KJR-C2004 materiaalitekniikka. Harjoituskierros 2

Transkriptio

1 KJR-C2004 materiaalitekniikka Harjoituskierros 2

2 Pienryhmäharjoitusten aiheet 1. Materiaaliominaisuudet ja tutkimusmenetelmät 2. Metallien deformaatio ja lujittamismekanismit 3. Faasimuutokset 4. Luonnos: Materiaalit ja ympäristö

3 Tänään ohjelmassa 1. Pari sanaa vetokokeesta 2. Metallien lujittamismenetelmät ja esitehtävän läpikäyminen 3. Ryhmätyö 2

4 Jännitys Jännitys Jännitys Deformaatiovaste Metallit Keraamit Polymeerit * * Venymä Venymä Venymä Metallien käyttäytyminen ainutlaatuista Käyttäytymistä voidaan muokata lukuisin keinoin

5 Vetokoe Määritetään materiaalin mekaanisia ominaisuuksia, kuten: kimmokerroin myötölujuus murtolujuus murtovenymä. murtokurouma Koneistettu sauva, joka altistetaan kasvavalle kuormalle, kunnes sauva katkeaa.

6 Insinöörijännitys-venymäkäyrä A F l l o

7 Myötöraja eli myötölujuus Muodonmuutos muuttuu elastisesta plastiseksi Osalla materiaaleista korostunut myötöraja - ylempi R eh ja alempi myötöraja R el Osalla ei selvää myötörajaa - määritellään venymisraja (R p0,2 ), joka tarkoittaa 0,2% plastista venymää. Myötörajan alapuolella deformaatiovastetta voidaan kuvata Hooken lailla: σ = Eσ Deformaation käynnistyminen Dislokaatioiden liike

8 Sitkeys Hauras materiaali (suomugrafiittivalurauta) Sitkeä materiaali (hiiliteräs) Timo Kiesi

9 Metallien jännitys-venymäkäyriä

10 10

11 Kaksi perusteräslajia ,05 0,10 0,15 0,20 0,25 S355 rakenneteräs: Myötölujuus 325 Mpa Murtolujuus 500 Mpa Murtovenymä 22 % austeniittinen ruostumaton teräs Myötölujuus 380 Mpa Murtolujuus 875 Mpa Murtovenymä 55 %

12 Metallien lujittamismenetelmät 12

13 Mitä on metallien lujittaminen? Metallien lujittaminen perustuu plastisen deformaation vaikeuttamiseen Plastinen deformaatio tapahtuu dislokaatiomekanismilla Lujittaminen perustuu siis dislokaatioiden liikkeen hankaloittamiseen Dislokaatioiden liikettä voidaan hankaloittaa muokkaamalla mikrorakennetta eli viime kädessä käyttämällä apuna hilavirheitä: Liuosatomit Toiset dislokaatiot Erkaumat Sulkeumat Raerajat Faasirajat Kaksoset 13

14 Esitehtävästä keskustelu Muodostakaa noin 5 hengen keskusteluryhmiä Kukin jäsen on tehnyt eri aiheesta esitehtävän Kukin opiskelija kertoo kolme havaintoa omasta esitehtävästään vierustovereille. 1) Mikä hilavika oli tutkittavana? 2) Millä tasolla hilavika vaikuttaa (atomi-, kide-, mikro- vai makrotaso) 3) Millä mekanismilla hilavika vaikuttaa metallien lujuuteen? 14

15 Dislokaatio Plastisen deformaation välittäjämekanismi Kaksi muotoa : särmä- ja ruuvidislokaatio Yleinen tilanne on kuitenkin sekadislokaatio eli edellisten yhdistelmä Atomisidosten katkeaminen ja uudelleen muodostuminen Atomitason liukuminen hilarakenteessa Aiheuttaa hilaan vääristymiä hilaan jännityksiä 15

16 Mikä on liukusysteemi? Dislokaatioiden eteneminen tapahtuu liukumalla liukusysteemeissä Kaikilla atomitasoilla liukuminen ei ole mahdollista Viime harjoituksissa todettiin eri kiderakenteilla olevan erilainen deformaatiovaste PKK vs. TKK Erilainen atomien järjestys erilaiset liukusysteemit Liukusysteemi koostuu liukutasosta ja suunnasta Liukuminen tapahtuu mieluiten tiivispakkauksellisilla tasoilla 16

17 Dislokaation liike Dislokaation liikkeeseen tarvitaan energiaa Peierls-Nabarro -jännitys kuvaa sitä miten paljon hila vastustaa dislokaation liikettä F = de, (Peach-Koehler F = τb) τ = 1 b dx de dx τ PN = α Gb e πa c sin 2πx, 2c c jossa b on burgers-vektori, G liukukerroin, α vakio, a liukutasojen välinen etäisyys ja c atomien välinen etäisyys Lisätietoa: Meyers and Chawla, Mechanical Behavior of Materials. 17

18 Hilarakenne ja liukusysteemi PKK-hila, liukusysteemi & tiivispakkauksellinen taso PKK {111} <1 11> TKK-hila & liukusysteemi TKK {110} < 111> {211} < 111> {321} < 111> 18

19 Keskustele kaverin kanssa.. Mitä kuva esittää? Mitä yksityiskohtia kuvassa nähdään? 0,01 mm 19

20 Raekoon pienentäminen Rae Saman kideorientaation omaava osa mikrorakennetta Raeraja erottaa kaksi raetta, joilla on eri kideorientaatio 20

