Deformaatio. Kiteen teoreettinen lujuus: Todelliset lujuudet lähempänä. σ E/8. σ E/1000

Transkriptio

1 Deformaatio Kertaus

2 Deformaatio Kiteen teoreettinen lujuus: σ E/8 Todelliset lujuudet lähempänä σ E/1000 3

3 Dislokaatiot Mekanismi, jossa deformaatio mahdollista ilman että kaikki atomisidokset murtuvat yhtä aikaa Dislokaatiot Keksitty 1934 Burgers (ruuvidislokaatiot) Taylor, Orowan, Polany (särmädislokaatiot) 4

4 Metallien plastinen deformaatio on dislokaatioiden liikettä

5 Mistä lujuus syntyy Mikä vastustaa dislokaatioiden liikettä? 6

6 Dislokaatioiden liikevastus Kiteen sisäinen vastus Peiers jännitys Seosatomit (liuoslujittuminen) Vieraat faasit (erkautuslujittaminen) Raerajat Toiset dislokaatiot (muokkauslujittuminen)

7 Diffuusio

8 Vakanssit Pistemäisiä hilavirheitä Mahdollistavat diffuusion 9

9

10 Diffuusio Vakanssit liikkuvat metallihilassa satunnaisesti liike lämpötilan aktivoimaa mitä korkeampi lämpötila, sitä suurempi liikenopeus (ja sitä enemmän vakansseja) Huoneenlämpötilassa diffuusio erittäin hidasta 11

11 Diffuusio Atomit sekoittuvat metalleissa Koostumuserot tasoittuvat Analoginen lämmönsiirtymisen kanssa 12

12 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 13

13 Mikrorakenne

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

15 Faasit

16

17 Faasit sulkeumia 18

18 Faasit - sulkeumia 19

19

20

21 Raerakenne

22 Dislokaatiot

23 Vakanssit 24

24 Mikrorakenne Dynaamiset ilmiöt Atomisidosten venyminen => Elastinen deformaatio (jännitys) Jännityksen ajama Dislokaatioiden liike => plastinen deformaatio Jännityksen ajama Vakanssien liike =>diffuusio Lämpötilan ajama 25

25 Diffuusion vaikutus dislokaatioihin Korkeissa lämpötiloissa diffuusio voi auttaa dislokaatioiden liikettä dislokaatioiden kiipeäminen esteiden yli 26

26 Metallit ovat metastabiileja

27 Lujittamismekanismit

28 Lujittaminen tapahtuu vaikeuttamalla dislokaatioiden liikettä

29 Lujittaminen Raekoko Liuoslujittaminen Erkautuslujittaminen Muokkauslujittuminen 30

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

31 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 32

32 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

33 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

34

35

36

37 Esim. normalisointi

38 Liuoslujittaminen Liuosatomit vääristävät hilaa Vääristyneessä hilassa dislokaatioiden on vaikeampi liikkua 39

39 Liuoslujittaminen Liuoslujittaminen toteutetaan Seostamalla välisija-atomeja Seostamalla korvausatomeja Esim: Rauta-hiili hiili välisija-atomina pienet pitoisuudet nostavat lujuutta voimakkaasti Kulta-hopea-kupari 40

40 Kuparin ja sinkin tasapainopiirros

41 Erkautuslujittaminen Erkaumat estävät tehokkaasti dislokaatioiden liikettä Kuten raerajat Jännitys erkaumien ympärillä 42

42 Erkaustuslujittaminen - työkalut Seostus + lämpökäsittely Seostuksella erkaumia muodostavia seosaineita Lämpökäsittelyllä saavutetaan erkaumarakenne, joka lisää lujuutta paljon pieniä erkaumia koherentteja erkaumia Erkautuskarkaisu 43

43 44

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

45 Muokkauslujittaminen Valssatuissa levyissä Vedetyissä langoissa Taotuissa tuotteissa 46

46 Muokkauslujittuminen 47

47 Lämpökäsittely

48 Lämpökäsittely Metallit ovat metastabiileja Lämpötilan nosto siirtää rakennetta kohti tasapainotilaa Dislokaatiotiheys pienenee Rakeet kasvavat Liukoisuus kasvaa Kontrolloidulla jäähdytyksellä saadaan tila kauemmas tasapainotilasta 49

