KJR-C2004 materiaalitekniikka. Harjoituskierros 3

Transkriptio

1 KJR-C2004 materiaalitekniikka Harjoituskierros 3

2 Tänään ohjelmassa 1. Tasapainopiirros 1. Tulkinta 2. Laskut 2. Faasimuutokset 3. Ryhmätyöt 1. Esitehtävän yhteenveto (palautetaan harkassa) 2. Ryhmätehtävä - Kupariseokset

3 Pienryhmäharjoitusten aiheet 1. Materiaaliominaisuudet ja tutkimusmenetelmät 2. Metallien lujittamismenetelmät 3. Faasimuutokset 4. Tarkka aihe auki, mutta liittyy materiaaleihin ja ympäristöön

4 Kertaus edellisestä harjoituksesta Metallin kykyyn deformoitua vaikuttavat Kiderakenne Mikrorakenne Muokkaushistoria Tärkein plastisen deformaation mekanismi on dislokaatioiden liukuminen liukusysteemissä Lujittaminen perustuu deformaation estämiseen, keinot ovat Muokkauslujittaminen Raekoon pienentäminen Liuoslujittaminen (välisija- ja korvaustomit) Faasirakenteen aiheuttama lujittuminen: faasirajat ja erkaumarakenteet

5 Faasimuutokset

6 Tasapaino Tasapaino on energeettisesti optimaalinen tila Tasapaino riippuu lämpötilasta, paineesta ja koostumuksesta Rakenne muuttuu spontaanisti kohti tasapainon mukaista tilaa, jos tähän on mekanistiset edellytykset Diffuusion kontrolloimaa, jolloin nopeus on riippuvainen lämpötilasta Käytännössä täydellistä tasapainorakennetta ei koskaan saavuteta 6

7 Tasapainorakenne esimerkki Yksifaasisilla seoksilla täysin tasapainon mukainen rakenne on erilliskide Ei kide- eli raerajoja Ainoana hilavirheenä lämpötilasta riippuva tasapainotilan mukainen määrä vakansseja Jos tasapainossa useita faaseja, koostuu tasapainorakenne useasta erilliskiteestä, joita erottaa faasirajat 7

8 Tasapainopiirros Tasapainopiirros on "kartta, joka kertoo tasapainon mukaiset faasit ja faasien koostumukset eri lämpötiloissa ja eri seoskoostumuksilla Tasapainopiirroksen avulla voidaan ennustaa koostumuksen ja lämpötilan vaihteluiden vaikutusta materiaalin ominaisuuksiin 8

9 Tasapainopiirros Tasapainopiirros ei kerro mitään nopeudesta, jolla tasapaino saavutetaan Seosaineiden määrän mukaan tasapainopiirroksia kutsutaan Binäärisiksi(2) Ternäärisiksi (3) Kvarternäärisiksi (4) Hyperternäärisiksi (>4). Tasapainopiirroksia määritetty lukuisille eri systeemeille => taulukkotietoa 9

10 Binäärisiä tasapainopiirroksia Cu-Ni Aukoton liukoisuus eli kupari ja nikkeli liukenevat täydellisesti toisiinsa kaikilla seostuksilla Alkuaineiden seossuhde 10

11 Binäärisiä tasapainopiirroksia Pb-Sn Lyijyvaltainen faasi (seos) Tinavaltainen faasi (seos) Faasiseosalue Alkuaineiden seossuhde 11

12 Hopea - kupari -seokset Sterling-hopea (Ag max 92,5 %, Cu max 7,5 %): puhdasta hopeaa halvempi ja lujempi seos Shibuichi (Ag 25%, Cu 75%) Muokattava, tumma seos Kashira katanassa (koriste kädensijan päädyssä) Miksi toinen tummuu? toinen on luja? kyseinen koostumus? 12

13 Tehtävä 1 Merkitse hopea (Ag)-kupari (Cu) -tasapainopiirrokseen (kohdat a- e) / vastaa kysymyksiin (kohdat f-j): a) solidus b) likvidus c) solvus d) eutektinen piste e) eri faasien esiintymisalueet (kuparivaltainen a, hopeavaltainen b ja sula S sekä niiden seokset) f) Mikä on hopean sulamispiste? g) Mikä on kuparin sulamispiste? h) Mikä on eutektinen lämpötila? i) Mikä on hopean liukoisuus faasiin a huoneenlämpötilassa? j) Mikä on kuparin liukoisuus faasiin b eutektisessa lämpötilassa? 13

