Kon-67.3110 Teräkset Viikkoharjoitus 2. Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikan tutkimusryhmä Koneenrakennustekniikan laitos
Luennolta: Perustieto eri ilmiöistä Kirjoista: Syventävä tieto eri ilmiöistä Rauta-hiili - tasapainopiirros S-käyrät Karkenevuus ja Jominy-koe Lämpökäsittelyjen suunnittelu ja tulosten arviointi Perusteet: III-periodi Soveltaminen: IV-periodi Timo Kiesi, 1.3.2012 2
Viikkoharjoitus #2 - Kysymykset Mitä ovat S-käyrät? Miten S-käyriä luetaan? Miten S-käyrien avulla arvioidaan austeniitin hajoamisen aikana syntyviä rakenteita? Miten S-käyriä voidaan käyttää apuna lämpökäsittelyjen suunnittelussa? 3
Pistari 25.1 Luennolla N KA Kyllä 10 9,6 Ei 2 8,5 Pistari 1.2 Luennolla N KA Kyllä 6 14,1 Ei 5 11,4 4
5
Eutektoidisen teräksen TTT-piirros Peliittireaktio alkaa A 1 Karkealamellinen perliitti Hienolamellinen perliitti Perliittireaktio loppuu Bainiittireaktio alkaa Yläbainiitti Bainiittireaktio loppuu Alabainiitti Martensiitti Start M s Martensiitti Finish, Huom: lämpötila on tällä seoksella (0,76 %C) alle huoneenlämpötilan M f 6
Alieutektoidisen teräksen TTTkuvaaja A 3 Austeniitti A 1 Merkittävimmät erot: 1. Esieutektoidinen ferriitti 2. M s -lämpötila korkeammassa lämpötilassa (Esieutektoidinen) Ferriitti M s M f +Fe 3 C Martensiitti Perliitti Bainiitti 1 10 100 1000 7
B s ja M s lämpötilojen laskenta. Seosterästen M s ja B s -lämpötilojen laskentaan on olemassa seuraavat kaavat: M B s s C 539 423 % C 30,4 % Mn 17,7 % Ni 12,1 % Cr 7,5 % Mo C 830 270 % C 90 % Mn 37 % Ni 70 % Cr 83 % Mo Huomaa, että kaavat soveltuvat matalaseosteisille teräksille. Korkeasti seostetuilla laaduille ja hiiliteräksille käytetään eri kaavoja. 8
Seosaineet teräksessä Kuva: Hitsaustekniikan materiaalioppi, SHY ry
Seosaineet ja TTT-kuvaajat %C nostetaan 0,45 0,5 %Cr nostetaan 0 1,0 %Mo nostetaan 0 0,2 1. Sekä perliitti- että bainiittireaktio alkavat hitaammin. 2. Bainiittileuka erottuu omaksi kaarekseen 3. M s lämpötila matalammaksi C45-teräs (vähän seostettu) 50CrMo4-teräs (enemmän seostettu) Timo Kiesi, 1.3.2012 10
Seosaineiden vaikutus muutoksessa Timo Kiesi, 1.3.2012 11
Austenitoituminen Lämpökäsittely aloitetaan yleensä aina austenitoinnilla Terästä hehkutetaan austeniittialueella, kunnes mikrorakenne muuttuu austeniittiseksi. Tavoitteena homogeeninen austeniittirakenne. Tapahtuu peritektoidinen reaktio: α + Fe 3 C γ Austeniittikide syntyy ja kasvaa ferriitistä ja sementiitistä. Lämpötilasta riippuva reaktio Korotettu lämpötila nopeuttaa homogeenisen austeniitin syntymistä. Karbidien liukeneminen austeniittiin nopeutuu lämpötilan noustessa. Liian korkean hehkutuslämpötilan vaarana austeniittirakeiden kasvu. Raerajoihin sitoutunut pintaenergia pyrkii pienemään. Liian suuri perinnäisen austeniitin raekoko tekee rakenteen hauraaksi. ( Fe3C ) suurempi raekoko 2.2.2016 12
Austenitointipiirros 2.2.2016 13
Austenitointilämpötila aliautektoidisille teräksille A3 + 30 50 C 14
Selvitä oheisen TTT-piirroksen avulla, mitä mikrorakennemuutoksia tapahtuu, kun SAE 1078 teräs siirretään austenitointihehkutuksesta isotermiseen hehkutukseen 600 C:een 10 minuutin ajaksi ja annetaan tämän jälkeen jäähtyä ilmassa huoneenlämpötilaan. 15
SAE 1078 -teräksen TTT-piirros 1. Alussa austeniittia (hehkutus n. 770 o C). 2. Noin 1 s alkaa muodostua perliittiä. 3. Noin 3 s perliitin muodostuminen päättyy. 4. Syntyvä rakenne perliittinen. 5. Ilmajäähdytyksessä ei tapahdu mikrorakennemuutoksia. 16
