RUOSTUMATTOMIEN TERÄSTEN MEKAANISET OMINAISUUDET 3/11/13

Transkriptio

1 RUOSTUMATTOMIEN TERÄSTEN MEKAANISET OMINAISUUDET 1

2 2 σ (Stress) [MPa] STAATTINEN LUJUUS vetokoe R m R p0.2 kimmoinen alue R = Eε 0.2% A ε (strain) plastinen alue kuroumaalue

3 AUST RST VRT. HIILITERÄKSEEN 3 = R p0,2

4 RUOSTUMATTOMAT VRT. HIILITERÄS 4 = R p0,2

5 5

6 6 DUPLEX-TERÄKSET Duplex steels also alloyed with high levels of N which increases strength by solid solution strengthening

7 LUJUUKSIA 7 Ferr. 22Cr

8 MUOKKAUSLUJITTUMINEN FERRIITISET (KYLMÄVALSSAUS) Huom! 40% reduktio -> ΔRp = +325 MPa (+47 ksi) 8 From Materials Science, by John Russ

9 MUOKKAUSLUJITTUMINEN AUSTENIITTISET (KYLMÄVALSSAUKSESSA) 9 Stabiili austeniitti Muokkauslujittuu enemmän kuin ferriittiset (304/1.4301) Metastabiili austeniitti Muuttuu martensiitiksi muokkauksessa Jolloin muokkauslujittuu vielä enemmän (301LN 17.7Cr-6.5Ni-0.14N)

10 10 METASTABIILI AUSTENIITTI Kylmävalssaus reduktio 2% 10 % 20 % γ is shown in gray, ε-martensite in yellow, α -martensite in red. Anna Kisko

11 M D30 -LPT 11 (GS = ASTM standardin mukainen raekoko) Kuvaa austeniittisen teräksen stabiilisuutta muokkausmartensiitin syntymisen (ty östökarkenemisen) suhteen 30 % todellinen venym ä aikaansaa 50 % martensiittipitoisuuden Seosaineet yleens ä lisäävät stabilisuutta ( Co ja Al laskevat) Stabiilisuus kasvaa M d30 lämpötilan laskiessa M d30 alle 50 o C = stabiili M d30 lämpötiloja: AISI 304 / EN = o C AISI 301LN / EN = + 20 o C AISI 316 / EN < -100 o C N-, Cr- ja Ni pitoisuutta s äätämällä voidaan vaikuttaa stabiilisuuten ja siten my ös muovausominaisuuksiin

12 12 MUOKKAUSLUJITTUMINEN 301LN -muokkauslujitettuna

13 13 MUOKKAUSLUJITTUMINEN Plussaa: lujuutta lisää Venytysmuovattavuus parempi Miinusta: koneistus vaikeampaa Mikäli epästabiili austeniitti: viivästynyt murtuminen (delayed cracking)

14 14 VIIVÄSTYNYT MURTUMINEN Vety + jäännösjännitykset + muokkausmartensiitti => viivästynyt murtuminen

15 15 MUOVATTAVUUS

16 VENYTYSMUOVAUS 16 α vaaditaan muokkauslujittumista Ferriittinen teräs (vasemmalla) murtui aikaisemmin kuin austeniittinen (alla) γ Timo Kauppi Tokem

17 17 SYVÄVEDETTÄVYYS Ferriittiset paremmat kuin austeniittiset

18 18 AUSTENIITTISTEN MUOVATTAVUUS Hyvä muovattavuus: Soveltuvat hyvin syv ävetoon Hyvin venytysmuovattavia ja painosorvattavia Särmäyksess ä voidaan k äyttää hyvinkin pieni ä taivutuss äteitä: Likimäärin levynvahvuus, kun kulma on 90 astetta Levyn ollessa alle 3 mm jopa 180 asteen taivutus Materiaalin takaisinjousto suurempi kuin hiiliter äksiä muokattaessa Muokkauslujittuminen ja ty östökarkeneminen nostavat voiman tarvetta 1,5 2-kertaiseksi hiiliter äkseen verrattuna Aihioita ja ty ökaluja lämmittämällä voidaan työstökarkenemista vähentää

19 19 FERRIITTISTEN MUOVATTAVUUS: EN Ei muokkauslujitu yhtä voimakkaasti kuin austeniittinen Pienempi murtovenym ä Huonompi venytysmuovattavuus kuin Hieman suurempi anisotropia Erinomainen syv ävedett ävyys Roping -ilmi ö Ti tai Nb stabilointi v ähentää Esim. EN Myötöjuovat Vaatii viimeistelyvalssauksen Hauraus matalassa l ämpötilassa Työkalujen esil ämmitys austeniittisella