14 Cu:n sulamispiste Likvidus L Ag:n sulamispiste Solidus α α + L β + L Solidus Ag:n liukoisuus a- faasiin huoneenlämpötilassa Eutektinen lämpötila Solvus α + β Eutektinen piste Solvus Cu:n liukoisuus b- faasiin eutektisessa lämpötilassa

15 Tehtävä 2 Määritä hopea-kupari tasapainopiirroksen avulla esiintyvien faasien koostumukset, a) kun tarkastellaan seosta, jossa on 30 p-% hopeaa lämpötilassa 800 b) kun tarkastellaan seosta, jossa on 5 p-% kuparia lämpötilassa 750 c) kun tarkastellaan seosta, jossa on 5 p-% kuparia lämpötilassa

16 Faasien koostumus Kun tunnetaan seoksen koostumus ja lämpötila, voidaan tasapainopiirroksesta nähdä, mitä faaseja tasapainorakenteessa on. mikä on kunkin faasin koostumus. - Alueen rajaviiva ko. lämpötilassa esim. oheisessa kuvassa Ag 70 %, T = 600 a:n koostumus b:n koostumus Seoksen koostumus

17 Koostumukset A) Kaksi faasia α ja sula 17

18 Koostumukset A) Kaksi faasia α ja sula α koostumus Luetaan solvusrajalta: 8 p-%ag 92 p-%cu 18

19 Koostumukset A) Kaksi faasia α ja sula Sulan koostumus Luetaan likvidusrajalta: 65 p-%ag 35 p-%cu 19

20 Koostumukset Seos, jossa on 30 p-% Ag ja 70 p-%cu on 800 o C lämpötilassa kahtena faasina: kuparivaltainen α ja sula. α:n koostumus 8 p- %Ag - 92 p-%cu Sulan koostumus 65 p-%ag - 35 p-%cu 20

21 Tehtävä 2 b) Lämpötilassa 750 o C seos on kokonaan β-faasia. Koostumus sama kuin seoksen kokonaiskoostumus: 95 %Ag 5 %Cu c) Lämpötilassa 300 o C on kahta faasia (α+β) Koostumukset luetaan solvusrajoilta: - α 100 %Cu - β 100 %Ag 21

22 Tehtävä 3 Laske hopea-kupari tasapainopiirroksen avulla esiintyvien faasien osuudet, a) kun tarkastellaan seosta, jossa on 30 p-% hopeaa lämpötilassa 800 b) kun tarkastellaan seosta, jossa on 5 p-% kuparia lämpötilassa 750 c) kun tarkastellaan seosta, jossa on 5 p-% kuparia lämpötilassa

23 Vipusääntö Tasapainopiirroksesta voidaan laskea eri faasien osuudet vipusäännön avulla a b c c 2 % 100% c 1 2 c c 1 % 100% c

24 Tehtävä 3 a) Lämpötilassa 800 C on kahta faasia (L+a) a a a 2 a L a 1 a % a 22 37% b) Lämpötilassa 750 seos on kokonaan b-faasia. c) Lämpötilassa 300 on kahta faasia (α+b) a b c c c c c c % 96% 24

25 Tehtävä 4 Piirrä tehtävän seosten lopulliset mikrorakenteet huoneenlämpötilassa, kun mikäli oletetaan jähmettymisen olevan tasapainon mukaista. 25

26 Tehtävä 4 26

27 Hopea - kupari -seokset Sterling-hopea (Ag max 92,5 %, Cu max 7,5 %): puhdasta hopeaa halvempi ja lujempi seos Shibuichi (Ag 25%, Cu 75%) Muokattava, tumma seos Kashira katanassa (koriste kädensijan päädyssä) Miksi toinen tummuu? toinen on luja? kyseinen koostumus? 27

