Rauta-hiili tasapainopiirros

Transkriptio

1 Rauta-hiili tasapainopiirros Teollisen ajan tärkein tasapainopiirros Tasapainon mukainen piirros on Fe-C - piirros, kuitenkin terästen kohdalla Fe- Fe 3 C -piirros on tärkeämpi Fe-Fe 3 C metastabiili tp-piirrosten välillä pieniä eroja rajoissa ja tasapainopisteissä. Puhdas rauta: alle 0,008% C Teräkset: alle 2,1 %C Fe 3 C-tp Eutektoidinen tasapainopiste 0,8 %C Valuraudat: yli 2,1 %C Fe-C-tp Eutektinen tasapainopiste 4,3 %C 1

2 Fe-Fe3C tasapainopiirroksessa esiintyvät faasit Fe-Fe 3 C systeemissä tasapainon mukaiset rakenteet ovat: ferriitti (, ), austeniitti ( ) ja sementiitti (Fe3C) Ferriitti -ferriitti: stabiili puhtaassa raudassa alle 912, TKK-hilarakenne -ferriitti: esiintyy puhtaalla raudalla Austeniitti ( ) stabiili puhtaassa raudassa välillä , PKKhilarakenne Hiilen liukoisuudessa on suuri ero ferriitin ja austeniitin välillä Hiilen liukoisuus austeniittiin suurempi => PKK-hilan oktaedrikolot Suuri merkitys tasapainosta poikkeavien rakenteiden synnyssä Sementiitti rautakarbidi Fe 3 C hauras ja kova

3 Rauta-sementiitti tasapainopiirros Ohessa on Fe-Fe 3 C-tasapainopiirros (rauta-sementiitti tasapainopiirros) a) Merkitse piirrokseen esiintyvät faasit: austeniitti, -ferriitti, -ferriitti, sementiitti Fe 3 C sekä sula L. b) Merkitse kuvaan eutektinen, eutektoidinen sekä peritektinen piste. Miten eutektoidinen reaktio eroaa eutektisesta reaktiosta? c) Mikä on puhtaan raudan sulamispiste? d) Missä lämpötilassa 1 p-% hiiltä sisältävä seos on täysin sulaa? e) Mikä on sementiitin hiilipitoisuus? Vaihteleeko sementiitin hiilipitoisuus tasapainopiirroksen alueella? f) Mikä on hiilen maksimiliukoisuus austeniittiin? Missä lämpötilassa? g) Mikä on hiilen minimi- ja maksimiliukoisuus austeniittiin 800 lämpötilassa? h) Mikä on hiilen maksimiliukoisuus -ferriittiin? Missä lämpötilassa? i) Mihin perustuu hiilen liukoisuuden ero austeniitin ja -ferriitin välillä? 3

4 4

5 +L (ferriitti) peritektinen piste L + +L eutektinen piste (austeniitti) L+Fe 3 C +Fe 3 C + (ferriitti) eutektoidinen piste +Fe 3 C Fe 3 C (sementiitti) 5

6 Vastauksia b) Eutektinen reaktio: sula => 2 kiinteää faasia Eutektoidinen reaktio: 1 kiinteä faasi => 2 kiinteää faasia c) 1538 d) 1450 e) 6,7 %, ei vaihtele sillä Fe 3 C ei ole jähmeä liuos vaan rautakarbidi. f) 2,14 % lämpötilassa 1147 g) Minimi n. 0,35 %, maksimi n. 0,95 %. h) 0,022 % lämpötilassa 727 i) Liukoisuusero johtuu austeniitin (PKK) ja ferriitin (TKK) erilaisesta kiderakenteesta. Hiili sijoittuu raudan oktaedrikoloihin, joita TKK ja PKK rakenteissa on eri määrä. 6

7 Tasapainosta poikkeava jäähtyminen teräksillä 7

8 S-käyrät Terässeosten jäähtymisnopeudesta riippuvia rakennemuutoksia kuvataan niin sanottujen S-käyrien avulla Ne poikkeavat tasapainopiirroksista mm. siten, että niissä huomioidaan ajan vaikutus rakennemuutoksia). S-käyriä on kahden tyyppisiä: isotermisiä (TTT) ja jatkuvan jäähtymisen (CCT) S-käyriä Käydään harjoituksessa TTT:n periaate 8

9 Time Temperature Transformation (TTT) Ohessa on eutektoidisen teräksen TTT-piirros TTT = aika-lämpötila-faasimuutos piirros Mitä kuvan viivat tarkoittavat? Eutektoidinen lämpötila Vrt. tasapainon mukainen jäähtyminen Reaktion alku Reaktion loppu 9

10 Perliitti Ferriitin ja sementiitin muodostama lamellimainen rakenne, joka syntyy eutektoidisessa reaktiossa Ominaisuudet ferriitin ja sementiitin yhdistelmä Lamellien väli riippuu muodostumislämpötilasta - ydintymisen (alijäähtyminen) ja - kasvun (diffuusio) vuorovaikutus 10

11 Bainiitti Erittäin hienojakoinen ferriitin ja sementiitin seos Neulasmainen sementiitti ferriittissä

12 Martensiitti Nopeassa jäähdytyksessä (esim. sammutettaessa veteen) hiili ei ehdi erkautua austeniitista sementiitiksi vaan syntyy hiiliylikyllästeistä ferriittiä eli martensiittia TKT-hila (tilakeskeinen tetragonaalinen) 12

13 Pieni pähkinä 1. Piirrä ja nimeä rakenne kohdissa 1, 2 ja 3, kun seos jäähdytetään nopeasti 620 lämpötilaan ja pidetään siinä 100 sekuntia Kyseiselle teräkselle suoritetaan siis isoterminen lämpökäsittely. 2. Miten voit saavuttaa martensiittisen mikrorakenteen Arvioi millä ajanhetkellä kohtien 1 ja 2 rakennemuutokset alkavat ja loppuvat Jäähdytetään ohi perliittinenän Ms lämpötilan alapuolelle. M(90%) lämpötilan alapuolella rakenne on 90% martensiittia 13

14 14

15 Kertaus Teräksen tärkeimmät faasit Ferriitti Austeniitti Sementiitti Martensiitti Teräksen tärkeimmät mikrorakenteet Perliitti Bainiitti Martensiitti 15