20 20 HITSATTAVUUS

21 21 HITSATTAVUUS

22 22 HITSATTAVUUS Austeniittinen teräs johtaa lämpöä huomattavasti huonommin kuin seostamaton teräs, mikä hidastaa hitsin jäähtymistä ja voi lisätä herkistymisvaaraa sekä vetelyitä. Lämpölaajenemiskerroin on 50 % suurempi, mikä lisää vetelyitä hitsauksessa. Tästä syystä osien sovitukset ja silloitukset on tehtävä huolellisemmin ja tiheämpään. Noin viisi kertaa suurempi ominaisvastus nopeuttaa lisäaineen sulamista, jolloin se sulaa nopeammin samalla virralla kuin seostamaton lisäaine.

23 23 HITSATTAVUUS: AUSTENIITTISET Useimmat austeniittiset hitsiaineet sisältävät pienen määrän ferriittiä kuumahalkeilun estämiseksi. Hitsiaineen ferriittipitoisuus voidaan määrittää erilaisten ferriittidiagrammien, ns. Schaefflerdiagrammien avulla, mittaamalla magneettisilla mittalaitteilla tai metallografisesti mikroskoopissa. Ferriittidiagrammeja on viimeisen viidenkymmenen vuoden aikana kehitetty monia erilaisia: Schaeffler-diagrammi, 1949 Bystram-diagrammi, 1956 DeLong-diagrammi, 1973 WRC-diagrammi, 1992

24 SCHAEFFLER DIAGRAMMI FAASIT LÄSNÄ HUONEEN LÄMPÖTILASSA (HITSEISSÄ, MUTTA PÄTEE MYÖS PERUSAINEILLEKIN SUUNNILLEEN) 24 Niekvivalentti. (Ni, C ja Mn lisäävät austeniitin stabiilisuutta) Huom! Diagrammi on tarkoitettu vain ruostumattomille teräksille eikä ota huomiota kaikki seosaineita Cr-ekvivalentti (Cr, Mo, Si, Nb lisäävät ferriitin stabilisuutta)

25 FAASIDIAGRAMMEJA 25 Tässä diagrammissa nähdään mitkä faasit ovat termodynaamisesti stabiileja 1000 C:ssa silloin kun seos sisältää vain Fe-Cr- Ni. α= ferriitti γ= austeniitti Kun lämpötila laskee 1000 C:sta huoneen lämpötilaan tavallisissa prosesseissa, faasisuhteet ei paljon tästä muutukaan paitsi silloin kun austeniitti sisältää suhteellisen vähän seosaineita. Silloin austeniitin Ms-lämpötila on korkeahko ja se muuttuu ainakin osittain martensiitiksi (kuten edellinen Schaefflerdiagrammi ennustaa). Fe α+γ Ni Cr

26 FAASIDIAGRAMMEJA 26 Tästä Fe-Cr faasidiagrammista nähdään miten teräksen kiderakenne voi pysyä ferriittisenä kaikissa lämpötiloissa silloin kun Cr-pitoisuus on riittävän suuri (noin 13% - arvo riippuu muistakin seosaineista). Raekoon hienontava ferriitti=>austeniitti=>ferriitti muutos ei silloin tapahdu. Tästä seuraa ferriittisten terästen taipumus suuriin raekokoihin ja heikkoihin sitkeyksiin erityisesti hitsattuina. Austeniitti Ferriitti Diagrammi kertoo myös, että suurilla Crpitoisuuksilla on vaarana että hauras sigma-faasi muodostuu. 475 C:n alapuolella suurilla Crpitoisuuksilla ferriitin Fe- ja Cr-atomit pyrkivät jakautumaan Cr-köyhiin ja Crrikkaisiin nanoalueisiin. Tämäkin johtaa haurastumiseen mikäli teräs on liian kauan näissä lämpötiloissa. Ilmiö tunnetaan nimellä 475-haurastuminen.

