Luento 3. Kon Teräkset DI Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikka Aalto-yliopisto

Transkriptio

1 Luento 3 Kon Teräkset DI Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikka Aalto-yliopisto

2 Seosaineiden liuoslujittava vaikutus ferriittiin

3 Seosaineiden vaikutus Fe-C tasapainopiirrokseen Honeycombe & Bhadeshia ch 4 s ; ch s ; 6.10 s Uudistettu Miekk oja s ,

4 Seosaineiden vaikutus tasapainopiirrokseen Austeniittia suosivat Ferriittiä suosivat

5

6 Austeniittialuetta laajentavat seosaineet Yleisimmät: hiili (C) ja typpi (N) Muita: kupari (Cu), sinkki (Zn) ja kulta (Au).

7 Täysin austeniittinen rakenne Voimakkain vaikutus on: nikkelillä (Ni) ja mangaanilla (Mn), jotka riittävästi seostettuina saavat aikaiseksi täysin austeniittisen rakenteen myös huoneenlämpötilassa Muita tämän ryhmän seosaineita ovat mm. koboltilla (Co) sekä harvinaiset maametallit (REM).

8 Ferriittiä suosivat seosaineet Austeniittialuetta supistavia seosaineita ovat: boori (B), tantaali (Ta), zirkoni (Zr) sekä nioni (Nb).

9 Ferriittiä suosivat seosaineet Voimakkaasti ferriittiä suosivia ja samalla voimakkaasti austeniittialuetta supistavia seosaineita ovat: kromi (Cr) pii (Si). Tähän ryhmään luetaan kuuluvaksi myös seosaineet: alumiini (Al), fosfori (P), titaani (Ti), vanadiini (V) ja molybdeeni (Mo).

10 Seosaineiden vaikutus eutektoidiseen lämpötilaan Eutektoidinen lämpötila nousee Eutektoidinen lämpötila laskee

11 Seosaineiden vaikutus eutektoidiseen hiilipitoisuuteen Eutektoidista rakenne saavutetaan siis Fe-C systeemiä matalammalla hiilipitoisuudella

12 Seosaineet käyttäytyvät periaatteellisella tasolla: 1. Seosaine liukenee ferriittiin Seosaineen diffuusionopeus ohjaa muutosta. 2. Seosaine liukenee ferriittiin ja muodostavat karbideja Käyttäytyminen voi riippua myös seosaineen määrästä Pienillä pitoisuuksina liukenee pääosin ferriittiin Suurilla muodostaa karbideja Diffuusionopeus ja sementiitin muodostumisnopeus 3. Seosaine muodostaa karbideja. Seosaineen diffuusionopeus ja karbidin muodostumisnopeus. Kohtien 1-3 välillä on eroa, miten seosaineen tulee jakautua muutoksessa ja tästä seuraa, että muutos tapahtuu eri nopeudella.

13 Seosaineiden vaikutus esieutektoidisen ferriitin ja perliitin muodostumiseen Seosaine voi: 1. hidastaa ferriitin syntymistä ( suosii austeniittista rakennetta ) Raerajoille syntyvät, ferriitin ydintymistä estävät rakenteet 2. edistää ferriitin syntymistä Edesauttavat ferriitin ydintymistä 3. seosaine vaikeuttaa hiilen diffuusiota Laskee sementiitin muodostumisnopeutta tai estää ydintymistä. 4. seosaine estää sementiitin muodostumista Sementiitin sijasta muodostuu muita seoskarbideja.