21 Dislokaatiot ja raerajat Liukuminen alkaa niissä kiteissä, jotka ovat edullisimmin suuntautuneet jännityssuuntaan nähden Jännityksen kasvaessa liukuminen leviää muihin liukusysteemeihin Monikiteisessä rakenteessa raekoko vaikuttaa lujuuteen 21

22 Raekoon vaikutus lujuuteen Dislokaatioiden liike vaikeutuu raerajoilla Rakeilla eri orientaatiot Liukutasot eivät jatku rakeesta toiseen Dislokaatiot pakkautuvat raerajoille Pieni raekoko tarkoittaa enemmän raerajoja ja suurempaa lujuutta materiaaliin 22

23 Lujuus vs. raekoko Messinki Teräs Hall Petch: σ y = σ 0 + kd 1 2 Myötölujuus Raekoko 23

24 Muokkauslujittaminen Plastinen deformaatio lisää dislokaatioiden määrää Kasvanut dislokaatiotiheys vaikeuttaa dislokaatioiden etenemistä samanmerkkiset dislokaatiot hylkivät toisiaan. Muodonmuutoskyky eli sitkeys pienenee Myötö- ja murtolujuus nousevat Kylmämuokkaus 24

25 Liuoslujittaminen Liuosatomit vääristävät hilaa ja synnyttävät jännityskentän ympärilleen Jännityskentät vaikeuttavat dislokaatioiden liikettä Välisija-atomien vaikutus tyypillisesti voimakkaampi kuin korvausatomien esimerkiksi hiilen lujittava vaikutus Fe-C systeemissä 25

26 Liuoslujittaminen Eri liuosatomien aiheuttama lujittuminen rautahilassa 26

27 Liuosatomien (välisija) vaikutus myötörajaan TKK-kiteessä esimerkiksi raudan -faasissa eli ferriitissä Cottrellin pilvet: 1. C ja N -atomit hakeutuvat diffuusion avulla dislokaatioiden luo 2. ankkuroivat dislokaatioita ja estävät niiden etenemistä. 3. vapautumisen jälkeen dislokaation eteneminen tapahtuu kriittistä jännitystä matalammalla jännityksellä. 27

28 Kaksostuminen Plastinen deformaatio voi tapahtua myös kaksostumismekanismilla Kaksostumista tapahtuu, jos liukumiselle ei ole edellytyksiä Rakenteessa vähän aktiivisia liukusysteemejä, esim. TKK ja TPH-hila Jos dislokaation liike on estynyt muusta syystä. Leikkausjännityksen vuoksi atomitasot leikkautuvat symmetrisesti kaksostumistason suhteen. 28

29 Pinousvika Tasapainon mukainen pinousjärjestys häiriintynyt Esim. PKK-rakenteen seassa esiintyvä TPH-pinousvika Pinousvika vaikeuttaa dislokaatioiden liikettä Liukusysteemistä tulee epäjatkuva 29

30 Mikrorakenne Koostuu useista kiteistä Kiteitä erottavat rae- tai faasirajat Moni mikrorakenne on useamman faasin muodostama kokonaisuus Faasit voivat olla jakautuneet monella tavalla rakenteessa Mikrorakennetta tutkitaan esimerkiksi mikroskopialla Toinen faasi Skemaattinen mikrorakenne 30

31 Faasirajat Faasi on homogeeninen osa rakennetta, jolla on samat fysikaaliset ja mekaaniset ominaisuudet Dislokaation liike faasirajan yli hankalampaa kuin raerajan Hyvä esimerkki sementiitti [1] teräksessä Asiaa käsitellään faasimuutos-harjoituksessa Kaksifaasinen duplex-ruostumaton teräs (vuorotteleva PKK ja TKK - kiteinen rakenne) [1] Sementiitti on hiilen ja raudan kemiallinen yhdiste (Fe 3 C), jolla on suuri merkitys hiiliterästen metallurgiassa. Kyseessä ei siis ole sementti! 31

32 Erkaumat ja dispersiolujittuminen Kantamatriisin sekaan synnytetään tarkoituksella erittäin pienikokoisia ja tasaisesti jakautuneita partikkeleita, erkaumia. Toimivat esteenä dislokaation liikkeelle. 32

33 Mikrorakenne Mikrorakenne on kaikkien vapaaenergiaa lisäävien "virheiden" summa Hilaviat Dislokaatiot Raerajat Faasirajat Ei-tasapainon mukaiset faasit Mikrorakenne vaikuttaa materiaalin fysikaalisiin sekä etenkin mekaanisiin ominaisuuksiin 33

34 Seuraavalla kerralla: Faasimuutokset Mikrorakenne riippuu faasien lukumäärästä, koostumuksesta ja jakautumisesta Mikrorakennetta voidaan muokata seostuksella, muokkaamisella ja lämpökäsittelyillä Materiaalin mikrorakenne vaikuttaa sen mekaanisiin ominaisuuksiin Tasapainopiirrosten avulla voidaan esimerkiksi suunnitella seostuksia ja lämpökäsittelyitä, joiden avulla saavutetaan halutut mikrorakenteet Ominaisuudet 34

35 Yhteenveto Plastinen deformaatio välittyy pääsääntöisesti dislokaatioiden liikkeellä Metallien lujittaminen perustuu plastisen deformaation vaikeuttamiseen Dislokaatioiden liikkeen hankaloittamiseen Mekanismeja neljä: 1. Muokkauslujittaminen 2. Raekoon pienentäminen 3. Liuoslujittaminen (välisija- ja korvaustomit) 4. Faasirakenteen aiheuttama lujittuminen: faasirajat ja erkaumarakenteet Lujittamismekanismeja sovelletaan käytäntöön muokkaus- ja lämpökäsittelyissä 35