27 FAASIDIAGRAMMEJA 27 Edellinen Fe-Cr diagrammi muuttuu jos Ni on läsnä seoksessa. Vieressä pari esimerkkiä, joissa Cr+Ni = 30% ja 40%. Tästä nähdään, että esim. 18Cr 12Ni teräs pysyisi austeniittisena melkein sulamiseen asti. Huom tässä diagrammissa ferriitti on merkitty δ- symboolilla

28 28 FAASIDIAGRAMMEJA Kuten tullaan näkemään (herkistyminen) ruostumattoman teräksen Cr voi reagoida teräksessä olevan vapaan hiilen kanssa (liuoksessa olevan hiilen kanssa) ja muodostaa karbideja. Karbidien muodostamistaipumus voidaan nähdä esim. Fe-Cr-C faasidiagrammeista, mutta nämä ovat sen verran monimutkaisia, ettei niitä käsitellä tällä kurssilla.

29 HITSATTAVUUS FERRIITTISET TERÄKSET 29 Täysin ferriittinen rakenne on altis rakeenkasvulle lämpötiloissa yli 950 C. Tästä on seurauksena alentunut sitkeys mm. hitsausliitoksessa. Raekoon hienontaminen ja sitkeyden palauttaminen ei ole mahdollista lämpökäsittelyllä. Rakeenkasvu on pienempää stabiloiduissa ferriittisissä ruostumattomissa teräksissä ja pienintä puoliferriittisissä ruostumattomissa teräksissä.

30 30 HERKISTYMINEN Herkistyminen ja raerajakorroosio ovat perinteellisiä perusasioita ruostumattoman teräksen hitsauksen yhteydessä. Aikoinaan ne olivatkin ongelma, koska teräksen valmistus ei ollut niin kehittynyt kuin nykyään (C pitoisuudet olivat korkeampia). Herkistymiseksi sanotaan ilmiötä, jossa teräs tulee taipuvaiseksi raerajakorroosiolle. Teräksen herkistymistä voi tapahtua kuumennuksen aikana lämpötila-alueella C, kuva 40.

31 31 HERKISTYMINEN Syynä on Crkarbidin muodostumin en raerajoilla

32 32 HERKISTYMINEN

33 33 HERKISTYMINEN T. Kauppi, luennot, RST, valmistus, ominaisuudet. Metallurgiaa 2011: KORROOSIO

34 34 HERKISTYMINEN: AUSTENIITTINEN TERÄS

35 35 HERKISTYMINEN: AUST. VRT FERR.

36 36 Ferriittiset ruostumattomat teräkset ovat alttiita raerajakorroosiolle, jos herkistymistä ei estetä käyttämällä erittäin matalahiilisiä ja -typpisiä tai stabiloituja (titaani-, niobi-/tanttaali- tai zirkoniumstabilointi) teräksiä tahi tekemällä lämpökäsittely lämpötiloissa C hitsauksen jälkeen. Stabilointi = Ti tai Nb sitovat C stabiileiksi TiC tai NbC partikkeleiksi, jolloin ei ole vapaata C:tä muodostamaan Cr-karbiidia (Cr 23 C 6 ).

37 37 KORROOSIONKESTÄVYYS Carbon steels suffer from 'general' corrosion, where large areas of the surface are affected. Stainless steels in the passive state are normally protected against this form of attack, however, localised forms of attack can occur and result in corrosion problems: Pitting corrosion (pistekorroosio) Intergranular corrosion (raerajakorroosio) Stress corrosion cracking (SCC) (jännityskorroosio) Bimetallic (galvanic) corrosion (galvaaninen korroosio)

38 38 PISTEKORROOSIO CL - -LIUOKSISSA

39 39 PAIKALLINEN KORROOSIO As a general rule increased corrosion resistance can be expected by moving through the grades: Ferritic: to (409 to 430): increasing Cr 11 to 17% Austenitic: (304): adding nickel which aids the reformation of the passive layer if it is disturbed Austenitic (316): adding molybdenum reduces the effectiveness of chloride ions in locally breaking down the passive layer. (hapon kestävä) Austenitic and (904L and 6% Mo grades): further increases in Cr, Ni and Mo result in overall improved localised corrosion resistance Duplex grades such as 2205 (1.4462/S31803) are specifically designed to combat SCC

40 PRE & CPT Kriittinen pistekorroosiolpt (Critical Pitting Temperature, CPT) 40 Mitä korkeampi sitä parempi Korreloi PRE:n kanssa Pistekorroosioindeksi (Pitting resistance equivalent, PRE) PRE = %Cr + 3,3%Mo + 16%N Mitä suurempi arvo sitä kestävämpi teräs