Metallit 2005 juha.nykanen@tut.fi
Aikataulu Pe 2.9.2005 Pe 9.9.2005 Pe 16.9.2005 Pe 23.9.2005 Pe 10.9.2005 Pe 8.10.2005 Valurauta Valurauta ja teräs Teräs Teräs ja alumiini Magnesium ja titaani Kupari, sinkki ja muut Pe 25.11.2005 Harjoitustyön palautus 2
Yleistä Luennot Pe 10.15-13:00 K3104 (K1702 jos väkeä riittää) Kurssin kotisivut butler.cc.tut.fi/~juhan/ Ilmoitustaulu Konetalon 3. kerroksessa Sähköposti juha.nykanen@tut.fi Toiminnalliset verkkosivut Moodlesta >> MOL-1400 Ongelmia Moodlen kanssa? Käyttöopastus maanantaina 5.9.2005 huoneessa K3105 kello 10-12. Opastus kestää noin 15 minuuttia. Voit saapua milloin vain. 3
Esitietotehtävät Hyväksytysti palautetuista tehtävistä saa kustakin yhden lisäpisteen tenttiin Palautus ainoastaan Moodlessa Torstaihin kello 12:00 mennessä Eivät korota hylättyä arvosanaa hyväksytyksi Esimerkki Miten pallografiitin ydintyminen ja kasvu poikkeaa suomugrafiitin ydintymisestä ja kasvusta? Mitkä seosaineet edistävät grafiitin palloutumista? Mitkä seosaineet (epäpuhtaudet) hankaloittavat grafiitin palloutumista? 4
Aineisto Luentokalvot Huonoja, saatavissa webistä ja ilmoitustaululta Miekko-ojan metallioppi Painos lopussa Raaka-aine käsikirja Kallis Metals Handbook Luettavissa TTY:n ip-avaruudessa Hirveän paljon tietoa Aineiston luokittelu Ydinaines Täydentävä tietämys Erityistietämys 5
Tentti Päivät (MOL-1400) 12.10.2005, 21.11.2005 ja aa.bb.2006 Päivät (2801040) 31.10.2005 ja aa.bb.2005 Tentissä vastataan viiteen kysymykseen kuudesta 50 pistettä Esitietotehtävistä mahdollisuus saada 10 pistettä 6
Harjoitukset Ryhmässä Moodlessa kirjoitettava harjoitustyö Aiheet liittyvät tosielämän tilanteisiin Ryhmä saa itse päättää yksityiskohdista (tarkempi aihe, lähestysmistapa, kohderyhmä, jne) Harjoitustyön käynnistyspalaverit ryhmittäin Ryhmä 1 Ma 5.9.2005 12:15-13:30 K3108B Ryhmä 2 Ti 6.9.2005 8:15-9:30 K3110 Ryhmä 3 Ti 6.9.2005 10:15-11:30 K3110 Ryhmä 4 Ti 6.9.2005 14:15-15:30 K3441 Ryhmä 5 Ke 7.9.2005 8:15-9:30 K3104 Ryhmä 6 Ke 7.9.2005 10:15-11:30 K3441 Ryhmä 7 Ke 7.9.2005 12:15-13:30 K3441 Ryhmä 8 To 8.9.2005 8:15-9:30 K3108B 7
Käsitetesti Käsitetestissä kysytään joidenkin Materiaaliopin perusteet I kurssissa esiin tulleiden käsitteiden merkitystä Ei vaikuta arvosanaan 30 monivalintakysymystä + vastauksen varmuuden arviointa Testiä käytetään opetuksen kehittämiseen, tulokset käsitellään ryhmänä 8
9
Valurauta Valurauta on otettu ensimmäisenä käyttöön? Englannissa Intiassa Italiassa Japanissa Kiinassa Kreikassa Ranskassa Ruotsissa Saksassa Suomessa Turkissa Venäjällä Yhdysvalloissa 10
Kiina Kiina on kuuluisa Silkistä Teestä Posliinista Ruudista Kompassista Paperista Kirjapainosta Valuraudasta Valuraudasta 1000 ekr. 600 ekr. Valuraudan lämpökäsittelystä teräkseksi 400-300 ekr. Palkeista 100 ekr. 100 jkr. Puhallusuuni 100 jkr. Teräksen valmistus 230 jkr. 370 jkr. (Ajoissa voi olla pientä epätarkkuutta!) 11
