Luento 1 Rauta-hiili tasapainopiirros Austeniitin hajaantuminen perliittimekanismilla

Vapaa energia ja tasapainopiirros

Allotropia - Metalli omaksuu eri lämpötiloissa eri kidemuotoja. - Faasien vapaat energiat pienenevät lämpötilan kohotessa. - Kun allotrooppinen muutospiste ohitetaan, muutos tapahtuu reversiibelisti. - Allotrooppisen muutoksen ajava voima perustuu eri kidemuotojen vapaiden energioiden erotukseen.

Raudan polymorfia - Raudan kaksi allotrooppista muotoa ovat -Fe eli ferriitti, jonka kiderakenne on tilakeskinen kuutiollinen (tkk) ja -Fe eli austeniitti, jonka kiderakenne on pintakeskinen kuutiollinen (pkk). - Kidemuotoihin liittyvät vapaat energiat riippuvat lämpötilasta siten, että pkkrakenteen vapaa energia on pienempi välillä A 3 A 4.

Raudan polymorfia - Raudan allotropia liittyy myös sen seoksiin. - Seosaineet voidaan ryhmitellä kahteen luokkaan sen mukaan, miten ne vaikuttavat allotrooppisiin muutospisteisiin A 3 ja A 4. - Sellaiset seosaineet, jotka liukenevat ferriittiin laajentavat ferriitin stabiilisuusaluetta ja päinvastoin.

Raudan polymorfia - Eri faasien stabiilisuusalue laajenee seosaineiden pitoisuuden kasvaessa. - Ferriittiä stabiloivat seosaineet (Cr, W, V, Mo, Si, P ja Al) voivat tehdä ferriitin stabiiliksi faasiksi sulamispisteeseen asti (esim. ferriittiset ruost. teräkset). Näistä Cr, Mo, V ja Mo on sama kidemuoto kuin -Fe:lla. - Austeniittia stabiloivat seosaineet (C, N, Ni, Mn, Cu, Co, ja Zn), joista useiden kiderakenne on pkk, laajentavat austeniitin stabiilisuusaluetta huoneen lämpötilaan ja aina 0 K asti.

Binäärinen systeemi Fe-Fe 3 C - Tasapainon vallitessa tässä systeemissä esiintyy austeniitin ja ferriitin lisäksi grafiitti. - Todennäköisyys grafiitin muodostumiseen matalilla C-pitoisuuksilla on olematon, joten rauta ja hiili muodostavat metastabiilin faasin, Fe 3 C karbidin (sementiitti). - Grafiitin muodostusta edistää korkea C-pitoisuus ja hidas jäähtymisnopeus.

Binäärinen Fe-C tasapainopiirros

Binääristen Fe-C ja Fe-N tasapainopiirrosten vertailu

Ferriittinen ja austeniittinen mikrorakenne

Spesifinen atomitilavuus austeniitissa ja ferriitissä

Ferriitin välisijat

Ferriitin ja austeniitin välisijat

Välisijat ferriitissä ja austeniitissa

Välisijojen koko ferriitissä ja austeniitissa

Välisija-atomien koko ja hiilen ja typen liukoisuus ferriittiin ja austeniittiin

Alkuaineineiden diffuusio ferriitissä ja austeniitissa

Raudan ja terästen lujittaminen

Liukusysteemit ferriitissä ja austeniitissa

Liukujännityksen lämpötilariippuvuus ferriitissä

Korostunut myötöraja ferriitissä

Myötövanheneminen ferriitissä - Välisija-atomeilla, kuten C ja N, on voimakas vuorovaikutus dislokaatioiden jännityskentän kanssa. - Tämä johtaa välisija-atomien konsentroitumiseen dislokaatioviivojen ympärille ns. Cottrellin pilviin. - Sidosenergia C atomin ja dislokaation välillä raudassa on n. 0,5 ev. Siksi C atomit voivat lukita dislokaation ja nostaa liukujännitystä. - Hyvin pieni pitoisuus riittää lukitsemaan dislokaatiot, esim. 10 8 disl. viivan per cm 2 lukitsemiseen hehkutetussa raudassa tarvitaan vain 10-6 p.-% C. - Myötövanheneminen ja korostunut myötöraja selittyy vapaiden C ja N atomien ja dislokaatioiden välisellä vuorovaikutuksella.

Myötövanheneminen hiiliteräksessä - Dynaamisessa myötövanhenemissa esiintyy epäjatkuvasti korostunut myötöraja ja syntyy porrasmainen (serrated) jännitys-venymäkäyrä. - Tämä tapahtuu lämpötiloissa, joissa välisija-atomit voivat diffuntoitua deformaation aikana. - Tällöin teräksen sitkeys on matala; sinihauraus, myötövanheneminen, jne.

Ferriitin liuoslujittaminen - Si ja Mo ovat tehokkaita ferriitin lujittajia, mutta V taas on heikko. Muita tehokkaita atomeja ovat P, Mn, Cu, Ni. - Korvausatomien lujittava vaikutus on sitä suurempi mitä suurempi on atomikokoero ja kimmomodulien ero. - Liuoslujittamisen vaikutus yhdistyy kaikkiin muihin lujittamismekanismeihin, kuten raekoko ja erkautuslujittaminen.

Raekoon lujittava vaikutus - Raekoon lujittava vaikutus perustuu siihen että dislokaatiolähde toimii rakeen sisällä ja syntyneet uudet dislokaatiot kasautuvat raerajoja vasten (pile-up). - Dislokaatioruuhka aiheuttaa jännityksen nousun naapurirakeissa, joissa uudet dislokaatiolähteet alkavat toimia, kun kriittinen jännitys ylittyy. - Näin myötäminen etenee rakeesta toiseen. - Raekoko määrää kunkin dislokaation kulkeman matkan ja kuinka paljon dislokaatioita voi kasautua raerajaa vasten. - Mitä suurempi raekoko sitä helpompaa on deformaatio.

Binäärinen Fe-C tasapainopiirros

Hiiliterästen mikrorakenteita

Perliitin mikrorakenteita

Hiiliteräksen ja valuraudan mikrorakenteita

Valuraudan mikrorakenteita

Valkean valuraudan mikrorakenne

Harmaan valuraudan mikrorakenne

Teräksen mikrorakenteen erikoisnimityksiä

Austeniitin hajaantuminen perliittimekanismilla

Esieutektoidista Widmannstätten ferriittiä perliittipohjalla

Esieutektoidista Widmannstätten ferriittiä ja sementiittiä perliittipohjalla

Austeniitti-ferriitti orientaatiosuhde

Perliittireaktion mekanismi

Perliitin orientaatiosuhteet

Perliitin lamellietäisyys ja perliitin lujuus

C-Mn terästen lujuus ja perliitin (hiilen) vaikutus iskusitkeyteen