, erkaumia jne. dislokaatioiden liikkeen vaikeuttamiseksi Jännitys (MPa) X Venymä (µm/m) X X 6

7 Siis: Dislokaatiot mahdollistavat deformaation pienellä jännityksellä Dislokaatioiden liikkeen vaatima jännitys määrittää lujuuden Vaikeuttamalla dislokaatioiden liikettä, saadaan lujutta lisättyä (samalla muodonmuutoskyky vähenee) 7

8 Tasapainopiirrokset

9 Puhtaan metallin jähmettyminen

10 Puhtaalla metallilla on sulamispiste Puhtailla alkuaineilla on sulamispiste: lämpötila, jossa sula ja kiinteä ovat tasapainossa energian siirtyminen => jähmeän aineen määrä jähmettyminen vapauttaa energiaa Metallit kutistuvat jähmettyessään (pl. harvat poikkeukset)

11 - 11

12 Jäähtyminen jähmettyminen - jäähtyminen Sula luovuttaa energiaa jäähtyy kiinteä tulee tasapainoon kiinteän osuus lisääntyy kokonaan kiinteä jäähtyminen voi jatkua 12

13 Kiteet Jähmettyminen alkaa muotin reunasta lämpötila ydintymispaikka useita kiteitä kasvaa pylväinä metalliin pylväsmäiset kiteet mudostavat sularintaman 13

14 Faasit Faasit ovat "läsnäolevia olomuotoja" sula vs. kiinteä eri kidemuodot eri rakenteet Saman faasin sisällä voi olla koostumuseroja 14

15 Faasit

16 Alijäähtyminen Tasapainossa ajava voima 0 Alijäähtyminen lisää ajavaa voimaa (vapautuvaa energiaa) Alijäähtyminen lisääntyy jos kiteytyminen vaikeaa jäähtyminen nopeaa 16

17 Joillain metalleilla useita kidemuotoja Kidemuoto vaihtuu kiinteässä tilassa Faasimuutos vapauttaa energiaa 17

18 Ei-puhtaat metallit Metallit liuottavat itseensä toisia metalleja epämetalleja Liukoisuus vaihtelee Korvaus- tai välisija-atomeina Seos- ja epäpuhtausaineet vaikuttavat sulamispisteeseen jähmettymiseen olomuotoihin 18

19 Metalliseokset Metallit liukenevat toisiinsa Liukoisuus voi olla aukoton (kaikissa suhteissa) rajallinen (eri faaseja) Monimutkaisissa seoksissa Joukko erilaisia faaseja Tasapainon mukaiset faasit riippuvat lämpötilasta ja koostumuksesta Tasapainossa yksi tai useampia faaseja 19

20 Tasapainopiirros

21 Miksi faasirakenne on tärkeä? Faasirakenne vaikuttaa merkittävästi ominaisuuksiin Faasirakenne syntyy jähmettymisessä kiinteän tilan faasimuutoksissa Faasirakennetta voidaan manipuloida Koostumuksella Lämpökäsittelyllä jne.

22 "Metallioppi" Metallien valmistus Valutuotetekniikka Lämpökäsittelytekniikka Seoskehitys 22

23 Tasapainopiirros Kuvaa termodynaamista tasapainotilaa, jota materiaali ei koskaan saavuta, lämpötilan ja koostumuksen funktiona 23

24 Binäärinen tasapainopiirros Kaksi alkuainetta (esim Cu-Ag, Ag-Au) Alkuaineet liukenevat toisiinsa jossain suhteessa 24

25 Binäärinen tasapaino, täysi liukoisuus Kiinteät faasit kreikkalaisilla aakkosilla L = sula Alkuaineilla sulamispiste Seoksilla puuroalue

26 Binäärinen tasapaino, täysi liukoisuus Faasin α koostumus muuttuu Yksi sula faasi, ja yksi kiinteä faasi

27 Jähmettymisen alkaessa 1) sula 2) jähmettyminen alkaa (jähmeä osuus 0%) 3) jähmeän osuus kasvaa 4) loppusula jähmettyy 5) jähmeän osuus 100% 27

28 Jähmettymisen alkaessa 1) sula 2) jähmettyminen alkaa (jähmeä osuus 0%) 3) jähmeän osuus n. 50% 4) loppusula jähmettyy 5) jähmeän osuus 100% 28

29 Jähmettyessä lämpötila laskee Tasapainon mukainen sulaosuus muuttuu lämpötilan mukana Puuroalue 29

30 Faasien koostumukset muuttuvat 1) sulan koostumus = seoksen koostumus 2) 1. kiteen koostumus viivalla => sula köyhtyy A:sta 3) jähmeän faasin ja sulan tasapainokoostumus muuttuu 4) loppusula jähmettyy 5) jähmeän osuus 100% 30

31 Aineeseen jää koostumusmuutoksia 1) sulan koostumus = seoksen koostumus 2) 1. kiteen koostumus viivalla => sula köyhtyy A:sta 3) jähmeän faasin ja sulan tasapainokoostumus muuttuu 4) jähmeän osuus 100% 5) jähmeän osuus 100% 31

32 Vipusääntö Alkuaineiden atomit jakautuvat faaseihin Faasien koostumukset tunnetaan Faasien osuudet määräytyvät vipusäännöllä 32

33 Tasapaino vs. tosielämä Tasapainon mukaan faasien koostumukset tasaisia Todellisuudessa koostumukset eivät ennätä tasaantua tasapainossa erilliskiteitä todellisuudessa monia kiteitä tasapainossa sulan koostumus seuraa likvidusta todellisuudessa sulan koostumus jää jälkeen kiinteiden faasien koostumus seuraa solidusta kiinteiden faasien koostumus lähes jähmettymishetken koostumus 33