Kiinalainen kolikko Fig. 1. Eutectic (ledeburite) microstructure of Sung Dynasty cast iron coin. The dark regions are pearlite which has formed from the original austenite during cooling. Nital etch. (British Museum) 12
Kiinalainen kolikko Fig. 2. Hypereutectic microstructure of Sung Dynasty cast iron coin showing proeutectic cementite plates (light) in ledeburite matrix. Nital etch. (British Museum) 13
Kiinalainen kolikko Fig. 4. Hypoeutectic microstructure of Sung Dynasty cast iron coin showing divorced eutectic. The dark dendrites are austenite which has transformed to pearlite during cooling. The matrix between the dendrites is cementite. Nital etch. (British Museum) 14
Valurauta Englanti 1460-luvulla osattiin tehdä valumuotteja hiekasta, savesta ja hiilipölystä. Vastaavaa tekniikkaa käytettiin puhallusuunin alaosaan, jolloin syntyi masuuni Valuraudan yleistymistä hidasti kallis puuhiili, jota ei haluttu tuhlata Englannissa tehtiin ensimmäinen valurautainen kanuuna 1543. Englantilainen kanuuna säilytti johtoasemansa sadan vuoden ajan 15
Faasimuutos Lämpötilasta riippuen metalli voi esiintyä eri kiderakenteessa tai eri olomuodossa Allotropia (polymorfia) Tasapainopiirrokset Faasimuutoksessa rakenne vaihtuu kahden faasin välillä Olomuoto ei muutu Olomuoto muuttuu Jähmettymisessä neste muuttuu sulasta kiinteäksi. Sulamisessa kiinteä muuttuu sulaksi. 16
Homogeeninen ydintyminen Jähmettymisen ensimmäinen vaihe on ydintyminen Sulan faasin sekaan syntyy kiinteää faasia Vapaaenergiaa voidaan käyttää ydintymisen tarkasteluun Syntyvän kiinteä faasin vapaaenergiaan vaikuttavat sen pinta-ala ja tilavuus Pyöreälle ytimelle pinta-alan on verrannollinen säteen neliöön. Tilavuus on verrannollinen säteen kuutioon Kriittistä sädettä r* pienemmät ytimet eivät ole stabiileja. Sulassa olevien ytimien koko r kasvaa lämpötilan laskiessa. Homogeeninen ydintyminen tapahtuu alijäähtymisellä T H 17
Heterogeeninen ydintyminen Heterogeenisessa ydintymisessä sula jähmettyy kiinteän ytimen pintaan. Heterogeenin jähmettyminen tapahtuu paljon helpommin kuin homogeeninen Sulan seassa on yleensä aina jotain kiinteää Jos kiinteän faasin ja sulan välinen kostutuskulma on 0 tapahtuu jähmettyminen ilman alijäähtymistä Suuremmilla kostutuskulman arvoilla heterogeeniseen ydintymiseen tarvittava alijäähtyminen on suurempaa Kuvan esimerkissä γ JN pintaenergia ytimen ja jähmettyvän sulan välillä γ SV pintaenergia ytimen ja sulan välillä γ pintaenergia sulan ja jähmettyvän sulan välillä 18
Sulaminen Metallin lämmittäminen aiheuttaa sulamisen. Sulaminen tapahtuu sulamispisteessä. Kiinteää faasia ei esiinny normaaliolosuhteissa sulamispistettä korkeamassa lämpötilassa. Sula kostuttaa kiinteän josta se muodostuu -> sulamiselle ei ole energeettistä estettä Teoriassa mahdollista ylikuumentaa kiinteää faasi sulamispisteen yläpuolelle (edellyttää kaasufaasin poistamista joka on erittäin vaikeaa jopa laboratorio-olosuhteissa) 19
