Metallien plastinen deformaatio on dislokaatioiden liikettä

Transkriptio

1 Metallien plastinen deformaatio on dislokaatioiden liikettä

2 Särmädislokaatio 2

3 Ruuvidislokaatio 3

4 Dislokaatioiden ominaisuuksia Eivät ala/lopu tyhjästä, vaan: muodostavat ympyröitä alkavat/loppuvat raerajoille, toisiin dislokaatioihin, tms. Särmädislokaatiot ovat rajoittuneet tietylle liukutasolle (aiheuttamansa siirtymän suunnassa) Ruuvidislokaatiot voivat liikkua liukutasoilla aiheuttamaansa siirtymään nähden kohtisuorassa

5 Mistä lujuus syntyy Mikä vastustaa dislokaatioiden liikettä? 5

6 Dislokaatioiden liikevastus Sisäinen vastus Jaksottainen voima Riippuu atomien välisestä etäisyydestä - Mitä suurempi atomitasojen välinen etäisyys, sitä pienempi voima tarvitaan dislokaation siirtämiseen - Mitä pienempi atomien välinen etäisyys tasossa sitä pienempi voima tarvitaan dislokaation siirtämiseen Peierls -jännitys tiivispakkauksellisilla tasoilla Peierls-jännitys on mitättömän pieni

7 Lujuus Jos Peierls-jännitys on mitättömän pieni, miksi metalleilla on lujuutta? Miksi murtolujuus on suurempi kuin myötölujuus? Miksi metallit lujittuvat muokkauksessa?

8 Dislokaation jännitystila

9 Dislokaatioiden vuorovaikutus Jännitystila aiheuttaa dislokaatioiden vuorovaikutusta Poistovoima Vetovoima

10 Vuorovaikutus hilan kanssa Vastaavasti dislokaatiot reagoivat muihin jännityskenttiin hilassa: Seosatomit Erkaumat jne. 10

11 Ristikkäisillä atomitasoilla liukuvat dislokaatiot aiheuttavat siirtymiä toisiinsa Siirtymät vaikeuttavat dislokaatioiden liikettä 11

12 Mistä dislokaatiot tulevat Frank-Reedin dislokaatiogeneraattori

13 Dislokaatioiden syntyminen

14 Dislokaatioiden syntyminen Kuormitus synnyttää dislokaatioita Frank-reedin dislokaatiolähde Muita (tuntemattomia) mekanismeja Plastisen deformaation aikana dislokaatioiden määrä kasvaa 14

15 Lujuus Lujuus riippuu dislokaatioiden liikevastuksesta Lujittuminen tapahtuu dislokaatioiden liikettä vaikeuttamalla toisia dislokaatioita jännityskenttiä hilaan - seosatomeja - vieraan faasin erkaumia - jne. 15

16 Muokkauslujittuminen Plastinen deformaatio aiheuttaa dislokaatioiden määrän kasvun Dislokaatiot häiritsevät enenevässä määrin toistensa liikettä Dislokaatioiden liike vaikeutuu Lujuus kasvaa plastisen deformaation vaikutuksesta Materiaali muokkauslujittuu

17 Dislokaatioita

18 Kaksostuminen Voimakkaassa deformaatiossa voi tapahtua kaksostumista (twinning), jossa kiteen suunta kääntyy kiteen sisään syntyy pieni-energinen kulmamuutos (dislokaatioiden välittämä) Mahdollistaa deformaation, jota dislokaatiot eivät voi välittää

19 Kaksonen

20 Kaksoset Vaihtoehtoinen deformaatiomekanismi Kiteeseen muodostuu pienienergisiä pienen kulman rajoja

21 Diffuusio

22 Vakanssit Pistemäisiä hilavirheitä Mahdollistavat diffuusion 22

23

24 Diffuusio Vakanssit liikkuvat metallihilassa satunnaisesti liike lämpötilan aktivoimaa mitä korkeampi lämpötila, sitä suurempi liikenopeus (ja sitä enemmän vakansseja) Huoneenlämpötilassa diffuusio erittäin hidasta 24

