Luento 1 Rauta-hiili tasapainopiirros Austeniitin hajaantuminen perliittimekanismilla

Transkriptio

1 Luento 1 Rauta-hiili tasapainopiirros Austeniitin hajaantuminen perliittimekanismilla

2 Vapaa energia ja tasapainopiirros

3 Allotropia - Metalli omaksuu eri lämpötiloissa eri kidemuotoja. - Faasien vapaat energiat pienenevät lämpötilan kohotessa. - Kun allotrooppinen muutospiste ohitetaan, muutos tapahtuu reversiibelisti. - Allotrooppisen muutoksen ajava voima perustuu eri kidemuotojen vapaiden energioiden erotukseen.

4 Raudan polymorfia - Raudan kaksi allotrooppista muotoa ovat -Fe eli ferriitti, jonka kiderakenne on tilakeskinen kuutiollinen (tkk) ja -Fe eli austeniitti, jonka kiderakenne on pintakeskinen kuutiollinen (pkk). - Kidemuotoihin liittyvät vapaat energiat riippuvat lämpötilasta siten, että pkkrakenteen vapaa energia on pienempi välillä A 3 A 4.

5 Raudan polymorfia - Raudan allotropia liittyy myös sen seoksiin. - Seosaineet voidaan ryhmitellä kahteen luokkaan sen mukaan, miten ne vaikuttavat allotrooppisiin muutospisteisiin A 3 ja A 4. - Sellaiset seosaineet, jotka liukenevat ferriittiin laajentavat ferriitin stabiilisuusaluetta ja päinvastoin.

6 Raudan polymorfia - Eri faasien stabiilisuusalue laajenee seosaineiden pitoisuuden kasvaessa. - Ferriittiä stabiloivat seosaineet (Cr, W, V, Mo, Si, P ja Al) voivat tehdä ferriitin stabiiliksi faasiksi sulamispisteeseen asti (esim. ferriittiset ruost. teräkset). Näistä Cr, Mo, V ja Mo on sama kidemuoto kuin -Fe:lla. - Austeniittia stabiloivat seosaineet (C, N, Ni, Mn, Cu, Co, ja Zn), joista useiden kiderakenne on pkk, laajentavat austeniitin stabiilisuusaluetta huoneen lämpötilaan ja aina 0 K asti.

7 Binäärinen systeemi Fe-Fe 3 C - Tasapainon vallitessa tässä systeemissä esiintyy austeniitin ja ferriitin lisäksi grafiitti. - Todennäköisyys grafiitin muodostumiseen matalilla C-pitoisuuksilla on olematon, joten rauta ja hiili muodostavat metastabiilin faasin, Fe 3 C karbidin (sementiitti). - Grafiitin muodostusta edistää korkea C-pitoisuus ja hidas jäähtymisnopeus.

8 Binäärinen Fe-C tasapainopiirros

9 Binääristen Fe-C ja Fe-N tasapainopiirrosten vertailu

10 Ferriittinen ja austeniittinen mikrorakenne

11 Spesifinen atomitilavuus austeniitissa ja ferriitissä

12 Ferriitin välisijat

13 Ferriitin ja austeniitin välisijat

14 Välisijat ferriitissä ja austeniitissa

15 Välisijojen koko ferriitissä ja austeniitissa

16 Välisija-atomien koko ja hiilen ja typen liukoisuus ferriittiin ja austeniittiin

17 Alkuaineineiden diffuusio ferriitissä ja austeniitissa

18 Raudan ja terästen lujittaminen

19 Liukusysteemit ferriitissä ja austeniitissa

20 Liukujännityksen lämpötilariippuvuus ferriitissä

21 Korostunut myötöraja ferriitissä

22 Myötövanheneminen ferriitissä - Välisija-atomeilla, kuten C ja N, on voimakas vuorovaikutus dislokaatioiden jännityskentän kanssa. - Tämä johtaa välisija-atomien konsentroitumiseen dislokaatioviivojen ympärille ns. Cottrellin pilviin. - Sidosenergia C atomin ja dislokaation välillä raudassa on n. 0,5 ev. Siksi C atomit voivat lukita dislokaation ja nostaa liukujännitystä. - Hyvin pieni pitoisuus riittää lukitsemaan dislokaatiot, esim disl. viivan per cm 2 lukitsemiseen hehkutetussa raudassa tarvitaan vain 10-6 p.-% C. - Myötövanheneminen ja korostunut myötöraja selittyy vapaiden C ja N atomien ja dislokaatioiden välisellä vuorovaikutuksella.

23 Myötövanheneminen hiiliteräksessä - Dynaamisessa myötövanhenemissa esiintyy epäjatkuvasti korostunut myötöraja ja syntyy porrasmainen (serrated) jännitys-venymäkäyrä. - Tämä tapahtuu lämpötiloissa, joissa välisija-atomit voivat diffuntoitua deformaation aikana. - Tällöin teräksen sitkeys on matala; sinihauraus, myötövanheneminen, jne.

24 Ferriitin liuoslujittaminen - Si ja Mo ovat tehokkaita ferriitin lujittajia, mutta V taas on heikko. Muita tehokkaita atomeja ovat P, Mn, Cu, Ni. - Korvausatomien lujittava vaikutus on sitä suurempi mitä suurempi on atomikokoero ja kimmomodulien ero. - Liuoslujittamisen vaikutus yhdistyy kaikkiin muihin lujittamismekanismeihin, kuten raekoko ja erkautuslujittaminen.

25 Raekoon lujittava vaikutus - Raekoon lujittava vaikutus perustuu siihen että dislokaatiolähde toimii rakeen sisällä ja syntyneet uudet dislokaatiot kasautuvat raerajoja vasten (pile-up). - Dislokaatioruuhka aiheuttaa jännityksen nousun naapurirakeissa, joissa uudet dislokaatiolähteet alkavat toimia, kun kriittinen jännitys ylittyy. - Näin myötäminen etenee rakeesta toiseen. - Raekoko määrää kunkin dislokaation kulkeman matkan ja kuinka paljon dislokaatioita voi kasautua raerajaa vasten. - Mitä suurempi raekoko sitä helpompaa on deformaatio.

26 Binäärinen Fe-C tasapainopiirros

27 Hiiliterästen mikrorakenteita

28 Hiiliterästen mikrorakenteita

29 Perliitin mikrorakenteita

30 Hiiliteräksen ja valuraudan mikrorakenteita

31 Valuraudan mikrorakenteita

32 Valkean valuraudan mikrorakenne

33 Harmaan valuraudan mikrorakenne

34 Teräksen mikrorakenteen erikoisnimityksiä

35 Teräksen mikrorakenteen erikoisnimityksiä

36 Austeniitin hajaantuminen perliittimekanismilla

37 Esieutektoidista Widmannstätten ferriittiä perliittipohjalla

38 Esieutektoidista Widmannstätten ferriittiä ja sementiittiä perliittipohjalla

39 Austeniitti-ferriitti orientaatiosuhde

40 Perliittireaktion mekanismi

41 Perliittireaktion mekanismi

42 Perliitin orientaatiosuhteet

43 Perliitin lamellietäisyys ja perliitin lujuus

44 C-Mn terästen lujuus ja perliitin (hiilen) vaikutus iskusitkeyteen