SAE 1078 -teräksen CCT -piirros 1. Alussa austeniittia (hehkutus n. 770 o C). 2. Jäähtymiseen kuluu aikaa noin 2000 s. 3. Noin 1 min kohdalla leikataan ferriitin muodostumisen alku- ja loppuraja, muodostuu 10 % ferriittiä. 4. Ferriitin jälkeen syntyy perliittiä, jonka päättymisraja leikataan noin 100 s kohdalla. 5. Rakenne ferriittisperliittinen (10/90). 6. Kovuus noin 245 HV 17
Ohessa on 34Cr4 -teräksen TTT -piirros. Selvitä sen avulla, miten suorittaisit isotermisen hehkutuksen, jonka lopputuloksena on täysin ferriittis-perliittinen mikrorakenne. Entä miten suorittaisit hehkutuksen, jonka tuloksena halutaan bainiittinen mikrorakenne? 18
34Cr4 -teräksen TTT-kuvaaja Alussa austenitointihehkutus (n. 860 o C) => rakenne austeniittia. Isoterminen perlitointi: siirretään 650 C lämpötilaan ja hehkutetaan vähintään 200 s. Hehkutusaikaa valittaessa tulee varmistaa, että perliittireaktio ehtii tapahtua myös kappaleen sisäosissa (TTT-kuvaajat on laadittu hyvin ohuilla koekappaleilla). Liian nopeasti aloitettu jäähdytys saattaa aiheuttaa sen, että sisäosat ovat vielä muuttumatta ja jäähtymisen aikana muuttuvat perliitin sijasta bainiitiksi. Isoterminen bainitointi: siirretään 475 C lämpötilaan, jossa hehkutetaan vähintään 10 minuuttia, ilmajäähdytys. Jäähdytyksessä tulee varmistaa, että myös kappaleen sisäosat jäähtyvät riittävän nopeasti ohi perliittinenän. 19
Käytä apuna alla olevaa CCT-kuvaajaa. 34Cr4 teräs jäähdytetään 800 C:sta huoneenlämpötilaan. Mikä tulee jäähtymisnopeuden olla, jotta mikrorakenne olisi: 100% martensiittiä. bainiittinen. ferriittis-perliittinen. 20
34Cr4 -teräksen CCT -kuvaaja Alussa austenitointihehkutus (n. 860 o C) => rakenne austeniittia. Martensiittinen rakenne (sininen käyrä): Jäähtymisnopeus yli kriittisen jäähtymisnopeuden. Ferriittis-perliittinen rakenne (punainen käyrä): Jäähtymisnopeus enintään 0,4 C/s. 21 Täysin bainiittista rakennetta ei voida saavuttaa jatkuvalla jäähtymisellä. Suurin bainiittipitoisuus syntyy jäähtymisnopeudella 1,3 C/s (vihreä käyrä), jolloin rakenne on 5% ferriittiä 75% bainiittia 10% martensiittia.
34CrNiMo6 -teräksen TTT-kuvaaja Alussa austenitointihehkutus (n. 850 o C) => rakenne austeniittia. Isoterminen perlitointi: siirretään 650 C lämpötilaan ja hehkutetaan noin 10 h. Liian nopeasti lopetettu hehkutus saattaa aiheuttaa sen, että sisäosat ovat vielä muuttumatta ja jäähtymisen aikana muuttuvat perliitin sijasta bainiitiksi. Isoterminen bainitointi: siirretään 450 C lämpötilaan, jossa hehkutetaan riittävästi, ilmajäähdytys. 22
34CrNiMo6 -teräksen CCT -kuvaaja Alussa austenitointihehkutus (n. 850 o C) => rakenne austeniittia. Martensiittinen rakenne sininen käyrä Jäähtymisnopeus yli kriittisen jäähtymisnopeuden. Ferriittis-perliittinen rakenne: punainen käyrä Jäähtymisnopeus? Bainiittinen rakenne: vihreä käyrä Jäähtymisnopeus? 23
Yhteenveto TTT ja CCT kuvaajien avulla voidaan arvioida austeniitin hajoamisessa syntyviä rakenteita. TTT ja CCT kuvaajat ovat lämpökäsittelyjen suunnittelun perustyökaluja. Mikäli kuvaajaa ei ole saatavilla, voidaan samankaltaisen teräksen piirroksia käyttää suuntaa antavana apuna. 24
Seuraavalla kerralla Karkenevuus Jominy-koe Kierroksella 3 on pakollinen palautustehtävä, joka annetaan viikkoharjoituksessa. 25