14 Miten diffuusio liittyy austeniitin hajaantumiseen? Austeniitin hajaantuminen kahdeksi faasiksi edellyttää hiilen jakaantumista uudelleen rakenteessa diffuusion avulla. 1. Hiilen täydellinen diffuusio vaatii aikaa ja korkean lämpötilan toimiakseen. 2. Austeniitin hajoamisen lopputulosta riippuu siitä, miten hiilen diffuusio ehtii tapahtua eli lämpötilan muutosnopeuden mukaan. Austeniitti Perliitti + esieutektoidiset faasit Bainiitti Martensiitti Hidas jäähdytys Keskinopea jäähdytys Nopea jäähdytys

15 Seosaineiden vaikutus => muutoksessa Austeniitti-ferriittimuutoksessa myös seosaineiden täytyy jakautua uudelleen rakenteen muuttuessa Seosaineiden vaikutus reaktioon riippuen siitä, mihin ja miten seosaine kulkeutuu. 1. Seosaineiden jakaantuminen määrää muutoksen nopeuden Seosaineen diffuusionopeus määrää muutoksen nopeuden 2. Seosaineiden jakaantuminen vähemmän merkittävää Hiilen diffuusionopeus määrää muutoksen nopeuden Huom: Fe-C-X järjestelmissä muutokset tapahtuvat yleensä aina puhdasta Fe-C järjestelmää hitaammin, koska rakenteiden kasvurajoille syntyy epäpuhtauksien aiheuttamaa jarrutusta (impurity drag).

16 Seosaineiden vaikutus perliittireaktioon Riippuen edelliskohtien vaikutuksesta seosaineet voivat: 1. vaikeuttaa perliittirakenteen ydintymistä 2. hidastaa perliittikolonian kasvunopeutta 3. muuttaa perliitin karbidirakenteen muotoa

17 S-käyrät Honeycombe & Bhadeshia ch 6 s Uudistettu Miekk oja s

18 Isoterminen faasitransformaatio Diffuusiosta riippuvat faasimuutokset (esim. perliittireaktio) tarvitsevat tietyn ajan koko rakenteen muuttumiseen. Jähmeiden faasien välinen transformaatio ei tapahdu lineaarisesti, vaan syntyvän rakenteen osuus kasvaa yleensä S-käyrän muodossa.

19 TTT-käyrä Kuvaa mikrorakenteen muutoksia isotermisesti (vakiolämpötilassa). Merkitään syntyvät faasit ja rakenteet sekä niiden alku- ja loppupisteet. Piirros voidaan määritellä pienillä koesauvoilla tutkien niiden mikrorakennemuutoksia tai laskennallisesti Käytetään apuna lämpökäsittelyjä suunniteltaessa.

20 S-käyrien terminologiaa Isoterminen Vakiolämpötilassa tapahtuva S-käyrä Yleisnimitys TTT ja CCT -kuvaajille Käytetty etenkin Miekk ojan metallioppi -kirjassa TTT-piirros Time, Temperature & Transformation-kuvaaja. Kuvaa ajan, lämpötilan sekä mikrorakennemuutosten suhteita isotermisesti. IT-piirros Isothermal Transformation (sama kuin TTT-piirros). Miekk ojan metalliopissa TTT ja IT -piirroksista käytetään nimitystä Isotermiset S-käyrät. CCT piirros Continous Cooling Transformation. Kuvaa mikrorakenteen muutoksia jatkuvan jäähtymisen käyrien suhteen. CT piirros Cooling Transformation (sama kuin CCT-piirros). Miekk ojan metallioppi käyttää CCT- ja CT -kuvaajista nimitystä Jatkuvan jäähtymisen S- käyrät.

21 SAE teräksen TTT-piirros

22 Peliittireaktio alkaa A 1 Karkealamellinen perliitti Hienolamellinen perliitti Perliittireaktio loppuu

23 Austeniitin hajoaminen: Bainiitti Honeycombe & Bhadeshia ch 6 s Uudistettu Miekk oja s

24 Bainiittireaktio Edellytyksenä jäähtyminen riittävän nopeasti riittävän matalaan lämpötilaan tasapainon mukainen rautaatomien diffuusio ei ole mahdollista eutektoidinen hajoaminen estyy pienten hiiliatomien diffuusio voi vielä kuitenkin toimia austeniitti hajaantuu bainiittimekanismilla bainiittinen rakenne lujempaa kuin perliittinen

