Dislokaatiot - pikauusinta
Ilman dislokaatioita Kiteen teoreettinen lujuus ~ E/8
Dislokaatiot mahdollistavat deformaation Kaikkien atomisidosten ei tarvitse murtua kerralla Dislokaatio etenee rakeen läpi välittäen pienen siirtymän Monta dislokaatiota => iso deformaatio 3
... mutta mikä estää dislokaatioita liikkumasta Miksei deformaatio jatku pienellä jännityksellä? X Jännitys (MPa) X Venymä (µm/m) 4
Erilliskiteessä Aluksi dislokaatiot saavat liikkua vapaasti Lopulta jännityssuunta kääntyy ja dislokaatiot vaikeuttavat toistensa liikettä Jännitys (MPa) X X X Venymä (µm/m) 5
Monikiteinen materiaali Dislokaatiot joutuvat välittömästä liikkumaan toistensa lomaan Materiaalissa jo runsaasti dislokaatiota takertuneina toisiinsa ja raerajoille Materiaaliin aiheutettu liuosatomeja, erkaumia jne. dislokaatioiden liikkeen vaikeuttamiseksi Jännitys (MPa) X Venymä (µm/m) X X 6
Siis: Dislokaatiot mahdollistavat deformaation pienellä jännityksellä Dislokaatioiden liikkeen vaatima jännitys määrittää lujuuden Vaikeuttamalla dislokaatioiden liikettä, saadaan lujutta lisättyä (samalla muodonmuutoskyky vähenee) 7
Tasapainopiirrokset
Puhtaan metallin jähmettyminen
Puhtaalla metallilla on sulamispiste Puhtailla alkuaineilla on sulamispiste: lämpötila, jossa sula ja kiinteä ovat tasapainossa energian siirtyminen => jähmeän aineen määrä jähmettyminen vapauttaa energiaa Metallit kutistuvat jähmettyessään (pl. harvat poikkeukset)
- 11
Jäähtyminen jähmettyminen - jäähtyminen Sula luovuttaa energiaa jäähtyy kiinteä tulee tasapainoon kiinteän osuus lisääntyy kokonaan kiinteä jäähtyminen voi jatkua 12
Kiteet Jähmettyminen alkaa muotin reunasta lämpötila ydintymispaikka useita kiteitä kasvaa pylväinä metalliin pylväsmäiset kiteet mudostavat sularintaman 13
Faasit Faasit ovat "läsnäolevia olomuotoja" sula vs. kiinteä eri kidemuodot eri rakenteet Saman faasin sisällä voi olla koostumuseroja 14
Faasit
Alijäähtyminen Tasapainossa ajava voima 0 Alijäähtyminen lisää ajavaa voimaa (vapautuvaa energiaa) Alijäähtyminen lisääntyy jos kiteytyminen vaikeaa jäähtyminen nopeaa 16
Joillain metalleilla useita kidemuotoja Kidemuoto vaihtuu kiinteässä tilassa Faasimuutos vapauttaa energiaa 17
Ei-puhtaat metallit Metallit liuottavat itseensä toisia metalleja epämetalleja Liukoisuus vaihtelee Korvaus- tai välisija-atomeina Seos- ja epäpuhtausaineet vaikuttavat sulamispisteeseen jähmettymiseen olomuotoihin 18
Metalliseokset Metallit liukenevat toisiinsa Liukoisuus voi olla aukoton (kaikissa suhteissa) rajallinen (eri faaseja) Monimutkaisissa seoksissa Joukko erilaisia faaseja Tasapainon mukaiset faasit riippuvat lämpötilasta ja koostumuksesta Tasapainossa yksi tai useampia faaseja 19
Tasapainopiirros
Miksi faasirakenne on tärkeä? Faasirakenne vaikuttaa merkittävästi ominaisuuksiin Faasirakenne syntyy jähmettymisessä kiinteän tilan faasimuutoksissa Faasirakennetta voidaan manipuloida Koostumuksella Lämpökäsittelyllä jne.
