KJR-C2004 materiaalitekniikka. Harjoituskierros 2

Samankaltaiset tiedostot
Makroskooppinen approksimaatio

Metallit jaksollisessa järjestelmässä

Metallien plastinen deformaatio on dislokaatioiden liikettä

Metallien plastinen deformaatio on dislokaatioiden liikettä

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

Luento 1 Rauta-hiili tasapainopiirros Austeniitin hajaantuminen perliittimekanismilla

KJR-C2004 materiaalitekniikka. Harjoituskierros 3

Faasimuutokset ja lämpökäsittelyt

Luku 4: Hilaviat. Käsiteltäviä aiheita. Mitkä ovat jähmettymismekanismit? Millaisia virheitä kiinteissä aineissa on?

Chem-C2400 Luento 4: Kidevirheet Ville Jokinen

Dislokaatiot - pikauusinta

Raerajalujittuminen LPK / Oulun yliopisto

Vaatimukset. Rakenne. Materiaalit ja niiden ominaisuudet. Timo Kiesi

Keskinopea jäähtyminen: A => Bainiitti

Fe - Nb - C ja hienoraeteräkset

CHEM-A1410 Materiaalitieteen Perusteet Luento 3: Mekaaniset ominaisuudet Ville Jokinen

Kon Luento 12 -Säteilyhaurastuminen -Mikrorakenteen vaikutus murtumiseen -Yhteenveto -CASE: Murtumismekanismien yhteisvaikutukset

Binäärinen tasapaino, ei täyttä liukoisuutta

MEKAANINEN AINEENKOETUS

Luento 3. Millerin indeksit Kidevirheet Röntgendiffraktio Elastisuusteoria

Lapin alueen yritysten uudet teräsmateriaalit Raimo Ruoppa

Kon Rakenneaineet jännitysten ja ympäristön vaikutusten alaisina 5 op Periodit I II. Luennoitsija: Iikka Virkkunen Harjoitukset: Timo Kiesi

SISÄLTÖ 1. Veto-puristuskoe 2. Jännitys-venymäpiirros 3. Sitkeitten ja hauraitten materiaalien jännitysvenymäkäyttäytyminen

Kon Teräkset Viikkoharjoitus 1. Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikan tutkimusryhmä Koneenrakennustekniikka

Luento 5 Hiiliteräkset

Luento 2 Martensiitti- ja bainiittireaktio

Ratkaisut 3. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

Chem-C2400 Luento 3: Faasidiagrammit Ville Jokinen

Hakemisto. C CCT-käyrä... ks. S-käyrä CVD-pinnoitus...ks. kaasufaasipinnoitus

BK10A3500 Materiaalitekniikka

10. Jännitysten ja muodonmuutosten yhteys; vaurioteoriat

Luku 3: Virheetön kide

Mekaaniset ominaisuudet

RUOSTUMATTOMAT TERÄKSET

TERÄKSEN KÄYTTÄYTYMINEN ÄÄRIOLOSUHTEISSA.

Rakennesuunnittelu. Materiaali. Kudotut rakenteet. Komposiitit ALM. Functionally graded. Vaahdot

Terästen lämpökäsittelyn perusteita

Metallurgian perusteita

3. SUUNNITTELUPERUSTEET

Materiaaliryhmien taksonomia

Faasialueiden nimeäminen/tunnistaminen (eutek1sessa) tasapainopiirroksessa yleises1

Ympäristövaikutteinen murtuminen EAC

Murtumismekanismit: Väsyminen

Valetun valukappaleelle on asetettu usein erilaisia mekaanisia ominaisuuksia, joita mitataan aineenkoestuksella.

Fysikaaliset ominaisuudet

Kon Teräkset Harjoituskierros 7. Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikan tutkimusryhmä Koneenrakennustekniikka

Kon Teräkset Harjoituskierros 6.

Lovilujittuminen. Lovessa kolmiaksiaalinen jännitystila Lovessa materiaali käyttäytyy kuin se*olisi lujempi

Tuukka Yrttimaa. Vaurioituminen. Sitkeä- ja haurasmurtuma. Brittle and Ductile Fracture

Materiaaliryhmien taksonomia

KJR-C2004 materiaalitekniikka Materiaalinvalinta ja elinkaarianalyysi

Kon Harjoitus 8: Ruostumattomat teräkset. Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikka Aalto-yliopisto

Metallit

CHEM-A1410 Tulevaisuuden materiaalit, 2. luento, ominaisuuksista

Yksikkökoppi Pienin toistuva rakenne materiaalin sisällä.

CHEM-C2400 Sidoksesta Rakenteeseen. Ville Jokinen, Sami Lipponen, Orlando Rojas

PETRI KOSKELA KUPARISEN VIRRANKERÄYSNAUHAN VÄSYMISKESTÄVYYS. Diplomityö

Luku 5: Diffuusio kiinteissä aineissa

FERRIITTISET RUOSTUMATTOMAT TERÄKSET.