25 Diffuusio Atomit sekoittuvat metalleissa Koostumuserot tasoittuvat Analoginen lämmönsiirtymisen kanssa 25

26 Vakanssit ja jännitys Myös vakanssit aiheuttavat ympärilleen jännityskentän => jännitys vaikuttaa vakanssien liikkeeseen Vakanssit (diffuusio) voivat myös välittää atomien järjestäytymistä pienempienergiseen tilaan Korkeassa lämpötilassa kidevirheet korjaantuvat Korkeassa lämpötilassa dislokaatiot korjaantuvat Korkeassa lämpötilassa kiderakenne voi muodostua uudelleen rekristallisaatio Korkeassa lämpötilassa raekoko kasvaa 26

27 Metallien kiderakenne

28 Monirakeinen metalli Jähmettymisen yhteydessä metallit kiteytyvät atomit pinoutuvat toistensa lomaan siten, että energia minimoituu Jähmettyminen alkaa useasta kiteytymisytimestä Kiteiden suunnat satunnaisia Näin muodostuneet kiteet ( rakeet ) liittyvät toisiinsa Kiteiden väliin jää rajoja (raerajoja) joissa eri tavalla suuntautuneet kiteet liittyvät toisiinsa

29 Rakeet

30 Raerajat 30

31

32

33

34 Raerajat Atomit liittyvät toisiinsa myös raerajoilla välissä ei ole ei-kiteistä ainetta tms. Atomit eivät sovi toistensa lomaan yhtä hyvin raerajoilla korkeampi energia välttämättömiä dislokaatioita Dislokaatiot eivät voi liikkua raerajojen yli Dislokaatiot pinoutuvat/jonoutuvat raerajoille, ja aiheuttavat jännityskeskittymiä

35 Raekoko Raekoko vaihtelee materiaaleilla riippuen Valmistuksesta Lämpökäsittelystä jne. Tyypillisesti kymmeniä tai satoja mikrometrejä Voidaan tehdä makroskooppisia erilliskiteitä Raekoko satoja mm Voidaan tehdä hyvin hienorakeisia ( nanokiteisiä ) materiaaleja, joissa raekoko << 1 µm

36

37 Raekoko Pieni raekoko lisää lujuutta Pieni raekoko lisää sitkeyttä

38 Jähmeän tilan muutokset Korkeassa lämpötilassa raekoko pyrkii kasvamaan Voimakkaasti muokatussa materiaalissa voi käynnistyä uudelleenkiteytyminen ( rekristallisaatio ) Materiaalissa tapahtuvat kidemuodon muutokset (esim. lämpötilan muutoksen vaikutuksesta) voivat aiheuttaa uudelleenkiteytymisen

39 Monikiteisen materiaalin deformaatio Monikiteisen materiaalin deformaatio vaatii satunnaisesti orientoituneiden kiteiden deformoitumista Materiaalin tilavuus pysyy samana Tarvitaan 5 riippumatonta liukusysteemiä, jotta voidaan välittää mielivaltainen deformaatio

40 Metallien kidetyypit

41 Kiderakenne Metalliatomit pinoutuvat eri tavoin Pinoutuminen vaikuttaa lujuuteen, sitkeyteen ja muihin ominaisuuksiin

42 Uudelleenkiteytyminen voi tapahtua kiinteässä tilassa Eri metalleilla erilainen kidemuoto Joillain metalleilla voi olla useita stabiileja kidemuotoja (eri lämpötiloissa) Esim. teräs: - <912 C => BCC ferriitti C C => FCC austeniitti C C => BCC delta-ferriitti