"Metallioppi" Metallien valmistus Valutuotetekniikka Lämpökäsittelytekniikka Seoskehitys 22
Tasapainopiirros Kuvaa termodynaamista tasapainotilaa, jota materiaali ei koskaan saavuta, lämpötilan ja koostumuksen funktiona 23
Binäärinen tasapainopiirros Kaksi alkuainetta (esim Cu-Ag, Ag-Au) Alkuaineet liukenevat toisiinsa jossain suhteessa 24
Binäärinen tasapaino, täysi liukoisuus Kiinteät faasit kreikkalaisilla aakkosilla L = sula Alkuaineilla sulamispiste Seoksilla puuroalue
Binäärinen tasapaino, täysi liukoisuus Faasin α koostumus muuttuu Yksi sula faasi, ja yksi kiinteä faasi
Jähmettymisen alkaessa 1) sula 2) jähmettyminen alkaa (jähmeä osuus 0%) 3) jähmeän osuus kasvaa 4) loppusula jähmettyy 5) jähmeän osuus 100% 27
Jähmettymisen alkaessa 1) sula 2) jähmettyminen alkaa (jähmeä osuus 0%) 3) jähmeän osuus n. 50% 4) loppusula jähmettyy 5) jähmeän osuus 100% 28
Jähmettyessä lämpötila laskee Tasapainon mukainen sulaosuus muuttuu lämpötilan mukana Puuroalue 29
Faasien koostumukset muuttuvat 1) sulan koostumus = seoksen koostumus 2) 1. kiteen koostumus viivalla => sula köyhtyy A:sta 3) jähmeän faasin ja sulan tasapainokoostumus muuttuu 4) loppusula jähmettyy 5) jähmeän osuus 100% 30
Aineeseen jää koostumusmuutoksia 1) sulan koostumus = seoksen koostumus 2) 1. kiteen koostumus viivalla => sula köyhtyy A:sta 3) jähmeän faasin ja sulan tasapainokoostumus muuttuu 4) jähmeän osuus 100% 5) jähmeän osuus 100% 31
Vipusääntö Alkuaineiden atomit jakautuvat faaseihin Faasien koostumukset tunnetaan Faasien osuudet määräytyvät vipusäännöllä 32
Tasapaino vs. tosielämä Tasapainon mukaan faasien koostumukset tasaisia Todellisuudessa koostumukset eivät ennätä tasaantua tasapainossa erilliskiteitä todellisuudessa monia kiteitä tasapainossa sulan koostumus seuraa likvidusta todellisuudessa sulan koostumus jää jälkeen kiinteiden faasien koostumus seuraa solidusta kiinteiden faasien koostumus lähes jähmettymishetken koostumus 33
Kuinka kaukana tasapainosta? Mitä nopeammin lämpötila muuttuu sitä kauempana tasapainosta ollaan pienempiä kiteitä suurempia koostumuseroja Mitä matalammassa lämpötilassa ollaan, sitä hitaampaa on diffuusio 34
Binäärinen tasapaino, ei täyttä liukoisuutta
Binäärinen tasapaino Kiinteässä tilassa koostumuksesta riippuen kahta faasia Eutektisella koostumuksella ei puuroaluetta Faasiosuudet muuttuvat koostumuksen mukana 36
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 37
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 38
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 39
40
Eutektinen piste Eutektisella koostumuksella sula jähmettyy yhdessä lämpötilassa 41
Eutektinen jähmettyminen 1) sula 2) sula jähmettyy α+β => alkuaineiden tulee jakaantua nopeasti A-valtaisen ja B-valtaisen faasin välillä 42
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 43
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 44
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 45
Dendriitit Suuri alijäähtyminen Voimakkaat koostumuserot 46
Kiinteän tilan muutokset Joillain metalleilla tasapainon mukainen faasi muuttuu lämpötilan funktiona "polymorfia" Kiinteän tilan faasimuutoksissa diffuusio on rajoitetumpaa Faasimuutoksiin liittyy tilavuusmuutoksia Faasimuutos fapauttaa energiaa 47
Rauta-hiili tasapaino 48
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 49
Perliitti 50
Esimerkkejä monimutkaisista tasapainopiirroksista Esimerkki Cu-seokset: Messingit Pronssit Hanat Laakerit Jouset 51
Cu-Zn 52
Messingit Kaupallisia messinkejä: - 5% Zn - 10% Zn - 15 % Zn - 20 % Zn - 40% (munzin metalli) 53
Cu + 20%-Zn Yksi faasi 54
Cu + 40%-Zn Kaksifaasirakenne 55
Alumiinipronssi 56
Cu + 10%-Al Jähmettyy ensin β Loppu α+β Monia faaseja tasapainossa eri koostumuksilla ja lämpötiloissa 57
Cu + 10% Al Kaksifaasirakenne Beta + eutektoidi Laakerit, hammaspyörät, korroosiokestoa vaativat kohteet 58
Lämpökäsittely
Lämpökäsittely Metallit ovat metastabiileja Lämpötilan nosto siirtää rakennetta kohti tasapainotilaa Dislokaatiotiheys pienenee Rakeet kasvavat Liukoisuus kasvaa Kontrolloidulla jäähdytyksellä saadaan tila kauemmas tasapainotilasta 60
Lämpökäsittely - työkalut Diffuusionopeus kasvaa lämpötilan noustessa Eri faasit ovat stabiileja eri lämpötiloissa Lämpötilaa kontrolloidusti nostamalla ja laskemalla voidaan muuttaa mikrorakennetta ja siten mekaanisia ominaisuuksia 61
Erkautuskarkaisu Korkeassa lämpötilassa seosaineet liuotetaan Nopealla jäähdytyksellä seosaineet jäävät liuokseen Kontrolloitu hehkutus erkauttaa paljon pieniä erkaumia
Duralumiini Seostetaan pieniä määriä kuparia Liuotetaan korkeasssa lämpötilassa Jäähdytetään nopeasti Erkautetaan hallitusti 63
Normalisointi Teräksellä raekoon pienentämiseksi 64
Normalisointi 65