Metallien plastinen deformaatio on dislokaatioiden liikettä

Transkriptio

1 Metallien plastinen deformaatio on dislokaatioiden liikettä

2 Särmädislokaatio 2

3 Ruuvidislokaatio 3

4 Dislokaation jännitystila

5 Dislokaatioiden vuorovaikutus Jännitystila aiheuttaa dislokaatioiden vuorovaikutusta Poistovoima Vetovoima

6 Vuorovaikutus hilan kanssa Vastaavasti dislokaatiot reagoivat muihin jännityskenttiin hilassa: Seosatomit Erkaumat jne. 6

7 Diffuusio

8 Vakanssit Pistemäisiä hilavirheitä Mahdollistavat diffuusion 8

9

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

11 Diffuusio Atomit sekoittuvat metalleissa Koostumuserot tasoittuvat Analoginen lämmönsiirtymisen kanssa 11

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 12

13 Metalliseokset

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

15 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

16 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

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

18 Pallografiittivalurauta

19 Rauta-hiili

20 Perliitti 20

21 Mikrorakenne

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

23 Faasit

24

25 Faasit sulkeumia 25

26 Faasit - sulkeumia 26

27

28

29 Raerakenne

30 Dislokaatiot

31 Vakanssit 31

32 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 32

33 Diffuusion vaikutus dislokaatioihin Korkeissa lämpötiloissa diffuusio voi auttaa dislokaatioiden liikettä dislokaatioiden kiipeäminen esteiden yli 33

34 Metallit ovat metastabiileja

35 Lujittamismekanismit

36 Lujittaminen tapahtuu vaikeuttamalla dislokaatioiden liikettä

37 Lujittaminen Raekoko Liuoslujittaminen Erkautuslujittaminen Muokkauslujittuminen 37

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

39 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 39

40 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

41 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

42

43

44

45 Esim. normalisointi

46 Liuoslujittaminen Liuosatomit vääristävät hilaa Vääristyneessä hilassa dislokaatioiden on vaikeampi liikkua 46

47 Liuoslujittaminen Liuoslujittaminen toteutetaan Seostamalla välisija-atomeja Seostamalla korvausatomeja Esim: Rauta-hiili - hiili välisija-atomina - pienet pitoisuudet nostavat lujuutta voimakkaasti Kulta-hopea-kupari 47

48 Kuparin ja sinkin tasapainopiirros

49 Erkautuslujittaminen Erkaumat estävät tehokkaasti dislokaatioiden liikettä Kuten raerajat Jännitys erkaumien ympärillä 49

50 Erkaustuslujittaminen - työkalut Seostus + lämpökäsittely Seostuksella erkaumia muodostavia seosaineita Lämpökäsittelyllä saavutetaan erkaumarakenne, joka lisää lujuutta - paljon pieniä erkaumia - koherentteja erkaumia Erkautuskarkaisu 50

51 51

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

53 Muokkauslujittaminen Valssatuissa levyissä Vedetyissä langoissa Taotuissa tuotteissa 53

54 Muokkauslujittuminen 54

55 Lämpökäsittely

56 Lämpökäsittely Metallit ovat metastabiileja Lämpötilan nosto siirtää rakennetta kohti tasapainotilaa Dislokaatiotiheys pienenee Rakeet kasvavat Liukoisuus kasvaa Kontrolloidulla jäähdytyksellä saadaan tila kauemmas tasapainotilasta 56

57 Lämpökäsittely - työkalut Diffuusionopeus kasvaa lämpötilan noustessa Eri faasit ovat stabiileja eri lämpötiloissa Lämpötilaa kontrolloidusti nostamalla ja laskemalla voidaan muuttaa mikrorakennetta ja siten mekaanisia ominaisuuksia 57

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

59 Normalisointi Teräksellä raekoon pienentämiseksi 59

60 Normalisointi 60

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

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