43 Tiivispakkaukselliset 43

44 PKK 44

45 PKK Pintakeskinen kuutiollinen hila (PKK) Face centered cubic (FCC) Tiivispakkauksellinen Peiers -jännitys hyvin pieni Useita ristikkäisiä tiivispakkauksellisia tasoja 5 riippumatonta, tiivispakkauksellista liukusysteemiä

46 Ominaisuudet Suuri muodonmuutoskyky ja sitkeys Matala lujuus Voimakas muokkauslujittuminen Esim: alumiini, kupari, nikkeli

47 Esim. Alumiini

48 TPH 48

49 TPH Tiivispakkauksellinen heksagonaalinen (TPH) Close packed hexagonal (CPH) Liukuminen tiivispakkauksellisissa tasoissa helppoa Liukuminen muissa tasoissa vaikeaa Vain neljä riippumatonta liukusysteemiä joilla liukuminen helppoa tarvitaan kaksostumista tai liukumista vaikeammilla tasoilla mielivaltaisen deformaation välittämiseen Esim.: koboltti, tina 49

50 TKK 50

51 TKK Tila keskinen kuutiollinen (TKK) Bace centered cubic (BCC) Ei tiivispakkauksellisia tasoja => suuri Peierls jännitys Suuri lujuus Vähäinen muokkauslujittuminen Riittävästi riippumattomia liukutasoja Esim: teräs

52 Teräs jännitys-venymäkäyrä

53

54

55 Metalliseokset

56 Metalliseokset Metallit liuottavat vieraita aineita (tiettyyn rajaan saakka) Korvaus- tai välisija-atomeina Faasit

57 Välisija-atomit Hakeutuvat hilan koloihin FCC hilassa vähemmän tyhjää tilaa, mutta isommat kolot kuin BCC - Liukoisuus suurempi Venyttävät ja vääristävät hilaa Välisija-atomit pienempiä kuin kantafaasin atomit Esim: - hiili teräksessä - boori teräksessä Liukoisuus tyypillisesti verraten pientä

58 Korvausatomit Korvaavat kantafaasin atomipaikan hilassa Eri kokoisina vääristävät ja venyttävät hilaa Korvausatomit samaa suuruusluokkaa kuin kantafaasin atomit Hyvin samankokoiset atomit liukenevat toisiinsa hyvin Esim: Cu - Ag

59 Faasit Liukoisuusalueen ulkopuolella muodostavat oman faasin Aine koostuu eri tavalla kiteytyneistä ja eri koostumuksen omaavista alueista toistensa lomassa

60 Pallografiittivalurauta

61 Rauta-hiili

62 Perliitti 62

63 Mikrorakenne

64 Mikrorakenne - yhteenveto Seoksen faasit ja näiden jakaantuminen morfologia kaksifaasirakenne erkaumat sulkeumat raerajafaasit Raerakenne Raekoko Suuntautuneisuus Kideorientaatio tekstuuri Hilavirheet Raerajat Dislokaatiot Vakanssit

65 Faasit

66

67 Faasit sulkeumia 67

68 Faasit - sulkeumia 68

69

70

71 Raerakenne

72 Dislokaatiot

73 Vakanssit 73

74 Mikrorakenne Dynaamiset ilmiöt Atomisidosten venyminen => Elastinen deformaatio (jännitys) Jännityksen ajama Dislokaatioiden liike => plastinen deformaatio Jännityksen ajama Vakanssien liike =>diffuusio Lämpötilan ajama Rakeenkasvu Minimienergian ajama Diffuusion välittämä Rekristallisaatio Minimienergian ajama Diffuusion välittämä 74

75 Diffuusion vaikutus dislokaatioihin Korkeissa lämpötiloissa diffuusio voi auttaa dislokaatioiden liikettä dislokaatioiden kiipeäminen esteiden yli 75