34 Kuinka kaukana tasapainosta? Mitä nopeammin lämpötila muuttuu sitä kauempana tasapainosta ollaan pienempiä kiteitä suurempia koostumuseroja Mitä matalammassa lämpötilassa ollaan, sitä hitaampaa on diffuusio 34

35 Binäärinen tasapaino, ei täyttä liukoisuutta

36 Binäärinen tasapaino Kiinteässä tilassa koostumuksesta riippuen kahta faasia Eutektisella koostumuksella ei puuroaluetta Faasiosuudet muuttuvat koostumuksen mukana 36

37 Binäärinen tasapaino 1) sula 2) β jähmettyminen alkaa 3) β osuus kasvaa 4) loppusula jähmettyy α+β => alkuaineiden tulee jakaantua nopeasti A-valtaisen ja B-valtaisen faasin välillä 37

38 Binäärinen tasapaino 1) sula 2) β jähmettyminen alkaa 3) β osuus kasvaa 4) loppusula jähmettyy α+β => alkuaineiden tulee jakaantua nopeasti A-valtaisen ja B-valtaisen faasin välillä 38

39 Eutektikumin jähmettyminen Alkuainet valitsevat puolensa Kilpailevana kiteiden energia vs. valikoivan jähmettymisen nopeus Tuloksena lamellimainen rakenne Lamellietäisyys riippuu jähmettymisnopeudesta sularintama kasvaa α A β B A B A B L L L 39

40 40

41 Eutektinen piste Eutektisella koostumuksella sula jähmettyy yhdessä lämpötilassa 41

42 Eutektinen jähmettyminen 1) sula 2) sula jähmettyy α+β => alkuaineiden tulee jakaantua nopeasti A-valtaisen ja B-valtaisen faasin välillä 42

43 Kiinteän tilan faasimuutos Jos jähmettyminen käy täyden liukoisuuden alueella: 1) sula 2) α alkaa jähmettyä 3) kokonaan kiinteä α 4) kokonaan kiinteä α 5) β tulee tasapainoon 6) β osuus kasvaa 43

44 Kiinteän tilan faasimuutos Jos jähmettyminen käy täyden liukoisuuden alueella: 1) sula 2) α alkaa jähmettyä 3) kokonaan kiinteä α 4) kokonaan kiinteä α 5) β tulee tasapainoon 6) β osuus kasvaa 44

45 Alijäähtyminen Reaktio edellyttää vapautuvaa energiaa (ajava voima) Mitä suurempi alijäähtyminen, sitä suurempi ajava voima Jähmettyvä materiaali työntää edellään koostumushuippua työntää edellään jähmettymisestä lämmennyttä sulaa Tarvitaan alijäähtymistä 45

46 Dendriitit Suuri alijäähtyminen Voimakkaat koostumuserot 46

47 Kiinteän tilan muutokset Joillain metalleilla tasapainon mukainen faasi muuttuu lämpötilan funktiona "polymorfia" Kiinteän tilan faasimuutoksissa diffuusio on rajoitetumpaa Faasimuutoksiin liittyy tilavuusmuutoksia Faasimuutos fapauttaa energiaa 47

48 Rauta-hiili tasapaino 48

49 Austeniitin hajaantuminen Austeniitti liuottaa hiiltä ennemmän kuin ferriitti Lämpötilan laskiessa austeniitti tulee epästabiiliksi Austeniitti jakautuu ferriitiksi ja sementiitiksi Perliitti muutosrintama siirtyy α Fe ɣ Fe 3 C C Austeniitti 49

50 Perliitti 50

51 Esimerkkejä monimutkaisista tasapainopiirroksista Esimerkki Cu-seokset: Messingit Pronssit Hanat Laakerit Jouset 51

52 Cu-Zn 52

53 Messingit Kaupallisia messinkejä: - 5% Zn - 10% Zn - 15 % Zn - 20 % Zn - 40% (munzin metalli) 53

54 Cu + 20%-Zn Yksi faasi 54

55 Cu + 40%-Zn Kaksifaasirakenne 55

56 Alumiinipronssi 56

57 Cu + 10%-Al Jähmettyy ensin β Loppu α+β Monia faaseja tasapainossa eri koostumuksilla ja lämpötiloissa 57

58 Cu + 10% Al Kaksifaasirakenne Beta + eutektoidi Laakerit, hammaspyörät, korroosiokestoa vaativat kohteet 58

59 Lämpökäsittely

60 Lämpökäsittely Metallit ovat metastabiileja Lämpötilan nosto siirtää rakennetta kohti tasapainotilaa Dislokaatiotiheys pienenee Rakeet kasvavat Liukoisuus kasvaa Kontrolloidulla jäähdytyksellä saadaan tila kauemmas tasapainotilasta 60

61 Lämpökäsittely - työkalut Diffuusionopeus kasvaa lämpötilan noustessa Eri faasit ovat stabiileja eri lämpötiloissa Lämpötilaa kontrolloidusti nostamalla ja laskemalla voidaan muuttaa mikrorakennetta ja siten mekaanisia ominaisuuksia 61

62 Erkautuskarkaisu Korkeassa lämpötilassa seosaineet liuotetaan Nopealla jäähdytyksellä seosaineet jäävät liuokseen Kontrolloitu hehkutus erkauttaa paljon pieniä erkaumia

63 Duralumiini Seostetaan pieniä määriä kuparia Liuotetaan korkeasssa lämpötilassa Jäähdytetään nopeasti Erkautetaan hallitusti 63

64 Normalisointi Teräksellä raekoon pienentämiseksi 64

65 Normalisointi 65