Binäärinen tasapaino, ei täyttä liukoisuutta

Transkriptio

1 Tasapainopiirrokset

2 Binäärinen tasapaino, ei täyttä liukoisuutta

3 Binäärinen tasapaino Kiinteässä tilassa koostumuksesta riippuen kahta faasia Eutektisella koostumuksella ei puuroaluetta Faasiosuudet muuttuvat koostumuksen mukana 3

4 Binäärinen tasapaino 1) sula 2) β jähmettyminen alkaa 3) β osuus kasvaa 4) loppusula jähmettyy α+β => alkuaineiden tulee jakaantua nopeasti A-valtaisen ja B-valtaisen faasin välillä 4

5 Binäärinen tasapaino 1) sula 2) β jähmettyminen alkaa 3) β osuus kasvaa 4) loppusula jähmettyy α+β => alkuaineiden tulee jakaantua nopeasti A-valtaisen ja B-valtaisen faasin välillä 5

6 Eutektikumin jähmettyminen Alkuainet valitsevat puolensa Kilpailevana kiteiden energia vs. valikoivan jähmettymisen nopeus Tuloksena lamellimainen rakenne Lamellietäisyys riippuu jähmettymisnopeudesta sularintama kasvaa α A β B A B A B L L L 6

7 7

8 Eutektinen piste Eutektisella koostumuksella sula jähmettyy yhdessä lämpötilassa 8

9 Eutektinen jähmettyminen 1) sula 2) sula jähmettyy α+β => alkuaineiden tulee jakaantua nopeasti A-valtaisen ja B-valtaisen faasin välillä 9

10 Kiinteän tilan faasimuutos Jos jähmettyminen käy täyden liukoisuuden alueella: 1) sula 2) α alkaa jähmettyä 3) kokonaan kiinteä α 4) kokonaan kiinteä α 5) β tulee tasapainoon 6) β osuus kasvaa 10

11 Kiinteän tilan faasimuutos Jos jähmettyminen käy täyden liukoisuuden alueella: 1) sula 2) α alkaa jähmettyä 3) kokonaan kiinteä α 4) kokonaan kiinteä α 5) β tulee tasapainoon 6) β osuus kasvaa 11

12 Alijäähtyminen Reaktio edellyttää vapautuvaa energiaa (ajava voima) Mitä suurempi alijäähtyminen, sitä suurempi ajava voima Jähmettyvä materiaali työntää edellään koostumushuippua työntää edellään jähmettymisestä lämmennyttä sulaa Tarvitaan alijäähtymistä 12

13 Dendriitit Suuri alijäähtyminen Voimakkaat koostumuserot 13

14 Kiinteän tilan muutokset Joillain metalleilla tasapainon mukainen faasi muuttuu lämpötilan funktiona "polymorfia" Kiinteän tilan faasimuutoksissa diffuusio on rajoitetumpaa Faasimuutoksiin liittyy tilavuusmuutoksia Faasimuutos fapauttaa energiaa 14

15 Rauta-hiili tasapaino 15

16 Austeniitin hajaantuminen Austeniitti liuottaa hiiltä ennemmän kuin ferriitti Lämpötilan laskiessa austeniitti tulee epästabiiliksi Austeniitti jakautuu ferriitiksi ja sementiitiksi Perliitti muutosrintama siirtyy α Fe ɣ Fe 3 C C Austeniitti 16

17 Perliitti 17

18 Esimerkkejä monimutkaisista tasapainopiirroksista Esimerkki Cu-seokset: Messingit Pronssit Hanat Laakerit Jouset 18

19 Cu-Zn 19

20 Messingit Kaupallisia messinkejä: - 5% Zn - 10% Zn - 15 % Zn - 20 % Zn - 40% (munzin metalli) 20

21 Cu + 20%-Zn Yksi faasi 21

22 Cu + 40%-Zn Kaksifaasirakenne 22

23 Alumiinipronssi 23

24 Cu + 10%-Al Jähmettyy ensin β β -> α Loppu β -> ɣ+α eutektoidi Monia faaseja tasapainossa eri koostumuksilla ja lämpötiloissa 24