Kiteiden plastisuus ja dislokaatiot

Luku 3: Kiinteiden aineiden rakenne

Rauta-hiili tasapainopiirros

Luento 2. Kon Teräkset DI Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikka Aalto-yliopisto

Laatutason määrittely ja laatustandardit - Valurauta

Metallit

Kokillivalu (Permanent mold casting) Jotain valimistusmenetelmiä. Painevalu (Diecasting) Painevalu

Mak Materiaalitieteen perusteet

Teräslajit. Huom. FeP01-06 = DC01-06

Jotain valimistusmenetelmiä

Mekaaniset ominaisuudet

Ydinjätekapselin deformaatiomekanismit Projektin johtaja: Hannu Hänninen Tutkijat: Kati Savolainen ja Tapio Saukkonen

Chem-C2400 Luento 2: Kiderakenteet Ville Jokinen

SÄHKÖLEVYN MEISTON LASKENNALLINEN TARKASTELU

Polarputki kumppanina takaa korkean laadun pyöröteräsvalinnoissa Polarputki on toimittanut pyöröteräksiä suomalaisille

Ultralujien terästen hitsausmetallurgia

KJR-C2004 Materiaalitekniikka. Käytännön järjestelyt, kevät 2017

Työ 3: STAATTISET ELPYMISMEKANISMIT JA METALLIEN ISKUSITKEYS

Murtumismekaniikka III LEFM => EPFM

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet

Kon Teräkset Viikkoharjoitus 2. Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikan tutkimusryhmä Koneenrakennustekniikan laitos

Massakeskipiste Kosketusvoimat

Stalatube Oy. P u t k i k a n n a k k e e n m a s s o j e n v e r t a i l u. Laskentaraportti

3. SUUNNITTELUPERUSTEET

Sulametallurgia (Secondary steelmaking)

Tina-vismutti juotosmetallin binäärinen seos Tekijä: Lassi Vuorela Yhteystiedot:

Sähkömoottorin akseli

Ferriittiset ruostumattomat teräkset ja niiden hitsaus. May 12,

Luento 3. Kon Teräkset DI Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikka Aalto-yliopisto

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

Ratkaisut 2. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016. Tehtävä 1 Selitä käsitteet kohdissa a) ja b) sekä laske c) kohdan tehtävä.

Laskuharjoitus 2 Ratkaisut

Vapaataontapuristimien puristusvoima on 80/100, 55 ja 20 meganewtonia. Niillä voidaan takoa jopa 160 tonnin painoisia kappaleita.

Mak Sovellettu materiaalitiede

Muottiin karkaisun metallurgia

Lujat termomekaanisesti valssatut teräkset

Titaani. Titaani. Yleistä. Yleistä

Titaani. Hilarakenne Heksagoninen α- faasi 882 C saakka. Tilakeskinen β-faasi 882 C yläpuolella. Tiheys 4,54 g/cm 3. Kimmokerroin 105 kn/mm 2

Ruostumattomat teräkset luento SHY Oulun paikallisosaston 50 v. juhlaseminaarissa

Väsyminen. Amanda Grannas

TEOBAL Teollisuuden sivutuotteiden hyödyntäminen ballistisissa suojamateriaaleissa

Transkriptio:

KJR-C2004 materiaalitekniikka Harjoituskierros 2

Pienryhmäharjoitusten aiheet 1. Materiaaliominaisuudet ja tutkimusmenetelmät 2. Metallien deformaatio ja lujittamismekanismit 3. Faasimuutokset 4. Luonnos: Materiaalit ja ympäristö

Tänään ohjelmassa 1. Pari sanaa vetokokeesta 2. Metallien lujittamismenetelmät ja esitehtävän läpikäyminen 3. Ryhmätyö 2

Jännitys Jännitys Jännitys Deformaatiovaste Metallit Keraamit Polymeerit * * Venymä Venymä Venymä Metallien käyttäytyminen ainutlaatuista Käyttäytymistä voidaan muokata lukuisin keinoin

Vetokoe Määritetään materiaalin mekaanisia ominaisuuksia, kuten: kimmokerroin myötölujuus murtolujuus murtovenymä. murtokurouma Koneistettu sauva, joka altistetaan kasvavalle kuormalle, kunnes sauva katkeaa.