25 Bainiittireaktio: 1. isoterminen (tai jatkuvan jäähtymisen prosessi) 2. etenee hiilen diffuusionopeuden mukaan

26 Fe 3 C Bainiitissa on samat faasit kuin perliittissä, mutta eri tavoin jakautuneet

27 T = n. 500 C Austeniitin raerajoille alkaa ydintyä sikin sokin ferriittilevyjä ja linssejä. Levyistä muodostuu levypaketteja, joiden välillä on pienen kulman raja. Ferriittilevyjen ympärillä oleva austeniitti kyllästyy hiilestä ja alkaa muodostua karbideja, ml. sementiittiä. Yläbainiitti

28 Alabainiitti T = n. 300 C Muodostumismekanismi samankaltainen kuin yläbainiitilla. Hiili ei ehdi diffuntoitumaan yhtä paljon, joten karbidierkaumia syntyy myös ferriittilevyjen sisään. Mikrorakenne yhä hienojakoisempaa. Sementiittierkaumien koko nanometriluokkaa. Alabainiitti on lujempaa ja sitkeämpää kuin yläbainiitti,

29 Bainiittisia mikrorakenteita

30 Bainiittisia mikrorakenteita

31 Bainiittisia mikrorakenteita

32 Bainiittisia mikrorakenteita

33 Granulaarisen bainiittin mikrorakenteita (jatkuva jäähtyminen)

34 Peliittireaktio alkaa A 1 Karkealamellinen perliitti Hienolamellinen perliitti Perliittireaktio loppuu Bainiittireaktio alkaa Yläbainiitti Bainiittireaktio loppuu Alabainiitti

35

36

37

38 Bainiittileuka Seosteräksen TTTkuvaajaan syntyy kaksi C-kaarta. Ylempää kutsutaan perliittinenäksi. Alempaa kutsutaan bainiittileuaksi.

39 Seostuksen vaikutus TTT-kuvaajissa C45-teräs 50CrMo4-teräs

40 B s C % C 90 % Mn 37 % Ni 70 % Cr 83 % Mo

41 Bainiittisen teräkset valmistus Bainiittisen teräksen valmistus vaatii sopivien seosaineiden ja lämpökäsittelyn yhdistelmää. Esimerkiksi: Isoterminen bainiittihehkutus bainiittikarkaisu.

42

43 perliittireaktio alkaa A 1 Karkealamellinen perliitti Bainiittireaktio alkaa Hienolamellinen perliitti Yläbainiitti Perliittireaktio loppuu Bainiittireaktio loppuu Alabainiitti M s M f

44 Martensiitti Honeycombe & Bhadeshia ch 5 s Uudistettu Miekk oja s &

45 Austeniitin hajoaminen / nopea jäähdytys Kun teräs jäähdytetään nopeasti (sammutetaan), faasimuutokset eivät ehdi tapahtua diffuusion avulla Sen sijaan austeniitti leikkautuu tetragonaaliseen kidemuotoon eli tapahtuu martensiittireaktio C jää rakenteeseen ylikylläisenä ja lujittaa α -kiteitä voimakkaasti Austeniitti Martensiitti

46 Martensiittireaktio austeniitin pkk-hilasta leikkautuu martensiitin tkthila (tilakeskinen tetragoninen) leikkaustransformaatio = hilatyyppi muuttuu tietyllä alueella yht äkkisesti hilamuutos ominaistilavuuden kasvu sisäiset jännitykset martensiitti on lujaa ja haurasta

47 Martensiittitransformaatiossa tapahtuvat muodonmuutokset hilassa - Austeniitti- ja martensiittihilan yhteyden selvitti ensiksi Bain. - Tetragonaalinen martensiittihila voidaan konstruoida kahdesta austeniitin yksikkökopista. - Jotta uusi yksikkökoppi muuttuisi martensiitiksi tarvitaan noin 17% supistuminen [001] γ suunnassa Bainin muodonmuutos.