28 Monimutkaisempia tp-piirroksia 28

29 Tasapainopiirroksia (Phase diagrams) Kalkogenidilasi esim: AgInSbTe (CD-RW) Vesi GeSbTe (DVD-RW) 29

30 Ruostumattomat teräkset Rauta Fe Kromi Cr Nikkeli Ni 30

31 Kuvat 31

32 Faasimuutoksista Tasapainopiirroksen ymmärtäminen antaa avaimet faasimuutosilmiöiden ymmärtämiseen ja soveltamiseen Käytännön sovelluksia mm. lämpökäsittelyissä Terästen lämpökäsittelyt tai alumiinin erkautuskarkaisu perustuu pitkälti tasapainopiirroksen soveltamiseen. Tasapainopiirroksia käytetään apuna myös muiden materiaaliryhmien ominaisuuksien tulkinnassa: Keraamit, geologia 32

33 Rauta (Fe)- hiili (C) Teräkset, valuraudat 33

34 Hiiliteräksen mikrorakenteen muokkaaminen jäähtymisnopeudella Jäähtymisnopeus kasvaa Kovuus ja lujuus kasvavat 34

35 Miksi faasimuutokset kiinnostavat? Koostumus Määrittää tasapainon Prosessointi Kuinka kaukana rakenne on tasapainosta Mikrorakenne ja ominaisuudet Materiaalin käyttökelpoisuus 35

36 Ryhmätyö: kupariseokset 36

37 Teollisia kupariseoksia EN ISO UNS Nimellis-% Kauppanimi CW500L CuZn5 Zn C Cu-5Zn Gilding metal CW501L CuZn10 Zn C Cu-10Zn Commercial bronze Zn C ,5Cu-12,5Zn Jewelry bronze CW502L CuZn15 Zn C Cu-15Zn Red brass CW503L CuZn20 Zn C Cu-20Zn Low brass CW504L CuZn28 Zn C25600 CW505L CuZn30 Zn C Cu-30Zn hylsymessinki CW506L CuZn33 Zn C Cu-35Zn Yellow brass CW507L CuZn36 Zn C27400 CW509L CuZn40 Zn C Cu-40Zn Muntz metal Sn C ,7-1,3Sn tinapronssi CW450K CuSn4 Sn C50900 CW452K CuSn6 Sn C51900 CW453K CuSn8 Sn C Cu-8Sn tinapronssi Sn C Cu-10Sn tinapronssi CC480K CuSn10 Sn C Cu-11Sn valutinapronssi CW300G CuAl5 Al C Cu-5Al alumiinipronssi - CuAl8 Al C Cu-8Al alumiinipronssi 37

38 Kupari (Cu) ja sinkki (Zn) Messinki 38

39 Kupari (Cu) ja tina (Sn) Tinapronssit 39

40 Alumiini (Al) ja kupari (Cu) valettavat alumiiniseokset, alumiinipronssit

41 Ryhmätyö Ryhmä Aihe Cu-Al vs Cu-Zn Cu-Al vs Cu-Sn Cu-Sn vs Cu-Zn 1. Tarkastelkaa oheista listaa teollisesti käytettävistä kupariseoksista 2. Tulkitkaa vastaavaa tasapainopiirrosta ja havainnoikaa seosten yhteneväisyyksiä ja eroja. 3. Etsikää selitys, miksi kyseisiä seostuksia käytetään. 4. Selvittäkää, millainen on tyypillinen mikrorakenne: Etsikää sopivat mikrorakennekuvat, jotka kuvaavat tutkimianne seoksia parhaiten. 5. Selvittäkää mitä mekaanisia ominaisuuksia seoksilla on: Käyttäkää apuna CES Edupack Level 2 ja 3 (browse) Tarkempi tehtävänanto MyCoursesissa!

42 Muutama juttu kertauksena Merkitkää kiertävään listaan jäsenten nimet Palauttakaa MyCoursesiin ryhmäkohtainen palautus seuraavasta ryhmätehtävästä viikon kuluessa harjoituksesta Hyväksytystä tehtävästä 5 p Tällä kertaa tehtävä on aiempaa vaativampi, jonka vuoksi virheellinen tehtävä voidaan palauttaa korjattavaksi. Täysin luokattomat suoritukset hylätään ilman korjausmahdollisuutta. Virheellinen tehtävä voidaan palauttaa korjattavaksi, jolloin -2 p Myöhästynyt palautus -1 p / päivä Tehkää raporttiin kansisivu, jossa ilmenee ryhmän jäsenten nimet, ryhmä ja aihe. Pituus ja muotoilu vapaat, teknisen kirjoittamisen ohjeet luonnollisesti voimassa. 42