25 Cu + 10% Al Kaksifaasirakenne Alfa+ eutektoidi Laakerit, hammaspyörät, korroosiokestoa vaativat kohteet 25

26 Faasimuutokset ja lämpökäsittelyt

27 Yksinkertaiset lämpökäsittelyt

28 Pehmeäksihehkutus Nostetaan lämpötilaa Diffuusio voi tapahtua Dislokaatiot palautuvat Materiaali pehmenee Rekristallisaatio Ei ylitetä faasirajoja

29 Jännityksenpoistohehkutus Nostetaan lämpötilaa Myötölujuus laskee Viruminen alkaa Jäännösjännitykset laukeavat Lujuus ei merkittävästi alene 29

30 Teräkset

31 Teräkset Tärkein konstruktiometalli Rauta-hiili -seoksia, joissa alle 2.14% hiiltä (tyypillisesti paljon vähemmän) 31

32 Polymorfia Ominaisuudet laajasti muokattavissa TKK -kiderakenne matalissa lämpötiloissa Suuri lujuus PKK -kiderakenne korkeissa lämpötiloissa voidaan saada stabiiliksi matalissa lämpötiloissa seostuksella 32

33 Rauta-hiili tasapaino 33

34 Teräksen rakennuspalikat Feriitti raudan stabiili kidemuoto huoneenlämpötilassa (BCC) liuottaa max 0.022% hiiltä Sementiitti Rauta-hiili yhdiste Fe3C Kova, hauras faasi Austeniitti raudan stabiili kidemuoto korkeissa lämpötioissa (FCC) liuottaa max 2.14% hiiltä pehmeä Eri mikrorakenteet kuvaavat ferriitin ja sementiitin erilaisia yhdistelmiä, joilla saavutetaan erilaisia ominaisuuksia 34

35 Lämpökäsittely Tavoitteena: vaikuttaa hiilen erkautumiseen kiderakenteeseen (martensiitti) Hiilen liukoisuus austeniittiin suuri Kontrolloidulla jäähdytyksellä voidaan vaikuttaa hiilen erkautumiseen 35

36 Ferriittis-perliittinen mikrorakenne 36

37 Ferriittis-perliittinen mikrorakenne 37

38 Ferriittis-perliittinen mikrorakenne 38

39 Spheroidization Pitkä hehkutus austeniittialueen alapuolella Sementiitti palloutuu Sementiittierkaumat kasvavat 39

40 Spheroidized 40

41 Ominaisuudet Pehmeä Muovattava 41

42 Normalisointi Teräksellä raekoon pienentämiseksi 42

43 Normalisointi 43

44 Hehkutus Normalisointi => täysi austenointi 44

45 Perlitointi Hehkutus austeniittialueella Hiili liukenee austeniittiin Jäähdytys => hiili erkautuu ferriitiksi ja perliitiksi 45

46 Ferriittis perliittinen 46

47 Hyper-eutektoidinen 47

48 Perliitti 48

49 Ominaisuudet Lujuus kasvaa Hiili lisää lujuutta tehokkaasti 49

50 Jäähtymisnopeuden vaikutus Nopeampi jäähdytys nopeus => hienompi lamellirakenne Suurempi lujuus ja sitkeys Enemmän perliittiä (?) 50

51 Nopealla jäähdytksellä ferriittireaktio voidaan ohittaa Poiketaan tasapainosta 51

52 Kuinka nopeasti? TTT-käyrät (timetransformation-temperature) CCT-käyrät (continuouscooling-transformation) 52

53 53

54 TTT / CCT käyrät Välttämätön lisä tasapainopiirrokseen lämpökäsittelyn tueksi Riippuvat koostumuksesta Seosaineet vaikeuttavat hajaantumista => Siirtävät hajaantumista oikealle ja alas 54