48 Martensiittitransformaatiossa tapahtuvat muodonmuutokset hilassa - Martensiitti (tkk, tetragoninen) muodostuu austeniitista (pkk) leikkautumalla joko kokonais- tai osittaisdislokaatioiden välityksellä tai kaksostumalla. - Kuvassa (a) on yhdistetty ne austeniittihilan Fe-atomit, joista muodostuu martensiitin yksikkökoppi. - Austeniitin (111)-taso tulee martensiitissa (011)-tasoksi ja suunta [101] suunnaksi [111]. - Austeniitin oktaedrikolot sijaitsevat x-, y- ja z-akseleilla, mutta martensiitissa C-atomit järjestyvät kaikki samalle z-akselille. - Tilakeskisestä kuutiollisesta hilasta tulee tetragoninen, akselisuhde c/a = 1,04, kun C- pitoisuus on 0,8%.

49 Martensiittireaktion kinetiikka Aterminen reaktio eli vaatii lämpötilan jatkuvan laskun Reaktio alkaa lämpötilassa M s (start), Muutos täydellinen lämpötilassa M f (finish)

50 Martensiittitransformaation kinetiikka

51 Martensiittilinssi leikkautuu austeniitin sekaan Uusien linssien muodostuminen vaatii lämpötilan laskemisen

52 Martensiitin ytimen rakenne

53 Perinnäisen austeniitin raekoon vaikutus martensiitin lujuuteen

54

55 Matalahiilinen martensiitti Keskihiilinen martensiitti Korkeahiilinen martensiitti Habit plane 111 γ 111 γ 110 α 1 10 γ 1 11 α Habit plane 225 γ 111 γ 110 α 1 10 γ 1 11 α Habit plane 259 γ 111 γ 110 α 11 2 γ 1 10 α

56 Martensiittilinssien muoto ja ns. invariant plane strain

57 Martensiittireakio rakenteen sovittuminen (a) bainin deformaatio (b) ja siirrosliukuminen (sälemartensiitti) (c) tai kaksostuminen (levymartensiitti)

58 Martensiittitransformaatiossa tapahtuvat muodonmuutokset hilassa

59 Deformaatiomekanismit martensiittitransformaatiossa

60 Deformaatiomekanismit martensiittitransformaatiossa ja martensiitin rakenne C-pitoisuuden funktiona

61 Miltä martensiitti näyttää? lath = säle lenticular =levy plate = levy hiilipitoisuus

62 Martensiittilinssejä erilaisissa teräksissä

63

64 Hiilen liukoisuus pkk: hiili oktaedrikoloissa (austeniitti) tkk: hiili oktaedriekoloissa (ferriitti)

65 TKK PKK

66 Martensiitin tetragonaalisuuden riippuvuus teräksen C- pitoisuudesta Välisijoissa oleva hiili venyttää austeniitin hilaa tasaisesti joka suuntaan Voimakkaasti suuntautunut muodonmuutos martensiittihilassa

67 Hiilipitoisuuden vaikutus martensiitin lujuuteen

68 Hiiliterästen martensiitin kovuuden riippuvuus C-pitoisuudesta

69 Martensiitin vanheneminen 1. Hiiliatomien ja martensiitin dislokaatiorakenteen välillä tapahtuva lujittumisilmiö. 2. Muuttaa martensiittirakenteen entistä hauraammaksi. 3. Tämän estämiseksi tulee suorittaa martensiitin päästökäsittely

70 Karkaisu Lämpökäsittelyä, jonka tavoitteena on martensiittinen rakenne, kutsutaan karkaisuksi. Lämpökäsittely koostuu: 1. Austenitointihehkutuksesta 2. Sammutuksesta (eli voimakkaasta jäähdytyksestä) Karkaisutekniikoita on useita Oikea suoritustapa riippuu teräslaadusta sekä tavoitellusta lopputuloksesta. [Uudistettu Miekk oja s ]

