Binäärinen tasapaino, ei täyttä liukoisuutta

Tasapainopiirrokset

Binäärinen tasapaino Kiinteässä tilassa koostumuksesta riippuen kahta faasia Eutektisella koostumuksella ei puuroaluetta Faasiosuudet muuttuvat koostumuksen mukana 3

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 4

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 5

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 6

Eutektinen piste Eutektisella koostumuksella sula jähmettyy yhdessä lämpötilassa 8

Eutektinen jähmettyminen 1) sula 2) sula jähmettyy α+β => alkuaineiden tulee jakaantua nopeasti A-valtaisen ja B-valtaisen faasin välillä 9

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 10

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 11

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 12

Dendriitit Suuri alijäähtyminen Voimakkaat koostumuserot 13

Kiinteän tilan muutokset Joillain metalleilla tasapainon mukainen faasi muuttuu lämpötilan funktiona "polymorfia" Kiinteän tilan faasimuutoksissa diffuusio on rajoitetumpaa Faasimuutoksiin liittyy tilavuusmuutoksia Faasimuutos fapauttaa energiaa 14

Rauta-hiili tasapaino 15

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 16

Perliitti 17

Esimerkkejä monimutkaisista tasapainopiirroksista Esimerkki Cu-seokset: Messingit Pronssit Hanat Laakerit Jouset 18

Cu-Zn 19

Messingit Kaupallisia messinkejä: - 5% Zn - 10% Zn - 15 % Zn - 20 % Zn - 40% (munzin metalli) 20

Cu + 20%-Zn Yksi faasi 21

Cu + 40%-Zn Kaksifaasirakenne 22

Alumiinipronssi 23

Cu + 10%-Al Jähmettyy ensin β β -> α Loppu β -> ɣ+α eutektoidi Monia faaseja tasapainossa eri koostumuksilla ja lämpötiloissa 24

Cu + 10% Al Kaksifaasirakenne Alfa+ eutektoidi Laakerit, hammaspyörät, korroosiokestoa vaativat kohteet 25

Faasimuutokset ja lämpökäsittelyt

Yksinkertaiset lämpökäsittelyt

Pehmeäksihehkutus Nostetaan lämpötilaa Diffuusio voi tapahtua Dislokaatiot palautuvat Materiaali pehmenee Rekristallisaatio Ei ylitetä faasirajoja

Jännityksenpoistohehkutus Nostetaan lämpötilaa Myötölujuus laskee Viruminen alkaa Jäännösjännitykset laukeavat Lujuus ei merkittävästi alene 29

Teräkset

Teräkset Tärkein konstruktiometalli Rauta-hiili -seoksia, joissa alle 2.14% hiiltä (tyypillisesti paljon vähemmän) 31

Polymorfia Ominaisuudet laajasti muokattavissa TKK -kiderakenne matalissa lämpötiloissa Suuri lujuus PKK -kiderakenne korkeissa lämpötiloissa voidaan saada stabiiliksi matalissa lämpötiloissa seostuksella 32

Rauta-hiili tasapaino 33

Teräksen rakennuspalikat Feriitti raudan stabiili kidemuoto huoneenlämpötilassa (BCC) liuottaa max 0.022% hiiltä Sementiitti Rauta-hiili yhdiste Fe3C Kova, hauras faasi Austeniitti raudan stabiili kidemuoto korkeissa lämpötioissa (FCC) liuottaa max 2.14% hiiltä pehmeä Eri mikrorakenteet kuvaavat ferriitin ja sementiitin erilaisia yhdistelmiä, joilla saavutetaan erilaisia ominaisuuksia 34

Lämpökäsittely Tavoitteena: vaikuttaa hiilen erkautumiseen kiderakenteeseen (martensiitti) Hiilen liukoisuus austeniittiin suuri Kontrolloidulla jäähdytyksellä voidaan vaikuttaa hiilen erkautumiseen 35

Ferriittis-perliittinen mikrorakenne 36

Spheroidization Pitkä hehkutus austeniittialueen alapuolella Sementiitti palloutuu Sementiittierkaumat kasvavat 39