Jähmettyminen Sulaminen vaatii lämpöä ja jähmettyminen vapauttaa lämpöä Puhtaan sulan metallin lämpötilan laskeminen aiheuttaa ensin alijäähtymisen Vapautuva lämpö nostaa alijäähtyneen sulan lämpötilan sulamispisteeseen, mutta ei kuitenkaan korkeammalle 20
Kiteiden kasvu Jos kaikki jähmettymisessä syntyvä lämpö johtuu kiinteään, on sulan lämpötila suurempi kuin rajapinnan lämpötila Positiivinen lämpötila gradientti Kiteet kasvavat kun niiden pintaa tulee uusia atomeja sulasta Rajapinnalle tulevat atomit menevät kiinteän atomien muodostamaan nurkkaan tai suoraan rajapinnalle 21
Kiteiden kasvu Jos sula on alijäähtynyt, voi syntyä tilanne, missä jähmettymisessä vapautuva lämpö nostaa kiinteä-sula rajapinnan lämpötilan sulan lämpötilaa korkeammalla negatiivinen lämpötilagradientti 22
Dentriitti Jähmettymisessä syntyvä lämpö voi poistua sekä kiinteään että sulaan. Jähmettyminen tapahtuu dentriittien avulla Dentriitti on yhtä raetta ja ne kasvavat kiderakenteen edullisimpaan suuntaan sekä pintakeskisessä kuutiossa ja tilakeskisessä kuutiossa suuntaa [100] 23
Dentriitti Dentriitin kasvaminen ja paksuuntuminen voi saa aikaan sulaa metallia sisältävän taskun. Kiintää faasi mahtuu pienempään tilaan kuin sula Taskussa olevan sulan jähmettyminen aiheuttaa kutistumahuokosen Kutistumahuokosen pinta on epätasainen (näkyy joskus mikroskooppikuvissa) Kaasuhuokonen on pyöreä ja pinnaltaan tasainen 24
Edellä käsiteltiin puhtaan metallin jähmettymistä. Seoksen jähmettyessä syntyvän kiinteän koostumus on eri kuin jähmettyvän sulan. Metalliseoksen jähmettyminen Suotautuminen ja vipusääntö Jos kiinteän koostumus seuraa lämpötilan laskiessa solidusta ja sulan likvidusta, tapahtuu valikoiva jähmettyminen 25
Metalliseoksen jähmettyminen Todellisuudessa sekä sulan että kiinteän faasin koostumus muuttuu jähmettymisen aikana Jos sulan koostumusta vastaava likviduslämpötila on suurempi kuin sulan lämpötila, puhutaan lakimääräisestä alijäähtymisestä Seurauksena on dentriitin kasvaminen vaikka sulassa onkin posiviitinen lämpötilagradientti Lakimääräistä alijäähtymistä voi tapahtua niin paljon että sulassa alkaa (homogeeninen)ydintyminen 26
Jähmettyminen Tasa-akseliset kiteet Chill zone Orientaatiossa [100] olevat kiteet kasvavat nopeiten -> Pylväskiteet Columnar zone Tasa-akseliset kiteet Equiaxed zone 27
Keskustan tasa-akseliset kiteet Sulan lämpötila muotin reunan lähellä on matalampi kuin keskellä Konvektio katkoo dentriittejä jotka aiheuttavat ydintymisen ja kiteiden kasvun 28
Ollakko vai eikö Tasapainopiirrokset (faasipiirrokset) Rauta-hiili Rauta-sementiitti Rauta-grafiitti Stabiili vs. metastabiili Grafiitti on stabiilimpi rakenne kuin sementiitti. Grafiitin ydintyminen on kuitenkin hidasta, joten sitä välttämättä esiinny kaikissa tilanteissa 29
Grafiitti 30
Sementiitti (Fe 3 C) 31 http://cst-www.nrl.navy.mil/lattice/
Fe-Fe 3 C ja Fe-C piirros 32