71 Kriittinen jäähtymisnopeus Kriittinen jäähtymisnopeus tarkoittaa sitä jäähtymisnopeutta, jolla jäähtymiskäyrä sivuaa perliittitai bainiittinenää. Kriittistä jäähtymisnopeutta suuremmilla jäähtymisnopeuksilla austeniitti hajoaa täysin martensiitiksi. Oheisessa CCT -kuvaajassa kriittinen jäähtymisnopeus on 8,3 C/s. Tätä hitaammilla jäähtymisnopeuksilla mikrorakenteeseen muodostuu aina bainiittia ja/tai perliittiä.

72 CCT-kuvaajat (Continous Cooling Transformation) Kuvaavat jatkuvan jäähtymisen aikana tapahtuvia mikrorakennemuutoksia Koostuu aukottomasta sarjasta jäähtymiskäyriä määritellään dilatometrian avulla, magneettisuuden muutoksia tutkimalla, koesauvoja tutkimalla tms. Jäähtymisnopeuden ja mikrorakenteen yhteys Mikrorakenteen muutoskohdat poikkeavat CCT- ja TTT-kuvaajien välillä!

73 CCT-kuvaajat Honeycombe & Bhadeshia ch 6 s Uudistettu Miekk oja s & 355.

74 34Cr4 teräksen TTT (isoterminen)- ja CCT (jatkuvan jäähtyminen)-kuvaajien erot Ferriitin ja perliitin muodostuminen myöhemmin Bainiitin alueessa voimakkaat muutokset

75 Seosaineiden vaikutus martentiitin ja bainiitin syntymiseen Vaikutus perustuu: 1. Vaikeutetaan perliitin syntymistä 2. Vaikeutetaan perliitin ja bainiitin syntymistä Seosaineiden vaikutus perustuu siis etupäässä diffuusioon perustuvien reaktioiden estämiseen, jolloin martensiitti kykenee syntymään hitaammalla jäähtymisnopeudella.

76 Kriittinen jäähtymisnopeus SAE 1078 teräs Matala seostus 34Cr4 teräs Korkeampi seostus

77 Hiilipitoisuuden vaikutus M s ja M f lämpötiloihin Liuenneet seosaineet laskevat M s (start)- ja M f (finish) -lämpötiloja ja hidastavat austeniitin hajaantumista. Merkittävin vaikutus on hiilellä, muiden seosaineiden vaikutus voidaan laskea:

78 M s lämpötila laskee hiilipitoisuuden laskiessa M f lämpötila laskee alle huoneenlämpötilan noin 0,7 %C

79 Jäännösausteniitti Martensiittireaktion ajavana voimana on lämpötilan muutos, ei käsittelyaika. Näin ollen, jos M f lämpötila on alle sammutuslämpötilan, jää osa austeniitista muuttumatta martensiitiksi. Muuttumatonta, epästabiilia austeniittia kutsutaan JÄÄNNÖSAUSTENIITIKSI. Austeniitti on merkittävästi pehmeämpää kuin muu rakenne Mikäli lämpötila lasketaan M f lämpötilan alle, muuttuu jäännösausteniitti martensiitiksi. Esimerkiksi korkean hiilipitoisuuden teräksille suoritetaan pakkaskarkaisu. Joissain tapauksissa jäännösausteniitti muuttuu martensiitiksi myös ulkoisen kuormituksen vaikutuksesta.

80

81 Martensiittireaktio yhteenveto

82 Ms lämpötila laskee hiilipitoisuuden funktiona Jäännösausteniitin määrä kasvaa korkeilla hiilipitoisuuksilla. Sälemartensiitti muuttuu levymartensiitiksi (muodostumismekanismi muuttuu)

83 Ensi kerralla: -Martensiitin pääseminen -Karkenevuus ja Jominykoe -Lämpökäsittelyjä