49 Lämpökäsittely - työkalut Diffuusionopeus kasvaa lämpötilan noustessa Eri faasit ovat stabiileja eri lämpötiloissa Lämpötilaa kontrolloidusti nostamalla ja laskemalla voidaan muuttaa mikrorakennetta ja siten mekaanisia ominaisuuksia 50

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

51 Normalisointi Teräksellä raekoon pienentämiseksi 52

52 Normalisointi 53

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

54 Teräkset

55 Teräkset Tärkein konstruktiometalli Rauta-hiili -seoksia, joissa alle 2.14% hiiltä (tyypillisesti paljon vähemmän) 56

56 Polymorfia Ominaisuudet laajasti muokattavissa TKK -kiderakenne matalissa lämpötiloissa Suuri lujuus PKK -kiderakenne korkeissa lämpötiloissa voidaan saada stabiiliksi matalissa lämpötiloissa seostuksella 57

57 Rauta-hiili tasapaino 58

58 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 59

59 Lämpökäsittely Tavoitteena: vaikuttaa hiilen erkautumiseen kiderakenteeseen (martensiitti) Hiilen liukoisuus austeniittiin suuri Kontrolloidulla jäähdytyksellä voidaan vaikuttaa hiilen erkautumiseen 60

60 Liuotushehkutus Korkeassa lämpötilassa kaikki seostettu hiili liuenneena austeniittiin mikrorakenteena austeniittinen rakenne Austeniitin raekoko vaikuttaa loppurakenteen ominaisuuksiin 61

61 Hidas jäähdytys Diffuusiolla aikaa tapahtua Hiili siirtyy pois ferriitistä sementiittiin Tuloksena lamellimainen rakenne perliitti Mitä hitaampi jäähdytys sitä karkeampi on perliitin lamellirakenne 62

62 Perliitti 63

63 Perliitti 64

64 TTT-käyrä 65

65 Nopeampi jäähdytys Nopeampi jäähdytys antaa diffuusiolle vähemmän aikaa jakaa hiili eri faasien välille Tuloksena hienojakoisempi rakenne Bainiitti Neulasmainen rakenne Hyvin hienojakoinen suuri lujuus suuri sitkeys 66

66 67

67 Bainiitti 68

68 69

69 Martensiitti Vielä nopeampi jäähdytys => edes Bainiitti ei ehdi muodostua Hiili jää ylikyllästeisenä ferriittiin hila venyy tetragonaaliseksi Erittäin luja mutta hauras rakenne Martensiitti 70

70

71 Martensiitti 72

72 Karkaisu Liuotushehkutus (austenitointihehkutus) austeniittialueella Nopea jäähdytys => martensiitti Päästö eli hehkutus C lämpötilassa Hiili erkautuu Sitkeys kasvaa Lujuus pienenee Useat seosaineet hidastavat perliitti- ja bainiittimuutosta karkenevuus paranee 73

73 Päästömartensiitti Martensiittiä päästettäessä sementiitti erkautuu pieninä pallomaisina erkaumina Hyvin hienojakoinen rakenne Erinomainen lujuus-sitkeys -suhde 74

74 Seostus Seostuksella voidaan vaikuttaa Lämpökäsiteltävyyteen Lujuuteen (liuoslujittaminen, jne.) korroosiokestoon jne. 75

75 Ruostumattomat teräkset Kromi parantaa korroosionkestoa Muodostaa tiiviin oksidikalvon joka estää korroosion etenemisen yli 13% kromiseostus => kestää ilmaston korroosiota normaalioloissa => ruostumaton Ruostumattomatkin teräkset ruostuvat aggressiivisissa ympäristöissä 76

76 Austeniittialue ja seostus 77

77 Ruostumattomat teräslaadut Ferriittiset Martensiittiset Austeniittiset Duplex 78

78 Duplex ruostumaton teräs