76 Metallit ovat metastabiileja

77 Lujittamismekanismit

78 Lujittaminen tapahtuu vaikeuttamalla dislokaatioiden liikettä

79 Lujittaminen Raekoko Liuoslujittaminen Erkautuslujittaminen Muokkauslujittuminen 79

80 Raekoon vaikutus Raerajat toimivat tehokkaina esteinä dislokaatioiden liikkeelle Mitä pienempi raekoko (enemmän raerajoja) sitä lujempi materiaali Pieni raekoko myös sitkistää materiaalia

81 Raekoko - työkalut Raekokoa voidaan pienentää: kylmämuokkauksella - Valssaus tai taonta venyttää ja pienentää rakeita haluttuun suuntaan Lämpökäsittelyllä - Aiheuttamalla lämpötilaa säätelemällä kontrolloitu rekristallisaatio tai faasimuutoksia, voidaan pienentää raekokoa Seostuksella - Erkaumat estävät raekoon kasvua korkeissa lämpötiloissa 81

82 Esimerkiksi ohutlevyn kylmävalssaus Metallilevy pakotetaan matalassa lämpötilassa esimerkiksi rullien välistä, jolloin se kokee voimakkaan deformaation. nousee voimakkaasti 2. Raerakenne (pienenee ja suuntautuu) muokkauksen mukaiseksi 3. Lujuus nousee muokkausasteen mukaan

83 Raekokoon hallinta: Kuumavalssaus Levy pakotetaan korkeassa lämpötilassa esimerkiksi rullien väliin. 1. Metalli deformoituu voimakkaasti, mutta korkean lämpötilan seurauksena välittömästi. 2. Seurauksena, lujuuden kasvu sekä sitkeyden nousu

84

85

86

87 Esim. normalisointi

88 Liuoslujittaminen Liuosatomit vääristävät hilaa Vääristyneessä hilassa dislokaatioiden on vaikeampi liikkua 88

89 Liuoslujittaminen Liuoslujittaminen toteutetaan Seostamalla välisija-atomeja Seostamalla korvausatomeja Esim: Rauta-hiili - hiili välisija-atomina - pienet pitoisuudet nostavat lujuutta voimakkaasti Kulta-hopea-kupari 89

90 Kuparin ja sinkin tasapainopiirros

91 Erkautuslujittaminen Erkaumat estävät tehokkaasti dislokaatioiden liikettä Kuten raerajat Jännitys erkaumien ympärillä 91

92 Erkaustuslujittaminen - työkalut Seostus + lämpökäsittely Seostuksella erkaumia muodostavia seosaineita Lämpökäsittelyllä saavutetaan erkaumarakenne, joka lisää lujuutta - paljon pieniä erkaumia - koherentteja erkaumia Erkautuskarkaisu 92

93 93

94 Muokkauslujittuminen Muokkaus generoi dislokaatioita Dislokaatiotiheys kasvaa Dislokaatiot takertuvat toisiinsa ja vaikeuttavat toistensa liikettä

95 Muokkauslujittaminen Valssatuissa levyissä Vedetyissä langoissa Taotuissa tuotteissa 95

96 Muokkauslujittuminen 96

97 Lämpökäsittely

98 Lämpökäsittely Metallit ovat metastabiileja Lämpötilan nosto siirtää rakennetta kohti tasapainotilaa Dislokaatiotiheys pienenee Rakeet kasvavat Liukoisuus kasvaa Kontrolloidulla jäähdytyksellä saadaan tila kauemmas tasapainotilasta 98

99 Lämpökäsittely - työkalut Diffuusionopeus kasvaa lämpötilan noustessa Eri faasit ovat stabiileja eri lämpötiloissa Lämpötilaa kontrolloidusti nostamalla ja laskemalla voidaan muuttaa mikrorakennetta ja siten mekaanisia ominaisuuksia 99

100 Pehmeäksi hehkutus Korkeassa lämpötilassa muokkauslujittumisen vaikutukset häipyvät Dislokaatiotiheys pienenee Materiaali pehmenee Sitkeys kasvaa

101 Normalisointi Teräksellä raekoon pienentämiseksi 101

102 Normalisointi 102

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

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