Insinöörijännitys-venymäkäyrä A F l l o

Myötöraja eli myötölujuus Muodonmuutos muuttuu elastisesta plastiseksi Osalla materiaaleista korostunut myötöraja - ylempi R eh ja alempi myötöraja R el Osalla ei selvää myötörajaa - määritellään venymisraja (R p0,2 ), joka tarkoittaa 0,2% plastista venymää. Myötörajan alapuolella deformaatiovastetta voidaan kuvata Hooken lailla: σ = Eσ Deformaation käynnistyminen Dislokaatioiden liike

Sitkeys Hauras materiaali (suomugrafiittivalurauta) Sitkeä materiaali (hiiliteräs) Timo Kiesi 18.9.2013 8

Metallien jännitys-venymäkäyriä

10

Kaksi perusteräslajia 600 500 400 300 200 100 - - 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 S355 rakenneteräs: Myötölujuus 325 Mpa Murtolujuus 500 Mpa Murtovenymä 22 % 1.4304 austeniittinen ruostumaton teräs Myötölujuus 380 Mpa Murtolujuus 875 Mpa Murtovenymä 55 %

Metallien lujittamismenetelmät 12

Mitä on metallien lujittaminen? Metallien lujittaminen perustuu plastisen deformaation vaikeuttamiseen Plastinen deformaatio tapahtuu dislokaatiomekanismilla Lujittaminen perustuu siis dislokaatioiden liikkeen hankaloittamiseen Dislokaatioiden liikettä voidaan hankaloittaa muokkaamalla mikrorakennetta eli viime kädessä käyttämällä apuna hilavirheitä: Liuosatomit Toiset dislokaatiot Erkaumat Sulkeumat Raerajat Faasirajat Kaksoset 13

Esitehtävästä keskustelu Muodostakaa noin 5 hengen keskusteluryhmiä Kukin jäsen on tehnyt eri aiheesta esitehtävän Kukin opiskelija kertoo kolme havaintoa omasta esitehtävästään vierustovereille. 1) Mikä hilavika oli tutkittavana? 2) Millä tasolla hilavika vaikuttaa (atomi-, kide-, mikro- vai makrotaso) 3) Millä mekanismilla hilavika vaikuttaa metallien lujuuteen? 14

Dislokaatio Plastisen deformaation välittäjämekanismi Kaksi muotoa : särmä- ja ruuvidislokaatio Yleinen tilanne on kuitenkin sekadislokaatio eli edellisten yhdistelmä Atomisidosten katkeaminen ja uudelleen muodostuminen Atomitason liukuminen hilarakenteessa Aiheuttaa hilaan vääristymiä hilaan jännityksiä 15

Mikä on liukusysteemi? Dislokaatioiden eteneminen tapahtuu liukumalla liukusysteemeissä Kaikilla atomitasoilla liukuminen ei ole mahdollista Viime harjoituksissa todettiin eri kiderakenteilla olevan erilainen deformaatiovaste PKK vs. TKK Erilainen atomien järjestys erilaiset liukusysteemit Liukusysteemi koostuu liukutasosta ja suunnasta Liukuminen tapahtuu mieluiten tiivispakkauksellisilla tasoilla 16

Dislokaation liike Dislokaation liikkeeseen tarvitaan energiaa Peierls-Nabarro -jännitys kuvaa sitä miten paljon hila vastustaa dislokaation liikettä F = de, (Peach-Koehler F = τb) τ = 1 b dx de dx τ PN = α Gb e πa c sin 2πx, 2c c jossa b on burgers-vektori, G liukukerroin, α vakio, a liukutasojen välinen etäisyys ja c atomien välinen etäisyys Lisätietoa: Meyers and Chawla, Mechanical Behavior of Materials. 17

Hilarakenne ja liukusysteemi PKK-hila, liukusysteemi & tiivispakkauksellinen taso PKK {111} <1 11> TKK-hila & liukusysteemi TKK {110} < 111> {211} < 111> {321} < 111> 18

Keskustele kaverin kanssa.. Mitä kuva esittää? Mitä yksityiskohtia kuvassa nähdään? 0,01 mm 19

Raekoon pienentäminen Rae Saman kideorientaation omaava osa mikrorakennetta Raeraja erottaa kaksi raetta, joilla on eri kideorientaatio 20

Dislokaatiot ja raerajat Liukuminen alkaa niissä kiteissä, jotka ovat edullisimmin suuntautuneet jännityssuuntaan nähden Jännityksen kasvaessa liukuminen leviää muihin liukusysteemeihin Monikiteisessä rakenteessa raekoko vaikuttaa lujuuteen 21

Raekoon vaikutus lujuuteen Dislokaatioiden liike vaikeutuu raerajoilla Rakeilla eri orientaatiot Liukutasot eivät jatku rakeesta toiseen Dislokaatiot pakkautuvat raerajoille Pieni raekoko tarkoittaa enemmän raerajoja ja suurempaa lujuutta materiaaliin 22

Lujuus vs. raekoko Messinki Teräs Hall Petch: σ y = σ 0 + kd 1 2 Myötölujuus Raekoko 23