55 Entä jos... Jäähdytetään vielä nopeammin Hiili ei ehdi diffuusion avulla hajaantua Perliittireaktio estyy => bainiittireaktio 55

56 Bainiittireaktio Hajaantuminen tapahtuu mekanismilla, joka vaatii vähemmän diffuusiota Neulasmainen reaktio Hyvin hienojakoinen Hyvin luja ja sitkeä Monet paineastiateräkset 56

57 Bainiitti 57

58 58

59 Entä jos... Jäähdytetään niin nopeasti ettei bainiittireaktiokaan tapahdu => martensiittireaktio alkaa 59

60 Martensiitti Vaatii jatkuvaa lämpötilan alenemista Hiili jää ylikyllästeisenä ferriittiin 60

61 Martensiitti 61

62 62

63 63

64 Martensiitti Erittäin lujaa kovaa haurasta Vesisammutus Seosteräksillä öljysammutus 64

65 Seostuksen vaikutus 65

66 Seostus Vaikeuttaa hajaantumista (seosatomienkin täytyy järjestyä) Perliitti- ja bainiittialueet siirtyvät oikealle ja alas M s ja M f lämpötilat alenevat Perliittireaktio vaikeutuu enemmän kuin bainittireaktio, joka vaikeutuu enemmän kuin martensiittireaktio Martensiittireaktio tapahtuu hitaammilla jäähtymisillä (=> sammutus öljyyn jne.) 66

67 M f lämpötila Laskee seostuksen ja hiilipitoisuuden mukana Voi laskea alle huoneenlämpötilan => rakenteeseen jää austeniittia ("jäännösausteniitti") Pakkaskarkaisulla martensiittireaktio loppuun Martensiittireaktio voi jatkua muokkauksen johdosta => työstökarkeneminen 67

68 Ainepaksuuden vaikutus Jäähtyminen pinnan kautta Syvemmälle mentäessä jäähtyminen hidastuu Seostetummat teräkset ovat "syvään karkenevia" 68

69 69

70 Martensiitti tulee päästää Haurauden vuoksi martensiittia ei yleensä käytetä sellaisenaan Suoritetaan päästö hehkutus matalammassa lämpötilassa ylikyllästeinen hiili erkautuu lujuus pienenee, sitkeys lisääntyy mitä korkeampi päästölämpötila suurempi sitkeys pienempi lujuus 70

71 Päästö Matalassa lämpötilassa tetragonaalisuus vähenee Sitkeys lisääntyy Korkeassa lämpötilassa lujuus vähenee enemmän Sitkeys kasvaa 71

72 Nuorrutus Martensiittikarkaisu + korkea lämpötilan päästö = nuorrutus Erinomainen lujuus-sitkeys yhdistelmä Ominaisuudet muokattavissa 72

73 Nuorrutettu mikrorakenne 73

74 Martensiittikarkaisu yhteenveto Liuotushehkutus austeniittialueella hiili liukenee Nopea sammutus M f lämpötilaan kova martensiitti Päästö: hehkutus matalammassa lämpötilassa hiili erkautuu hienojakoisena matalassa lämpötilassa 74

75 75

76 Erkautuskarkaisu 76

77 Erkautuskarkaisu Korkeassa lämpötilassa seosaineet liuotetaan Nopealla jäähdytyksellä seosaineet jäävät liuokseen Kontrolloitu hehkutus erkauttaa paljon pieniä erkaumia

78 Duralumiini Seostetaan pieniä määriä kuparia Liuotetaan korkeasssa lämpötilassa Jäähdytetään nopeasti Erkautetaan hallitusti 78

79 Lämpötila-alueet 79

80 80

81 Erkautuva faasi metallien välinen yhdiste 81

82 82

83 83

84 84 Esimerkkejä kaupallisista seoksista

85

86 86

87 87

88 88