Valuraudat Valuraudat ovat rauta-hiiliseoksia, joissa hiilipitoisuus on yli 2.1 %. Yleensä hiilipitoisuus on lähempänä eutektista pistettä, joten selvästi matalampi sulamispiste kuin teräksessä Runsaasta hiilipitoisuudesta johtuen hiili esiintyy valuraudassa karbidien lisäksi vapaana grafiittina. Hiilen lisäksi piitä, mangaania, fosforia jne Seosaineet mahdollistavat grafiitin esiintymisen normaalia pienemmillä hiilipitoisuuksilla, joten raja 2.1% ei ole täsmällinen 33
2.5% Si pitoisuuden vaikutus 34
Grafiitti ja sementiitti Grafiitin ydintymistä helpottaa Suurempi hiilipitoisuus Pienempi jäähtymisnopeus Piin läsnäolo Muut seosaineet: Ni, Al, Ti, Cu Helpompaa sulassa kuin kiinteässä Korkea lämpötila Ytimen kasvaminen helpompaa kuin ydintyminen Grafiitin ydintymistä haittaa Seosaineet: Cr, Mo, V, S, Mn Rikin sitominen MnS:ksi edistää grafiitin muodostumista Liika Mn haittaa grafiitin muodostumista. Ihanne suhde Mn = 1.7*S+0.35 Nopea jäähtyminen 35
Steadiitti Steadiitti on ternäärinen eutekti (sulamispiste 930 C) Sementiitti (Fe 3 C) Rauta (Fe) Rautafosfidi (Fe 3 P) Mekaanisilta ominaisuuksiltaa kovaa ja haurasta, mutta parantaa sulan juoksevuutta Ohutvalut Lisää kulutuskestävyyttä 36
Eri valurautoja Valkoinen valurauta (white cast iron) Hiili on sitoutunut täysin karbideihin eli sementiittiin. Osittain valkeavalurauta (mottled) Hiiltä sekä grafiittina että karbideina Suomugrafiittivalurauta (myös: harmaa valurauta, grey cast iron) Hiili on suomumaisina sulkeumina Tylppägrafiittirauta Hiili on suomumaisina muodostumina, mutta suomut ovat paksumpia ja reunoistaan tylpempiä kuin suomugrafiittiraudassa Pallografiittivalurauta (nodular cast iron or ductile cast iron) Hiili on pallomaisina sulkeumina Adusoitu eli tempervalurauta (malleable cast iron) Hiili esiintyy kerämäisinä sulkeumina 37
Grafiitin luokittelu Suomugrafiitti I Tylppägrafiitti III Tempervaluraudat IV ja V Pallografiitti V ja VI 38
SFS-EN EN-GJL-350-22 G = valu J = rauta L =Suomugrafiitti 350 = Murtolujuus EN-GJS-400-RT S = Pallografiitti RT = Iskusitkeys testataan huoneen lämpötilassa EN-GJS-400-LT LT = Iskusitkeys testataan matalassa lämpötilassa EN-GJL-HB215 HB215 = Maksimi Brinell-kovuus seinämävahvuuden ollessa 40-80 mm EN-GJL-X300CrNiSi9-5-2 Hiilipitoisuus 3% Kromipitoisuus 9% Nikkelipitoisuus 9% Piipitoisuus 2% EN-GJMW-360-12S-W M = Temperhiili W = Valkoydin 12 = Minimi murtovenymä S = Erillään valettu näyte W = Soveltuu liitoshitsaukseen EN-JL1010 L = Suomugrafiitti 1... = Murtolujuus on pääominaisuus.01. = Järjestysnumero...0 = Ei erikoisvaatimuksia 39
Harmaa valurauta
Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL) Nimitys tulee murtopinnan väristä Grafiitti esiintyy suomuina, joiden lujuus vaatimaton Murtuma etenee suomuja pitkin ja hyppää metallisen kannaksen yli seuraavaan suomuun Murtopinnasta tulee harmaa Suomugrafiitti Nykyinen lyhenne GJL (vanha oli GRS) Suomugrafiittivalurauta on suositeltavampi nimitys kuin harmaavalurauta 41