Muokkauslujittaminen Plastinen deformaatio lisää dislokaatioiden määrää Kasvanut dislokaatiotiheys vaikeuttaa dislokaatioiden etenemistä samanmerkkiset dislokaatiot hylkivät toisiaan. Muodonmuutoskyky eli sitkeys pienenee Myötö- ja murtolujuus nousevat Kylmämuokkaus 24

Liuoslujittaminen Liuosatomit vääristävät hilaa ja synnyttävät jännityskentän ympärilleen Jännityskentät vaikeuttavat dislokaatioiden liikettä Välisija-atomien vaikutus tyypillisesti voimakkaampi kuin korvausatomien esimerkiksi hiilen lujittava vaikutus Fe-C systeemissä 25

Liuoslujittaminen Eri liuosatomien aiheuttama lujittuminen rautahilassa 26

Liuosatomien (välisija) vaikutus myötörajaan TKK-kiteessä esimerkiksi raudan -faasissa eli ferriitissä Cottrellin pilvet: 1. C ja N -atomit hakeutuvat diffuusion avulla dislokaatioiden luo 2. ankkuroivat dislokaatioita ja estävät niiden etenemistä. 3. vapautumisen jälkeen dislokaation eteneminen tapahtuu kriittistä jännitystä matalammalla jännityksellä. 27

Kaksostuminen Plastinen deformaatio voi tapahtua myös kaksostumismekanismilla Kaksostumista tapahtuu, jos liukumiselle ei ole edellytyksiä Rakenteessa vähän aktiivisia liukusysteemejä, esim. TKK ja TPH-hila Jos dislokaation liike on estynyt muusta syystä. Leikkausjännityksen vuoksi atomitasot leikkautuvat symmetrisesti kaksostumistason suhteen. 28

Pinousvika Tasapainon mukainen pinousjärjestys häiriintynyt Esim. PKK-rakenteen seassa esiintyvä TPH-pinousvika Pinousvika vaikeuttaa dislokaatioiden liikettä Liukusysteemistä tulee epäjatkuva 29

Mikrorakenne Koostuu useista kiteistä Kiteitä erottavat rae- tai faasirajat Moni mikrorakenne on useamman faasin muodostama kokonaisuus Faasit voivat olla jakautuneet monella tavalla rakenteessa Mikrorakennetta tutkitaan esimerkiksi mikroskopialla Toinen faasi Skemaattinen mikrorakenne 30

Faasirajat Faasi on homogeeninen osa rakennetta, jolla on samat fysikaaliset ja mekaaniset ominaisuudet Dislokaation liike faasirajan yli hankalampaa kuin raerajan Hyvä esimerkki sementiitti [1] teräksessä Asiaa käsitellään faasimuutos-harjoituksessa Kaksifaasinen duplex-ruostumaton teräs (vuorotteleva PKK ja TKK - kiteinen rakenne) [1] Sementiitti on hiilen ja raudan kemiallinen yhdiste (Fe 3 C), jolla on suuri merkitys hiiliterästen metallurgiassa. Kyseessä ei siis ole sementti! 31

Erkaumat ja dispersiolujittuminen Kantamatriisin sekaan synnytetään tarkoituksella erittäin pienikokoisia ja tasaisesti jakautuneita partikkeleita, erkaumia. Toimivat esteenä dislokaation liikkeelle. 32

Mikrorakenne Mikrorakenne on kaikkien vapaaenergiaa lisäävien "virheiden" summa Hilaviat Dislokaatiot Raerajat Faasirajat Ei-tasapainon mukaiset faasit Mikrorakenne vaikuttaa materiaalin fysikaalisiin sekä etenkin mekaanisiin ominaisuuksiin 33

Seuraavalla kerralla: Faasimuutokset Mikrorakenne riippuu faasien lukumäärästä, koostumuksesta ja jakautumisesta Mikrorakennetta voidaan muokata seostuksella, muokkaamisella ja lämpökäsittelyillä Materiaalin mikrorakenne vaikuttaa sen mekaanisiin ominaisuuksiin Tasapainopiirrosten avulla voidaan esimerkiksi suunnitella seostuksia ja lämpökäsittelyitä, joiden avulla saavutetaan halutut mikrorakenteet Ominaisuudet 34

Yhteenveto Plastinen deformaatio välittyy pääsääntöisesti dislokaatioiden liikkeellä Metallien lujittaminen perustuu plastisen deformaation vaikeuttamiseen Dislokaatioiden liikkeen hankaloittamiseen Mekanismeja neljä: 1. Muokkauslujittaminen 2. Raekoon pienentäminen 3. Liuoslujittaminen (välisija- ja korvaustomit) 4. Faasirakenteen aiheuttama lujittuminen: faasirajat ja erkaumarakenteet Lujittamismekanismeja sovelletaan käytäntöön muokkaus- ja lämpökäsittelyissä 35