Spheroidized 40

Ominaisuudet Pehmeä Muovattava 41

Normalisointi Teräksellä raekoon pienentämiseksi 42

Normalisointi 43

Hehkutus Normalisointi => täysi austenointi 44

Perlitointi Hehkutus austeniittialueella Hiili liukenee austeniittiin Jäähdytys => hiili erkautuu ferriitiksi ja perliitiksi 45

Ferriittis perliittinen 46

Hyper-eutektoidinen 47

Perliitti 48

Ominaisuudet Lujuus kasvaa Hiili lisää lujuutta tehokkaasti 49

Jäähtymisnopeuden vaikutus Nopeampi jäähdytys nopeus => hienompi lamellirakenne Suurempi lujuus ja sitkeys Enemmän perliittiä (?) 50

Nopealla jäähdytksellä ferriittireaktio voidaan ohittaa Poiketaan tasapainosta 51

Kuinka nopeasti? TTT-käyrät (timetransformation-temperature) CCT-käyrät (continuouscooling-transformation) 52

TTT / CCT käyrät Välttämätön lisä tasapainopiirrokseen lämpökäsittelyn tueksi Riippuvat koostumuksesta Seosaineet vaikeuttavat hajaantumista => Siirtävät hajaantumista oikealle ja alas 54

Entä jos... Jäähdytetään vielä nopeammin Hiili ei ehdi diffuusion avulla hajaantua Perliittireaktio estyy => bainiittireaktio 55

Bainiittireaktio Hajaantuminen tapahtuu mekanismilla, joka vaatii vähemmän diffuusiota Neulasmainen reaktio Hyvin hienojakoinen Hyvin luja ja sitkeä Monet paineastiateräkset 56

Bainiitti 57

Entä jos... Jäähdytetään niin nopeasti ettei bainiittireaktiokaan tapahdu => martensiittireaktio alkaa 59

Martensiitti Vaatii jatkuvaa lämpötilan alenemista Hiili jää ylikyllästeisenä ferriittiin 60

Martensiitti 61

Martensiitti Erittäin lujaa kovaa haurasta Vesisammutus Seosteräksillä öljysammutus 64

Seostuksen vaikutus 65

Seostus Vaikeuttaa hajaantumista (seosatomienkin täytyy järjestyä) Perliitti- ja bainiittialueet siirtyvät oikealle ja alas M s ja M f lämpötilat alenevat Perliittireaktio vaikeutuu enemmän kuin bainittireaktio, joka vaikeutuu enemmän kuin martensiittireaktio Martensiittireaktio tapahtuu hitaammilla jäähtymisillä (=> sammutus öljyyn jne.) 66

M f lämpötila Laskee seostuksen ja hiilipitoisuuden mukana Voi laskea alle huoneenlämpötilan => rakenteeseen jää austeniittia ("jäännösausteniitti") Pakkaskarkaisulla martensiittireaktio loppuun Martensiittireaktio voi jatkua muokkauksen johdosta => työstökarkeneminen 67

Ainepaksuuden vaikutus Jäähtyminen pinnan kautta Syvemmälle mentäessä jäähtyminen hidastuu Seostetummat teräkset ovat "syvään karkenevia" 68

Martensiitti tulee päästää Haurauden vuoksi martensiittia ei yleensä käytetä sellaisenaan Suoritetaan päästö hehkutus matalammassa lämpötilassa ylikyllästeinen hiili erkautuu lujuus pienenee, sitkeys lisääntyy mitä korkeampi päästölämpötila suurempi sitkeys pienempi lujuus 70

Päästö Matalassa lämpötilassa tetragonaalisuus vähenee Sitkeys lisääntyy Korkeassa lämpötilassa lujuus vähenee enemmän Sitkeys kasvaa 71

Nuorrutus Martensiittikarkaisu + korkea lämpötilan päästö = nuorrutus Erinomainen lujuus-sitkeys yhdistelmä Ominaisuudet muokattavissa 72

Nuorrutettu mikrorakenne 73

Martensiittikarkaisu yhteenveto Liuotushehkutus austeniittialueella hiili liukenee Nopea sammutus M f lämpötilaan kova martensiitti Päästö: hehkutus matalammassa lämpötilassa hiili erkautuu hienojakoisena matalassa lämpötilassa 74

Erkautuskarkaisu 76

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 78

Lämpötila-alueet 79

Erkautuva faasi metallien välinen yhdiste 81

84 Esimerkkejä kaupallisista seoksista