Grafiitin ydintymiseen vaikuttavat Hiilipitoisuuden kasvu Jäähtymisnopeuden pienentyminen ja Piipitoisuuden kasvu edistävät ydintymistä Seostuksen vaikutus valuraudan rakenteeseen on esitetty seuraavassa kuvassa seosaineista nikkeli, kupari ja alumiini edistävät grafiitin ydintymistä Pienten kappaleiden valussa on käytettävä piipitoisempia valurautoja kuin suurten kappaleiden valussa, mikäli halutaan välttyä valkoisen valuraudan muodostumiselta 42
Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL) Tyypillinen koostumusalue Hiili 3.6 2.9% Pii 2.5 1.4% Fosfori 0.002 1.0 Rikki 0.02 0.25 Mangaani 0.2 1.0 Pii ja fosfori vaikuttavat eutektiseen koostumukseen Hiiliekvivaletti CE = C + Si/3 + P/3 Mekaaniset ominaisuudet Myötölujuus 98 450 MPa Murtolujuus 150 450 MPa Murtovenymä 0,8 0,3 % 43
Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL) Sulan jähmettyessä austeniitiksi ja grafiitiksi syntyy vain vähän grafiittia. Austeniittia syntyy paljon Vipusääntö Grafiitti jää austeniitti rakeiden väliin suomuiksi Rauta-sementiitti Eutektinen lämpötila 1148 Austeniitin koostumus 2.11 Eutektinen koostumus 4.3 Sementiitin koostumus 6.68 Austeniitin osuus 52 % Sementiitin osuus 48 % Rauta-grafiitti Eutektinen lämpötila 1154 Austeniitin koostumus 2.08 Eutektinen koostumus 4.26 Grafiitin koostumus 100 Austeniitin osuus 98 % Grafiitin osuus 2 % 44
Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL) Alieutektinen seos. Hidas jäähtyminen, joten jähmettyminen tapahtuu Fe- G tasapainopiirroksen mukaan Likviduslämpötilassa sula alkaa jähmettyä austeniitti dentriiteiksi, sulan koostumus seuraa likvidusta, austeniitin solidusta Suurin osa sulasta on hajaantunut austeniitiksi ennen eutektisesta lämpötilaa (riippuu alkuperäisestä koostumuksesta) Loppu sula hajaantuu eutektisella reaktiolla austeniitiksi ja grafiitiksi 46
Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL) Lämpötilan laskiessa austeniitin maksimi hiilipitoisuus laskee ja austeniitista syntyy grafiittia eutektisen grafiitin pintaan Eutektoidisessa lämpötilassa lopusta austeniitista muodostuu ferriittiä ja grafiittia 47
Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL) Sula on jähmettynyt austeniitiksi ja grafiitiksi Suurehkolla jäähtymisnopeudella grafiitin syntyminen estyy ja austeniitti hajaantuu sementiitiksi (jana a-b). Lopullinen mikrorakenne: grafiitti + esieutektoidinen sementiitti + perliitti b a 48
Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL) Sula on jähmettynyt austeniitiksi ja grafiitiksi Hitaammalla jäähtymisnopeudella grafiitin syntyminen estyy loppuvaiheessa ja austeniitti hajaantuu ferriitiksi (jana d-f) Lopullinen mikrorakenne: grafiitti + esieutektoidinen ferriitti + perliitti f d 49
d f 50
Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL) Jos jäähtymisnopeus on sopivasti edellä mainittujen välissä syntyy rakenteeksi grafiittia ja perliittiä 51